Ingegneria a microonde - Linee di trasmissione
UN transmission lineè un connettore che trasmette energia da un punto all'altro. Lo studio della teoria della linea di trasmissione è utile per un uso efficace della potenza e delle apparecchiature.
Esistono fondamentalmente quattro tipi di linee di trasmissione:
- Linee di trasmissione parallele a due fili
- Linee coassiali
- Linee di trasmissione del substrato del tipo a strisce
- Waveguides
Durante la trasmissione o la ricezione, il trasferimento di energia deve essere effettuato in modo efficace, senza spreco di energia. Per raggiungere questo obiettivo, ci sono alcuni parametri importanti che devono essere considerati.
Parametri principali di una linea di trasmissione
I parametri importanti di una linea di trasmissione sono resistenza, induttanza, capacità e conduttanza.
La resistenza e l'induttanza insieme sono chiamate come linea di trasmissione impedance.
La capacità e la conduttanza insieme sono chiamate come admittance.
Resistenza
La resistenza offerta dal materiale di cui sono costituite le linee di trasmissione sarà di notevole entità, soprattutto per le linee più corte. All'aumentare della corrente di linea, aumenta anche la perdita ohmica $ \ left (I ^ {2} R \: loss \ right) $.
La resistenza $R$ di un conduttore di lunghezza "$l$" e sezione trasversale "$a$" è rappresentato come
$$ R = \ rho \ frac {l} {a} $$
Dove
Ѓ $ \ rho $ = resistività del materiale conduttore, che è costante.
La temperatura e la frequenza della corrente sono i principali fattori che influenzano la resistenza di una linea. La resistenza di un conduttore varia linearmente con la variazione di temperatura. Se invece la frequenza della corrente aumenta, aumenta anche la densità di corrente verso la superficie del conduttore. In caso contrario, la densità di corrente verso il centro del conduttore aumenta.
Ciò significa che più la corrente scorre verso la superficie del conduttore, fluisce meno verso il centro, che è noto come Skin Effect.
Induttanza
In una linea di trasmissione CA, la corrente scorre sinusoidalmente. Questa corrente induce un campo magnetico perpendicolare al campo elettrico, che varia anch'esso sinusoidalmente. Questa è ben nota come legge di Faraday. I campi sono rappresentati nella figura seguente.
Questo campo magnetico variabile induce alcuni EMF nel conduttore. Ora questa tensione indotta o EMF scorre nella direzione opposta alla corrente che scorre inizialmente. Questo EMF che scorre nella direzione opposta è mostrato in modo equivalente da un parametro noto comeInductance, che è la proprietà di opporsi allo spostamento della corrente.
È indicato da "L". L'unità di misura è"Henry(H)".
Conduttanza
Ci sarà una corrente di dispersione tra la linea di trasmissione e la terra e anche tra i conduttori di fase. Questa piccola quantità di corrente di dispersione scorre generalmente attraverso la superficie dell'isolante. L'inverso di questa corrente di dispersione è definito comeConductance. È indicato da "G".
Il flusso di corrente di linea è associato all'induttanza e la differenza di tensione tra i due punti è associata alla capacità. L'induttanza è associata al campo magnetico, mentre la capacità è associata al campo elettrico.
Capacità
La differenza di tensione tra i Phase conductorsdà luogo ad un campo elettrico tra i conduttori. I due conduttori sono proprio come piastre parallele e l'aria tra di loro diventa dielettrica. Questo modello dà origine all'effetto di capacità tra i conduttori.
Impedenza caratteristica
Se si considera una linea di trasmissione senza perdite uniforme, per un'onda che viaggia in una direzione, il rapporto tra le ampiezze di tensione e corrente lungo quella linea, che non ha riflessioni, è chiamato come Characteristic impedance.
È indicato con $ Z_0 $
$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {voltaggio \: \: wave \: \: value} {current \: \: wave \: \: value}} $$
$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}} $$
Per una riga senza perdite, $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $
Dove $ L $ e $ C $ sono l'induttanza e la capacità per unità di lunghezza.
Corrispondenza dell'impedenza
Per ottenere il massimo trasferimento di potenza al carico, è necessario eseguire l'adattamento dell'impedenza. Per ottenere questo adattamento dell'impedenza, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni.
La resistenza del carico dovrebbe essere uguale a quella della sorgente.
$$ R_L = R_S $$
La reattanza del carico dovrebbe essere uguale a quella della sorgente ma di segno opposto.
$$ X_L = -X_S $$
Ciò significa che, se la sorgente è induttiva, il carico dovrebbe essere capacitivo e viceversa.
Coefficiente di riflessione
Il parametro che esprime la quantità di energia riflessa a causa del disadattamento di impedenza in una linea di trasmissione è chiamato come Reflection coefficient. È indicato da $ \ rho $(rho).
Può essere definito come "il rapporto tra la tensione riflessa e la tensione incidente ai terminali di carico".
$$ \ rho = \ frac {riflessa \: voltaggio} {incidente \: voltaggio} = \ frac {V_r} {V_i} \: at \: load \: terminal $$
Se l'impedenza tra il dispositivo e la linea di trasmissione non coincide tra loro, l'energia viene riflessa. Maggiore è l'energia riflessa, maggiore sarà il valore del coefficiente di riflessione $ \ rho $.
Rapporto d'onda stazionaria di tensione (VSWR)
L'onda stazionaria si forma quando l'onda incidente viene riflessa. L'onda stazionaria che si forma contiene una certa tensione. L'entità delle onde stazionarie può essere misurata in termini di rapporti di onde stazionarie.
Il rapporto tra la tensione massima e la tensione minima in un'onda stazionaria può essere definito come Rapporto di onda stazionaria di tensione (VSWR). È indicato con "$ S $".
$$ S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ right |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty $$
VSWR descrive il modello di onda stazionaria di tensione presente nella linea di trasmissione a causa dell'addizione e della sottrazione di fase delle onde incidente e riflessa.
Quindi, può anche essere scritto come
$$ S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho} $$
Maggiore è il disadattamento di impedenza, maggiore sarà l'ampiezza dell'onda stazionaria. Pertanto, se l'impedenza corrisponde perfettamente,
$$ V_ {max}: V_ {min} = 1: 1 $$
Quindi, il valore per VSWR è l'unità, il che significa che la trasmissione è perfetta.
Efficienza delle linee di trasmissione
L'efficienza delle linee di trasmissione è definita come il rapporto tra la potenza di uscita e la potenza di ingresso.
$ \% \: efficienza \: of \: trasmissione \: linea \: \ eta = \ frac {Potenza \: consegnato \: alla \: ricezione} {Potenza \: inviata \: da \: la \: trasmissione \: end} \ times 100 $
Regolazione del voltaggio
La regolazione della tensione è definita come la variazione dell'ampiezza della tensione tra le estremità di invio e di ricezione della linea di trasmissione.
$ \% \: voltaggio \: regolazione = \ frac {invio \: fine \: voltaggio - \: ricezione \: fine \: voltaggio} {invio \: fine \: voltaggio} \ times 100 $
Perdite dovute alla mancata corrispondenza dell'impedenza
La linea di trasmissione, se non terminata con un carico abbinato, si presenta in perdita. Queste perdite sono di molti tipi come perdita di attenuazione, perdita di riflessione, perdita di trasmissione, perdita di ritorno, perdita di inserzione, ecc.
Perdita di attenuazione
La perdita che si verifica a causa dell'assorbimento del segnale nella linea di trasmissione è definita perdita di attenuazione, che è rappresentata come
$$ Attenuazione \: perdita (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right] $$
Dove
$ E_i $ = l'energia in ingresso
$ E_r $ = l'energia riflessa dal carico all'ingresso
$ E_t $ = l'energia trasmessa al carico
Perdita di riflessione
La perdita che si verifica a causa della riflessione del segnale a causa del disadattamento di impedenza della linea di trasmissione è definita come perdita di riflessione, che è rappresentata come
$$ Riflessione \: perdita (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right] $$
Dove
$ E_i $ = l'energia in ingresso
$ E_r $ = l'energia riflessa dal carico
Perdita di trasmissione
La perdita che si verifica durante la trasmissione attraverso la linea di trasmissione è definita perdita di trasmissione, che è rappresentata come
$$ Trasmissione \: perdita (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$
Dove
$ E_i $ = l'energia in ingresso
$ E_t $ = l'energia trasmessa
Perdita di ritorno
La misura della potenza riflessa dalla linea di trasmissione è definita perdita di ritorno, che è rappresentata come
$$ Return \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r} $$
Dove
$ E_i $ = l'energia in ingresso
$ E_r $ = l'energia riflessa
Perdita di inserzione
La perdita che si verifica a causa del trasferimento di energia utilizzando una linea di trasmissione rispetto al trasferimento di energia senza una linea di trasmissione è definita come perdita di inserzione, che è rappresentata come
$$ Inserimento \: perdita (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$
Dove
$ E_1 $ = l'energia ricevuta dal carico quando connesso direttamente alla sorgente, senza linea di trasmissione.
$ E_2 $ = l'energia ricevuta dal carico quando la linea di trasmissione è collegata tra il carico e la sorgente.
Stub Matching
Se l'impedenza di carico non corrisponde all'impedenza della sorgente, a volte viene utilizzato un metodo chiamato "Stub Matching" per ottenere la corrispondenza.
Il processo di collegamento delle sezioni di linee di circuito aperto o in cortocircuito chiamate stubs nello shunt con la linea principale in un punto o più punti, può essere definito come Stub Matching.
A frequenze di microonde più elevate, vengono impiegate fondamentalmente due tecniche di stub matching.
Single Stub Matching
In Single stub matching, uno stub di una certa lunghezza fissa viene posizionato a una certa distanza dal carico. Viene utilizzato solo per una frequenza fissa, perché per qualsiasi cambiamento di frequenza, la posizione dello stub deve essere modificata, cosa che non viene eseguita. Questo metodo non è adatto per linee coassiali.
Abbinamento doppio stub
Nel doppio abbinamento dei perni, due tronchetti di lunghezza variabile sono fissati in determinate posizioni. Man mano che il carico cambia, solo le lunghezze degli stub vengono regolate per ottenere la corrispondenza. Questo è ampiamente utilizzato nella pratica di laboratorio come dispositivo di corrispondenza della frequenza singola.
Le figure seguenti mostrano come appaiono gli abbinamenti degli stub.
Il singolo stub matching e il doppio stub matching, come mostrato nelle figure precedenti, vengono eseguiti nelle linee di trasmissione per ottenere l'adattamento di impedenza.