Mikrowellentechnik - Übertragungsleitungen

EIN transmission lineist ein Verbinder, der Energie von einem Punkt zum anderen überträgt. Das Studium der Übertragungsleitungstheorie ist hilfreich für die effektive Nutzung von Strom und Ausrüstung.

Grundsätzlich gibt es vier Arten von Übertragungsleitungen -

Zweiadrige parallele Übertragungsleitungen
Koaxialleitungen
Streifensubstratübertragungsleitungen
Waveguides

Während des Sendens oder Empfangens muss die Energieübertragung effektiv und ohne Energieverschwendung erfolgen. Um dies zu erreichen, müssen bestimmte wichtige Parameter berücksichtigt werden.

Hauptparameter einer Übertragungsleitung

Die wichtigen Parameter einer Übertragungsleitung sind Widerstand, Induktivität, Kapazität und Leitfähigkeit.

Widerstand und Induktivität zusammen werden als Übertragungsleitung bezeichnet impedance.

Kapazität und Leitfähigkeit zusammen werden als bezeichnet admittance.

Widerstand

Der Widerstand, den das Material bietet, aus dem die Übertragungsleitungen bestehen, wird insbesondere bei kürzeren Leitungen erheblich sein. Mit zunehmendem Netzstrom steigt auch der ohmsche Verlust $ \ left (I ^ {2} R \: loss \ right) $.

Der Widerstand $R$ eines Leiters der Länge "$l$" und Querschnitt "$a$" wird dargestellt als

$$ R = \ rho \ frac {l} {a} $$

Ѓ $ \ rho $ = Widerstand des Leitermaterials, der konstant ist.

Temperatur und Frequenz des Stroms sind die Hauptfaktoren, die den Widerstand einer Leitung beeinflussen. Der Widerstand eines Leiters ändert sich linear mit der Temperaturänderung. Wenn dagegen die Frequenz des Stroms zunimmt, nimmt auch die Stromdichte zur Oberfläche des Leiters hin zu. Andernfalls nimmt die Stromdichte zur Mitte des Leiters hin zu.

Das heißt, je mehr Strom zur Oberfläche des Leiters fließt, desto weniger fließt er zum Zentrum, das als Skin Effect.

Induktivität

In einer Wechselstromübertragungsleitung fließt der Strom sinusförmig. Dieser Strom induziert ein Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld, das sich auch sinusförmig ändert. Dies ist als Faradaysches Gesetz bekannt. Die Felder sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Dieses variierende Magnetfeld induziert eine gewisse EMF in den Leiter. Diese induzierte Spannung oder EMK fließt nun in die entgegengesetzte Richtung zu dem anfänglich fließenden Strom. Diese EMF, die in die entgegengesetzte Richtung fließt, wird äquivalent durch einen Parameter gezeigt, der als bekannt istInductanceDies ist die Eigenschaft, der Stromverschiebung entgegenzuwirken.

Es wird mit "L". Die Maßeinheit ist"Henry(H)".

Leitfähigkeit

Zwischen der Übertragungsleitung und der Masse sowie zwischen den Phasenleitern tritt ein Leckstrom auf. Diese geringe Menge an Leckstrom fließt im Allgemeinen durch die Oberfläche des Isolators. Die Umkehrung dieses Leckstroms wird als bezeichnetConductance. Es wird mit "G".

Der Stromfluss ist mit der Induktivität verbunden und die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Punkten ist mit der Kapazität verbunden. Die Induktivität ist dem Magnetfeld zugeordnet, während die Kapazität dem elektrischen Feld zugeordnet ist.

Kapazität

Die Spannungsdifferenz zwischen dem Phase conductorserzeugt ein elektrisches Feld zwischen den Leitern. Die beiden Leiter sind wie parallele Platten und die Luft zwischen ihnen wird dielektrisch. Dieses Muster führt zu dem Kapazitätseffekt zwischen den Leitern.

Charakteristische Impedanz

Wenn eine gleichmäßige verlustfreie Übertragungsleitung für eine in eine Richtung laufende Welle betrachtet wird, wird das Verhältnis der Amplituden von Spannung und Strom entlang dieser Leitung, das keine Reflexionen aufweist, als bezeichnet Characteristic impedance.

Es wird mit $ Z_0 $ bezeichnet

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {Spannung \: \: Welle \: \: Wert} {Strom \: \: Welle \: \: Wert}} $$

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}} $$

Für eine verlustfreie Zeile gilt $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $

Wobei $ L $ & $ C $ die Induktivität und Kapazität pro Längeneinheit sind.

Impedanzanpassung

Um eine maximale Leistungsübertragung auf die Last zu erreichen, muss eine Impedanzanpassung durchgeführt werden. Um diese Impedanzanpassung zu erreichen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein.

Der Widerstand der Last sollte gleich dem der Quelle sein.

$$ R_L = R_S $$

Die Reaktanz der Last sollte gleich der der Quelle sein, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen haben.

$$ X_L = -X_S $$

Das heißt, wenn die Quelle induktiv ist, sollte die Last kapazitiv sein und umgekehrt.

Reflexionsfaktor

Der Parameter, der die Menge der reflektierten Energie aufgrund einer Impedanzfehlanpassung in einer Übertragungsleitung ausdrückt, wird als bezeichnet Reflection coefficient. Es wird durch $ \ rho $ angezeigt(rho).

Es kann definiert werden als "das Verhältnis der reflektierten Spannung zur an den Lastklemmen einfallenden Spannung".

$$ \ rho = \ frac {reflektierte \: Spannung} {Vorfall \: Spannung} = \ frac {V_r} {V_i} \: at \: load \: Terminals $$

Wenn die Impedanz zwischen dem Gerät und der Übertragungsleitung nicht übereinstimmt, wird die Energie reflektiert. Je höher die Energie reflektiert wird, desto größer ist der Wert des $ \ rho $ -Reflexionskoeffizienten.

Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR)

Die stehende Welle wird gebildet, wenn die einfallende Welle reflektiert wird. Die gebildete stehende Welle enthält eine gewisse Spannung. Die Größe stehender Wellen kann anhand stehender Wellenverhältnisse gemessen werden.

Das Verhältnis der maximalen Spannung zur minimalen Spannung in einer stehenden Welle kann als Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) definiert werden. Es wird mit "$ S $" bezeichnet.

$$ S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ right |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty $$

VSWR beschreibt das Spannungs-Stehwellenmuster, das in der Übertragungsleitung aufgrund der Phasenaddition und -subtraktion der einfallenden und reflektierten Wellen vorhanden ist.

Daher kann es auch geschrieben werden als

$$ S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho} $$

Je größer die Impedanzfehlanpassung ist, desto höher ist die Amplitude der stehenden Welle. Wenn daher die Impedanz perfekt angepasst ist,

$$ V_ {max}: V_ {min} = 1: 1 $$

Daher ist der Wert für VSWR Eins, was bedeutet, dass die Übertragung perfekt ist.

Effizienz von Übertragungsleitungen

Der Wirkungsgrad von Übertragungsleitungen ist definiert als das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung.

$ \% \: Effizienz \: von \: Übertragung \: Leitung \: \ eta = \ frac {Leistung \: geliefert \: bei \: Empfang} {Leistung \: gesendet \: von \: der \: Übertragung \: Ende} \ mal 100 $

Spannungsregulierung

Die Spannungsregelung ist definiert als die Änderung der Größe der Spannung zwischen dem Sende- und dem Empfangsende der Übertragungsleitung.

$ \% \: Spannung \: Regulierung = \ frac {Senden \: Ende \: Spannung - \: Empfangen \: Ende \: Spannung} {Senden \: Ende \: Spannung} \ mal 100 $

Verluste aufgrund von Impedanzfehlanpassung

Wenn die Übertragungsleitung nicht mit einer angepassten Last abgeschlossen wird, treten Verluste auf. Diese Verluste sind viele Arten wie Dämpfungsverlust, Reflexionsverlust, Übertragungsverlust, Rückflussverlust, Einfügungsverlust usw.

Dämpfungsverlust

Der Verlust, der aufgrund der Absorption des Signals in der Übertragungsleitung auftritt, wird als Dämpfungsverlust bezeichnet, der als dargestellt wird

$$ Dämpfung \: Verlust (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right] $$

$ E_i $ = die Eingangsenergie
$ E_r $ = die reflektierte Energie von der Last zum Eingang
$ E_t $ = die an die Last übertragene Energie

Reflexionsverlust

Der Verlust, der aufgrund der Reflexion des Signals aufgrund einer Impedanzfehlanpassung der Übertragungsleitung auftritt, wird als Reflexionsverlust bezeichnet, der als dargestellt wird

$$ Reflexion \: Verlust (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right] $$

$ E_i $ = die Eingangsenergie
$ E_r $ = die von der Last reflektierte Energie

Übertragungsverlust

Der Verlust, der während der Übertragung durch die Übertragungsleitung auftritt, wird als Übertragungsverlust bezeichnet, der als dargestellt wird

$$ Übertragung \: Verlust (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$

$ E_i $ = die Eingangsenergie
$ E_t $ = die übertragene Energie

Rückflussdämpfung

Das Maß für die von der Übertragungsleitung reflektierte Leistung wird als Rückflussdämpfung bezeichnet, die als dargestellt wird

$$ Return \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r} $$

$ E_i $ = die Eingangsenergie
$ E_r $ = die reflektierte Energie

Einfügungsverlust

Der Verlust, der aufgrund der Energieübertragung über eine Übertragungsleitung im Vergleich zur Energieübertragung ohne Übertragungsleitung auftritt, wird als Einfügungsverlust bezeichnet, der als dargestellt wird

$$ Einfügung \: Verlust (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$

$ E_1 $ = die Energie, die die Last erhält, wenn sie direkt an die Quelle angeschlossen ist, ohne Übertragungsleitung.
$ E_2 $ = die Energie, die von der Last empfangen wird, wenn die Übertragungsleitung zwischen der Last und der Quelle angeschlossen ist.

Stub Matching

Wenn die Lastimpedanz nicht mit der Quellenimpedanz übereinstimmt, wird manchmal eine Methode namens "Stub Matching" verwendet, um eine Anpassung zu erreichen.

Der Vorgang des Verbindens der Abschnitte von offenen oder Kurzschlussleitungen wird aufgerufen stubs im Shunt mit der Hauptlinie an einem Punkt oder Punkten, kann als bezeichnet werden Stub Matching.

Bei höheren Mikrowellenfrequenzen werden grundsätzlich zwei Stub-Matching-Techniken angewendet.

Single Stub Matching

Bei der Einzelstummelanpassung wird ein Stummel mit einer bestimmten festen Länge in einiger Entfernung von der Last platziert. Es wird nur für eine feste Frequenz verwendet, da für jede Frequenzänderung die Position des Stubs geändert werden muss, was nicht erfolgt. Diese Methode ist nicht für Koaxialleitungen geeignet.

Double Stub Matching

Bei der Doppelbolzenanpassung werden zwei Stummel variabler Länge an bestimmten Positionen fixiert. Wenn sich die Last ändert, werden nur die Längen der Stichleitungen angepasst, um eine Anpassung zu erreichen. Dies wird in der Laborpraxis häufig als Einzelfrequenzanpassungsgerät verwendet.

Die folgenden Abbildungen zeigen, wie die Stub-Matchings aussehen.

Die Einzelstummelanpassung und die Doppelstummelanpassung, wie in den obigen Figuren gezeigt, werden in den Übertragungsleitungen durchgeführt, um eine Impedanzanpassung zu erreichen.