4) высокая электрическая прочность, необходимая для передачи большой мощности и конструирования элементов и узлов радиоаппаратуры с высокой электрической прочностью;

5) высокая механическая прочность, обеспечивающая высокую надежность, длительный срок службы и устойчивость к механическим воздействиям;

6) большая широкополосность, допускающая одновре1менную работу нескольких каналов радиосистем и передачу сложных сигналов с широким спектром частот;

7) передача энергии волной одного типа. Использование нескольких типов волн приводит к понижению КПД возбуждающих устройств на входе линии, к увеличению потерь из-за увеличения затухания на паразитных типах волн и увеличения отражений на приемном конце линии из-за повышенного коэффициента отражения паразитных типов волн. Кроме того, различным типам волн соответствуют различные групповые скорости, что, в свою очередь, -является причиной искажения передаваемого сообщения: один и тот же сигнал приходит в точку приема в виде нескольких сигналов, смещенных во времени.

5.2. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Используемые на практике линии передачи можно разделить на два класса: открытые линии передачи (рис. ЪЛ,а,б,в,г) и волноводы (рис. ЪЛ,д, е,ж,з,и). В открытых линиях передачи электромагнитное поле сообщается с пространством, окружающим линию. В волноводах электромагнитное поле сосредоточено в пространстве, экранированном от внешней среды металлической оболочкой.

Полосковая линия (рис. ЪЛ,а,б) представляет собой проводник, расположенный на некотором расстоянии от заземленной плоскости либо лежащий между двумя заземленными плоскостями и отделенный от них воздушным зазором или диэлектриком. Важными достоинствами полосковых линий являются широкопо- лосность, малые масса и габариты, высокая технологичность линий й СВЧ устройств, конструируемых на их основе, применение печатного монтажа и возможность автоматизации процесса производства. Все это послужило причиной широкого использования полосковых линий при микроминиатюризации СВЧ устройств и производстве СВЧ интегральных микросхем. Подробно эти линии рассмотрены в гл. 10.

Диэлектрическая линия (рис. 5.1,6) представляет собой стержень различной формы поперечного сечения из диэлектрика с небольшими потерями, с диэлектрической проницаемостью больше, чем у окружающей среды. Диэлектрическая линия в основном применяется в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн, где другие типы линий передачи обладают значительным затуханием и их изготовление связано с большими технологическими трудностями. . . .

Однбпроводная линия (рис. 5.1,г) представляет собой металлический провод чаще всего круглой формы сечения, покрытый тонким слоем диэлектрика. Существенная зависимость параметров линии от атмосферных условий и расположенных вблизи линии проводящих тел не позволяет щироко использовать эту линию на практике.

Рис. 5.1. Линии передачи: а - полооковая неоимметричная; б - полоскавая симметричная; в - диэлектрическая; г-одноораводная; д-коаксиальный волновод; е - круглый волновод; ж-прямоугольный волновод; з - Н-образный волновод; и - гофрировашный

волновод

Коаксиальные волноводы (рис. 5.1,д) состоят из металлического цилиндра и круглого металлического провода, располагаемого вдоль оси цилиндра. Сечение коаксиальных волноводов может быть и другой формы, например прямоугольной. Основными достоинствами коаксиальных волноводов являются щирокополос-ность, отсутствие паразитного излучения и возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей. К числу основных недостатков относятся большое затухание, малая электрическая прочность и сложность конструкции. Коаксиальные волноводы чаще всего применяются в виде коаксиальных кабелей для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Жесткие конструкции коаксиальных волноводов применяются для передачи больших мощностей в метровом и дециметровом диапазонах волн, где они могут иметь достаточно большие размеры поперечного сечения и обеспечивают необходимую электрическую прочность. Коаксиальные Волноводы и элементы коаксиального типа используются на час-

4860

тотах не выше 20 ГГц. В некоторых специальных случаях они могут применяться и на более высоких частотах, при этом обычно используются только короткие отрезки коаксиального кабеля из-за большого затухания (более 1 дБ/м).

Прямоугольные и круглые волноводы (рис. ЪЛ,е,ж) выполняются в виде труб круглого и прямоугольного сечений. Преимуществами этих волноводов являются: простота и жесткость конструкции, высокая электрическая прочность и малые потери (з среднем в 1,5 раза меньше, чем в коаксиальном волноводе). Применяются они в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Основными недостатками прямоугольных и круглых волноводов являются узкополосность (ширина полосы не более ±20% от средней частоты), наличие дисперсии, большие масса и габариты для волн длиннее 20 см и большие технологические трудности при изготовлении для волн короче 5 мм.

И-волноводы (рис. 5,1,з) используются для расширения полосы и уменьшения геометрических размеров линий передачи. С помощью Н-волноводов можно в несколько раз уменьшить частоту нижнего предела полосы волновода /тш или при сохранении величины /min значительно сократить геометрические размеры поперечного сечения вблновода. Недостатками Н-волноводов являются сложность конструкции, малая электрическая прочность и большие потери.

Гофрированные волноводы (рис. 5.1,и) используются для соединения СВЧ блоков радиоаппаратуры, смещаемых относительно друг друга в процессе работы.

Ниже рассматриваются регулярные волноводы, заполненные воздухом, с малыми потерями в металлических стенках и проводниках.

5.3. ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ

Расположение прямоугольного волновода относительно Декартовой системы координат, а также размеры его поперечного сечения показаны на рис. 5.1,ж.

Структура электромагнитного поля. В прямоугольных волноводах возбуждаются дисперсионные волны Е- и Н-типов. Основные характеристики этих волн можно вычислить с помощью формул, помещенных в табл. 3.1, но для этого необходимо знать критическую длину волны, которая в заданном волноводе зависит от структуры поля (типа волны). Существование Е-волны предполагает ЕгфО, Hz=0.

Для определения составляющей поля воспользуемся уравнением (3.3). Определим постоянные этого уравнения. Для этого используем граничное условие (2.15), согласно которому можно полагать, что на металлических стенках волновода тангенциальные составляющие электрического поля равны нулю, т. е.

1) £, = 0 при х=0, г/ = 0;

2) Е2 = 0 при х = а, у = Ь.