Класифікація ліній передачі НВЧ

Відповідно до ГОСТ лінією передачі НВЧ називається пристрій, що обмежує область поширення електромагнітних коливань і що направляє потік електромагнітної енергії в заданому напрямі. Напрям поширення визначається взаємним розташуванням джерела електромагнітних коливань і навантаження в лінії передачі. Джерелом електромагнітних коливань може служити, наприклад, генератор, підключений до лінії передачі, приймальна антена або пристрій збудження лінії передачі що відбирає частину електромагнітної енергії від іншої лінії передачі або якого-небудь пристрою НВЧ. Навантаженням лінії передачі може служити пристрій, що перетворює електромагнітну енергію (наприклад, в тепло), випромінююча (передавальна) антена, вхідні ланцюги приймача і тому подібне До НВЧ-пристроїв відносяться лінії передачі і перетворювачі НВЧ-енергії, відгалужувачі, фільтри, вентилі і так далі.
Сукупність НВЧ-пристроїв, зчленованих певним чином, утворює тракт НВЧ. Розрізняють регулярні і нерегулярні лінії передачі. В регулярної лінії передачі в подовжньому напрямі незмінні поперечний перетин і електромагнітні властивості заповнюючих середовищ. Якщо одна з умов регулярності відсутня, то така лінія є нерегулярною. Лінія передачі, заповнена однорідним середовищем, називається однорідною. Інакше – неоднорідною. Лінії передачі класифікуються по діапазонах частот. Прийнята і закріплена Гостами термінологія (таблиця. 1.2.1), що визначає довжини, хвиль і частоти електромагнітних коливань. Приведена термінологія обмежена діапазоном частот від 3 кГц до 3000 ГГц (1ГГц = 109 Гц).
Така класифікація обумовлена особливостями поширення радіохвиль в різних діапазонах частот. У таблиці. 1.2.1 діапазон НВЧ відповідає сантиметровим хвилям. Проте на практиці цим терміном визначають діапазон з ширшими кордонами, який включає хвилі від метрових до міліметрових. Лінії передачі класифікуються по типах використовуваних хвиль:
-лінії передачі з поперечною електромагнітною хвилею (T-хвилею);
-лінії передачі з магнітною хвилею (Н хвилею);
-лінії передачі з електричною хвилею (Е хвилею);
- лінії передачі з гібридною хвилею.

Таблиця 1.2.1 - Термінологія

Направивши вісь z прямокутної системи координат уздовж лінії передачі, кожного типу хвилі, можна визначити умовами, представленими в таблиці. 1.2.2 і що накладаються на подовжні Ez і Нz складаючі векторів електричного і магнітного полів відповідно.

Таблиця 1.2.2 - Умови визначення

З таблиці. 1.2.2 витікає, що в t-хвилі вектори напруженості електричного і магнітного полів лежать в плоскості, перпендикулярній напряму поширення; у Н хвилі вектор напруженості магнітного поля має подовжню і поперечну складові, а вектор напруженості електричного поля має лише поперечну складову; у Е- хвилі вектор напруженості електричного поля має подовжню і поперечну складові, а вектор напруженості магнітного поля лежить в плоскості поперечного перетину лінії передачі; у гібридній хвилі вектори напруженості електричного і магнітного полів мають і подовжні, і поперечні складові.

Рисунок 1.2.1- Класифікація ліній передачі

Класифікація ліній передачі за видами представлена на Рисунку 1.2.1. Лінія передачі, конструкція якої не допускає пружного або пластичного вигину, називається жорсткою; інакше – гнучкою. Хвилеводом називається лінія передачі, що має одну або декілька провідних поверхонь, з поперечним перетином у вигляді замкнутого провідного контуру, що охоплює область поширення електромагнітної енергії. Якщо такий провідний контур відсутній, то лінія передачі називається відкритою.

Рисунок 1.2.2 - Поперечні перетини дротяних ліній

а) – двопровідною; б) – чотирьох провідної

До дротяних ниток передачі відноситься повітря дво і чотирьох провідні лінії передачі. На мал. 1.2.2 представлені поперечний перетин таких ліній передачі. Провідники лінії можуть бути покриті діелектриком. Основним типом хвилі в них є Т-хвиля. В чотирьох провідних лініях збуджуються попарно сполучені провідники, наприклад вертикальні, горизонтальні або діагональні. Такі лінії передачі використовуються в діапазонах гектометрів, декаметрові і метрових хвиль. До смужкових ліній передачі відносяться несиметрична і симетрична смужкова лінії, щілинна і копланарна лінії. Поперечні перетини таких ліній і структура полів в них представлені на мал. 1.2.3. Вони застосовуються в діапазонах дециметрових, сантиметрових і довгохвильовій частині міліметрових хвиль. Основною хвилею несиметричною і симетричною смужкових ліній є t-хвиля. У щілинній і копланарній лініях основною є Н-хвиля.

Рисунок 1.2.3 - Поперечні перетини смужкових ліній передачі

а) – несиметричною; б) – симетричною; у) щілинною; г)копланарною.

1.3 Основні характеристики лінії передачі
Регулярна лінія передачі - лінія передачі, параметри якої не змінюються вздовж напряму поширення хвилі.
Основна хвиля– хвиля, що має найменшу критичну частоту серед усіх хвиль, які можуть поширюватися у регулярній лінії.
Основними хвилями у однозв’язних лініях передачі (хвилеводи,щілинні лінії) є Е або Н – хвилі, у багатозв᾽язних лініях без втрат з однорідним заповненням (коаксіальні лінії, симетричні смужкові лінії) – ТЕМ – хвиля,у багатозв᾽язних лініях з неоднорідним заповненням (несиметричні смужкові лінії або мікросмужкові лінії) – квазі – ТЕМ – хвиля. Усі хвилі з більшими критичними частотами є хвилями вищих типів і вважаються небажаними (паразитами).
Е – хвиля (ТМ - хвиля) - хвиля у якої вектор Н, має нульову поздовжню складову. Інші складові векторів Е та Н відмінні від нуля.
Н – хвиля (ТЕ - хвиля) – хвиля у якої вектор Е, має нульову поздовжню складову. Інші складові векторів Е та Н відмінні від нуля.
ТЕМ – хвиля (Т- хвиля) – хвиля у якої поздовжні складові векторів Е та Н дорівнюють нулю, тобто вектори Е та Н лежать у площині, яка перпендикулярна напряму пиширення хвилі. Критична частота Т – хвилі дорівнює нулю. Параметри хвилі не залежать від частоти.
Квазі – ТЕМ – хвиля (квазі – Т - хвиля) – гібридна хвиля, поздовжні складові векторів Е та Н якої набагато переважають поперечні складові. Критична частота квазі – ТЕМ – хвилі дорівнює нулю. Ця хвиля має значну дисперсію, але на низьких частотах вона практично співпадає по параметрам та властивостям з Т – хвилею.
Гібридна хвиля – хвиля, усі складові векторів Е та Н якої відмінні від нуля. В усіх лініях передачі з неоднорідним заповненням поширюються саме гібридні хвилі.
Критична частота – яка,у регулярних повністю екранованих лініях без втрат відповідає частоті, на якій стала поширення - -дорівнює нулю.
Стала поширення - величина,яка характеризує процес поширення хвиль вздовж регулярної лінії і може бути визначена як

(1)

де – коефіцієнт згасання, - фазова стала.

Фазова стала [1/м ] – величина, що чисельно дорівнює фазовому зсуву, який набуває хвиля при проходженні у регулярній лінії відстані одиничної довжини.
Коефіцієнт згасання - [дБ/м] – величина, що обернено пропорційна відстані, яку повинна пройти хвиля вздовж регулярної лінії для того, щоб її амплітуда зменшилася у e разів.
Довжина хвилі у лінії– -величина, що чисельно дорівнює відстані, яку повинна пройти хвиля вздовж регулярної лінії, щоб ії фаза змінилася на .
Фазова швидкість - - [м/с]- швидкість переміщення фронта хвилі (поверхні рівних фаз) вздовж повздовжньої вісі z регулярної лінії. Фазова швидкість визначається таким співвідношенням
(2)
Нормована погонна ємність - С – величина, яка визначається за формулою
(3)
і чисельно дорівнює нормованої на подвійної енергії електричного поля, що зосереджена у регулярній лінії одиничної довжини.
Добротність лінії – Q – безрозмірна величина,яка дорівнює власній добротності напівхвилевого резонатора з відрізка лінії і визначається за формулою
(4)

Поверхневий опір провідника – – величина,яка чисельно дорівнює опору, що зустрічає струм у шарі провідника з товщиною на частоті f=0.
Глибина скін-шару - відстань, при проходженні якої хвилею напруженість її поля у провіднику зменшується в e-разів.(e ).
Гранична потужність лінії - потужність, при передачі якої виникає електричний пробій. Гранична потужність і, таким чином електрична міцність лінії визначаються максимальною напруженістю електричного поля, перевищення якої веде до пробою.