ЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ РІЗНИХ ТИПІВ

Залежно від конструкції розрізнюють такі типи ліній передачі:

провідні лінії (з ізоляцією та без неї);

коаксіальний кабель (гнучкий або жорсткий);

хвилеводні лінії різної форми;

мікросмужкові лінії (симетричні або несиметричні);

оптоволоконні лінії передачі (світловоди).

Розглянемо їх більш детально.

Провідні лінії передачі є відкритими лініями та складаються з двох або чотирьох однакових паралельних проводів з Т-хвилею.

На рис. 1.2 наведені провідні лінії передачі та їх умовні позначки.

Двопровідна лінія (рис. 1.2, а) використовується на гектометрових та метрових хвилях для підключення антен до передавальних або приймальних пристроїв. Хвильовий опір залежить від діаметра дротів d та відстані між ними D, відносної діелектричної провідності середовища між дротами ε і визначається за виразом

.

На практиці для двопровідної лінії хвильовий опір дорівнює Ом. Повітряні лінії виконуються з неізольованих мідних або біметалевих проводів, підвішених на висоті м над поверхнею Землі.

Чотирьохпровідні лінії (рис. 1.2, б) мають менше паразитне випромінення, менший хвильовий опір ( Ом), більшу електричну міцність, ніж двопровідні. Провідні лінії можна використовувати як гнучкі кабелі (рис. 1.3, а, б), які мають провід (1) у діелектричній оболонці (2), а також їх можна екранувати.

Гранична потужність дротяної двопровідної лінії визначається за формулою (1.2), де величина u_гр дорівнює

,

де d − зовнішній діаметр дроту, береться у сантиметрах (см); D − відстань між провідниками.

Коефіцієнт згасання у провідних лініях на коротких хвилях становить близько 0,005 дБ/м. При збільшенні частоти збільшуються втрати на випромінення, тому використовуються провідні лінії на частотах до 3 ГГц.

Коаксіальні лінії − це лінії передачі закритого типу. На рис. 1.4 наведена конструкція та умовне позначення коаксіального кабелю. Коаксіальний кабель має внутрішню жилу – 1, зовнішній провідник – 2, захисне ізоляційне покриття – 3, тобто діелектрик між внутрішньою жилою і зовнішнім провідником, зовнішнє ізоляційне покриття − 4. Коаксіальні лінії передачі застосовуються для хвиль завдовжки від см до 10 м. У коаксіальних кабелях розповсюджуються Т-хвилі. Коаксіальні лінії можуть бути у вигляді гнучких коаксіальних кабелів та жорстких коаксіальних хвилеводів.

Внутрішня жила може бути суцільною або як пучок тонких проводів. Діелектрик має бути еластичним.

Коаксіальні лінії мають хвильовий опір, що визначається за виразом

,

де D, d − діаметри зовнішнього та внутрішнього провідників; ε − діелектрична проникність діелектричного заповнення.

Коаксіальні хвилеводи складаються з центрального провідника та зовнішнього. Для утримання центрального провідника використовують або діелектричні шайби (рис. 1.5, а), або чвертьхвильові металеві ізолятори (рис. 1.5, б).

Металевий ізолятор утворюється чвертьхвильовим короткозамкненим відрізком коаксіальної лінії, який на вході має нескінченний опір.

Внутрішній діаметр діелектричних шайб (рис. 1.5, а) вибирають меншим за діаметр внутрішнього провідника для узгодження хвильових опорів, що визначається за виразом

.

Стандартні коаксіальні кабелі виконують з хвильовими опорами: 50 Ом, 75 Ом, 150 Ом і 300 Ом.

Гранична потужність коаксіального кабелю визначається
за виразом

.

З наведеного виразу випливає, що гранична потужність збільшується, якщо збільшуються величина та площа внутрішнього проводу.

Хвилеводи– це закриті лінії передачі. Вони є полими провідниками з різною формою перерізу. Найбільшого застосування набули прямокутні (рис. 1.6, а) та колові (рис. 1.6, б) хвилеводи. Існують,
також і інші, наприклад, Н-подібні та П-подібні хвилеводи
(рис. 1.6, в, г).

Основним типом хвиль для прямокутних хвилеводів є хвилі , для передачі енергії хвилі завдовжки λ_о у вільному просторі. Оптимальними розмірами хвилеводу, при яких будуть мінімальні втрати, є

,

де – довжина хвилі у вільному просторі; а, в − розміри широкої та вузької стінок хвилеводу.

У прямокутному хвилеводі спостерігається явище дисперсії. Дисперсійна характеристика визначається за виразом

.

З цього виразу випливає, що у хвилеводі фазова швидкість хвилі . Довжина хвилі у хвилеводі дорівнює

.

Хвильовий опір визначається за формулою

.

Якщо довжина хвилі дорівнює то . Це означає, що хвиля не розповсюджується, а відбивається. Довжина хвилі називається критичною. Якщо , то хвиля не розповсюджується. Такий хвилевід називають позамежним.

Для зменшення коефіцієнта згасання хвилеводи виготовляють із металів з доброю провідністю: мідь, алюміній, латунь. Також застосовують посріблені та позолочені хвилеводи.

Прямокутний хвилевід використовується для передачі хвиль з довжиною хвилі . Нижня межа визначається появою хвиль більш високих типів, а верхня – значним згасанням електромагнітної енергії.

Хвилеводи використовуються у діапазоні частот ГГц.

Гранична потужність

тим більша, чим більша площа перерізу хвилеводу а в.

На менших частотах у хвилеводах можна передавати більшу потужність, ніж на більш високих.

Коефіцієнт згасання у хвилеводі збільшується при збільшенні частоти, оскільки збільшуються втрати у металі.

У коловому хвилеводі можуть розповсюджуватися хвилі типу.

На рис. 1.7 показані силові лінії електричного поля суцільними лініями, а магнітного − штриховими лініями.

Критична довжина хвилі Н₁₁ дорівнює . Хвиля не має стійкої поляризації, оскільки внаслідок неоднорідностей вектор обертається у хвилеводі. Тому, використання її обмежене або використовують еліптичний хвилевід.

Критична довжина хвилі Е₀₁ дорівнює . Використовується даний тип хвиль в обертальних з’єднаннях, а також для отримання обертальної поляризації поля в антенах.

Критична довжина хвилі Н₀₁ дорівнює . Для даного типу хвиль характерне зменшення коефіцієнта згасання при збільшенні частоти. Тому використовується даний тип хвилі у міліметровому діапазоні.

Смужкові та мікросмужкові лінії передачі широко застосовуються на дециметрових та сантиметрових хвилях в основному для створення розгалужених трактів, які поєднують в єдиний пристрій багато елементів.

Конструкція та умовне позначення несиметричної смужкової та мікросмужкової лінії (МСЛ) наведені на рис. 1.8.

До складу мікросмужкової лінії входять: провідна смужка – 1 (може бути складною – ніхром+золото); діелектрик – 2 з відносною діелектричною проникністю до 16 та малими втратами − ; провідний екран – 3. Діелектричною основою мікросмужкової лінії може бути: алюмооксидна кераміка, арсенід галію, сапфір, ферит та ін. У смужкових лініях як діелектрик використовується повітря. До основних розмірів такої лінії відносять: ширину

провідної смуги − , ширину підкладки − та висоту підкладки − , що менша за 1 мм, товщину провідної смужки, причому основною хвилею в МСЛ передачі є квазі Т-хвиля. Для таких хвиль критична частота f_кр=0, тобто обмеження знизу немає. Разом з тим, виграш у конструкції та затратах у мікросмужкових ліній, порівняно з іншими лініями, виникає на частотах f>100 МГц.

Основна частина поля, що передається, зосереджена в діе-лектричній основі, але її частка розповсюджується у повітрі. Тому є

втрати на випромінення та дисперсію. Довжина хвилі в лінії менша за довжину хвилі у вільному просторі та визначається за виразом

,

де величина дорівнює

і є меншою відносної діелектричної проникності ε діелектричної основи. Якщо , то хвильовий опір дорівнює

,

а якщо , то

.

Як правило Ом.

Для інженерних розрахунків використовують спрощену формулу

.

На практиці величину змінюють шляхом зміни ширини смужкового провідника.

До складу симетричної лінії (рис.1.9, а) входять: смужковий провідник (2) шириною w та висотою , симетрично розташованого між провідними із заземленими пластинами (1) та діелектрик 3. Вибирають параметри , ( – довжина хвилі в діелектрику), при цьому відсутні втрати на випромінення. Але, в симетричній лінії більші втрати у діелектрику ніж у несиметричній. У симетричній МСЛ розповсюджується Т-хвиля, і в ній відсутня дисперсія, порівняно з несиметричною.

Виконують симетричні мікросмужкові лінії також у вигляді щілинних та компланарних ліній передач, які наведені на рис. 1.9 а, б, в відповідно.

У щілинних (рис. 1.9, б) та компланарних (рис. 1.9, в) лініях використовується діелектрична основа (1), на робочий бік якої наноситься два-три провідника (2, 3). Якщо =10, то поле, в основному, зосереджено у щілинах. У таких лініях утворюється Т-хвиля з коефіцієнтом уповільнення , критична частота нульова. Такі лінії мають значну дисперсію. Дані лінії використовуються для вмикання навісних елементів.

Смужкові та мікросмужкові лінії (СЛ та МСЛ) використовують у діапазоні частот При МГц немає виграшу у розмірах порівняно з коаксіальними кабелями. Якщо ГГц, то краще використовувати хвилеводи. Використання СЛ та МСЛ обмежується робочою потужністю, що дорівнює Вт у безперервному режимі.

Діелектричні лінії передачіявляють собою діелектричні стержні, вздовж яких розповсюджується хвиля, що збуджується як правило, хвилеводом через перехід. Найчастіше використовуються стержні прямокутного або еліптичного перерізу, в яких стабільна поляризація. Поле концентрується у просторі навколо стержня. Цей простір характеризується радіусом поля – це радіус перерізу, в якому концентрується 99% потужності хвилі. На практиці радіус поля має величину , при цьому коефіцієнт уповільнення дорівнює . На міліметрових хвилях коефіцієнт згасання дорівнює дБ/м, що на порядок менше ніж у прямокутному хвилеводі. Діелектричні лінії передач використовуються в діапазоні частот ГГц.

Світловоди– це лінії передачі, які спрямовують світлові хвилі по вузькому просторовому каналу усередині циліндричної трубки за допомогою оптичних лінз, дзеркал, діафрагм, волокон.

Лінзовий світловод (рис. 1.10) має металеву трубку (1) усередині якої є скляні лінзи (2), що розміщені з інтервалом м. Лінзи фокусують промені в напрямі центральної осі світловоду. Хвилі розповсюджуються між стінками металевої трубки.

Волоконний світловод (рис. 1.11) спрямовує промені по осердю, що охоплене оболонкою. Осердя виготовляється зі скляної нитки колового перерізу.

Осердя (нитка) виконується так, щоб здійснювалось явище повного внутрішнього відбиття, та використовувалось в субміліметровому та оптичному діапазонах хвиль .

До переваг світловодів
можна віднести:

найбільшу широкосмуговість (більше 1 ГГц) і пропускну здатність у межах телефонних каналів;

повну захищеність від зовнішніх полів та відсутність випромінення;

малі розміри, простоту монтажу та експлуатації;

малі втрати, наприклад, дБ/км в лінзових світловодах та дБ/км – у волоконних.

Загалом, лінія передачі для використання вибирається залежно від потужності, що передається, припустимих втрат, діапазону частот та мінімальних економічних витрат.