|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы Линия передачи характеризуется рядом параметров, которые аналогичны параметрам колебательного контура: R - активное сопротивление проводников, L - индуктивность проводников, с - емкость между проводниками и G - проводимость диэлектрика линии. Эти параметры определяются конструкцией линии, материалом ее элементов и др. В отличие от колебательного контура параметры лин«и не являются сосредоточенными, а равномерно распределены по длине линии. Параметры L и С определяют резонансные свойства линии, а R w G характеризуют потери энергии в ней. Чем меньше R v С, тем потери меньше и линия ближе к идеальной, в которой R к G предполагаются равными нулю. В идеальной линии потери энергии отсутствуют, напряжение и ток на входе и на выходе линии одинаковы. В реальной линии R определяет потери ка нагревание проводников, а G - потери в диэлектрике. Кроме перечисленных (первичных) параметров, важное значение для расчета линии и понимания процессов, происходящих в ней, имеют еще два (вторичных) параметра: волновое сопротивление линии Zo и коэффициент затухания а. Волновое сопротивление постоянно вдоль линии и не зависит от ее дли- ны. В общем случае оно имеет комплексный характер и изменяется от RIG на постоянном токе до VLIC при достаточно высоких частотах. Для радиочастот волновое сопротивление линии считают практически неизменным и чисто активным. Оно имеет следующее приближенное выражение: «0 = Коэффициент затухания а определяется потерями в проводниках линии и в диэлектрике. Он зависит от .R и Си увеличивается с возрастанием частоты. 1оэффициент затухания имеет размерность дБ/м и определяется формулой R , Ого Распространение электромагнитной волны в линии передачи, когда не происходит ее отражения от концов линии и вся энергия поступает в нагрузку, называется режимом бегущей волны. Этот режим имеет место при нагрузке, равной волновому сопротивлению линии z„ - Zo. Возможен и другой режим, когда вся поступающая в линию энергия отражается от конца линии и возвращается на вход. Вследствие этого в линии образуется стоячая волна как результат взаимодействия прямой и отраженной волн. Этот режим называется режимом стоячей волны. Он бывает как в короткозамкну-той, так и в полностью разомкнутой на конце линии (т. е. при 2h=0 и ги = оо). При всех иных значениях гн электромагнитная волна поступает в нагрузку не полностью, часть ее отражается ко входу, и в линии устанавливаются одновременно бегущая и стоячая волны. Это режим смешанных или комбинированных волн. Для характеристики степени приближения к режиму бегущей волны пользуются коэффициентом бегущей волны /Св.в (отношение наименьшего значения амплитуды электромагнитной волны к ее наибольшему значению): Сб.в = . (21) Если сопротивление нагрузки линии больше, чем волновое сопротивление линии, т. е. Zh>2o, то коэффициент бегущей волны {Кб.в) Можно подсчитать по формуле Кб.в = - . {21а) Для режима бегущей волны Ке.в=\, а для режима стоячей волны ои равен нулю (Кб.в=0). Таким образом, Кб.в показывает, какая доля энергии электромагнитной волны, подведенной ко входу линии, передается в нагрузку (КБВ не может быть больше единицы). Иногда используется понятие коэффициента отражения р, который связан с КБВ следующим образом: 1 + Кб.в (22) бегущая Волна  Стоячая волна НБВ-О
J-H= В реальных линиях потери незначительны и стоячие волны напряжения и тока в линии сдвинуты по отношению друг к другу на 90°. Это означает, что мощность стоячей волны имеет реактивный характер. Сдвиг фаз на 90° между током и напряжением свидетельствует о том, У что в режиме стоячих волн в линии происходят колебания энергии, во многом сходные с процессом в замкнутом колебательном контуре. В момент времени, когда напряжение максимально, а ток равен нулю, вся энергия сосредоточена в электрическом поле диэлектрика. Через четверть периода вся энергия переходит в магнитное поле: ток становится максимальным, а напряжение равно нулю и т. д. При таких колебаниях энергии точки максимума и минимума напряжения и тока стоячей волны располагаются в определенных точках на линии (это узлы и пучности). Их положение в режиме стоячей волны определяется длиной линии и зависит от того, разомкнута или короткозамкнута линия на конце. В режиме стоячей волны Линия (в зависимости от ее длины) имеет по отношению к генератору различное реактивное сопротивление, которое можно представить в виде эквивалентного колебательного контура. Это сопротивление линии называется входным сопротивлением Zbi. Смешанные волны НБВ< 1
Смешанные волны КдВ<1  Стоячая волна КБВ=0 Рис. 6. Распределение напряжений в линии для различных режимов работы. На рис. 6 показано распределение напряжения в линии для различных режимов: бегущей волны, стоячей волны и смешанных волн. На рис. 7 изображено распределение напряжения и тока для режима стоячей волны в разомкнутой и короткозамкнутой линиях различной длины. Нетрудно видеть, какой характер реактивного сопротивления имеет линия в каждом случае. Так, например, разомкнутая линия длиной меньше четверти волны (Z<?!,/4) эквивалентна емкости. При длине линии, равной четверти волны (1=KI4), присоединение ее к генератору равносильно присоединению последовательного резонансного контура, т. е. имеет место резонанс напряжений (напряжение на входе линии равно нулю, а ток генератора максимален). Если длина разомкнутой линии более четверти волны (1>К/4), то она имеет индуктивное сопротивление. При разомкнутой линии длиной в полволны (1=72) она оказывает на генератор такое же действие, как параллельный колебательный контур, т. е. имеет место резонанс токов (ток на входе линии равен нулю, а напряжени.е максимально). Для короткозамкнутой линии картина имеет противоположный характер. Линия длиной меньше четверти волны {КХ/4) обладает индуктивным сопротивлением. Линия длиной в четверть волны (г=Я,/4) эквивалентна параллельному колебательному контуру при резонансе токов, т. е. напряжение на ее входе максимально. Короткозамкнутая линия длиной более четверти волны {1>К1А) имеет емкостное сопротивление. Если длина короткозамкнутой линии равна полволне (Z=X/2), она оказывает на генератор такое же действие, как последовательный контур, т. е. имеет место резонанс напряжений (напряжение на входе линии равно нулю). Рассмотренные свойства разомкнутой и короткозамкнутой линий различ ной длины позволяют использовать линии как трансформирующие устройства и, кроме того, применять их для получения емкостного или индуктивного эквивалента. Это широко используется на практике. Так, например, линии длиной четверть волны применяют в антеннах в качестве «металлических изоляторов», т. е. высокочастотных элементов, которые по постоянному току соединены с массой или землей. В устройствах сверхвысоких частот четвертьволновая короткозамкнутая линия используется в качестве колебательного контура с высокой добротностью. Отрезки линий длиной больше пли меньше четверти волны (имеющие реактиврое сопротивление емкостного или индуктивного характера) применяют в качестве настроечных реактивных шлейфов. Четвертьволновая линия с волновым сопротивлением го, нагруженная на сопротивление Zh, оказывает на генератор воздействие, эквивалентное сопротивлению = zlU. (23) Перейдем к конкретным примерам расчета лнппй передачи некоторых типов. 10. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ Номограмма № 10 Волновое сопротивление коаксиальной линии, конструктивно выполненной в виде однородной металлической трубы со сплошным внутренним проводником и воздушным диэлектриком, рассчитывается в омах по формуле 2o=138Ig4-. (24) где D - внутренний диаметр наружного проводника; d - диаметр внутреннего проводника, выраженные в одинаковых единицах. 0 1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 |