Нагрузка линии на различные сопротивления

 

 

Рассмотрим случаи нагрузки линии на активное сопротивление различной величины. На представленном рисунке дано распределение вдоль линии не амплитудного, а действующего значения напряжения, которое измеряется только по величине, но не меняет знака. Это напряжение показывает вольтметр или индикатор переменного напряжения, подключаемый к различным точкам линии. Для упрощения кривая тока не показана. Как и раньше, будем считать линию идеальной и примем, что внутреннее сопротивление генератора значительно меньше волнового сопротивления линии.

Когда нагрузочное сопротивление равно волновому сопротивлению (рис. а), в линии распространяется бегущая волна и напряжение вдоль линии везде одинаково. В разомкнутой линии и короткозамкнутой линиях(рис. б,г) получается режим стоячих волн, и вдоль линии чередуются узлы и пучности. У разомкнутой линии на конце находится пучность напряжения, а у короткозамкнутой – узел напряжения.

Когда R больше , но не равно бесконечности (рис.в), то получается режим линии, средний между режимом бегущей волны и режимом разомкнутой линии.

 

 

Рис.19. Распределение напряжения вдоль линии при

различных ее нагрузках.

 

Его называют режимом смешанных или комбинированных волн. Так как R ≠ , то в конце линии поглощается только часть энергии падающей волны. Остальная часть энергии уходит обратно с отраженной волной, вследствие чего возникают стоячие волны. Однако в линии имеется и бегущая волна, переносящая энергию от генератора в сопротивление нагрузки R.

Распределение напряже6ния в этом случае напоминает распределение в разомкнутой линии. Но вследствие того, амплитуда отраженной волны меньше амплитуды падающей волны, в том месте, где должен быть узел, суммарное напряжение не снижается до нуля. Оно имеет некоторое наименьшее значение , равное разности напряжений падающей и отраженной волн. А в местах пучностей получается некоторое наибольшее напряжение , равное сумме этих напряжений, но меньше, чем удвоенное напряжение падающей волны. Чем ближе R к , тем ближе режим линии к режиму бегущей волны и тем меньше разница между и . И, наоборот, чем больше R, тем ближе режим к случаю разомкнутой линии и тем резче максимумы и минимумы напряжения.

Для характеристики режима линии пользуются коэффициентом бегущей волны . Он определяется как отношение к . В случае, когда <R, он равен отношению к R:

 

= = .

 

При одной бегущей волне = 1, а для режима стоячих волн . Чем ближе величина к единице, тем ближе режим линии к режиму бегущей волны. Иногда применяется величина, обратная и называемая коэффициентом стоячей волны:

 

= = .

 

Если R< (рис. д), то получается также режим смешанных волн, но распределение напряжения похоже на распределение в короткозамкнутой линии. Только на месте узлов получается не нулевые, а минимальные напряжения. Все сказанное о режиме смешанных волн для случая <R остается в силе и здесь. Коэффициент бегущейволны определяется через напряжение, как и раньше, но отношение сопротивлений надо брать обратное, так как

 

= = .

 

Если линия работает в режиме бегущих волн, то в нагрузочное сопротивление отдается наибольшая полезная мощность – вся мощность бегущей волны. Если же сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению линии, то полезная мощность в нагрузке будет меньше, так как часть энергии возвращается с отраженной волной обратно в генератор. Однако уменьшение мощности с изменением нагрузочного сопротивления происходит не резко, и поэтому некоторое отступление от режима чисто бегущих волн допустимо.

Следует отметить, чтов режиме смешанных волн, когда R ≠ , входное сопротивление не чисто активное, а имеет реактивную составляющую, которая характеризует возврат части энергии в генератор. В случае, когда в конце линии включено реактивное сопротивление, также получается режим стоячих волн, так как в реактивном сопротивлении энергия падающей волны не расходуется, а лишь временно запасается и возвращается обратно.

 

 

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛИНИЙ

 

 

Линии передачи электромагнитных волн могут отличаться друг от друга режимом работы и конструкцией. Они работают либо в режиме бегущих волн, либо в режиме стоячих волн. В действительности в последнем случае имеется режим смешанных волн, так как всегда существуют потери энергии.

Линии с бегущей волной имеют ряд преимуществ. Потери энергии в них меньше, и поэтому к.п.д. выше. Объясняется это тем, что напряжения и токи у бегущей волны меньше чем у стоячей. При меньших напряжениях предъявляются менее жесткие требования к изоляции линии. При линии с бегущей волной генератор нагружен на постоянное и чисто активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии и не зависящее от ее длины. Поэтому линия с бегущей волной может быть сделана любой длины независимо от длины волны. Вся энергия волн, передаваемых по линии отдается в нагрузочное сопротивление.

В линиях со стоячей волной потери энергии выше, а к.п.д. ниже, что объясняется большими величинами токов и напряжений, особенно в пучностях. Линия со стоячей волной должна быть строго определенной длины.

Применяются линии двух основных типов: линия из двух одинаковых параллельных проводов, которую для кратности называют симметричной, и коаксиальная линия. В последние годы стали широко применятся полосковые линии. Некоторые виды линий передач показаны на рисунке.

 

 

 

Рис. 20. Основные виды линий передачи

 

 

а – открытая четырехпроводная линия, провода соединяются попарно,

б – открытая двухпроводная линия, в,г – коаксиальная линия – экранированная несимметричная линия, состоящая из соосно расположенных проводов –внешнего и одного или двух внутренних. Внешний провод представляет собой медную оплетку или медную трубку жесткой конструкции. Провода изолированы друг от друга эластичным диэлектриком.

д,е – полосковые (ленточные) линии, симметричная и несимметричная соответственно. Они широко используются в малогабаритной аппаратуре

Следует отметить, что потери в проводах коаксиальной линии меньше, чем в проводах симметричной линии.

 

ВОЛНОВОДЫ

 

Хотя коаксиальные линии широко применяются на сверхвысоких частотах, но все же они обладают некоторыми существенными недостатками, особенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как поверхность внутреннего провода линии мала.На высоких частотах сказывается скин-эффект. Причину скин-эффекта (от английского слова skin– кожа) можно объяснить с помощью правила Ленца для электромагнитной индукции. Согласно этому правилу, направление индукционных токов таково, что они своим магнитным полем мешают изменению магнитного потока, которое эти токи вызвало. Поэтому при помещении проводника во внешнее переменное поле возникают токи Фуко, которые ослабляют это поле в проводнике, экранируют его. Причем чем дальше от поверхности в глубь проводника, тем меньшим становиться суммарное магнитное поле. Соответственно и величина тока в проводнике с глубиной тоже убывает. Убывание происходит столь сильно, что начиная с некоторой глубины, поле и ток можно считать равными нулю. Кроме того на высоких частотах, увеличиваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний проводник от внешнего.

Эти недостатки в значительной степени уменьшаются в волноводах, представляющих собой металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна.

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как в нем отсутствуют внутренний провод и изоляторы.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной линии могут распространятся волны любой частоты, а в волноводе распространяются волны, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой. Иначе говоря, в волноводе могут распространятся только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Волноводы непригодны для коротких и метровых волн. Даже для дециметровых волн поперечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров. Поэтому волноводы используются только на сантиметровых и более коротких волнах.