Лекция №1.
Теории цепей СВЧ.
1.1 Основные положения теории цепей.
Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для создания в них электрического тока; при этом электромагнитные процессы, протекающие в цепи, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (э.д.с.), токе и напряжении.
На низких частотах (при больших длинах волн) можно пренебрегать токами смещения (). При переходе к более высоким частотам эти токи играют значительную роль и в этом случае рассматриваются цепи с распределенными параметрами, т.е. параметрами, отнесенными к единице длины. Поперечные размеры линий с распределенными параметрами примерно равны длине волны, а длина линии соответствует больше .
Дифференциальные уравнения, определяющие изменения комплексных амплитуд напряжения и тока одинаковы и имеют вид
, (1)
(2)
где z0 – комплексное сопротивление единицы длины линии;
,
- комплексная проводимость единицы длины линии,
r0, L0, g0, C0 – сопротивление, индуктивность, проводимость, емкость на единицу длины линии.
Решение уравнений (1) и (2) имеют вид
;
, (3)
где - волновое сопротивление.
(4)
(5)
Каждое из слагаемых правой части выражений (3) можно рассматривать как бегущую волну, движущуюся в направлении возрастания или убывания координаты z и затухающую в направлении движения.
Постоянная распространения
, где
;
(6)
Входное сопротивление линии
, (7)
где l – расстояние от нагрузки до рассматриваемого сечения линии.
При произвольной нагрузке zн существует отраженная волна. Ее воздействие на режим работы линии учитывается посредством коэффициента отражения .
По определению коэффициент отражения представляет собой отношение комплексных амплитуд отраженной и падающей на нагрузку волн.
, (8)
где - коэффициент отражения от нагрузки.
Следовательно, комплексную амплитуду напряжения (тока) в произвольном сечении линии можно представить в виде
(9)
(10)
Мощность, проходящая через произвольное сечение линии, если ток опережает напряжение на угол jr (в случае комплексного значения волнового сопротивления линии)
(11)
В случае совпадения по фазе и i ()
(12)
1.2 Основные положения цепей СВЧ.
К понятию «цепей» СВЧ позволяют перейти от понятия полей три основных свойства:
Свойство 1. Отрезок волновода длиной l можно характеризовать передаточной функцией , где , которая показывает изменение фазы и амплитуды на длине l.
Свойство 2. В бесконечном волноводе поперечные составляющие напряженностей электрического и магнитного векторов поля взаимно перпендикулярны (ортогональны) в пространстве и совпадают по фазе. Отношение амплитуды поперечной составляющей напряженности электрического вектора поля к амплитуде поперечной составляющей магнитного вектора поля есть постоянная действительная величина, не зависящая от положения поперечного сечения и называемая характеристическим сопротивлением.
Для круглого волновода
В общем случае сопротивление z0 для волны типа Н
, для волны типа Е
, для волн типа ТЕН
Свойство 3. Продольные составляющие волн типов Н и Е не входят в выражение активной мощности. Передаваемую мощность можно выразить через поперечную составляющую вектора , либо через поперечную составляющую вектора и сопротивление Z0.
В общем случае средний во времени поток активной мощности, проходящий через поперечное сечение волновода, определяется, как действительная часть интеграла по поперечному сечению вектора Пойтинга
В бесконечном волноводе и совпадают по фазе и ортогональны друг другу, поэтому можно выразить через и z0, и наоборот.
( )
Вывод: С точки зрения передачи энергии бесконечно протяженный волновод аналогичен длинной линии с характеристическим сопротивлением Z0 ; причем величина соответствует , а аналогично , где , –комплексная амплитуда напряжения, а - комплексная амплитуда тока.
Следовательно, полевая задача о распространении электромагнитной энергии может быть рассмотрена более простыми и более известными методами.
1.2.1. Параметры линии передачи, работающей на нагрузку (двухполосник).
В случае волновода, работающего на нагрузку кроме прямой волны, образуется и обратная волна. Нагрузку можно представить в виде двухполосника (устройства имеющего один вход). Такой нагрузкой может быть любая неоднородность как комплексная, так и индуктивная или емкостная с точки зрения теории цепей. Рассмотрим двухполосник, показанный на рис.1.
Генератор Нагрузка
d
Z
Z = - d
Рис.1. Волновод с характеристическим сопротивлением z0, нагруженный неоднородностью в сечении z = 0.
Поперечная электрическая составляющая падающей волны имеет вид
Поперечная электрическая составляющая отраженной волны
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.