Přenosové vedení a vlnovody: 7 důležitých vysvětlení

Body diskuse: Přenosové linky a vlnovody

• Úvod do přenosových vedení a vlnovodů
• Druhy vlnovodů
• Typy přenosových vedení
• Paralelní deskový vlnovod
• Obdélníkový vlnovod
• Kruhový vlnovod

Podrobná analýza přenosových linek! Podívejte se zde!

Úvod do přenosových linek (TL) a vlnovodů (WG)

Vynález a vývoj přenosových vedení a dalších vlnovodů pro přenos energie s nízkou ztrátou při vysoké frekvenci patří mezi nejstarší milníky v historii mikrovlnného inženýrství. Dříve se radiofrekvenční a související studie točily kolem různých typů přenosového média. Má výhody pro řízení vysokého výkonu. Ale na druhou stranu je neefektivní při ovládání při nižších hodnotách frekvencí.

Dvě drátové linky stojí méně, ale nemají stínění. Existují koaxiální kabely, které jsou stíněné, ale je obtížné vyrobit složité mikrovlnné komponenty. Výhodou rovinné linie je, že má různé verze. Čáry drážky, rovinné čáry, čáry mikropásku jsou některé z jejích forem. Tyto typy přenosových vedení jsou kompaktní, ekonomické a snadno integrovatelné se zařízeními s aktivním obvodem.

Parametry jako konstanta šíření, charakteristická impedance, útlumové konstanty zohledňují, jak se bude chovat přenosové vedení. V tomto článku se dozvíme o jejich různých typech. Téměř všechna přenosová vedení (která mají více vodičů) jsou schopna podporovat příčné elektromagnetické vlny. Komponenty podélného pole pro ně nejsou k dispozici. Tato konkrétní vlastnost charakterizuje linie a vlnovody TEM. Mají jedinečnou hodnotu napětí, proudu a charakteristické impedance. Vlnovody, které mají jediný vodič, mohou podporovat TE (příčný elektrický) nebo TM (příčný magnetický) nebo obojí. Na rozdíl od Nyní mají režimy příčného elektrického a příčného magnetického pole příslušné složky podélného pole. Představuje je tato vlastnost.  

Vědět o 7+ aplikacích mikrovlnného inženýrství a přehledu. Klikněte zde!

Druhy vlnovodů

Ačkoli existuje několik typů vlnovodů, některé z nejpopulárnějších jsou uvedeny níže.

• Paralelní deskový vlnovod
• obdélníkový vlnovod
• Kruhový vlnovod

Typy přenosových linek

Některé typy přenosových vedení jsou uvedeny níže.

• Pásková linka
• Mikropásková linka
• Koaxiální linka

Paralelní deskový vlnovod

Paralelní deskový vlnovod je jedním z populárních typů vlnovodů, které jsou schopné ovládat jak příčné elektrické, tak příčné magnetické režimy. Jedním z důvodů popularity popularita paralelního deskového vlnovodu je, že mají aplikace při výrobě modelů pro režimy vyššího řádu v řádcích.

Obrázek nahoře (Přenosové čáry a vlnovody) ukazuje geometrii paralelního deskového vlnovodu. Tady je šířka pásu W a je považována za významnější než oddělení d. Takto lze zrušit okrajové pole a libovolné x proměnné. Mezera mezi dvěma deskami je vyplněna materiálem permitivity ε a propustnosti μ.

Režimy TEM

Řešení režimů TEM se vypočítá pomocí řešení Laplaceovy rovnice. Rovnice se vypočítá s ohledem na faktor pro elektrostatické napětí, které leží mezi deskami vodičů.

Řešení rovnice, příčné elektrické pole přichází jako:

e^- (x, y) = ∇_t ϕ (x, y) = - y^{^} V_o / d.

Celkové elektrické pole je pak: E^- (x, y, z) = h^- (x, y) e^{- jkz} = a^{^} (V_o / d) * e^-jkz

k představuje konstantu šíření. Udává se jako: k = w √ (μ * ε)

Rovnice magnetických polí přichází jako:

Zde η označuje vnitřní impedanci média, které leží mezi vodičovými deskami paralelních deskových vlnovodů. Udává se jako: η = √ (μ / ε)

Režimy TM

Režimy příčné magnetické nebo TM lze charakterizovat pomocí H_z = 0 a konečná hodnota elektrického pole.

(∂² / ∂r² +k²_c) A_z (x, y) = 0

Zde kc je cut-off vlnové číslo a dané k_c = √ (k² - β²)

Po řešení rovnice Electric podal E_X přichází jako:

E_z (x, y, z) = A_n hřích (n * π * y / d) * e^{- jβz}

Komponenty příčného pole lze zapsat jako:

H_x = (jw ε / k_c) A_n cos (nπy / d) e^{- jβz}

E_y = (-jB / k_c) A_n cos (nπy / d) e^{- jβz}

E_x = H_y = 0.

Mezní frekvenci režimu TM lze zapsat jako:

f_c= k_c / (2π * √ (με)) = n / (2d * √ (με))

Vlnová impedance přichází jako Z_TM = β / ωε

Fázová rychlost: v_p = ω / β

Naváděcí vlnová délka: λ_g = 2π / β

Režimy TE

H_z (x, y) = B_n cos (nπy / d) e^{- jβz}

Rovnice příčných polí jsou uvedeny níže.

Konstanta šíření β = √ (k2 - (nπ / d)²)

Mezní frekvence: f_c = n / (2d √ (με))

Impedance režimu TM: Z_TE = E_x /h_y = k_n/ β = ωμ / β

obdélníkový vlnovod

Projekt obdélníkový vlnovod je jedním z primárních typů vlnovodů používaných k přenosu mikrovlnných signálů a stále se používají.

S vývojem miniaturizace byl vlnovod nahrazen planárními přenosovými linkami, jako jsou pásová vedení a mikropásková vedení. Aplikace, které využívají vysoce dimenzovaný výkon a využívají technologie milimetrových vln, některé specifické satelitní technologie stále používají vlnovody.

Protože obdélníkový vlnovod nemá více než dva vodiče, je schopen pouze příčných magnetických a příčných elektrických režimů.

Režimy TE

Řešení pro H_z přichází jako: H_z (x, y, z) = A_mn cos (mπx / a) cos (nπy / b) e^{- jβz}

Amn je konstanta.

Polní komponenty režimů TEmn jsou uvedeny níže:

Konstanta šíření je,

Režimy TM

Řešení pro E_z přichází jako: E_z (x, y, z) = B_mn sin (mπx / a) sin (nπy / b) e^{- jβz}

Bmn je konstantní.

Polní složka režimu TM se počítá níže.

Propagační konstanta :

Vlnová impedance: Z_TM = E_x /h_y = -E_y /h_x = bη * η / k

Kruhový vlnovod

Kruhový vlnovod je tlumená, kulatá trubková struktura. Podporuje režimy TE i TM. Níže uvedený obrázek představuje geometrický popis kruhového vlnovodu. Má vnitřní poloměr „a“ a používá se ve válcových souřadnicích.

E_ρ = (- j/k²_c) [β ∂E_z/ ∂ρ + (ωµ / ρ) ∂ H_z/ ∂φ]

E_ϕ = (- j/k²_c) [β ∂E_z/ ∂ρ - (ωµ / ρ) ∂ H_z/ ∂φ]

H_ρ = (j / k²_c) [(ωe / ρ) ∂E_z / ∂φ - β ∂ H_z/ ∂ρ]

H_ϕ = (-j / k2_c) [(ωe / ρ) ∂E_z / ∂φ + β ∂ H_z/ ∂ρ]

Režimy TE

Vlnová rovnice je:

∇²H_z +k²H_z = 0.

k: ω√ µe

Konstanta šíření: B_mn = √ (k² - k_c²)

Mezní frekvence: fc_nm = k_c / (2π * √ (με))

Komponenty příčného pole jsou:

E_p = (- jωµn / k²_cρ) * (A cos nφ - B sin nφ) J_n (k_cρ) e^{- jβz}

H_φ = (- jβn / k²_cρ) (A cos nφ - B sin nφ) J_n (k_cρ) e^{- jβz}

Vlnová impedance je:

Z_TE = E_p /h_ϕ = - E._ϕ /h_p = ηk / β

Režimy TM

Pro stanovení potřebných rovnic pro kruhový vlnovod pracující v příčných magnetických režimech je vlnová rovnice vyřešena a je vypočítána hodnota Ez. Rovnice je řešena ve válcových souřadnicích.

[∂² / ∂ρ² + (1 / ρ) ∂ / ∂ρ + (1 / ρ²) ∂²/ ∂φ² +k²c] e_z = 0,

TM_nm Konstanta šíření režimu ->

βnm = √ (k² - kc²) = √ (k² - (str_nm/A)²)

Mezní frekvence: f_cnm = k_c / (2π√µε) = str_nm / (2πa √ µε)

Příčná pole jsou:

E_ρ = (- jβ / k_c) (A sin nφ + B cos nφ) J_n^/ (k_cρ) e^{- jβz}

E_φ = (- jβn / k²_cρ) (A cos nφ - B sin nφ) J_n (k_cρ) e^{- jβz}

H_ρ = (jωen / k² _cρ) (A cos nφ - B sin nφ) J_n (k_cρ) e^{- jβz}

H_φ = (- jωe / k_c) (A sin nφ + B cos nφ) Jn` (k_cρ) e^{- jβz}

Vlnová impedance je Z_TM = E_p /h_φ = - E._ϕ/H_p = ηβ / k

Pásková linka

Jedním z příkladů přenosového vedení rovinného typu je Stripline. Je výhodné pro zabudování dovnitř MV obvody. Stripline může být dvou typů – Asymetric Stripline a Nehomogenní stripline. Protože pásková linka má dva vodiče, podporuje režim TEM. Geometrická reprezentace je znázorněna na obrázku níže.