Лекции по курсу «Электродинамика и распространение радиоволн»
Лекция 9
Примеры линий передачи
Рассмотрим различные практические варианты применяемых линий передачи. На рисунке Рисунок 1 показан типичный прямоугольный волновод. Ниже мы подробно рассмотрим принципы его работы, пока же только остановимся на его внешнем виде. Как правило, отдельные секции прямоугольного волновода оснащаются фланцами, с помощью которых производится сборка всего волноводного тракта. Габариты сечения волноводов зависят от диапазона частот, для которых этот волновод применяется. Эти габариты стандартизованы. Обычно используются волноводы с размером широкой стенки от нескольких десятков сантиметров до единиц миллиметров.
−Прямоугольный волновод
−Прямоугольные волноводы в разном исполнении
На рисунке Рисунок 2 показаны прямоугольные волноводы в различном исполнении. Как видно, применяются разные типы фланцев. Помимо прямолинейных жестких секций волновода используются гибкие, а также жесткие изогнутые секции.
На базе волноводов построено огромное количество элементов волнводного тракта: тройники, ответвители, фильтры, аттенюаторы и т.д. Каждый из этих компонентов требует отдельного подробного рассмотрения и в нашем курсе не изучается.
Аналогично прямоугольным, существуют различные исполнения для круглых волноводов.
Примеров коаксиального кабеля мы приводить не будем, т.к. эти кабели знакомы каждому из нас – как кабели телевизионных антенн и т.п.
Остановимся более подробно на микрополосковых линиях. Как раньше отмечалось, микрополосковая линия исключительно проста и дешева в изготовлении, поэтому устройства на ее базе получили очень широкое распространение.
−Микрополосковый делитель мощности на 2
На рисунке Рисунок 3 показан микрополосковый делитель мощности. Как видно, вход находится слева, где установлен разъем для подключения к коаксиальному кабелю. Далее микрополосковая линия идет до прямоугольного разветвления, где и происходит разделение электромагнитного сигнала на две равные составляющие. Полученные два идентичных сигнала поступают по своим линиям передачи на выходы справа, где снова через разъем передаются в коаксиальный кабель.
На рисунке Рисунок 4 показан более сложный делитель мощности. В данном случае деление производится на четыре равные части. Вход делителя находится сверху, выходы − снизу. Как видно, сначала сигнал делитмя пополам, затем каждая из половин делится еще на два. Достаточно сложная топология каждого звена сделана для расширения рабочей полосы частот делителя. Такая схема носит название схемы Уилкинсона.
Этот делитель был разработан и изготовлен в нашем институте. Он использовался в четырехэлементной антенной решетке с диапазоном частот 300−1200 МГц.
−Микрополосковый делитель мощности на 4
На базе микрополосковой линии строятся самые разные элементы радиоэлектронных устройств СВЧ. Один из широко распространенных примеров − фильтры СВЧ. В данном случае отрезки микрополосковой линии работают как резонаторы. В зависимости от формы резонаторов и их взаимного расположения получаются разные частотные характеристики фильтров. Примеры таких фильтров приведены на рисунке Рисунок 5 .
−Фильтры в микрополосковом исполнении
В данном случае можно провести аналогию между контурами на сосредоточенных элементах, которые используются в фильтрах более низкого, чем СВЧ, диапазона частот, и резонаторами на МПЛ.
Еще одно применение микрополосковых линий − антенны в микрополосковом исполнении. Когда мы обсуждали различные типы линий передачи, было отмечено, что МПЛ, в отличие от волновода, например, является линией открытой, и ей свойственно излучение в окружающее пространство. Для фильтров, делителей и тому подобных устройств это является недостатком, и поэтому такие устройства всегда экранируют, помещают в замкнутые корпуса, которые предотвращают потери мощности за счет излучения. В случае антенн же, наоборот, это свойство МПЛ используется для передачи электромагнитных волн.
Микрополосковые антенны крайне широко распространены. Практически каждый сотовый телефон содержит в своем составе антенну в МПЛ исполнении. То же самое можно сказать о большинстве адаптеров беспроводных сетей передачи данных WiFi.
−Микрополосковые логопериодические антенны
На рисунке Рисунок 6 показаны примеры антенн, выполненных по микрополосковой линии. Каждая из этих антенн является логопериодической, т.е. работает в широком диапазоне частот. Антенны устроены следующим образом. Вдоль антенны проходит симметричная полосковая линия, на фотографии видна ее верхняя полоска, нижняя находится под слоем диэлектрика. К началу СПЛ, который находится в «узкой» части антенны, подключен коаксиальный кабель, с которого на антенну подается сигнал. Вдоль симметричной линии от нее ответвляются поперечные вибраторы, которые являются излучателями. При распространении электромагнитной энергии вдоль СПЛ часть мощности ответвляется на каждый из вибраторов и излучается в пространство. Размеры и расположение вибраторов выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось эффективное излучение в широком диапазоне частот.
−Микрополосковая отражательная антенная решетка
Отдельно остановимся на микрополосковой антенной решетке, показанной на рисунке Рисунок 7 . Здесь в одном технологически достаточно простом устройстве мы видим примеры сразу трех линий передачи: отрезки микрополосковой линии передачи на полотне решетки, круглый волновод с рупорным облучателем, коаксиальный кабель после волновода.
−Оптоволоконный кабель
Как указывалось ранее, на особо высоких частотах используются диэлектрические волноводы. Световод является одним из диэлектрических волноводов и повсеместно используется в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Ассортимент оптоволоконных кабелей очень широк, один из примеров показан на рисунке Рисунок 8 . Рассмотрим составные части этого кабеля.
Данный кабель имеет две параллельно идущие жилы. Обе жилы находятся под общим слоем изоляции Верхняя из них представляет собой стальной или кевларовый канат, который подвешивается на опорах и несет на себе вес информационной жилы. Такие кабели называются самонесущими: они не требуют прокладки дополнительного опорного троса или установки поддерживающих кабельных лотков.
Внутри информационной жилы под защитными оболочками в изоляции находятся собственно световоды. Обычно используется пара световодов: один для принимаемого сигнала, один для передаваемого. Пары световодов находятся под общей изоляцией. В зависимости от типа кабеля в одной жиле могут быть одна или несколько пар световодов.
В самом центре информационной жилы находится опорный сердечник. Он изготавливается из прочного материала, обычно кевлара, и служит для предохранения кабеля от излишнего растяжения или от изгибания под малыми радиусами.
Детальное рассмотрение кабелей связи делается в отдельных дисциплинах, в нашем курсе мы углубляться в него не будем.