Направляющие системы

Кроме свободно распространяющихся волн, рассмотренных ранее, существуют волны, распространение которых происходит при наличии каких-либо направляющих элементов (границы раздела сред, металлические поверхности и т.д.). Совокупность направляющих элементов образует направляющую систему. Направляющие системы предназначены для решения важнейшей задачи техники СВЧ: передаче электромагнитных волн. В связи с этим направляющие системы называют также линиями передачи. Различные типы линий передачи предназначены для соединения антенных устройств с передатчиками и приемниками, для связи между собой отдельных элементов того или иного устройства, а также в качестве колебательных систем.

При выборе линии передачи руководствуются рядом общих требований.

Первое требование – обеспечение высокого КПД при передаче мощности. Все виды потерь энергии − на нагрев проводников и диэлектриков, на отражение или преобразование в волны паразитных типов и др. −должны быть минимальными.

Второе требовние − максимальная напряженность поля внутри линии передачи при фиксированной проводящей мощности должна быть как можно ниже. Это уменьшает опасность электрического пробоя и позволяет передавать наибольшую мощность.

Третье требование − устранение частотных искажений передаваемых по тракут сигналов и обеспечение возможности работы в нужной полосе частот.

Четвертое требование − отсутствие заметного просачивания электромагнитного поля в окружающее пространство.

И, наконец, пятое требование говорит о необходимости выполнения всех предыдущих требований в рамках установленных ограничений на габаритные размеры поперечного сечения, на погонную массу и погонную стоимость линий передачи.

Не существует универсальных направляющих систем, удовлетворяющих всем поставленным требованиям во всех диапазонах частот. Наоборот, освоение каждого нового участка частотного спектра неизменно сопровождается созданием новых типов линий передачи. Основное противоречие заключается в том, что коэффициент затухания линий передачи большей частью растет вместе с частотой.

Наиболее распространенные типы линий передачи для разных диапазонов перечислены ниже:

1. Проволочные линии: двухпроводные, многопроводные

2. Кабели: коаксиальные, симметричные.

3. Полосковые линии: несимметричная, симметричная, высокодобротная.

4. Волноводы: диэлектрические, поверхностных волн, лучевые.

На рисунке 68 показаны частотные диапазоны применения различных типов линий передачи. Такое деление достаточно условно: так, в коаксиальные кабели успешно работают и в гигагерцовом диапазоне волн.

Рисунок 68 − Линии передачи

Рассмотрим вкратце физические принципы работы основных линий передачи.

Проволочные линии передачи. Открытая линия из двух одинаковых параллельных проводников применятся на гектометровых и метровых волнах для подключения антенн к приемным и передающим устройствам. На более коротких волнах применению двухпроводных линий препятствует заметное излучение, создающее помехи и увеличивающее затухание. Воздушные двухпроводные линии выполняют из неизолированных медных или биметаллических проводов, подвешенных на опорах с помощью специальных керамических изоляторов. Четырехпроводные линии пердачи, образыванне из четырех попарно соединенных проводников, имеют такое же применение, но отличаются меньшим паразитным излучением.

Коаксиальные линии передачи. Тракты коаксиального типа применяются в широком диапазоне частот: для волн короче 10 м и до сантиметров. Коаксиальные волноводы представляют собой жесткие конструкции из металлических трубок, закрепленных одна в другой при помощи диэлектрических шайб. Наиболее широко распространены, однако, гибкие коаксиальные тракты, которые в этом случае называются коаксиальными кабелями. Гибкие коаксиальные кабели состоят из одножильного или многожильного внутреннего проводника, окруженного слоем эластичного диэлектрика (полиэтилен, фторопласт и др.), поверх которого располагается внешний проводник в виде металлической оплетки.

Рисунок 69 − Жесткий коаксиальный волновод

Рисунок 70 − Гибкий коаксиальный кабель

Для предохранения кабеля от внешних воздействий поверх оплетки располагается защитная диэлектрическая оболочка. Из-за уменьшенных размеров поперечного сечения и диэлектрических потерь коэффициент затухания коаксиальных кабелей превосходит коэффициент затухания для жесткого коаксиального волновода. Значение допустимой мощности в непрерывном режиме колебаний для коаксиальных кабелей составляет порядка 3-4 кВт на частотах около 1 ГГц.

Полосковые и микрополосковые линии передачи. Такие линии широко применяются на дециметровых и сантиметровых волнах в основном для образования сложных и разветвленных конструкций тракта.

Поперечные сечения полосковых линий передачи образуются из плоских параллельных проводников и диэлектрических пластин.

Различают симметричные и несимметричные полосковые линии передачи. Симметричные линии имеют в поперечном сечнии две перпендикулярные плоскости симметрии, несимметричные полосковые линии − одну плоскость симметрии.

На рисунке показаны некоторые разновидности полосковых линий передачи. Широкие металлические пластины в полосковых линиях являются экранами и могут рассматриваться как бесконечные плоскости с нулевым потенциалом.

Наиболее распространены, в силу простоты своего изготовления, несимметричные полосковые линии, называемые также просто микрополосковыми (рисунок 71). В таких линиях один слой фольги является экраном, а второй слой используют для образования рисунка полосковой платы.

В симметричных полосковых линиях рисунок полосковой платы покрывают ответной плоской платой, с внутренней стороны которой фольга удалена полностью (рисунок 72).

При необходимости исключения диэлектрических потерь используют так называемую высокодобротную симметричную полосковую линию. Внутренний проводник такой линии образуется из соединенных между собой полосок фольги на двух сторонах тонкого диэлектрического основания. Диэлектрическое основание устанавливают на шайбовых диэлектрических опорах посередине между металлическими обкладками, являющимися экраном полосковой линии.

Рисунок 71 − Несимметричная полосковая линия

Рисунок 72 − Поперечные сечения симметричной и высокодобротной линий

Для передачи оптических сигналов наиболее часто используют волноводы поверхностных волн, называемые также световодами. Световоды существуют пленочные и волоконные: наибольшее распространение получили волоконные световоды, применяемые в волоконно-оптических линиях связи.

Рисунок 73 − Световод

Волоконный световод состоит из диэлектрических сердечника и оболочки. Коэффициенты преломления сердечника и оболочки равны соответственно и , причем . Для защиты от внешних воздействий и повышения механической прочности световода на наружную поверхность наносят полимерное покрытие (на рисунке не показано). Коэффициенты преломления подобраны таким образом, чтобы при распространении света по световоду на границе сердечника и оболочки возникало полное внутреннее отражение, поэтому вся энергия, переносимая по световоду, сосредоточена в сердечнике и оболочке. На оболочку можно снаружи наносить любое покрытие.

На высоких частотах и при больших уровнях мощности для канализации электромагнитной энергии двухпроводные и коаксиальные линии становятся непригодными. В этих случаях используются металлические трубы-волноводы. Исследования показывают, что поля в полых трубах распределены более равномерно в поперечном сечении, чем в коаксиальной линии. Поэтому по полым трубам можно передавать большую мощность с меньшими потерями.

Определение волновода как полой металлической трубы, направляющей распространение электромагнитной энергии, не является полным. Часто любую систему проводников или диэлектриков, предназначенную для направленной передачи электромагнитной энергии, называют волноводом. Далее мы будем рассматривать волноводы в узком смысле этого слова, т.е. полые металлические трубы.

Существуют волноводы различной формы: прямоугольный, круглый, П-образный, Н-образный (рисунок 74).

Рисунок 74 − Сечения волноводов различной формы

Далее мы будем подробно рассматривать распространение поля внутри каждого типа волноводов.