Для каждой линии отношение амплитуды бегущей волны (Um) к амплитуде тока (Im) или отношение их действующих значений (I,U) называется волновым сопротивлением линии (r). — КиберПедия 

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...

Для каждой линии отношение амплитуды бегущей волны (Um) к амплитуде тока (Im) или отношение их действующих значений (I,U) называется волновым сопротивлением линии (r).



 
Волновое сопротивление линии зависит только от ее конструкции и не зависит от ее длины.

[ ]

При увеличении емкости волновое сопротивление уменьшается, так как в этом случае увеличивается ток в линии. При увеличении индуктивности волновое сопротивление увеличивается, т.к. в этом случае уменьшается ток линии за счет увеличения противодействия ЭДС самоиндукции.

Величина волнового сопротивления длинных линий составляет десятки-сотни ом.

Важной характеристикой линии является входное сопротивление Zвх. Оно равно отношению напряжения к току в начале линии. В зависимости от значения Zвх генератор работает в различных режимах и передает в линию большую или меньшую мощность.

В каждой линии имеются потери энергии. Поэтому амплитуды тока и напряжения бегущей волны по мере удаления её от генератора уменьшаются (волна затухает). Потери энергии обусловлены нагревом проводов током, нагревом изоляторов переменным электрическим полем, излучением части энергии в пространство. У правильно настроенной линии эти потери незначительны. Коэффициент полезного действия линии, равной отношению мощности в конце линии к мощности в её начале, составляет 80…90 % даже при значительной длине линии.

В зависимости от сопротивления нагрузки линии в ней могут возникнуть различные режимы распространения электромагнитной волны.

Различают три режима:

- режим бегущей волны (Rн = ρ) или (lлинии = ∞);

- режим стоячих волн (Rн = ∞; Rн = 0);

- режим смешанных волн (Rн ≠ ρ).

Эти режимы рассматриваются в третьем вопросе занятия.

ВЫВОД

Линия передачи энергии считается длинной, если её длина близка к четверти волны колебаний СВЧ.

Длинная линия характеризуется распределенными емкостями и индуктивностями, волновым сопротивлением, которые зависят от конструкции линии.

Энергия СВЧ по длинным линиям передается в виде бегущих волн электромагнитного поля.

 

Второй учебный вопрос.

Режимы волн в длинных линиях

Режим бегущей волны

Режим бегущей волны возникает в линии бесконечной длины или при

(Rн = ρ).

Бегущие волны в линии характеризуются следующими особенностями:

- в любом поперечном сечении напряжение и ток изменяются во времени с одинаковой фазой;

- напряжение и ток распределены вдоль линии по синусоидальному закону;

- входное сопротивление линии равно её волновому сопротивлению и не зависит от длины линии;

- амплитуда напряжения (тока) одинакова во всех точках линии (без учета потерь);



- энергия падающей волны полностью поглощается нагрузкой.

Режим бегущей волны предпочтителен для линий передачи энергии ВЧ, так как в этом случае достигается наибольший КПД в линии.

Режим стоячих волн

Режим стоячих волн возникает при нагрузке линии на сопротивление, отличное от волнового. Например, когда линия разомкнута на конце. В конце такой линии ток равен нулю, т.е. нет никакого расхода энергии. Поэтому энергия бегущей волны не может быть поглощена и не может продолжать распространяться, так как линия обрывается. Поэтому бегущая волна, дойдя до конца линии, отражается и движется обратно к генератору. Таким образом, в линии распространяется две волны: одна – падающая – движется от генератора к концу линии, вторая – отраженная – движется в обратном направлении.Если не учитывать потери, то можно считать энергию падающей и отраженной волн одинаковой.

В результате сложения двух волн, имеющих одинаковую амплитуду движущихся навстречу друг к другу, возникают стоячие волны. Пример сложения прямой и отраженной волн показан на (слайд 20).

Суммарное напряжение имеет наибольшее значение на конце линии и на расстоянии l/2 от конца. Эти точки называются пучностями напряжения. В точках l/4 и 3/4l от конца напряжение равно нулю. Эти точки называются узлами напряжения. Узлы и пучности остаются в одних и тех же местах линии, и вся суммарная волна «стоит на месте», поэтому её и называют стоячей волной.

С течением времени характер распределения напряжения вдоль линии не меняется, а изменяется только величина напряжения в каждой точке линии.

Вопрос аудитории. Изменится ли режим работы, если точки узлов токов замкнуть накоротко.

Ответ. Режим работы линии не изменится, так как ток в перемычке равен нулю.

 

На рисунке 2.5 б показано распределение напряжения вдоль разомкнутой линии для нескольких моментов времени на протяжении одного полупериода. Линия 1 соответствует фазе, при которой напряжение на конце линии наибольшее. В следующие моменты времени напряжение уменьшается (линии 2 и 3). Через четверть периода (линия 4) напряжение по всей линии равно нулю. Затем оно меняет знак и возрастает (линии 5 и 6). Через полпериода после начала процесса напряжение достигает амплитудного значения (линия 7), но с обратным знаком.



Отраженная волна тока от конца линии движется с противоположной фазой. Электроны, дойдя до конца линии, дальше перемещаться не могут и движутся обратно, т.е. ток изменяет свой знак. В результате, на конце линии суммарный ток равен нулю (узел тока). Таким образом, стоячая волна сдвинута на расстояние λ/4 относительно стоячей волны напряжения (рис. 2.6, слайд).

Сдвиг фаз на 900 между током и напряжением при стоячей волне показывает, что в линии происходят колебания энергии, весьма сходные с процессом в замкнутом колебательном контуре. Когда напряжение в линии наибольшее, а ток равен нулю, вся энергия сосредотачивается в электрическом поле.

Через четверть периода напряжение равно нулю, а ток максимален – энергия сосредоточена в магнитном поле. Через четверть периода энергия магнитного поля снова превращается в энергию электрического поля, а затем все повторяется. Отсюда следует, что разомкнутая линия может использоваться в качестве колебательной системы.

В режиме стоячих волн работает также короткозамкнутая линия, у которой RН = 0. Поглощение энергии в короткозамкнутой линии отсутствует, так как сопротивление нагрузки равно нулю и вся энергия падающей волны полностью отдается генератору. В короткозамкнутой линии возникает режим стоячих волн (слайд).

На конце линии находится узел напряжения (так как сопротивление равно нулю). У стоячей волны узел напряжения совпадает с пучностью тока. Действительно, там, где возникает короткое замыкание, ток всегда наибольший. Из характера распределения напряжения токов в короткозамкнутой линии следует, что она по своим свойствам противоположна разомкнутой линии.

Режим смешанных волн возникает при RH ≠ ρ (рис. 2.7, в, д).

Для преподавателя. При изучении этого вопроса графики рис. 2.7 показать раздельно. Обратить внимание студентов на отличия в распределении при RН = ¥ и RН = 0; RН > r и RН < r. Графики распределения токов дать студентам вычертить самостоятельно.

На рисунке показано распределение вдоль линии действующего напряжения, которое изменяется по величине, но не меняет знака. Для упрощения кривые тока не показаны.

При RH = ρ в линии распространяется бегущая волна и напряжение везде вдоль линии одинаково, т.е. линия согласована с нагрузкой (рис. 2.7,а).

В разомкнутой (рис. 2.7, б) и короткозамкнутой (рис. 2.7, г) линиях возникает режим стоячей волн и вдоль линии чередуются узлы и пучности.

При ρ < RH < ∞ (рис. 2.7, в) возникает режим средний между режимом бегущей волны и режимом стоячих волн. Его называют смешанным. Так как ρ < RH, то на конце линии поглощается только часть энергии падающей волны. Остальная энергия уходит обратно с отраженной волной к генератору. Распределение напряжения вдоль линии в этом случае напоминает распределение напряжения в разомкнутой линии.

Но так как амплитуда отраженной волны меньше падающей, то в узле напряжение не уменьшается до нуля, а имеет значение UМИН = UПАД - UОТР. В пучностях получается максимальное напряжение UМАК (UПАД + UОТР) < 2 UПАД.

При RH, близком к ρ, режим линии близок к режиму бегущих волн. При RH >> ρ режим линии близок к режиму стоячих волн. Если R < ρ (рис. 2.7, д), то также возникает режим смешанных волн, но распределение напряжения похоже на распределение напряжения в короткозамкнутой линии. Только на месте узлов напряжения получаются не нулевые, а минимальные значения напряжения.

Режим работы линии характеризуется коэффициентом бегущей волны. Он введен советским ученым А.А.Пистолькорсом в 1927 году и определен как отношение UМИН / UМАК. В случае, когда RH > ρ, он равен отношению ρ/RH

.

В режимах бегущих волн КБВ = 1, а для режима стоячих волн КБВ = 0. При RH < ρ

,

т.к. он всегда меньше единицы.

Физически КБВ показывает, насколько полно передается бегущими волнами энергия от генератора к нагрузке. На практике по коэффициенту бегущей волны судят о согласовании линии с нагрузкой. С этой целью измеряют амплитуду напряжения падающей и отраженной волн, определяют КБВ. Чем ближе КБВ к единице, тем лучше согласование линии с нагрузкой.

В диапазоне СВЧ КБВ =1 получить невозможно, считается КБВ = 0.5 … 0.8 вполне удовлетворительным.

В практике иногда применяется величина, обратная КБВ и называемая коэффициентом стоячей волны (КСВ).

.

Чем меньше КСВ, тем лучше согласование линии с нагрузкой.

Примечание.Вопросы согласования с нагрузкой будут рассмотрены на следующем занятии.

В Ы В О Д Ы

1.Для наилучшей передачи энергии СВЧ необходимо в данной линии добиться режима бегущих волн или режима, близкого к нему.

2. О качестве согласования линии с нагрузкой судят по КБВ. Он должен быть близок к единице.

Третий учебный вопрос.






Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...



© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.008 с.