Глава 4. Конструирование линий с волной типа тем

Глава 4. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИНИЙ С ВОЛНОЙ ТИПА ТЕМ

§ 4. 1. РАЗМЕЩЕНИЕ ОПОР В ДВУХПРОВОДНЫХ, КОАКСИАЛЬНЫХ И ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ

Наиболее простым фидерным устройством является двухпроводная открытая линия, применяющаяся для передачи энергии вплоть до метровых волн. Такая линия состоит из двух параллельных проводников (рис. 4. 1), расстояние между которыми фиксируется с помощью специальных распорок - изоляторов, выполненных из высокочастотной керамики, обладающей малыми потерями на высоких частотах и малой диэлектрической проницаемостью.

Рис. 4. 1. Двухпроводная линия:

а - общий вид; б - эквивалентная схема с учетом влияния опор

В качестве проводов для двухпроводной линии используют антенный канатик или сплошной проводник диаметром 2 - 6 мм из меди, бронзы, алюминия. Иногда применяют биметаллический проводник, т. е. стальной провод, поверхность которого покрыта слоем меди.

Расстояние между изоляторами следует выбирать равным  где
n = 1, 2 …

Так как неоднородность, вносимая в линию любой опорой, имеет емкостной характер, то емкостное сопротивление одного изолятора через отрезок линии в  трансформируется в индуктивное сопротивление той же величины в сечение установки соседнего изолятора, имеющего емкостное сопротивление, в результате чего происходит их взаимная компенсация и отражение от линии весьма мало.

К достоинствам двухпроводных симметричных линий относятся их малая стоимость, простота конструкции, легкость установки и обслуживания, а к недостаткам - наличие излучения энергии линией, интенсивность которого возрастает с укорочением длины волны.

В метровом, дециметровом и частично сантиметровом диапазонах волн широкое применение находят коаксиальные линии, которые выполняются в виде жестких линий или гибких кабелей. При изготовлении жестких коаксиальных линий обычно используются латунные или медные трубки (часто посеребренные), крепление центрального проводника в которых осуществляется с помощью диэлектрических опорных шайб или четвертьволновых металлических изоляторов. Крепление центрального проводника в таких линиях является главной задачей при их конструировании.

Применение диэлектрических шайб весьма удобно с конструктивной точки зрения, однако приводит к ухудшению параметров линии. На участке коаксиальной линии, занятой шайбой, происходит изменение волнового сопротивления и постоянной распространения. В длинноволновой части диапазона УКВ (дециметровые и метровые волны) неоднородность, вызванная присутствием шайб, слабо влияет на параметры линии и, так как на расстояние в одну длину волны приходится много шайб, их присутствие можно рассматривать как частичное заполнение линии диэлектриком. В диапазоне сантиметровых волн длина шайбы оказывается соизмеримой с длиной волны, так же как и расстояние между шайбами, и без принятия специальных мер шайбы могут вносить в линию значительные отражения.

Для уменьшения рассогласования, вносимого шайбами в линию, используют различные способы.

В случае тонких шайб ( ) (рис. 4. 2, а) они эквивалентны включению в линию некоторых сосредоточенных емкостей. При выборе расстояния между шайбами  (рис. 4. 2, б) емкостное сопротивление, вносимое в линию одной шайбой, трансформируется через отрезок линии в  в индуктивное сопротивление той же величины и оказывается включенным параллельно с емкостным сопротивлением первой шайбы. В результате взаимной компенсации сопротивлений рассогласование линии на фиксированной частоте отсутствует. В случае коаксиальной линии с большим числом шайб для получения более широкополосной компенсации рассогласований шайбы устанавливают попарно с расстоянием между соседними парами  , как это показано на рис. 4. 2, в (  - длина волны в линии с учетом замедления, вносимого шайбами).

Наряду с тонкими шайбами в коаксиальных линиях в некоторых случаях применяют полуволновые диэлектрические шайбы (рис. 4. 2, г).

Рис. 4. 2. Диэлектрические опорные шайбы в коаксиальной линии:

а - простая шайба; б - пара простых шайб для компенсации отражений;

в - попарное расположение шайб для более широкополосной компенсации

рассогласований; г - полуволновая шайба;

д - шайбы с повышенной электрической прочностью

Такие шайбы представляют собой отрезок линии длиной  c волновым сопротивлением W1 < W и обеспечивают полное согласование на одной частоте за счет компенсации отражений от обеих границ шайбы. Широкополосность такой шайбы хуже, чем пары шайб, разнесенных на расстояние  .

Шайбу можно сделать неотражающей путем некоторого усложнения ее конструкции. На рис. 4. 3, а показаны две разновидности трехсекционных шайб. Участки шайбы длиной  играют роль четвертьволновых трансформаторов, согласующих коаксиальную линию на участке, не содержащем шайбу, и на среднем участке опорной шайбы длиной l2. Из условия равенства волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора среднему геометрическому из волновых сопротивлений согласуемых участков линии могут быть определены размеры шайбы. Широкополосность трехсекционных шайб значительно выше, чем у полуволновой, и несколько выше, чем у пары тонких шайб, разнесенных на расстояние  (рис. 4. 3, б).

Рис. 4. 3. Трехсекционные опорные шайбы:

а - общий вид; б - сравнительные частотные характеристики трех типов шайб;

1 - полуволновая шайба; 2 - две тонкие шайбы с расстоянием  ;

3 - трехсекционная шайба

Так как в месте установки шайбы волновое сопротивление линии уменьшается за счет заполнения ее диэлектриком с проницаемостью ℇ r, то путем изменения диаметров проводников коаксиальной линии в месте расположения шайбы (рис. 4. 4) можно скомпенсировать изменение волнового сопротивления линии в этом сечении и сохранить в линии режим бегущей волны.

Рис. 4. 4. Неотражающая диэлектрическая шайба:

а - общий вид; б - эквивалентная схема

Из условия  в наиболее широко используемом на практике случае уменьшения радиуса внутреннего проводника коаксиальной линии получаем формулу для определения размера  (рис. 4. 4, а)

Конструктивно такие шайбы выполняются разрезными, состоящими из двух половинок. Материалом обычно служит высокочастотный диэлектрик, например полистирол.

При конструировании данного типа шайб необходимо учитывать дополнительное рассогласование, вызываемое наличием двух емкостных неоднородностей в начальном и конечном сечениях шайбы за счет скачкообразного изменения диаметров проводников линии (рис. 4. 4, б). Это рассогласование может быть устранено некоторым повышением волнового сопротивления линии на участке шайбы или путем выбора толщины шайбы, равной  .

Общим недостатком всех типов диэлектрических шайб является существенное снижение электрической прочности линии за счет пробоя по поверхности шайбы, а также за счет повышенного значения напряженности поля в малом, но неизбежном зазоре между шайбой и центральным проводником. Для уменьшения возможности пробоя по поверхности шайбы на этой поверхности делают концентрические канавки и выступы (рис. 4. 2, д).

С укорочением рабочей длины волны потери в диэлектрических шайбах возрастают, диэлектрики нагреваются, возникает опасность электрического пробоя линии. Поэтому на волнах λ < 10 cм для крепления центрального проводника применяются металлические изоляторы, представляющие собой четвертьволновые отрезки короткозамкнутой линии (рис. 4. 5, а). Входное сопротивление таких параллельных шлейфов практически равно бесконечности и их подключение не влияет на режим работы линии. Однако с изменением частоты электрическая длина металлического изолятора изменяется, и он начинает вносить рассогласование в линию, т. е. такое устройство узкополосно.

Конструкция широкополосного металлического изолятора изображена на рис. 4. 5, б. Здесь для расширения рабочей полосы частот в основную линию передачи включен полуволновый трансформатор ( ) c пониженным волновым сопротивлением. К середине этого трансформатора подключен металлический изолятор. На средней волне диапазона λ 0 длина изолятора  и он не влияет на режим работы линии. Участок основной линии с пониженным волновым сопротивлением  имеет длину  и, следовательно, на средней волне диапазона также не вносит изменений в работу линии. Входное сопротивление в сечении I равно входному сопротивлению в сечении 3, т. е. равно W линии.

Рис. 4. 5. Металлический опорный изолятор:

а - простой изолятор; б - широкополосный изолятор и его эквивалентная схема;

в - частотные характеристики изоляторов; 1 - простой изолятор;

2 - широкополосный изолятор

Если рабочая длина волны изменилась и приняла значение  , то входное сопротивление линии в сечении 2 без учета влияния изолятора становится комплексным с реактивной составляющей емкостного характера, так как участок линии между сечениями 2 и 3 замкнут справа на сопротивление W, большее его волнового сопротивления  . Входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа в сечении 2 при  имеет индуктивный характер. Если теперь определить входное сопротивление левого участка линии в сечении I с учетом того, что этот участок нагружен на суммарное сопротивление сечения 2, то окажется, что основная линия в сечении I имеет чисто активное сопротивление, близкое к W. При указанные реактивные сопротивления имеют обратные знаки и аналогично компенсируются в сечении I. Расчеты и эксперимент показывают, что при отношении волновых сопротивлений участка линии с увеличенным диаметром центрального проводника и основной части линии  можно получить согласование в диапазоне частот ±15%. При этом входное сопротивление отличается от волнового не более чем на I%.

Гибкие коаксиальные кабели, широко используемые на практике, состоят из внутреннего проводника, окруженного сплошным слоем эластичного диэлектрика с малыми потерями (полиэтилена, полистирола), поверх которого располагается медная металлическая оплетка, играющая роль внешнего проводника кабеля. Внешний провод обычно бывает защищен от механических повреждений и коррозии хлорвиниловой оболочкой. Основные характеристики гибких коаксиальных кабелей приведены в обширной справочной литературе [I4].

В последнее десятилетие широкое распространение получили новые типы линий передачи, называемые полосковыми линиями. Их применение позволяет существенно сократить размеры и вес СВЧ устройств, что особенно важно для аппаратуры летательных аппаратов.

Полосковая линия передачи представляет собой проводник (ленточного или круглого сечения), расположенный на некотором расстоянии от металлической плоскости (основания) или заключенный между двумя основаниями. Таким образом, полосковые линии делятся на два типа: несимметричные (открытые) (рис. 4. 6) и симметричные (закрытые) (рис. 4. 7). В таких линиях распространяются волны типа ТЕМ, а режимы работы линии описываются телеграфными уравнениями. Полосковые линии можно рассматривать как разновидность коаксиальной либо двухпроводной линии в зависимости от положения проводника относительно заземленной проводящей плоскости.

Следует отметить, что этот тип фидерных линий получил широкое распространение в технике дециметровых и сантиметровых волн в связи с появлением и освоением технологии печатных схем СВЧ.

В основном эти линии применяются не для передачи электромагнитной энергии от источника к потребителю, а в качестве элементов конструкций различных узлов СВЧ: фильтров, согласующих устройств, делителей мощности, развязывающих схем, направленных ответвителей и в качестве сравнительно коротких соединений между этими узлами в рамках единой конструкции сложной фидерной системы.

Рис. 4. 6. Несимметричная полосковая линия:

а - с воздушным заполнением; б - с диэлектрическим заполнением;

в - с дополнительной диэлектрической пластиной над полоском

для концентрации поля у последнего; 1 - полосковый проводник;

2 - заземленная плоскость; 3 - диэлектрик

Рис. 4. 7. Симметричная полосковая линия:

а - с воздушным заполнением; б - с диэлектрическим заполнением;

в - высокодобротная воздушная полосковая линия; 1 - опоры;

2 - полосковый проводник; 3 - диэлектрический лист;

4 - заземленная пластина

Исходным материалом для изготовления полосковых линий с диэлектрическим заполнением является пластина высокочастотного диэлектрика, покрытая с обеих сторон металлической фольгой. Толщина слоя диэлектрика может быть от 1 до 15 мм, толщина фольги в зависимости от технологии ее нанесения - от 15 до 100 мк.

К фольгированному листу предъявляются жесткие требования по постоянству толщины слоя диэлектрика и величины ℇ в различных местах листа, а также по величине сцепления фольги с диэлектриком. В качестве диэлектриков могут применяться чистый фторопласт Ф-4 ( ), фторопласт, армированный стекловолоконной тканью, ФАФ-4 ( ), сополимер САМ ( ). При этом используемые диэлектрики должны обеспечивать необходимую механическую прочность линии и возможность работы в интервале температур .

Различные варианты конструктивного выполнения линий отличаются способом крепления центрального (рабочего) проводника. На рис. 4. 6 и 4. 7 показано несколько вариантов выполнения несимметричной и симметричной полосковых линий передачи.

В линиях, представленных на рис. 4. 6, а и 4. 7, а, жесткий центральный полосковый проводник поддерживается тонкими диэлектрическими шайбами таким же образом, как и в коаксиальной линии с воздушным заполнением. Для компенсации рассогласований, если это необходимо, полоска может быть надрезана около шайб аналогично изменению радиуса центрального проводника коаксиальной линии в месте установки шайбы.

На рис. 4. 6, б, в и 4. 7, б изображены три типа пластинчатой конструкции: конструкция, в которой центральный полосковый проводник ограничен с каждой стороны диэлектрическим слоем и только одной заземленной плоскостью (рис. 4. 6, в); открытая линия с центральным проводником, отделенным от заземления слоем диэлектрика (рис. 4. 6, б); конструкция полного профиля, где центральный полосок ограничен с каждой стороны диэлектрическим слоем и заземленными плоскостями (рис. 4. 7, б).

Конструкция высокодобротной воздушной полосковой линии (рис. 4. 7, в) характерна тем, что центральный проводник представляет собой две соединенные между собой параллельные полоски фольги, нанесенные с двух сторон на тонкий диэлектрический лист. Этот лист закреплен с помощью диэлектрических столбиков точно посредине между двумя металлическими плоскостями.

Полосковые линии со сплошным заполнением (рис. 4. 6, б, в и 4. 7, б) хорошо переносят вибрации и ударные нагрузки.

При изготовлении печатных схем на полосковых линиях могут использоваться как фотохимический способ производства, так и вырезание требуемой конфигурации проводников с помощью координатографа, обеспечивающего точное перемещение режущего инструмента по поверхности фольгированного листа. В первом случае поверхность фольгированного диэлектрика покрывается слоем светочувствительной эмульсии и засвечивается через негатив с изображением на нем требуемой конфигурации проводников схемы. После процесса фотообработки на лицевой поверхности листа получается кислотоупорный рисунок схемы. Покрыв противоположную сторону листа кислотоупорной краской и произведя вытравливание незащищенных участков медной фольги в ванне с хлорным железом, получим полосковую схему. Рассмотренный фотохимический способ обеспечивает точность воспроизводства размеров схемы .

Сравнение несимметричных и симметричных полосковых линий показывает, что несимметричные линии вследствие отсутствия верхней металлической пластины (экраны) имеют повышенные потери за счет излучения, что является их существенным недостатком. По этой причине несимметричные полосковые линии используются редко.

Однако в случае высокой проницаемости диэлектрической пластины (подложки) поле концентрируется в основном в области между проводником и заземленной пластиной, вследствие чего потери на излучение становятся малыми. Большое значение относительной диэлектрической проницаемости ( ) приводит при этом к существенному уменьшению габаритов несимметричных полосковых линий, в связи с чем они получили название микрополосковых. Такие линии широко используются в интегральных схемах (ИС) СВЧ, представляющих собой дальнейшее развитие схем, выполненных на обычных полосковых линиях.

В качестве подложек в микрополосковых линиях применяются такие керамические материалы, как поликор и ГМ ( ), сапфир ( ), ситалл ( ) и др. Толщина подложек лежит обычно в пределах от 0, 25 мм до 1, 5 мм.

Центральный полосок и заземление таких линий представляют собой тонкие пленки меди, серебра или золота, напыляемые на подложку или вжигаемые в нее в условиях высокой температуры. Доведение толщины слоя проводника до требуемого значения осуществляется наращиванием соответствующего металла в гальванической ванне.

Для того чтобы на проводник приходилось около 98% плотности протекающего тока, толщина рабочего полоска и заземленной пластины должны быть не менее четырех скин-слоев (на глубине скин-слоя плотность тока на 8, 65 дБ меньше, чем на поверхности проводника). Так, глубина скин-слоя на частоте f = 10 ГГц составляет: у серебра -  меди -  золота -

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: