2 КПД и электрическая прочность линии передачи. Согласование Линии передачи с нагрузкой

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про кпд линии передачи, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое кпд линии передачи, электрическая прочность линии передачи, согласование линии передачи с нагрузкой, линии передачи и стоячие волны , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

2.1. КПД и электрическая прочность линии передачи

Рассмотрим реальную линию передачи (см. рис. 2.1), для которой выполняются соотношения

Тогда

Мощность, сосредоточенная любом сечении линии передачи, определяется формулой

Мощность в нагрузке линии передачи

Мощность на входе линии передачи

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение PHк PВХи может быть записан на основании(2.3) и (2.4) в виде формулы

При КПД при КБВ<1 определяется по формуле

где .

Онлайн демонстрация и симуляция работы Несогласованные линии передачи (импульсные):

Открыть на весь экран Несогласованные линии передачи (импульсные)

Онлайн демонстрация и симуляция работы Согласование импеданса (L-образное сечение):

Открыть на весь экран Согласование импеданса (L-образное сечение)

Если в линии передачи имеются небольшие потери, то графики распределения напряжения, входного сопротивления и т.п. становятся «квазипериодическими» (почти периодическими), так как модулькоэффициента отражения слабо уменьшается при удалении от нагрузки и колебательность графиков также уменьшается. В этом случае для построения графиков распределения сопротивленияможно пользоваться формулами (1.16) и (1.17), полагая в них

Энергетическая прочность линии передачи определяется исходя из условия

2.2. Принципы согласования линии передачи с нагрузкой

Под согласованием понимается обеспечение в линии передачи режима бегущей волны путем включения в линии передачи между нагрузкой и генератором чисто реактивного согласующего четырехполюсника(СЧП), который трансформирует нагрузку в не отражающую (согласованную).

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражениеот нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузкидо согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

• - увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
• - увеличение электрической прочности линии;
• - увеличение КПД линии;
• - устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.

Влияние согласования на КПД линии рассмотрено выше. Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения Гн.

Способы узкополосного согласования. Узкой принято считать полосу частот, составляющую единицы процентов от средней частоты. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования KCВ<= KCВдоп . Типичный график зависимости КСВ

тракта от частоты представлен на рис. 2.1. Конкретное значение KCВljп определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02...2.

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства: четвертьволновый трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Такие согласующие устройства используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

Рис. 2.1 — Зависимость КСВ тракта от частоты

Четвертьволновый трансформатор. Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением , включенным в разрыв основной линии передачи. Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2 — Четвертьволновый трансформатор

Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид

Полагаем , тогда

В случае комплексной нагрузки четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии x0, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения и его волновое сопротивление определяется из соотношения

где x0— координата первого максимума или минимума амплитуды напряжения со стороны нагрузки.

В максимумах напряжения , поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление . В минимумах напряжения , поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения

Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.

Последовательный шлейф. Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной , с волновым сопротивлением , который включается в разрыв одного из проводов линии (рис. 2.3).

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа

Рис. 2.3 — Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

Найдем из условия согласования линии в сечении . В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа включено последовательно с сопротивлением линии . Сумма этих сопротивления должна быть равна волновому сопротивлению линии передачи. Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

Из соотношений (2.8) следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует подбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии вместе включения шлейфа.

Недостаток такого способа согласования состоит в том, что при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

Параллельный согласующий шлейф. Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рис. 2.4.

l 0

Рис. 2.4 — Согласующий параллельный короткозамкнутый шлейф

шлейфа в линию передачи и длины шлейфа l_Ш . Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

Параллельный шлейф нужно включать в таком сечении линии, в котором активная часть входной проводимости линии равна волновой проводимости, а длину шлейфа следует выбирать так, чтобы его реактивная проводимость компенсировала реактивную часть входной проводимости линии.

Недостатки параллельного шлейфа такие же, как и у последовательного: при изменении нагрузки изменяются длина шлейфа и место его включения в линию. В экранированных линиях менять место включения шлейфа конструктивно неудобно. Поэтому в качестве согласующего устройства применяют два и три последовательных или параллельных шлейфов. Однако в двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии.

Способы широкополосного согласования.

На практике применяются сочленения и элементы тракта, предназначенные для работы в относительном диапазоне частот 10% и более. Такой диапазон частот принято называть широким, а устройства, работающие в таком диапазоне частот, — широкополосными. В технических требованиях к этим устройствам указывается диапазон частот и допустимое рассогласование KCВ KCВдоп в этом диапазоне частот. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Задача широкополосного

согласования возникает, например, при необходимости стыковки линий передачи с различными размерами или формами поперечных сечений, а также при работе тракта с широкополосными сигналами, например, линейно-частотно-модулированными или шумоподобными.

Основными широкополосными согласующими устройствами являются:

• широкополосные частотные компенсаторы;
• ступенчатые трансформаторы;
• плавные переходы или неоднородные линии.

Рассмотрим принцип работы каждого из этих устройств.

Принцип частотной компенсации состоит во взаимной компенсации частотных изменений сопротивления нагрузки и согласующих элементов. Его можно осуществить за счет подбора необходимого закона частотного изменения сопротивления согласующих элементов. Рассмотрим широкополосное согласование комплексных сопротивлений с помощью одного шлейфа (рис. 2.5, а).

1

Предположим, что график проводимости согласуемой нагрузки имеет вид, изображенный на рис. 2.5, б. На этом же рисунке представлен график входной реактивной проводимости согласующего шлейфа B_Ш , (рис. 2.5, в), включенного по схеме рис. 2.5, а. Наклон кривой B_Ш подобран примерно равным наклону кривой B_H с обратным знаком. Поэтому суммарная реактивная проводимость B_H + B_Ш уменьшается и меньше изменяется с частотой, чем реактивная проводимость нагрузки. Входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа определяется соотношением

Отсюда можно определить входную проводимость шунта

Рис. 2.5 — Согласование в полосе частот с помощью одного шлейфа: а) схема согласующего устройства; б) графики проводимости нагрузки и шлейфа

Онлайн демонстрация и симуляция работы Согласование импеданса (шунтирующий шунт):

Открыть на весь экран Согласование импеданса (шунтирующий шунт)

Таким образом, подбором величины волнового сопротивления шлейфа и его длины можно изменять наклон кривой B_Ш и полосу частот, в которой реактивная проводимость изменяется в допустимых пределах.

Активная составляющая проводимости нагрузки при необходимости может быть согласована с помощью четвертьволнового трансформатора.

Ступенчатые трансформаторы применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Например, согласование при сочленении двух линий передачи с различными волновыми сопротивлениями достигается с помощью промежуточного нерегулярного отрезка линии, называемого трансформатором или переходом. Ступенчатые трансформаторы представляют собой каскадное включение отрезков линий передачи с различными волновыми сопротивлениями, но имеющими одинаковую длину. Волновые сопротивления соседних ступенек отличаются на небольшую величину, и отражения от них невелики. Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдется хотя бы пара ступенек, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания. Структура трансформатора определяется числом ступенек n , длиной ступеньки li и отношением волновых сопротивлений соседних ступенек.

Свойства трансформатора описываются его частотной характеристикой, которая представляет собой зависимость рабочего затухания L от частоты. Под рабочим затуханием понимают величину

где P_ВХи P_ВЫХ — мощность на входе и выходе трансформатора соответственно. Затухание в трансформаторе определяется отражениями от его входа в полосе частот. При этом в качестве аргумента функции рабочего затухания L берут величину . Поэтому частотная характеристика трансформатора представляет собой зависимость рабочего затухания L от электрической длины ступеньки.

Рис. 2.6 — Двухступенчатый трансформатор

Волновое сопротивление отрезков двухступенчатого трансформатора (см. рис. 4.6) определяется соотношениями:

В большинстве случаев определение структуры трансформатора по заданным полосе частот и допустимому рассогласованию KCВп является задачей синтеза согласующего устройства.

Плавные переходы используются также для согласования активных нагрузок и могут рассматриваться как предельный случай ступенчатого перехода при увеличении числа ступенек n до бесконечности и неизменной длине перехода. Частотные характеристики плавных переходов непериодические. Наиболее часто употребляются на практике экспоненциальный переход, чебышевский переход и вероятностный переход, являющийся предельным случаем ступенчатого перехода с максимально плоской характеристикой.

Плавный переход, по существу, является нерегулярной двухпроводной линией передачи, в которой погонные параметры и волновое сопротивление — функции продольной координаты(рис. 2.7).

Рис. 2.7 — Плавный переход в виде экспоненциальной линии

При этом эквивалентная схема элементарного участка такой линии длиной dx имеет вид, как и для регулярной линии (см. рис. 1.8). Поэтому остаются справедливыми телеграфные уравнения (1.8). Можно показать, что волновое сопротивление в такой линии изменяется по экспоненциальному закону:

где — волновое сопротивление в начале линии; b — коэффициент, определяющий

скорость изменения волнового сопротивления вдоль линии. Подбирая значения и b,

можно обеспечить широкополосное согласование. Эффективность согласования зависит от скорости изменения волнового сопротивления вдоль линии. Чем медленнее изменяется , тем шире полоса согласования и больше длина перехода.

Недостатком плавных экспоненциальных переходов является их большая длина при значительных перепадах волнового сопротивления. Например, при и допуске на рассогласование длина перехода . При этом длина оптимального чебышевского перехода в 3 ... 4 раза меньше.

Среди плавных переходов при одинаковых перепадах волновых сопротивлений, нижней граничной частоте и допуске на рассогласование наименьшую длину имеют чебышевские переходы.

Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. При повышенных требованиях к электрической точности плавный переход предпочтительнее ступенчатого. Снижение электрической прочности последнего объясняется концентрацией электромагнитного поля в местах стыков отдельных ступенек.

линии передачи и стоячие волны

Линии передачи по своим параметрам аналогичны колебательным контурам, но в отличие от них параметры линии передачи (L - индуктивность проводников, C- емкость между проводниками, R - активное сопротивление проводников, G- проводимость диэлектрика линии) не являются сосредоточенными, а равномерно распределены по всей длине линии. Параметры L и С характеризуют резонансные свойства линии, а параметры R и G характеризуют потери (затухание) в ней.

Онлайн демонстрация и симуляция работы Несогласованные линии передачи (стоячая волна):

Открыть на весь экран Несогласованные линии передачи (стоячая волна)

В зависимости от характера и величины сопротивления нагрузки линии, линия передачи может работать в режимах бегущей волны, стоячей волны или в смешанном режиме.

Режим бегущей волны возникает, когда сопротивление нагрузки Zn и волновое сопротивление линии Zo равны и отражения от конца линии не возникает.

Стоячие волны возникают в линии передачи, если ее волновое сопротивление Zo не равно сопротивлению нагрузки Zn. Рассмотрим сначала предельные ситуации в линии передачи, когда линия разомкнута либо замкнута накоротко.

Если линия на конце замкнута накоротко (Zn =0) или разомкнута ( Zn = бесконечности), то вся поступающая энергия отражается от конца линии и возвращается ко входу.

Рассмотрим случай, когда линия разомкнута на конце, т. е. когда нагрузочное сопротивление бесконечно велико. Бегущая волна, дойдя до конца разомкнутой линии, отражается и двигается обратно к генератору. Таким образом, в линии распространяются две бегущие волны: одна — падающая — движется от генератора к концу линии, а другая — отраженная — движется в обратном направлении. В результате взаимодействия падающих и отраженных волн в линии образуются стоячие волны. Эти волны проявляются наличием в линии максимумов (пучностей) напряжения и тока, а также их нулевых значений (узлов), сдвинутых по фазе относительно друг друга.

На рис.1 показано сложение падающей и отраженной волн напряжения, для некоторого момента времени, в разомкнутой линии.

Рис.1 - Сложение падающей и отраженных волн

Здесь П1, П2 – пучности напряжения, У1, У2 – узлы напряжения, Х- любая точка волны на расстоянии Х от конца линии.

Аналогично получается график и для стоячей волны тока, но пучности тока в ней сдвинуты на 90* относительно пучностей напряжения.

Значения напряжения стоячей волны в каждой точке Х от конца линии определяется уравнением: u =2Um Cos 2πx/λ Cos ωt. И соответственно для волны тока:

i = 2Im Sin2πx/λ Sin ωt. Здесь Um, Im - амплитуды напряжения и тока бегущей либо отраженной волны. Эти уравнения называют уравнениями стоячей волны.

Из этих уравнений видно, что в каждой точке стоячей волны и напряжения, и тока происходят колебания и напряжения, и тока той же частоты, что и в падающих и отраженных волнах.

Причем, если зафиксировать некоторую точку, которая имеет координату Х, то для значения напряжения или тока в этой точке получим уравнение колебания амплитуды напряжения или тока: Ux = |2Um Cos 2πx/λ|; Ix =|2 Im Sin2πx/λ|.

Отсюда видно, амплитуда напряжения и тока стоячей волны зависит от координаты Х. Знак модуля означает, что значение амплитуды – всегда положительно.

Как возникает стоячая волна и что она из себя представляет, можно наглядно проследить кликнув по картинке:

Стоячая волна (черная линия ), возникает в результате сложения двух волн, падающей и отраженной (красная и синяя линии), распространяющихся во встречных направлениях. Красные точки обозначают узлы — точки или области в пространстве, в которых амплитуда колебательного процесса минимальна и равна разности амплитуд падающей и отраженной волн (амплитуда стоячей волны в узлах равна нулю). Посередине между каждой парой соседних узлов располагается пучность — точка или область в пространстве, в которой амплитуда стоячей волны максимальна и равна сумме амплитуд падающей и отраженной волн. Фаза колебательного процесса стоячей волны при переходе через узел меняется на 180°.

Характер распределения напряжения или тока вдоль линии при стоячей волне не изменяется с течением времени. В разные моменты времени изменяется только величина напряжения или тока в каждой точке линии.

На рис.2 показано распределение напряжения вдоль разомкнутой линии для нескольких различных моментов времени на протяжении нескольких полупериодов.

Рис.2 - Распределение напряжения вдоль линии при стоячей волне для разных моментов

времени (П – пучности напряжения , У - узлы напряжения).

Кривая 1 соответствует фазе, когда напряжение в линии наибольшее. Далее напряжение становится все меньше и меньше (кривые 2 и 3). Затем напряжение во всей линии становится равным нулю (прямая 4). Затем оно меняет знак и начинает возрастать (кривые 5 и 6). Через полпериода после начала процесса напряжение снова достигает амплитудного значения (кривая 7), но с обратным знаком. В каждой точке Х линии напряжение колеблется по синусоидальному закону, причем мгновенные значения напряжения этого колебания (амплитуды для этих точек) для разных точек различны. Для пучностей амплитуда наибольшая, равная двойной амплитуде бегущей волны, для других точек она меньше, и, наконец, для узлов она равна нулю.
Все сказанное относится и к току. Но в стоячей волне узлы тока получаются там, где пучности напряжения, а пучности тока находятся в узлах напряжения. Иначе говоря, стоячая волна тока сдвинута на 1/4(&-лямбда) или 90 градусов относительно стоячей волны напряжения. Графически это изображено на рис.3 двумя кривыми. Кривая тока дана сплошной линией, а кривая напряжения — штрихом.

Рис.3 - Изображение стоячих волн тока и напряжения в линии

Амплитуда напряжения в пучности Uпуч, равная двойной амплитуде напряжения бегущей волны 2Um, а амплитуда тока в пучности Iпуч, равна двойному значению амплитуды тока бегущей волны 2Im. Отношение этих величин есть волновое сопротивление Zo линии:

Так как амплитуды напряжения и тока в стоячей волне величины положительные, на графиках часто их откладывают в положительной области. На рис.4 представлены графики распределения напряжения и тока стоячих волн в короткозамкнутой линии (рис.4а) и разомкнутой линии (рис.4б)

В каждом случае сопротивление, как в каждой точке линии, так и на ее концах, определяется отношением напряжения к току – U/I. Вследствие разности фаз между током и напряжением, линия передачи характеризуется не только активным сопротивлением, но и реактивным, которое может быть индуктивным (XL) или емкостным ( Xc) в зависимости от знака фазового сдвига .

Сдвиг фаз на 90° между током и напряжением при стоячей волне показывает, что в линии происходит колебание энергии, сходное с колебательным процессом в замкнутом контуре. Когда напряжение в линии наибольшее, а ток равен нулю, то вся энергия сосредоточена в электрическом поле. Через четверть периода напряжение равно нулю, а ток имеет наибольшее значение и вся энергия сосредоточена в магнитном поле. Еще через четверть периода энергия снова возвратится в электрическое поле и процесс колебания энергии повторится.

На рис.4а по графику видно, что на конце линии, замкнутой накоротко, (начало координат) ток имеет максимальное значение (пучность тока), а напряжение равно нулю, т.к. сопротивление нагрузки равно нулю (Zn=0).

Начиная же с закороченного конца линии начинает возрастать индуктивная составляющая импеданса - XL, которая достигает наибольшего значения на расстоянии 1/4 & (&-лямбда) от конца линии. Но здесь ей противостоит столь же большая емкостная составляющая импеданса - Xc, возникающая в следующем участке 1\4 & длины линии. На расстоянии &/4 от конца закороченной линии, линия представляет собой параллельный контур, а параллельно включенные индуктивная и емкостная составляющие импеданса равны (XL= Xc), и полное сопротивление линии в этой точке становится чисто активным.

На отрезке линии между &/4 и &/2 емкостная составляющая импеданса уменьшается до нуля и в точке &/2 импеданс снова становится чисто активным. В этой точке линия представляет собой последовательный колебательный контур. Далее ход импеданса повторяется и в зависимости от своей длины короткозамкнутая двухпроводная линия передачи (фидер) настраивается или как индуктивность, или как емкость подобно последовательному либо параллельному резонансному контуру.

Сходным образом ведет себя и разомкнутая двухпроводная линия. Рис.4b.

В этом случае соотношения импеданса сдвинуты на 90 градусов относительно короткозамкнутого режима (рис.4а). Открытому концу линии (на графике начало координат) соответствует бесконечно большое емкостное сопротивление, спадающее до нуля через 1/4 & длины линии. В этой точке линия ведет себя как последовательный резонансный контур с чисто активным полным сопротивлением. Между точками &/4 и &/2 импеданс носит индуктивный характер, а при &/2 устанавливается режим параллельного резонанса и т.д.

Эти свойства двухпроводной линии (фидера) позволяют использовать их как резонансные элементы в колебательных контурах, фильтрах, согласующих устройствах и пр. Отрезки линии, представляющие собой эквиваленты индуктивности, емкости или колебательного контура, могут иметь длину менее &/4. Это позволяет подбором длины линии получить необходимую индуктивность или емкость. Например, нужную индуктивность можно получить из короткозамкнутой линии длиной меньше &/4, а из разомкнутой линии длиной менее &/4 можно получить необходимую емкость. Замкнутая линия длиной &/4 представляет собой параллельный колебательный контур, а эта же разомкнутая линия превратится в последовательный колебательный контур.

На рис.5 представлены разные возможности использования короткозамкнутой или разомкнутой линии в качестве согласующего элемента.

Холостой ход (линия разомкнута) и короткое замыкание являются предельными ситуациями в линии передачи.

Когда сопротивление нагрузки линии Zn больше нуля или меньше бесконечности, но не равно волновому сопротивлению линии Zo, падающая волна частично отражается от конца линии и в ней устанавливается режим смешанных волн, но амплитуда отраженной волны будет меньше, чем в случае короткозамкнутой или разомкнутой линии.

В случае, когда сопротивление нагрузки Zn больше Zo, напряжение максимально на нагрузке и в точках, отстоящих от конца линии на кратное число полуволн, как и в случае линии, разомкнутой на конце. В тех же самых точках будут минимумы тока, а максимумы тока находятся в точках, отстоящих от конца линии на нечетное число четвертей волн, рис. 6a.

Если же Zn < Zo, максимумы напряжения будут находиться, как и в замкнутой линии, в точках, отстоящих от конца линии на нечетное число четвертей волн, в тех же точках будут минимумы тока, рис. 6b.

Линии передачи могут быть как произвольной длины (не настроенные), так и настроенные. Линию передачи называют настроенной, если ее электрическая длина равна нечетному числу четвертей волн (четвертьволновый трансформатор) или целому числу полуволн (полуволновый повторитель). Несмотря на наличие стоячих волн в таких настроенных линиях, их входные и полные выходные сопротивления являются активными (чисто омическими), они являются только переносчиками импеданса и не влияют на резонансную частоту антенны. Настроенную линию передачи допустимо рассматривать как неизлучающее продолжение антенны.

Если же линия передачи не настроенная (произвольной длины) и Z n не равно Zo (несогласованная), в линии наряду с бегущими волнами возникают стоячие волны (смешанный режим), появляется реактивность, которая может быть индуктивной (XL) или емкостной ( Xc) в зависимости от длины линии (знака фазового сдвига между током и напряжением ).

Антенна, как и линия передачи, так же представляет собой резонансный контур с распределенными параметрами. Рис.7.

Распрямленный проводник также обладает индуктивностью и емкостью, которые распределены по всей его длине. Когда проводник находится в резонансе с возбуждающей частотой, его можно рассматривать как колебательный контур. К примеру, эквивалентная схема полуволнового вибратора представляет собой последовательный резонансный контур. Рис.7.

Несогласованные линии передачи произвольной длины, вследствие возникновения в них стоячих волн, добавляют реактивность в антенную систему антенна-фидер, резонансная частота которой может быть сдвинута вверх или вниз по частоте, в зависимости от знака реактивности (XL или Xc) на конце линии, подключаемой к антенне.

Линии передачи, работающие в режиме стоячей волны, имеют бОльшие потери, чем линии, работающие в режиме бегущей волны. Это объясняется тем, что в режиме стоячей волны в пучностях тока увеличиваются омические потери в проводниках, а в пучностях напряжения увеличиваются диэлектрические потери в диэлектрике линии передачи.

Рассмотрим, как влияет рассогласование линии передачи (фидера) с антенной вследствие возникновения стоячих волн на добавочные потери мощности. Расчитаем потери в линии передачи на конкретном примере.

Согласно справочным данным, для кабеля RG-58 C/U (диаметр 5 мм) затухание на частоте 21 МГц составляет 0,06 дБ/м. Если линия передачи согласована, стоячие волны отсутствуют, то суммарные потери этого кабеля длиной 30 м составят: 30 Х 0,06 = 1,8 дБ.

Если линия передачи не согласована , то в линии, за счет возникновения стоячих волн, появятся добавочные потери, величину которых можно определить из графика рис.8.

Для нашего случая при погонном затухании всего кабеля - 1,8 дБ, добавочные потери составят:

для КСВ=2 – 0.3 дБ; для КСВ=3 – 0,75 дБ; для КСВ=5 – 1,7 дБ.

Или в сумме: для КСВ=2 – 2,1 дБ; для КСВ=3 – 2,55 дБ; для КСВ=5 - 3,5 дБ.

Такие же потери будут в кабеле RG-213/U (диаметр 10 мм) длиной 45 м, но на частоте 30 МГц (затухание 0,04 дБ/м на частоте 30МГц).

А этот же кабель на частоте 5 МГц (затухание 0.015 дБ/м на частоте 5 МГц) длиной 45 м будет иметь затухание: 45 х 0,015 = 0,675 дБ.

Добавочные потери составят: для КСВ=2 - 0,16дБ; для КСВ=3 – 0,35 дБ; для КСВ=5 – 0,8дБ.

Или в сумме: для КСВ=2 – 0,835 дБ; для КСВ=3 - 1,065 дБ; для КСВ=5 - 1,475 дБ.

Потери в двухпроводных воздушных линиях на порядок меньше.

Точнее потери в линиях можно рассчитать используя программу TLDetails.

Так для того же кабеля RG-58 C/U длиной 30 м на частоте 21 МГц TLDetails выдает:

- для КСВ = 1 потери 1,988 дБ, или 36,7 Вт при подводимой мощности 100 Вт;

- для КСВ = 2 потери 2,28 дБ или 40,9 Вт;

- для КСВ = 3 потери 2,75 дБ или 46,9 Вт.

Для кабеля RG-213/U длиной 45 м на частоте 3,6 МГц:

- для КСВ =1 потери 0,534 дБ или 11,5 Вт;

- для КСВ = 2 потери 0,673 дБ или 14.3 Вт;

- для КСВ = 3 потери 0,876 дБ или 18,3 Вт.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• линии передачи
• Согласование электро- и радиотехнических цепей
• полуволновый трансформатор , четвертьволновый трансформатор , согласование линий ,
• стоячие волны в линиях передачи ,

Статью про кпд линии передачи я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое кпд линии передачи, электрическая прочность линии передачи, согласование линии передачи с нагрузкой, линии передачи и стоячие волны и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны