Микроволновая техника - Линии передачи

А transmission lineсоединитель, который передает энергию из одной точки в другую. Изучение теории линий передачи помогает в эффективном использовании энергии и оборудования.

В основном есть четыре типа линий передачи -

Двухпроводные параллельные линии передачи
Коаксиальные линии
Линии передачи подложек ленточного типа
Waveguides

Во время передачи или приема передача энергии должна осуществляться эффективно, без потерь мощности. Для этого необходимо учитывать некоторые важные параметры.

Основные параметры линии передачи

Важными параметрами линии передачи являются сопротивление, индуктивность, емкость и проводимость.

Вместе сопротивление и индуктивность называются линией передачи. impedance.

Емкость и проводимость вместе называются admittance.

Сопротивление

Сопротивление, обеспечиваемое материалом, из которого сделаны линии передачи, будет значительным, особенно для более коротких линий. По мере увеличения линейного тока омические потери $ \ left (I ^ {2} R \: loss \ right) $ также увеличиваются.

Сопротивление $R$ проводника длины "$l$" и поперечное сечение "$a$" представлен как

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

где

Ѓ $ \ rho $ = удельное сопротивление материала проводника, которое постоянно.

Температура и частота тока являются основными факторами, влияющими на сопротивление линии. Сопротивление проводника изменяется линейно с изменением температуры. Принимая во внимание, что, если частота тока увеличивается, плотность тока к поверхности проводника также увеличивается. В противном случае плотность тока по направлению к центру проводника увеличивается.

Это означает, что чем больше ток течет к поверхности проводника, тем меньше он течет к центру, который известен как Skin Effect.

Индуктивность

В линии передачи переменного тока ток течет синусоидально. Этот ток индуцирует магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю, которое также изменяется синусоидально. Это хорошо известно как закон Фарадея. Поля изображены на следующем рисунке.

Это переменное магнитное поле индуцирует в проводнике некоторую ЭДС. Теперь это индуцированное напряжение или ЭДС течет в направлении, противоположном исходному току. Эта ЭДС, текущая в противоположном направлении, эквивалентно показана параметром, известным какInductance, которое является свойством противодействовать сдвигу тока.

Обозначается как "L". Единица измерения:"Henry(H)".

Проводимость

Между линией передачи и землей, а также между фазными проводниками возникнет ток утечки. Этот небольшой ток утечки обычно проходит через поверхность изолятора. Обратный ток утечки называетсяConductance. Обозначается как "G".

Протекание линейного тока связано с индуктивностью, а разница напряжений между двумя точками связана с емкостью. Индуктивность связана с магнитным полем, а емкость связана с электрическим полем.

Емкость

Разница напряжений между Phase conductorsвызывает электрическое поле между проводниками. Два проводника подобны параллельным пластинам, а воздух между ними становится диэлектриком. Этот рисунок вызывает эффект емкости между проводниками.

Характеристический импеданс

Если рассматривается однородная линия передачи без потерь, для волны, распространяющейся в одном направлении, отношение амплитуд напряжения и тока вдоль этой линии, которая не имеет отражений, называется Characteristic impedance.

Обозначается $ Z_0 $

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {напряжение \: \: волна \: \: значение} {текущее \: \: волна \: \: значение}} $$

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

Для линии без потерь $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $

Где $ L $ и $ C $ - индуктивность и емкость на единицу длины.

Согласование импеданса

Для достижения максимальной передачи мощности нагрузке необходимо согласование импеданса. Для достижения такого согласования импеданса должны быть выполнены следующие условия.

Сопротивление нагрузки должно быть равным сопротивлению источника.

$$ R_L = R_S $$

Реактивное сопротивление нагрузки должно быть равно реактивному сопротивлению источника, но иметь противоположный знак.

$$ X_L = -X_S $$

Это означает, что если источник индуктивный, нагрузка должна быть емкостной, и наоборот.

Коэффициент отражения

Параметр, который выражает количество отраженной энергии из-за несоответствия импеданса в линии передачи, называется Reflection coefficient. Обозначается $ \ rho $(rho).

Его можно определить как «отношение отраженного напряжения к падающему на клеммах нагрузки».

$$ \ rho = \ frac {отраженное \: напряжение} {падающее \: напряжение} = \ frac {V_r} {V_i} \: at \: load \: терминалы $$

Если импеданс между устройством и линией передачи не совпадает друг с другом, энергия отражается. Чем больше отражается энергия, тем больше значение коэффициента отражения $ \ rho $.

Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)

Стоячая волна образуется при отражении падающей волны. Образующаяся стоячая волна содержит некоторое напряжение. Величину стоячих волн можно измерить с помощью коэффициента стоячих волн.

Отношение максимального напряжения к минимальному напряжению в стоячей волне можно определить как коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН). Обозначается "$ S $".

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

КСВН описывает структуру стоячей волны напряжения, которая присутствует в линии передачи из-за сложения фаз и вычитания падающей и отраженной волн.

Следовательно, его также можно записать как

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

Чем больше рассогласование импеданса, тем выше будет амплитуда стоячей волны. Следовательно, если полное сопротивление идеально согласовано,

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

Следовательно, значение VSWR равно единице, что означает идеальную передачу.

Эффективность линий передачи

Эффективность линий передачи определяется как отношение выходной мощности к входной.

$ \% \: эффективность \: из \: передачи \: линии \: \ eta = \ frac {Мощность \: доставлено \: при \: приеме} {Мощность \: отправлено \: от \: \: передачи \: end} \ times 100 $

Регулировка напряжения

Регулировка напряжения определяется как изменение величины напряжения между передающим и принимающим концом линии передачи.

$ \% \: напряжение \: регулирование = \ frac {отправка \: конец \: напряжение - \: получение \: конец \: напряжение} {отправка \: конец \: напряжение} \ раз 100 $

Потери из-за несоответствия импеданса

В линии передачи, если к ней не подключена согласованная нагрузка, возникают потери. Эти потери бывают многих типов, например, затухания, потери на отражение, потери передачи, возвратные потери, вносимые потери и т. Д.

Потеря затухания

Потери, возникающие из-за поглощения сигнала в линии передачи, называются потерями на затухание, которые представлены как

$$ Затухание \: потери (дБ) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right] $$

где

$ E_i $ = входная энергия
$ E_r $ = отраженная энергия от нагрузки до входа
$ E_t $ = энергия, передаваемая нагрузке

Потеря отражения

Потери, возникающие из-за отражения сигнала из-за несоответствия импеданса линии передачи, называются потерями на отражение, которые представлены как

$$ Отражение \: loss (дБ) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right] $$

где

$ E_i $ = входная энергия
$ E_r $ = отраженная энергия от нагрузки

Потеря передачи

Потери, возникающие при передаче по линии передачи, называются потерями при передаче, которые представлены как

$$ Передача \: потери (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$

где

$ E_i $ = входная энергия
$ E_t $ = переданная энергия

Обратные потери

Показатель мощности, отраженной линией передачи, называется обратными потерями, которые представлены как

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

где

$ E_i $ = входная энергия
$ E_r $ = отраженная энергия

Вносимая потеря

Потери, возникающие из-за передачи энергии с использованием линии передачи по сравнению с передачей энергии без линии передачи, называются вносимыми потерями, которые представлены как

$$ Вставка \: loss (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$

где

$ E_1 $ = энергия, получаемая нагрузкой при прямом подключении к источнику, без линии передачи.
$ E_2 $ = энергия, полученная нагрузкой, когда линия передачи подключена между нагрузкой и источником.

Соответствие заглушки

Если импеданс нагрузки не соответствует импедансу источника, для достижения согласования иногда используется метод, называемый «согласование шлейфа».

Процесс соединения участков открытых или коротких замыканий называется stubs в шунте с основной линией в какой-то точке или точках, может быть обозначен как Stub Matching.

На более высоких микроволновых частотах в основном используются два метода согласования шлейфов.

Соответствие одиночных заглушек

При согласовании одиночного штыря заглушка определенной фиксированной длины размещается на некотором расстоянии от груза. Он используется только для фиксированной частоты, потому что при любом изменении частоты необходимо изменить положение шлейфа, чего не происходит. Этот метод не подходит для коаксиальных линий.

Двойное соответствие заглушек

При подборе двойных шпилек в определенных положениях фиксируются два штыря переменной длины. При изменении нагрузки для достижения соответствия регулируется только длина штырей. Это широко используется в лабораторной практике в качестве единственного устройства согласования частоты.

На следующих рисунках показано, как выглядят совпадения заглушек.

Согласование одиночного шлейфа и согласования двойного шлейфа, как показано на рисунках выше, выполняются в линиях передачи для достижения согласования импеданса.