Антенны_конспект

U = U(0) ×e−αZ

P(Z) = P(0) ×e−2αΖ –

процесс

прохождения

бегущей

волны,

сопровождающийся потерями.

α

дБ

= 20lg

U(Z = 0)

= 10lg

P(Z = 0)

U(Z = 1м)

P(Z = 1м)

м

α

Нп

= ln

U(Z = 0)

= 0,5lg

P(Z = 0)

P(Z = 1м)

м

U(Z = 1м)

1 Нп @ 8,7 дБ

мм

α=αд+αм+αизл – обычно полагают, считая что структура поля при наличии потерь такая же как и без потерь.

αд~tgδ – потери на нагрев диэлектрика;

αм~Rs – потери на нагрев поверхности металла; αизл – только для открытых линий.

Обычно α↑ при f↑ (за редким исключением, например, Н01 в круглом волноводе). г) Пропускаемая мощность

Линия должна без пробоев и искрений передавать мощность, которая определяется электрическим пробоем и недопустимым перегревом элементов конструкции

R

dS = 1

R

R

E

2

P = ∫

&

&

&

=

S×F(S)

П

∫

E, H * dS

S

2 S

2W

0

где S –

площадь поперечного сечения;

F(S) –

функция распределения поля по поперечному сечению.

Екр=3·106 В/м=3·104 В/см –

значение напряжения пробоя в сухом воздухе при

нормальном давлении.

1

dP

1

E2

9 ×108

Вт

МВт

dP =

E × H ×dS

=

×

»

»1,2

–

мощность, допускаемая в

2

dS

2

W0

240π

см2

см2

свободном пространстве

Pдоп=Pmax·N, N≈0,25÷0,3 –

коэффициент запаса.

д) Волновое сопротивление

– это вторичная вспомогательная характеристика, использующаяся для определения режимов в линии.

Определяется

1.через напряжение и ток

ρU,I=120π με F(S),

где F(S) – функция распределения поля по поперечному сечению 120π=W0 – характеристическое сопротивление свободного пространства

2.через мощность и ток

ρP,I= 2Рпад

Iпад

3. через напряжение и мощность

ρP,U = Uпад

2Pпад

Для Т волн все определения дают один результат.

81

Для Е, Н, LE, LH – отличаются, так как токи и напряжения могут определяться различным образом. На практике используют нормировку к волновому сопротивлению определенным одним и тем же способом.

Основные типы линий передачи.

а) Проводные линии передачи Поскольку линии многосвязные (2 и более изолированных проводника) основной

тип волны – волна Т-типа, λкр Т волны= ∞, fкр=0.

Высшие типы колебаний не используются, так как их fкр большая для таких линий. Кроме этого, линии обычно используют как открытые и высшие волны сильно излучаются.

1. Двухпроводная

D

d

Структура поля

λ л=λ0; Vф=с.

Обычно µ,ε=1, так как диэлектрика нет, потери только в проводниках, их делают из биметалла (сталь-медь).

ρ≈276 lg 2D – обычно выполнимое значение ρ=200÷2000 Ом. d

Линия с ρ=600 Ом – стандартная => D=200, d=4. Достоинства: 1) линия легкая и дешевая;

2) Рдоп – десятки кВт.

Недостатки: 1) линия открытая – излучает на поворотах и изгибах, особенно с ростом частоты; 2) обычные значения ρ слишком высокие, особенно для полупроводниковых передатчиков.

Использование: 1) в КВ диапазоне

2)для передающих трактов большой длины.

2.Экранированная двухпроводная

Сложнее и тяжелее, но не излучает; ρ меньше. Используется на изгибах и поворотах.

3. Четырехпроводная	D
+	+
	d
D	82

–

–

а) ρ = 138lg 22D

d	–
+
2D
б)ρ = 138lg
2d

–+

Волновое сопротивление в а) ≈ в 2 раза меньше чем у двухпроводной (стандарт

300 Ом).
4. Многопроводная		2r
dэкв	nr
	= R n
	R

n – число проводников.

2R

б) Коаксиальная линия передачи Линия многосвязная – волна Т-типа – основная. Структура поля

ε

d

D

λ л=	λ	0		; Vф=	c
								.
		ε				ε

α/αmin

1,5

1

Pкр/Pmax

0,5

1

1,65

3 3,6

5

7

D/d

ρ = 138 lg D = 60 ln D
ε	d ε	d

83

αmin ≈ 77 Ом,

Pпроб max≈ 30 Ом.
α=αд+αм
от размеров зависит αм.
Необходимо опасаться Н11.
λкр Н11≈ π(D + d), λ0 >	λкр	Н11 – условие одной	волны, ограничивающее рабочий
2,02
диапазон.
Коаксиальный волновод –		жесткая труба, центральный проводник на шайбах или
изоляторах.
ρстанд =>50 и 75 Ом;	диэлектрик – воздух;		потери небольшие, только 2 м.
Pкр – большая.
Коаксиальный кабель –	центральный проводник 1 скрутка, внешний проводник –

оплетка, диэлектрик – гибкий полиэтилен, фторопласт и т.п.

ρстанд =>50, 75, 100, 150, 200 Ом; потери большие, Pкр – маленькая. Обозначение РК 75-9-12 АН

Радиочастотный коаксиальный Волновое сопротивление ρ

Диаметр изоляции Номер разработки

Однопроводная внутренняя и однопроводная оплетка ПЭ изоляцией и ПХВ оболочкой Для индивидуальной приемки телевизионной антенны

Используются от ВЧ до СВЧ, как неизлучающая ЛП. в) Полосковые линии

W

ε h

Используются в ДМ и СМ диапазонах на низких уровнях мощности. Достоинства: 1) миниатюрность устройств;

2) высокая технологичность изготовления методами фотопечатания на фольгированных диэлектриках или фотохимическими способами.

Недостатки: 1) высокая повторяемость;

2)сложность структуры поля основной волны колебания;

3)сложность расчетов настройки узлов высокой оснащенности предприятия.

Используется очень большое разнообразие:

– открытые

84

если ε=8÷12 называются микрополосковыми.

– экранированные (полосковые волноводы)

или

–симметричные диэлектрик одинаковый

–щелевые

–компланарные

В большинстве разновидностей распространяется гибридная волна, так как в поперечном сечении диэлектрик неоднороден (чаще диэлектрик - воздух). Структура поля

для открытой (наиболее распространенной) основная доля мощности поля сосредоточена в диэлектрике, поэтому по структуре поле близко к волне Т и носит название квази Т волны.

85

U(Z) ≈ e− γΖ

γ = α + jβ, α = αд + αм + αизм ωεε0μ0 >β>ωε0μ0 , λквазиТ = 2βπ

вводится понятие εэфф через соотношение λл

=

λ0

εэфф

ε

ε+1+

ε−1

или ε

=1+q(ε−1), где q=0,55÷0,85

эфф

1

эфф

2

2(1+10

h

)

2

W

ρ

120π

[Ом]

W

W −0,836

ε

1+1,735ε−0,0724

h

h

Эти формулы полуэмпирические, справедливы для ДМ диапазона и сравнительно

высоких (ε >5) проницаемостей и средних значений W/h с точностью 2÷5 %.				На
наиболее	распространенных	твердых	подложках	с
ε ≈ 5÷10,	ρ ≈ 20÷1500 м. Большее ρ не реализуется из-за очень узкой подложки,
меньшее –	из-за возможности возбуждения высших		волн. С ростом fраб поле
втягивается в диэлектрик εэфф, т.е. главный недостаток –			сложный расчет εэфф и ρ для
различных типов линий.

ρ (Ом)

160

120

ε=5

80

40 ε=10

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0

W/h

г) Прямоугольные волноводы.

До настоящего времени наиболее распространенный тип линий передачи СМ иММ диапазонов и мощных трактов ДЦМ.

y
	b
а	x

86

Достоинства: линия экранированная, достаточно легко обеспечить размеры. Просто возбуждается заданный тип колебания, хорошо согласуется с другими типами линий и основными типами антенн.

Основной тип волны Н10. ЕZ=0. 1 – число вариаций по широкой стенке.

y

Ey	Hx	b

а

x

x

а

Hz

y

b

λкр=2а

Волновое

сопротивление определяется

неоднозначно, так как нет однозначия в

а

x

HxHzEy

определении токов (в отличие от волн Т-типа).

rE ,H

=

120π

=

120π

[Ом];

l

2

l

2

0

1-

0

1-

а

lкр

2

rP ,U

=

2b

120p

=

2b

×rE ,H ;

2

a

-

l0

a

1

2a

rP ,I

= p2

b

×rE ,H ;

8 a

rI,U

= p

b

×rE ,H .

2 a

При расчетах используется какое-то одно и к нему все нормируется.

lв =

λ0

,

Vф

=

с

l0

l

2

1 -

0

1 -

lкр

lкр

с=3·108 м/с.

Высшие типы: Н20, λкр=a ; H01, λкр=2b.

Обычно выбирают b ≤ а/2 и первой высшей является Н20, рабочий диапазон λкр Н20 < λ0 < 0,9λкр Н10, f/f0 ≈ 0,6. Обычно выбирают а≈0,7 λср.

α

Н20 Н10 дисперсия

скин

эффект

a

2a87

λ0

Пропускаемая мощность определяется пробоем воздуха. Она зависит от пыли, грязи; наличия диафрагм, штырей, изгибов.

Рmax	=	1	×6,63×10−4 × Emax2	×ab 1-	l0		2	[Вт]
		N		lкр

N=2÷3 – коэффициент запаса;

Еmax=3·106 В/м – пробивная напряженность воздуха.

Рmax резко падает при λ0→ 2a=λкр.

Рmax можно увеличить, подняв давление в тракте.

Размеры сечения прямоугольного волновода – стандартны.

72х34 λср=10 см, α=0,02 дБ/м, Рдоп=3000 кВт; 23х10 λср=3,2 см, α=0,12 дБ/м, Рдоп=300 кВт.

Недостатки:

1.сильная частотная дисперсия;

2.трудно сделать гибкий и поворот одной части тракта относительно

другой

3.сравнительно узкая полоса рабочих частот.

д) П и Н-образные волноводы

d

d

Уменьшая d можно добиться существенного снижения fкр. Используются в широкополосных трактах. ∆f/f0=2÷3. Они сочетают преимущества волноводов и коаксиала.

Недостатки:

1.менее технологичны как при изготовлении, так и при разработке элементов на их

базе;

2.существенно менее прочны электрически.

е) Круглые волноводы

2R

Используются в элементах трактов СВЧ и для передачи мощности на большие расстояния.

Недостаток:

88

1. все типы колебаний вырождены по азимутальной координате (поляризация неустойчива).

Н11 – основной тип.

ρЕН

=

120π

, λв

=

λ0

λ

2

λ

2

1−

0

1−

0

λ

λ

кр

кр

λкр=3,42R. Из-за поляризационной неустойчивости почти не используется, хотя легко трансформируется из Н10 прямоугольного, так как является ее аналогом.

Е01.

λ

0

2

λ

0

ρ = 120π

1−

, λ

=

λ

ЕН

в

λ

2

кр

1−

0

λ

кр

λкр=2,61R. Осевая симметрия позволяет использовать ее в поворотных устройствах, но нужно подавлять Н11.

Н01.

ρЕН и λв – так же, как и для Н11.

Обладает аномальной зависимостью затухания от частоты.

α Е11 Н21 Е01 Н11

Н01

1,64 2,06	2,61	3,42	λ

Недостаток: волна высшего типа.

λкр=1,64R.

ж) Однопроводная линия

εr	металлические
	шайбы

или

Если проводимость провода бесконечна – волна вдоль нее распространяться не будет. Для поддержания волны используют замедление.

Распространяется волна гибридного типа.

Область, где 99% поля – область эффективной передачи (радиус поля). Она зависит

от λ, εr и др. Достоинства:

1.линия дешевая;

2.малы потери диссипативные.

89

Недостатки:

1.открытая;

2.излучает на поворотах и изгибах.

з) Диэлектрические линии

Волны типа LE или LH, возбуждаются чаще всего волноводом. Круглые
используются реже, так как любая из волн вырождена по азимутальной координате.
	fкр имеет реальные значения, при котором радиус
	поля очень увеличивается и волна становиться
	или	−1=10-3 и
	неустойчивой. fкр реальная, обычно n= с
	Vф
	радиус поля=10λ.
α=0,03÷0,1	дБ/м в ММ диапазоне.

Зеркальный диэлектрический волновод за счет экрана устойчивая поляризация.

α=αд+αм. При f0=70 ГГц α=0,02÷0,2 дБ/м.

и) Световоды и лучевые волноводы

r

h

Выполняются из кварца. Диаметр – много тысяч λ0. Это многомодовый волновод.

С изменением fраб меняется траектория, то есть наблюдается дисперсия. Если переход сделать плавным, то дисперсию можно уменьшить.

Полное внутреннее отражение – основа работы. Потери в оптическом диапазоне у кварца очень малы. Внешний слой легируется окислами бора, фосфора и т. д.

α=3÷5 дБ/км, очень широкополосный, возбуждается светодиодами или лазерами. Лучевые волноводы разрабатываются на основе того, что плоская волна не

расходиться, т. е. используют устройства для выравнивания фронта.

или

2. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ

2.1 Работа линии в режиме передачи мощности Линии передачи конечной длины используются в двух режимах:

90