Общие сведения о длинных линиях. Назначение и типы линий передачи СВЧ

На начальном этапе развития радиотехники использовались главным образом длинные волны, то есть волны длиннее 10 м. Однако очень скоро диапазоны этих волн были «заселены». Во время Второй мировой войны, и особенно после её окончания, стали бурно развиваться радиолокация, телевидение, импульсная радиосвязь. Для исключения взаимного влияния работающих радиотехнических систем необходимо их разнесение по частотам. Ширина спектра частот сигналов большой информативности измеряется единицами – десятками мегагерц. Полоса частот, занимаемых волнами длиннее 10 м, составляет всего 30 МГц. Разрешить проблему, получившую название «эфирный голод», можно было только путём освоения более коротких волн.

Диапазон волн, имеющих длину менее 10 м, называют диапазоном ультракоротких волн (УКВ). Частоты, соответствующие этим волнам, называют сверхвысокими (СВЧ).

Использование СВЧ диапазона потребовало коренного изменения элементной базы радиотехнических систем и создания новых типов линий передачи энергии СВЧ колебаний.

Линии передачи СВЧ энергии колебаний служат для передачи с минимальными потерями этой энергии от источника к потребителю. Кроме того, отрезки линий передач могут использоваться в качестве реактивных элементов (индуктивностей и ёмкостей), согласующих элементов, изоляторов и резонансных (колебательных) систем.

Линии передачи СВЧ колебаний принято называть длинными линиями. Линия называется длинной, если её геометрические размеры (длина) соизмеримы с длинной волы колебаний, распространяющихся по этой линии. В настоящее время в технике СВЧ находят применение двухпроводные (симметричные, коаксиальные, полосковые) линии передач, однопроводные и волноводы.

Симметричная двухпроводная линия состоит из двух проводников, обладающих хорошей проводимостью, расположенных параллельно друг другу и соответствующим образом закреплённых на изоляторах. Достоинства симметричных линий заключаются в простоте устройства и симметричности, которая бывает необходима для связи линий с симметричной антенной. Недостатками являются большие потери на излучение, потери в изоляторах, влияние внешних электромагнитных полей.

В изолированной двухпроводной линии провода окружены высокочастотным диэлектриком, защищённым от механических повреждений наружной изоляцией.

Симметричная экранированная линия отличается от изолированной наличием экрана. Симметричные двухпроводные линии используются, как правило, в метровом диапазоне волн.

В дециметровом диапазоне волн широкое применение находят коаксиальные двухпроводные линии. Они могут быть гибкими и жёсткими. В гибких коаксиальных линиях внешним проводом служит оплётка из медной проволоки, обычно покрытая оболочкой из пластмассы. Внутри внешнего проводника соосно с ним располагается внутренний проводник. Всё внутреннее пространство заполняется диэлектриком. Маркируются гибкие коаксиальные линии следующим образом:

РК – 75 – 4 –12,

Где РК – радиочастотный, коаксиальный

75 - волновое сопротивление;

4 – диметр изоляции:

12 – изоляция из полиэтилена 1 и номер конструкции 2.

В жёсткой коаксиальной линии внешним проводником служит полая труба круглого сечения. По устройству они сложнее и дороже, но имеют ряд преимуществ. Потери на излучение в них практически отсутствуют, так как электромагнитное поле сосредоточено внутри линии. Так как внешний провод служит экраном, то коаксиальная линия не обладает антенным эффектом. Весьма удобно то, что ток высокой частоты во внешнем проводе только по его внутренней поверхности. Внешняя поверхность не несёт на себе тока и имеет нулевой потенциал. Её не требуется изолировать от земли, что облегчает прокладку линий. Активное сопротивление внешнего провода вследствие его большой поверхности значительно меньше, чем у обычных проводов, поэтому у коаксиальных потери активного характера значительно уменьшены.

В последнее время широкое распространение получили так называемые полосковые линии. Полосковые линии представляют собой металлическую ленту, расположенную над металлической плоскостью, или между двумя металлическими плоскостями. Пространство между плоскостями заполняется высококачественным диэлектриком, пробивное напряжение которого в 7-8 раз выше, чем у воздуха.

Эти линии являются практически единственно пригодными для интегральных микросхем, и в этом случае их называют микрополосковыми. Полосковые линии могут пропускать колебания в широком диапазоне частот и используются в современных устройствах СВЧ на частотах до десятков гигагерц.

В миллиметровом диапазоне используются однопроводные линии передачи, которые могут быть выполнены в виде одного металлического проводника или металлического проводника покрытого высококачественным диэлектриком. (Поле в такой линии за счет поверхностной волны концентрируется вдоль провода).

В сантиметровом диапазоне волн использовать коаксиальные линии становится невыгодно из-за больших внутренних потерь. Возрастание потерь в линиях происходит из-за того, что по внутреннему проводу коаксиальной линии течет ток большей плотности, чем по внешнему. В результате на внутреннем проводе выделяется больше тепла (больше потери) и, кроме того, создается повышенная напряженность, приводящая при большой передаваемой мощности к перенапряжению и электрическому пробою. Возникает необходимость исключить внутренний провод и передавать энергию по одному проводу – волноводу, представляющему собой полую металлическую трубу прямоугольного или круглого сечения. Волноводы позволяют передавать большую мощность с малыми потерями без перенапряжений и пробоя. Недостатком волноводов является то, что размеры поперечного сечения волноводов прямо пропорциональны длине волны передаваемой энергии. В дециметровом диапазоне волн размеры волноводов становится очень большим и практически неприемлемыми