Линии передачи. Нормированное напряжение бегущей волны в линии передачи. Влияние режима линии передачи на ее энергетические характеристики

1. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

 1.1. Основные определения

Линией передачи называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. С помощью линий осуществляется передача мощности от генераторов к нагрузкам, производится необходимая трансформация (т.е. преобразование) величин полных сопротивлений нагрузок, образуются резонансные системы — объемные резонаторы и колебательные контуры с распределенными параметрами. Отрезки линий передачи применяются и для объединения отдельных СВЧ-устройств в единый тракт СВЧ.

Линия передачи называется регулярной, если в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих ее сред. Кроме того, линия передачи называется однородной, если поперечное сечение заполнено однородной средой. Различают открытые линии передачи и волноводы. В открытой линии передачи поперечное сечение не имеет замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Примерами открытых линий являются двухпроводные и полосковые линии передачи, линии передачи поверхностной волны и др. Напротив, в волноводе обязательно имеется одна или несколько проводящих поверхностей, полностью охватывающих область распространения электромагнитных колебаний. Наиболее распространены прямоугольные и коаксиальные волноводы. В радиосистемах используются разнообразные линии передачи.

На условных схемах трактов СВЧ любые регулярные линии передачи изображаются сплошными одинарными линиями (рис. 1.1). Выделение тех или иных характерных сечений осуществляется с помощью поперечных рисок, рядом с которыми могут указываться значения продольной координаты.

Как правило, передача электромагнитной мощности по линии или волноводу осуществляется распространяющейся волной только одного типа. Чаще всего используется волна основного типа (основная волна), имеющая наименьшую критическую частоту ω_кр в данной линии передачи. Однако в некоторых применениях преимущество отдается волнам высших типов с критической частотой, превышающей частоту основной волны.

В пределах регулярных участков линий передачи электромагнитное поле распространяющейся волны любого типа может быть представлено   в виде   суперпозиции  (т.е. наложения)   падающей и отраженной волн. Под падающей понимают бегущую (т. е. распространяющуюся только в одном направлении) волну, создаваемую генератором и двигающуюся от выбранного начального сечения ξ = 0 вдоль направления распространения ξ.

Для монохроматических колебаний с частотой со любая компонента электромагнитного поля падающей волны зависит от продольной координаты 5 в регулярной линии передачи с потерями по закону *

Е_ПН_п ~ е^-γξ, где γ = a + jβ — коэффициент распространения (a — коэффициент затухания, Нп/м; (β — коэффициент фазы, м-¹, связанный с длиной волны в линии передачи λ_Bи фазовой скоростью υ_ф известным соотношением

β = 2π/ λ_B = ω / υ_ф .(1.1)

Напомним, что длиной волны в линии передачи называется в соответствии с (1.1) расстояние, на котором фаза бегущей электромагнитной волны вдоль направления распространения изменяется на 2π.

Отраженной называют бегущую волну в линии передачи, порождаемую нерегулярностью или нагрузкой и распространяющуюся в направлении, обратном падающей волне. Любая компонента поля отраженной монохроматической волны в регулярной линии передачи характеризуется продольной зависимостью

Е_оН_о ~ е^+γξ,

Как падающая, так и отраженная распространяющиеся электромагнитные волны переносят вдоль линии передачи определенные электромагнитные мощности. В электродинамике установлено, что распространяющиеся падающая и отраженная волны являются ортогональными между собой. Это означает, что активная мощность, переносимая любой из волн, не зависит от присутствия второй волны, движущейся навстречу первой. Величина активной мощности, переносимой падающей волной, определяется интегралом от вектора Пойнтинга этой волны по поперечному сечению линии передачи

             (1.2)

где Е_п и Н_п — векторные функции распределения эффективных (действующих) значений напряженностей электрического и магнитного полей падающей волны в рассматриваемом сечении линии передачи; ds— векторный элемент площади поперечного сечения S.

Открытые линии передачи имеют бесконечное сечение и поэтому