Linie transmisyjne i falowody: 7 ważnych wyjaśnień

by

Punkty dyskusji: linie transmisyjne i falowody

Szczegółowa analiza linii przesyłowych! Sprawdź tutaj!

Wprowadzenie do linii przesyłowych (TL) i falowodu (WG)

Wynalazek i rozwój linii przesyłowych i innych falowodów do przesyłu energii z niskimi stratami przy wysokich częstotliwościach to jedne z najwcześniejszych kamieni milowych w historii inżynierii mikrofalowej. Wcześniej częstotliwości radiowe i powiązane badania dotyczyły różnych typów mediów transmisyjnych. Ma zalety w kontrolowaniu dużej mocy. Ale z drugiej strony jest nieefektywny w sterowaniu przy niższych wartościach częstotliwości.

Dwie linie przewodowe kosztują mniej, ale nie mają ekranowania. Istnieją kable koncentryczne, które są ekranowane, ale trudno jest wyprodukować skomplikowane komponenty mikrofalowe. Zaletą linii Planar jest to, że występuje w różnych wersjach. Linie szczelinowe, linie współpłaszczyznowe, linie mikropasków to tylko niektóre z jego form. Te typy linii przesyłowych są kompaktowe, ekonomiczne i łatwe do zintegrowania z urządzeniami z obwodem aktywnym.

Parametry takie jak stała propagacji, impedancja charakterystyczna, stałe tłumienia uwzględniają zachowanie linii przesyłowej. W tym artykule poznamy różne ich typy. Prawie wszystkie linie przesyłowe (które mają wiele przewodników) są w stanie podtrzymywać poprzeczne fale elektromagnetyczne. Podłużne komponenty pola są dla nich niedostępne. Ta szczególna właściwość charakteryzuje linie TEM i falowody. Mają unikalne napięcie, prąd i charakterystyczną wartość impedancji. Falowody, posiadające pojedynczy przewodnik, mogą obsługiwać TE (poprzeczne elektryczne) lub TM (poprzeczne magnetyczne) lub oba. W przeciwieństwie do Now, mod poprzeczny elektryczny i magnetyczny poprzeczny mają odpowiednie podłużne składowe pola. Są reprezentowani przez tę własność.  

Znajomość 7+ zastosowań inżynierii mikrofalowej i przegląd. Kliknij tutaj!

Rodzaje falowodów

Chociaż istnieje kilka rodzajów falowodów, poniżej wymieniono niektóre z najpopularniejszych.

Rodzaje linii przesyłowych

Poniżej wymieniono niektóre rodzaje linii przesyłowych.

  • Linia paskowa
  • Linia mikropaskowa
  • Linia koncentryczna

Równoległy falowód

Falowód równoległy jest jednym z popularnych typów falowodów, które są w stanie kontrolować zarówno poprzeczny elektryczny, jak i poprzeczny tryb magnetyczny. Jednym z powodów popularności falowodów z płytkami równoległymi jest to, że mają one zastosowanie w tworzeniu modeli dla modów większego rzędu w liniach.

Linie transmisyjne i falowody
Reprezentacja geometryczna falowodów równoległych płyt, linii transmisyjnych i falowodów - 1

Powyższy obraz (linie transmisyjne i falowody) przedstawia geometrię równoległego falowodu płytowego. Tutaj szerokość paska wynosi W i jest uważana za bardziej znaczącą niż oddzielenie d. W ten sposób można anulować pole otaczające i dowolne zmienne x. Szczelinę między dwiema płytami wypełnia materiał o przenikalności ε i przepuszczalności μ.

Tryby TEM

Rozwiązanie trybów TEM jest obliczane za pomocą rozwiązania równania Laplace'a. Równanie jest obliczane z uwzględnieniem współczynnika napięcia elektrostatycznego, które znajduje się między płytami przewodnika.

TL 4
Równanie, linie transmisyjne i falowody - 2

Rozwiązując równanie, poprzeczne pole elektryczne ma postać:

e- (x, y) = ∇t ϕ (x, y) = - y^ Vo / re.

Wtedy całkowite pole elektryczne wynosi: E- (x, y, z) = godz- (x, y) mi- jkz = i^ (Vo / d) * mi-jkz

k reprezentuje stałą propagacji. Jest podany jako: k = w (μ * ε)

Równanie pól magnetycznych wygląda następująco:

EQ1

Tutaj η odnosi się do wewnętrznej impedancji ośrodka, który leży pomiędzy płytkami przewodnika równoległych falowodów płytkowych. Jest podany jako: η = √ (μ / ε)

Tryby TM

Mody poprzeczne magnetyczne lub TM można scharakteryzować za pomocą H.z = 0 i skończoną wartość pola elektrycznego.

(∂2 / ∂r2 +k2c) Az (x, y) = 0

Tutaj kc jest odciętą liczbą falową i jest podana przez kc = √ (k2 - β2)

Po rozwiązaniu równania Electric złożył EX przychodzi jako:

Ez (x, y, z) = An sin (n * π * r / d) * e- jβz

Poprzeczne składowe pola można zapisać jako:

Hx = (jw ε / kc)n cos (nπy / d) e- jβz

Ey = (-jB / kc)n sałata (nπy / d) mi- jβz

Ex = H.y = 0.

Częstotliwość odcięcia trybu TM można zapisać jako:

fc= kc / (2π * √ (με)) = n / (2d * √ (με))

Impedancja falowa występuje jako ZTM = β / ωε

Prędkość fazowa: vp = ω / β

Długość fali przewodnika: λg = 2π / β

Tryby TE

Hz (x, y) = Bn sałata (nπy / d) mi- jβz

Równania pól poprzecznych są wymienione poniżej.

Korektor 2

Stała propagacji β = √ (k2 - (nπ / d)2)

Częstotliwość odcięcia: fc = n / (2d √ (με))

Impedancja trybu TM: ZTE = Ex y = kn/ β = ωμ / β

prostokątny falowodu

Połączenia falowód prostokątny jest jednym z podstawowych typów falowodów używanych do przesyłania sygnałów mikrofalowych i nadal są one używane.

Wraz z rozwojem miniaturyzacji falowód został zastąpiony płaskimi liniami transmisyjnymi, takimi jak linie paskowe i linie mikropaskowe. W aplikacjach wykorzystujących moc znamionową o wysokiej mocy, która wykorzystuje technologie fal milimetrowych, niektóre technologie satelitarne nadal wykorzystują falowody.

Ponieważ falowód prostokątny ma nie więcej niż dwa przewodniki, może działać tylko w trybie poprzecznym magnetycznym i poprzecznym elektrycznym.

TL 2
Geometria falowodu prostokątnego, linii transmisyjnych i falowodów - 3

Tryby TE

Rozwiązanie dla H.z przychodzi jako: Hz (x, y, z) = Amn cos (mπx / a) cos (nπy / b) e- jβz

Amn jest stałą.

Składowe pola trybów TEmn są wymienione poniżej:

EQ3

Stała propagacji wynosi,

EQ4
EQ5

Tryby TM

Rozwiązanie dla E.z przychodzi jako: Ez (x, y, z) = Bmn sin (mπx / a) sin (nπy / b) e- jβz

Bmn jest stałe.

Składnik pola trybu TM jest obliczany jak poniżej.

EQ6

Stała propagacji :

EQ7

Impedancja falowa: ZTM = Ex y = -Ey x = bη * η / k

Okrągły falowód

Okrągły falowód to stłumiona, okrągła konstrukcja rurowa. Obsługuje tryby TE i TM. Poniższy obraz przedstawia geometryczny opis okrągłego falowodu. Ma promień wewnętrzny „a” i jest stosowany we współrzędnych cylindrycznych.

TL 3
Geometria falowodu kołowego, linii transmisyjnych i falowodów - 4

Eρ = (- j/k2c) [β ∂Ez/ ∂ρ + (ωµ / ρ) ∂ Hz/ ]

Eϕ = (- j/k2c) [β ∂Ez/ ∂ρ - (ωµ / ρ) ∂ Hz/ ]

Hρ = (j / k2c) [(ωe / ρ) ∂Ez / ∂φ - β ∂ H.z/ ρ]

Hϕ = (-j / k2c) [(ωe / ρ) ∂Ez / ∂φ + β ∂ H.z/ ρ]

Tryby TE

Równanie falowe to:

∇2Hz +k2Hz = 0.

k: µe

Stała propagacji: Bmn = √ (k2 - kc2)

Częstotliwość odcięcia: fcnm = kc / (2π * √ (με))

Poprzeczne komponenty pola to:

Ep = (- jωµn / k2cρ) * (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kcρ) mi- jβz

EQ8

Hφ = (- jβn / k2cρ) (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kcρ) mi- jβz

Impedancja falowa wynosi:

ZTE = Ep ϕ = - E.ϕ p = ηk / β

Tryby TM

Aby określić niezbędne równania dla falowodu kołowego działającego w poprzecznym trybie magnetycznym, rozwiązuje się równanie falowe i oblicza się wartość Ez. Równanie rozwiązuje się we współrzędnych cylindrycznych.

[∂2 / ∂ρ2 + (1 / ρ) ∂ / ∂ρ + (1 / ρ2)2/2 +k2c] ez = 0,

TMnm Stała propagacji trybu ->

βnm = √ (k2 - kc2) = √ (k2 - (strnm/za)2)

Częstotliwość odcięcia: fcnm = kc / (2π√µε) = pnm / (2πa √µε)

Pola poprzeczne to:

Eρ = (- jβ / kc) (A grzech nφ + B cos nφ) Jn/ (kcρ) mi- jβz

Eφ = (- jβn / k2cρ) (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kcρ) mi- jβz

Hρ = (jωen / k2 cρ) (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kcρ) mi- jβz

Hφ = (- jωe / kc) (A sin nφ + B cos nφ) Jn` (kcρ) mi- jβz

Impedancja falowa wynosi ZTM = Ep φ = - E.ϕ/Hp = ηβ / k

Linia paskowa

Jednym z przykładów linii transmisyjnej typu planarnego jest Stripline. Jest to korzystne do wbudowania do środka kuchenka mikrofalowa obwody. Stripline może być dwojakiego rodzaju – asymetryczny Stripline i Inhomogeneous stripline. Ponieważ linia paskowa ma dwa przewodniki, obsługuje tryb TEM. Reprezentację geometryczną przedstawiono na poniższym rysunku.