Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 10

,

(при r = a) a – радиус центрального провода,

u_m – разность потенциалов проводников,

,

Z_c== - характеристическое сопротивление Т – волны.

Для коаксиального волновода вводится понятие волнового сопротивления (рисунок 2.12) Z_В, которое определяется размерами поперечного сечения волновода и изоляцией.

                            (3.7)

Мощность переносимая Т – волной

                  ,               (3.8)

Предельная мощность Р_пред тем больше, чем больше радиус центрального проводника а и отношение радиусов b/a внешнего и внутреннего проводников. С увеличением частоты (уменьшением λ) для обеспечения одноволнового режима необходимо пропорционально уменьшать радиусы а и b, вследствие чего Р_пред уменьшается как λ², поэтому в сантиметровом диапазоне Р_пред значительно снижается. Потери мощности в коаксиальном волноводе происходят в проводниках и диэлектрике. Коэффициент затухания в проводниках

                          ,                                (3.9)

На высоких частотах возрастает поверхностное сопротивление r_s, и для обеспечения одноволнового режима приходится уменьшать a и b, поэтому коэффициент затухания сильно возрастает. Поэтому из–за больших потерь и малой Р_пред коаксиальный волновод в сантиметровом диапазоне не применяется (применяют короткие отрезки для измерительных целей). Зато на дециметровых, метровых и более длинных волнах он имеет малые поперечные размеры и достаточно хорошие параметры Р_пред и α, чем и объясняется его широкое применение.

Выбор размеров  a и b коаксиального волновода диктуется предельной мощностью  Р_пред и затуханием α. В результате исследования получены следующие результаты. Для получения максимальной Р_пред отношение b/a=, при этом волновое сопротивление Z_в=30/. Для наиболее часто используемых диэлектриков 2…2,5 для передачи максимальной мощности оптимальное волновое сопротивление должно быть равно Z_в=20…30 Ом. Значение b/a, соответствующее минимальному коэффициенту затухания α равно b/a=3,6 и Z_в=77/. При 1…2,25, Z_в=50…75 Ом. Коаксиальные волноводы с низким волновым сопротивлением используют как передающие, а с высоким как приемные.

Затухание в диэлектрике коаксиального волновода на высоких частотах сравнимо с затуханием в проводниках и определяется качеством диэлектрика.

                                                                                           (3.10)

Общий коэффициент затухания.

3.5 Полосковые линии

Полосковой линией называют направляющую систему открытого типа, состоящую из двух или более изолированных друг от друга проводящих полосок. Выполняются они в виде тонких металлических слоев, нанесенных на листы диэлектрика. Диэлектрики используют с малыми потерями на СВЧ (с малым tgδ): фторопласт, полиэтилен, керамика, полинор (двуокись алюминия), сапфир, кварц, ферриты или воздушное заполнение.

Часто используют фольгированные диэлектрики, или наносят металлическую полоску на поверхность диэлектрика, применяя напыление.

Наиболее распространены на практике следующие полосковые линии: несимметричная, симметричная, микрополосковая, щелевая.

Анализ электромагнитного поля в полосковых линиях достаточно сложен. Энергия распространяется частично в диэлектрике, частично в воздухе вдоль проводников, а частично излучается во внешнее пространство. Обычно поперечные размеры линии малы по сравнению с длиной волны, поэтому излучение незначительно и им пренебрегают. Наличие диэлектрика приводит к тому, что в основной волне типа Т появляются продольные составляющие векторов поля и , они незначительные, но это уже будет квази – Т – волна. Она будет иметь дисперсию в полосковых линиях. Расчеты ведут приближенно, на основе Т – волны.

Несимметричная двухполосковая (НЛП) представляет собой двухпроводную линию, состоящую из узкой полоски шириной W и толщиной t, помещенной на расстоянии h от экранирующей пластины шириной а (рисунок 3.6). Пространство между полупроводниками заполнено диэлектриком с параметрами ε, μ, σ. Токонесущие элементы выполнены из металла с удельной проводимостью σ_м. На практике часто используют воздушное заполнение.