Микроволновая техника — линии электропередачи

Линия передачи — это разъем, который передает энергию из одной точки в другую. Изучение теории линий электропередачи полезно для эффективного использования энергии и оборудования.

Есть в основном четыре типа линий передачи —

• Двухпроводные параллельные линии электропередачи
• Коаксиальные линии
• Линии передачи подложки полосового типа
• волноводы

Во время передачи или приема передача энергии должна выполняться эффективно, без потерь энергии. Для достижения этого есть определенные важные параметры, которые необходимо учитывать.

Основные параметры ЛЭП

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

Сопротивление и индуктивность вместе называются импедансом линии передачи.

Емкость и проводимость вместе называются допуском .

сопротивление

Сопротивление, оказываемое материалом, из которого сделаны линии электропередачи, будет значительным, особенно для более коротких линий. При увеличении тока в линии также увеличивается омическая потеря  left(I2Rloss right)$\ left (I ^ {2} R \: loss \ right)$.

Сопротивление $R$ проводника длиной «$l$« и сечением «$a$« представляется в виде

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

куда

$\ rho$ = удельное сопротивление материала проводника, которое является постоянным.

Температура и частота тока являются основными факторами, которые влияют 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 скин-эффект .

самоиндукция

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 некоторую ЭДС в проводнике. Теперь это индуцированное напряжение или ЭДС течет в направлении, противоположном току, протекающему изначально. Эта ЭДС, текущая в противоположном направлении, эквивалентно показана параметром, известным как Индуктивность , который является свойством противодействовать сдвигу тока.

Обозначается буквой » L «. Единицей измерения является « Генри (H) ».

проводимость

Между линией передачи и землей, а также между фазовыми проводниками будет ток утечки. Это небольшое количество тока утечки обычно протекает через поверхность изолятора. Обратный ток утечки называется проводимостью . Обозначается буквой » G «.

Поток тока в линии связан с индуктивностью, а разность напряжений между двумя точками связана с емкостью. Индуктивность связана с магнитным полем, а емкость связана с электрическим полем.

емкость

Разница напряжений между фазовыми проводниками приводит к возникновению электрического поля между проводниками. Два проводника похожи на параллельные пластины, и воздух между ними становится диэлектриком. Этот образец вызывает эффект емкости между проводниками.

Характеристическое сопротивление

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

Обозначается $Z_0$

Z0= sqrt fracVoltagewavevaluecurrentwavevalue $$Z_0 = \ sqrt {\ frac {Voltage \: \: wave \: \: value} {current \: \: wave \: \: value}}$$

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

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

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

Сопротивление импеданса

Для достижения максимальной передачи мощности на нагрузку необходимо выполнить согласование импедансов. Для достижения этого соответствия импеданса должны быть выполнены следующие условия.

Сопротивление нагрузки должно быть равно сопротивлению источника.

$$R_L = R_S$$

Реактивное сопротивление нагрузки должно быть таким же, как у источника, но противоположное по знаку.

$$X_L = -X_S$$

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 коэффициентом отражения . На это указывает $\ rho$ (rho) .

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

 rho= fracотраженонапряжениеинцидентнапряжение= fracVrViпринагрузкаклеммы $$\ rho = \ frac {отражено \: напряжение} {инцидент \: напряжение} = \ frac {V_r} {V_i} \: при \: нагрузка \: клеммы$$

Если импеданс между устройством и линией передачи не совпадает, то энергия отражается. Чем выше энергия отражается, тем больше будет значение коэффициента отражения $\ rho$.

Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)

Стоячая волна формируется, когда падающая волна отражается. Стоячая волна, которая образуется, содержит некоторое напряжение. Величина стоячих волн может быть измерена с точки зрения коэффициентов стоячих волн.

Отношение максимального напряжения к минимальному напряжению в стоячей волне может быть определено как коэффициент напряжения в стоячей волне (КСВН). Обозначается «$S$«.

S= frac left|Vmax right| left|Vmin right| quad1 leqS leq infty $$S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ right |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty$$

VSWR описывает диаграмму стоячей волны напряжения, которая присутствует в линии передачи из-за сложения фазы и вычитания падающей и отраженной волн.

Следовательно, это также может быть записано как

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

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

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

Следовательно, значение для VSWR равно единице, что означает, что передача является идеальной.

Эффективность линий электропередачи

Эффективность линий передачи определяется как отношение выходной мощности к входной мощности.

%эффективностьofпередачалиния eta= fracПитаниедоставленоприприемеПитаниеотправленоотпередачипередачаконец раз100$\% \: эффективность \: of \: передача \: линия \: \ eta = \ frac {Питание \: доставлено \: при \: приеме} {Питание \: отправлено \: от \: передачи \: передача \: конец} \ раз 100$

Регулирование напряжения

Регулирование напряжения определяется как изменение величины напряжения между передающим и приемным концами линии передачи.

%напряжениерегулирование= fracотправкаконецнапряжение−получениеконецнапряжениеотправкаконецнапряжение раз100$\% \: напряжение \: регулирование = \ frac {отправка \: конец \: напряжение - \: получение \: конец \: напряжение} {отправка \: конец \: напряжение} \ раз 100$

Потери из-за несоответствия импеданса

Линия электропередачи, если она не заканчивается согласованной нагрузкой, возникает в виде потерь. Эти потери бывают разных типов, такие как потери на затухание, потери на отражение, потери на передачу, возвратные потери, вносимые потери и т. Д.

Потеря ослабления

Потеря, которая возникает из-за поглощения сигнала в линии передачи, называется потерей затухания, которая представлена ​​как

Затуханиепотеря(дБ)=10log10 left[ fracEi−ErEt right] $$Затухание \: потеря (дБ) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right]$$

куда

• $E_i$ = входная энергия

• $E_r$ = отраженная энергия от нагрузки до входа

• $E_t$ = передаваемая энергия нагрузке

$E_i$ = входная энергия

$E_r$ = отраженная энергия от нагрузки до входа

$E_t$ = передаваемая энергия нагрузке

Потеря отражения

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

Отражениепотеря(дБ)=10log10 left[ fracEiEi−Er right] $$Отражение \: потеря (дБ) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right]$$

куда

• $E_i$ = входная энергия

• $E_r$ = отраженная энергия от нагрузки

$E_i$ = входная энергия

$E_r$ = отраженная энергия от нагрузки

Потеря передачи

Потеря, возникающая при передаче по линии передачи, называется потерей передачи, которая представлена ​​как

Передачапотеря(дБ)=10log10 fracEiEt $$Передача \: потеря (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t}$$

куда

• $E_i$ = входная энергия

• $E_t$ = передаваемая энергия

$E_i$ = входная энергия

$E_t$ = передаваемая энергия

Обратные потери

Мера мощности, отражаемой линией передачи, называется возвратными потерями, которые представлены как

Returnloss(дБ)=10log10 fracEiEr $$Return \: loss (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r}$$

куда

• $E_i$ = входная энергия

• $E_r$ = отраженная энергия

$E_i$ = входная энергия

$E_r$ = отраженная энергия

Потеря вставки

Потеря, которая возникает из-за передачи энергии с использованием линии передачи по сравнению с передачей энергии без линии передачи, называется вносимой потерей, которая представлена ​​как

Вставкапотери(дБ)=10log10 fracE1E2 $$Вставка \: потери (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2}$$

куда

• $E_1$ = энергия, полученная нагрузкой при прямом подключении к источнику без линии передачи.

• $E_2$ = энергия, полученная нагрузкой, когда линия передачи подключена между нагрузкой и источником.

$E_1$ = энергия, полученная нагрузкой при прямом подключении к источнику без линии передачи.

$E_2$ = энергия, полученная нагрузкой, когда линия передачи подключена между нагрузкой и источником.

Соответствие окурка

Если импеданс нагрузки не соответствует исходному импедансу, для достижения соответствия иногда используется метод «Сопоставление заглушки».

Процесс соединения участков открытых или коротких замыканий, называемых заглушками в шунте, с главной линией в некоторой точке или точках, можно назвать согласованием заглушки .

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

Соответствие одиночного окурка

При согласовании с одной заглушкой заглушка определенной фиксированной длины размещается на некотором расстоянии от нагрузки. Он используется только для фиксированной частоты, потому что для любого изменения частоты местоположение заглушки должно быть изменено, что не делается. Этот метод не подходит для коаксиальных линий.

Двойная заглушка

При двойном согласовании шпилек две заглушки переменной длины фиксируются в определенных положениях. При изменении нагрузки только длина заглушек регулируется для достижения соответствия. Это широко используется в лабораторной практике как одночастотное согласующее устройство.

На следующих рисунках показано, как выглядят заглушки.

Согласование с одной заглушкой и согласование с двумя заглушками, как показано на рисунках выше, выполняются в линиях передачи для достижения согласования полного сопротивления.