§ 4.2. ВЫБОР РАЗМЕРОВ ЛИНИЙ

При проектировании различных радиосистем приходится использовать канализирующие системы высокочастотной энергии. Такие системы могут быть как типовыми, например, в виде гибких коаксиальных кабелей, подбираемых обычно по каталогам справочной литературы, так и специально сконструированными в виде жестких коаксиальных или полосковых линий.

Выбор того или иного типа линии и размеров поперечного сечения ведется исходя из заданного значения к. п. д., максимальной пропускаемой мощности  , работы на единственном (основном) типе колебаний в заданном диапазоне частот  . Линия должна также обладать необходимой степенью экранировки для устранения нежелательных связей с другими линиями и цепями высокой частоты и, наконец, должны быть учтены конструктивно экономические факторы: габариты поперечного сечения линии, ее вес и стоимость.

Как указывалось выше, наиболее широко в диапазоне метровых, дециметровых и частично сантиметровых волн (вплоть до λ = 5 см) в качестве основного фидера используются коаксиальные линии. Благодаря тому, что электромагнитное поле в таких линиях сконцентрировано в зазоре между внутренним и внешним проводниками, полностью устраняются паразитные связи с другими линиями и потери на излучение. Кроме того, эти линии имеют малые габариты и могут быть удобно размещены, особенно гибкие кабели.

При конструировании коаксиальных линий возникает вопрос об оптимальном соотношении между радиусами внешнего  и внутреннего  проводников с точки зрения работы на основном типе колебаний с минимальным затуханием и максимальной пропускаемой мощностью. Потери в коаксиальной линии складываются из потерь в диэлектрике

                                                                                          

и потерь в проводниках

где  - тангенс угла потерь в диэлектрике;

R1 - погонное сопротивление проводника;

f - частота колебаний, ГГц;

        - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего линию.

Если линия выполнена не из меди, а из других металлов, то составляющая потерь в проводниках

где  - постоянная затухания линии с медными проводниками;

        - удельная проводимость меди;

        - удельная проводимость используемого металла.

Формула (4. 1) показывает, что затухание в диэлектрике не зависит от волнового сопротивления линии и определяется только параметрами диэлектрика и длиной волны генераторы λ . Затухание же в проводниках линии зависит от отношения радиусов внешнего и внутреннего проводников и получается минимальным при  что соответствует волновому сопротивлению линии W = 77 Ом (рис. 4. 8).

Существование минимума затухания (4. 2) объясняется тем, что увеличение радиуса внутреннего провода, начиная с нуля, при неизменном радиусе внешнего провода приводит сначала к уменьшению затухания за счет падения погонного сопротивления  , а затем к увеличению его за счет уменьшения волнового сопротивления W.

Предельная мощность, которая может быть передана по согласованной коаксиальной линии с воздушным заполнением,

                                                                                        

где  = 30 кВ/см - предельная напряженность электрического поля.

Рис. 4. 8. Зависимость волнового сопротивления и

относительных величин затухания и передаваемой

мощности от размеров поперечного сечения

коаксиальной линии

Допустимая рабочая мощность обычно берется в несколько раз меньше предельной:

Если внешний радиус линии  задан, то, как это следует из формулы (4. 3), максимальная мощность по линии может быть передана при отношении радиусов , что соответствует волновому сопротивлению коаксиальной линии W = 30 Ом (см. рис. 4. 8).

Из формул (4. 2) и (4. 3) следует, что для уменьшения затухания и увеличения пропускаемой мощности желательно пропорционально увеличивать размеры внутреннего и внешнего проводников линии. Однако увеличение этих размеров ограничено требованиями отсутствия волн высших типов

                                                                                                  

и конструктивными соображениями.

Если искать оптимальное отношение радиусов проводников коаксиальной линии  при условии удовлетворения неравенству (4. 4), то требование минимальности затухания дает величину волнового сопротивления линии  = 92, 6 Ом, а требование максимальной электрической прочности приводит к значению Wопт = 44, 5 Ом. Так как вблизи оптимальных значений волновых сопротивлений параметры коаксиальной линии сравнительно слабо зависят от отношения  , то в качестве стандартных величин волновых сопротивлений выбраны значения W = 50 и 75 Ом.

В случае несимметричных полосковой и микрополосковой линий для существования только волны основного типа толщина подложки h и ширина полоска l (рис. 4. 9, а) должны быть меньше четверти длины волны в диэлектрике: . Стандартными толщинами подложек микрополосковых линий в настоящее время являются h = 0, 25; 0, 5; 0, 75; 1, 0 и 1, 5 мм.

Рис. 4. 9. К выбору размеров полосковой линии:

а - несимметричной; б - симметричной

Исследование поля в поперечном сечении несимметричной полосковой линии показывают, что в случае  основная часть энергии поля сосредоточена в области, равной приблизительно утроенной ширине полоски. Поэтому ширину основания линии выбирают из условия  .

Для обеспечения малых потерь в проводниках толщина полоски (и основания) должна быть в три- четыре раза больше глубины скин-слоя Δ :  .

В симметричной полосковой линии для существования только основного типа волны ТЕМ расстояние b между основаниями (рис. 4. 9, б) и эквивалентная электрическая ширина центральной полоски должны быть меньше половины длины волны:  (электрическая ширина полоски превышает геометрическую за счет краевых эффектов на ребрах на величину 0, 44∙ b, т. е.  ).

Полосковый проводник должен быть расположен строго симметрично, иначе возникает излучение в боковых направлениях линии.

Если расстояние между заземленными пластинами равно или больше половины длины волны, то в линии возникают высшие типы волн, за счет которых происходит излучение линии и влияние на соседние цепи. При выборе же расстояния между основаниями меньше  затухание высших типов в поперечном направлении .

Можно считать, что паразитная связь между двумя соседними полосковыми линиями отсутствует, если затухание в поперечном направлении составляет 60 - 65 дБ/см. Тогда из формулы для  следует, что проводники двух симметричных линий должны быть разнесены на расстояние  . Ширина основания выбирается из соотношения  . При этом электрическое поле на краю пластин мало по сравнению с однородным электрическим полем в области между центральным полоском и основанием.

При выборе размеров полосковой линии необходимо учитывать максимально допустимое затухание и пропускаемую мощность.

Затухание в несимметричной и симметричной полосковых линиях, так же как и в случае коаксиальной линии, определяется потерями в металле и потерями в диэлектрике и в случае сплошного диэлектрического заполнения обычно соизмеримо с величиной затухания коаксиального кабеля, имеющего диаметр оплетки, равный толщине полосковой линии, и использующего диэлектрик с такими же параметрами ε и tgδ , как и в полосковой линии.

Величина коэффициента затухания в высокодобротных воздушных полосковых линиях соизмерима с затуханием жестких воздушных коаксиальных линий с диаметром, равным расстоянию между заземленными пластинами полосковой линии.

Важным параметром линий передачи и различных устройств, выполненных на их основе, является добротность Q. Так, в случае короткозамкнутого или разомкнутого отрезка полосковой линии собственная добротность четвертьволнового резонатора с диэлектрическим заполнением  определяется выражением

где  - добротность линии, определяемая потерями в проводниках;

        - добротность, определяемая потерями в диэлектрическом заполнении линии.

Если полосковая линия симметричная, то

где  - фазовая постоянная линии;

        - постоянная затухания, определяемая потерями в проводниках;

        - тангенс угла потерь среды, заполняющей линию.

Тогда собственная добротность линии

Например, собственная добротность микрополосковых линий дециметрового диапазона при толщине подложки 0, 25 - 1, 0 мм лежит в пределах от 20 до 400 в зависимости от рабочей частоты, свойств проводника и материала подложки.

Высокое значение собственной добротности (порядка 2000 и более) можно получить, используя высокодобротные полосковые линии.

Симметричная воздушная полосковая линия пропускает мощность, примерно равную  волновода тех же размеров поперечного сечения и того же порядка Рпред по сравнению с коаксиальными линиями аналогичных размеров.

Если центральный проводник полосковой линии укрепляется на опорах с диэлектрической постоянной  (рис. 4. 7, а) то предельная мощность линии снижается в  раз по сравнению с линией без опор.

Несимметричные полосковые линии имеют меньшую предельную мощность. В микрополосковых линиях интегральных схем СВЧ  составляет несколько десятков ватт в режиме непрерывных колебаний и единицы киловатт - в импульсном режиме.

Характер зависимостей постоянной затухания  симметричной воздушной полосковой линии и ее пропускаемой мощности при бесконечно малой толщине полоски t и изменении размеров поперечного сечения линии показан на рис. 4. 10, а, б.

Из рисунка видим, что при постоянном расстоянии между пластинами b и увеличении ширины полоски l, что соответствует уменьшению волнового сопротивления линии, затухание в линии уменьшается, передаваемая мощность увеличивается. Если же ширина полоски фиксирована (l = const), а расстояние между пластинами уменьшается, то затухание в линии возрастает, а электрическая прочность падает. Такая же картина наблюдается и при изменении размеров несимметричной полосковой линии.

Рис. 4. 10. Влияние размеров поперечного сечения симметричной полосковой линии:

а - на затухание; б - на пропускаемую мощность

Рис. 4. 11. Зависимость волнового сопротивления

симметричной и несимметричной полосковых линий

от размеров поперечного сечения

Сравнение графиков рис. 4. 8 и 4. 10 показывает, что в полосковой линии, в отличие от коаксиальной, параметры  меняются плавно с изменением размеров поперечного сечения и затухание получается тем меньше, а пропускаемая мощность тем больше, чем шире центральный полосок линии при фиксированном расстоянии между пластинами, т. е. чем меньше волновое сопротивление линии. С этой точки зрения предпочтительными являются полосковые линии с волновым сопротивлением W = 50 Ом. Зависимость волнового сопротивления полосковых линий с воздушным заполнением от их размеров показана на рис. 4. 11.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: