ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Предисловие: электродинамика ЛП

Тракт СВЧ, согласование, классификация ЛП

Измерительные приборы СВЧ, в частности, векторный и скалярный анализаторы цепей, спектроанализатор и др., представляют собой сложную радиотехническую систему. Со структурной точки зрения такая система включает большое число различных устройств СВЧ. К ним относятся отрезки линий передачи,разъемы, изгибы и скрутки, согласующие устройства, фильтры СВЧ, делители мощности, направленные ответвители, коммутирующие устройства и т.п. Среди устройств СВЧ особое место занимают линии передачи волн СВЧ. Они не только соединяют устройства СВЧ между собой в тракт СВЧ и канализируют электромагнитную энергию, несущую информацию, но, в определенном смысле, являются координаторами конструкции и «законодателями мод»: в схемотехническом смысле «основные средства для конструирования … находятся из понимания передающих линий … и методов согласования импедансов» [13.6]. Этот тезис как нельзя лучше относится к векторному анализатору цепей, который должен быть сконструирован так, чтобы информативные, подлежащие измерению, потоки в линиях передачи минимально искажались, а неинформативные, обязанные факторам несогласованности, максимально подавлялись.

Строго говоря, для расчета и конструирования линии передачи необходимо знать структуру электромагнитного поля в рассматриваемой части пространства, т. е. решить прямую внутреннюю краевую задачу электродинамики. Однако, возникающие на практике электродинамические задачи обычно весьма сложны, поэтому прибегают к рассмотрению некоторой модельной задачи, в той или иной мере отражающей реальную ситуацию. Применительно к линиям передачи такие модели доставляет концепция эквивалентных длинных линий, применение которой каждый раз должно иметь некоторые основания.

С позиций электродинамики линия передачи (ЛП) это направляющая система, т. е. устройство канализации электромагнитной энергии в определенном направлении, называемом ниже продольным, без излучения в окружающее пространство. Направление распространения определяется взаимным расположением источника электромагнитных волн и нагрузки в ЛП. Источником может служить генератор, подключенный к ЛП, приемная антенна, элемент связи с другой ЛП или с неким устройством СВЧ, и т. п. Нагрузкой ЛП может служить сопротивление (в общем случае комплексное), передающая антенна, входная цепь приемника и т. п.

Существует некоторая классификация ЛП. Если электромагнитное поле ЛП не ограничено в поперечном направлении, ее называют открытой, в противном случае – закрытой; обычно ограничителем является некая металлическая оболочка той или иной формы. В открытых ЛП, вообще говоря, электромагнитное поле распределено во всем пространстве, окружающем линию, поэтому она конструируется так, чтобы подавляющее большинство передаваемой энергии было сосредоточено в непосредственной близости к линии. Все же открытые линии подвержены влиянию внешних воздействий: электромагнитных полей, созданных другими источниками, метеоусловий и т. п. Закрытые ЛП иногда называют волноводами [13.4], в такой терминологии коаксиальную ЛП следует относить к волноводам специального типа. Мы будем считать коаксиальные ЛП отдельным видом. ЛП называется регулярной, если ее геометрические и электродинамические свойства не меняются в продольном направлении (продольно-регулярная ЛП) или меняются по периодическому закону (периодическая ЛП), в противном случае ЛП называется нерегулярной. Ниже рассматриваются только продольно-регулярные ЛП.

В зависимости от материалов тел, образующих ЛП, они могут быть металлическими, диэлектрическими или металлодиэлектрическими. Электрические свойства ЛП зависят от порядка связности их поперечного сечения; он является геометрической характеристикой поперечного сечения и определяется числом проводящих поверхностей ЛП, в зависимости от которого различают ЛП нулевой связности (при отсутствии проводящих поверхностей, например, диэлектрические ЛП), односвязные (например, металлические волноводы), двухсвязные (например, коаксиальные ЛП), и т. д. С точки зрения рассмотренных классификационных признаков, волновод – закрытая односвязная жесткая металлическая ЛП, коаксиальная линия – закрытая двухсвязная гибкая металлодиэлектрическая ЛП, микрополосковая линия – открытая двухсвязная жесткая металлодиэлектрическая ЛП.