Γραμμές Μεταφοράς & Κυματοδηγοί: 7 Σημαντικές Επεξηγήσεις

Σημεία συζήτησης: Γραμμές μετάδοσης και οδηγοί κυμάτων

• Εισαγωγή στις γραμμές μετάδοσης και τους κυματοδηγούς
• Τύποι κυματοδηγών
• Τύποι γραμμών μεταφοράς
• Οδηγός παράλληλης πλάκας
• Ορθογώνιος κυματοδηγός
• Κυκλικός κυματοδηγός

Λεπτομερής ανάλυση γραμμών μετάδοσης! Δείτε εδώ!

Εισαγωγές στις γραμμές μετάδοσης (TL) & Waveguide (WG)

Η εφεύρεση και η ανάπτυξη γραμμών μεταφοράς και άλλων κυματοδηγών για τη μετάδοση ισχύος χαμηλής απώλειας σε υψηλή συχνότητα είναι από τα πρώτα ορόσημα στην ιστορία της μηχανικής μικροκυμάτων. Προηγουμένως, η ραδιοσυχνότητα και οι σχετικές μελέτες περιστράφηκαν γύρω από τους διαφορετικούς τύπους μέσων μετάδοσης. Έχει πλεονεκτήματα για τον έλεγχο της υψηλής ισχύος. Αλλά από την άλλη πλευρά, είναι ανεπαρκές στον έλεγχο σε χαμηλότερες τιμές συχνοτήτων.

Δύο γραμμές καλωδίων κοστίζουν λιγότερο, αλλά δεν έχουν θωράκιση. Υπάρχουν ομοαξονικά καλώδια που είναι θωρακισμένα, αλλά είναι δύσκολο να κατασκευαστεί τα περίπλοκα εξαρτήματα μικροκυμάτων. Το πλεονέκτημα της γραμμής Planar είναι ότι έχει διάφορες εκδόσεις. Οι γραμμές αυλακώσεων, οι επίπεδες γραμμές, οι γραμμές μικρο-λωρίδων είναι μερικές από τις μορφές της. Αυτοί οι τύποι γραμμών μετάδοσης είναι συμπαγείς, οικονομικοί και εύκολα ενσωματώσιμοι με συσκευές ενεργού κυκλώματος.

Παράμετροι όπως σταθερά διάδοσης, χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση, σταθερές εξασθένησης εξετάζουν πώς θα συμπεριφέρεται μια γραμμή μετάδοσης. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε για τους διάφορους τύπους αυτών. Σχεδόν όλες οι γραμμές μετάδοσης (που έχουν πολλούς αγωγούς) είναι ικανές να υποστηρίζουν τα εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα στοιχεία του διαμήκους πεδίου δεν είναι διαθέσιμα για αυτά. Αυτή η συγκεκριμένη ιδιότητα χαρακτηρίζει τις γραμμές TEM και τους οδηγούς κυμάτων. Έχουν μια μοναδική τάση, ρεύμα και χαρακτηριστική τιμή σύνθετης αντίστασης. Οι οδηγοί κυμάτων, που έχουν έναν μόνο αγωγό, μπορούν να υποστηρίξουν το ΤΕ (εγκάρσιο ηλεκτρικό) ή το ΤΜ (εγκάρσιο μαγνητικό), ή και τα δύο. Σε αντίθεση με το Now, οι εγκάρσιοι ηλεκτρικοί και εγκάρσιοι μαγνητικοί τρόποι έχουν τα αντίστοιχα διαμήκη στοιχεία τους. Αντιπροσωπεύονται από αυτήν την ιδιότητα.  

Μάθετε για 7+ Εφαρμογές Μηχανικών Μικροκυμάτων και Επισκόπηση. Κάνε κλικ εδώ!

Τύποι κυματοδηγών

Αν και υπάρχουν διάφοροι τύποι κυματοδηγών, μερικά από τα πιο δημοφιλή αναφέρονται παρακάτω.

• Οδηγός παράλληλης πλάκας
• ορθογώνιο κυματοδηγό
• Κυκλικός κυματοδηγός

Τύποι γραμμών μετάδοσης

Μερικοί από τους τύπους γραμμών μεταφοράς αναφέρονται παρακάτω.

• Stripline
• Μικρή γραμμή
• Ομοαξονική γραμμή

Οδηγός παράλληλης πλάκας

Ο παράλληλος κυματοδηγός πλάκας είναι ένας από τους δημοφιλείς τύπους κυματοδηγού, οι οποίοι είναι ικανοί να ελέγχουν τόσο τους εγκάρσιους ηλεκτρικούς όσο και τους εγκάρσιους μαγνητικούς τρόπους. Ένας από τους λόγους πίσω από τη δημοτικότητα του παράλληλου κυματοδηγού πλάκας είναι ότι έχουν εφαρμογές στη δημιουργία μοντέλων για τις λειτουργίες μεγαλύτερης τάξης σε γραμμές.

Η παραπάνω εικόνα (Γραμμές μετάδοσης και οδηγοί κυμάτων) δείχνει τη γεωμετρία του κυματοδηγού παράλληλης πλάκας. Εδώ, το πλάτος της λωρίδας είναι W και θεωρείται πιο σημαντικό από το διαχωρισμό του d. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να ακυρωθούν το πεδίο περιθωρίου και τυχόν μεταβλητές x Το κενό μεταξύ δύο πλακών γεμίζεται από ένα υλικό διαπερατότητας ε και διαπερατότητας μ.

Λειτουργίες TEM

Η λύση των τρόπων TEM υπολογίζεται με τη βοήθεια της λύσης της εξίσωσης Laplace. Η εξίσωση υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τον παράγοντα για την ηλεκτροστατική τάση που βρίσκεται μεταξύ των αγωγών.

Η επίλυση, η εξίσωση, το εγκάρσιο ηλεκτρικό πεδίο έρχεται ως:

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

Στη συνέχεια, το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο είναι: E^- (x, y, z) = h^- (x, y) ε^{- jkz} = ε^{^} (V_o / δ) * ε^-jkz

Το k αντιπροσωπεύει τη σταθερά διάδοσης. Δίνεται ως: k = w √ (μ * ε)

Η εξίσωση των μαγνητικών πεδίων έχει ως εξής:

Εδώ, η αναφέρεται στην εγγενή σύνθετη αντίσταση του μέσου που βρίσκεται μεταξύ των αγωγών των παράλληλων κυματοδηγών πλάκας. Δίνεται ως: η = √ (μ / ε)

Τρόποι TM

Οι εγκάρσιοι μαγνητικοί ή τρόποι TM μπορούν να χαρακτηριστούν με H_z = 0 και μια τιμή πεπερασμένου ηλεκτρικού πεδίου.

(² / ∂ ε² + κ²_c) Και_z (x, y) = 0

Εδώ kc είναι το κομμένο κύμα και δίνεται από k_c = √ (κ² - β²)

Μετά τη λύση της εξίσωσης, η Ηλεκτρονική υπέβαλε Ε_X έρχεται ως:

E_z (x, y, z) = Α_n sin (n * π * y / d) * ε^{- jβz}

Τα συστατικά εγκάρσιου πεδίου μπορούν να γραφτούν ως:

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

E_y = (-jB / k_c) Α_n cos (nπy / d) ε^{- jβz}

E_x = Η_y = 0.

Η διακοπή συχνότητας της λειτουργίας TM μπορεί να γραφτεί ως:

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

Η αντίσταση κύματος έρχεται ως Z_TM = β / ωε

Η ταχύτητα φάσης: v_p = ω / β

Το μήκος κύματος του οδηγού: λ_g = 2π / β

Τρόποι TE

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

Παρακάτω αναφέρονται οι εξισώσεις των εγκάρσιων πεδίων.

Η σταθερά διάδοσης β = √ (k2 - (nπ / d)²)

Η συχνότητα αποκοπής: f_c = n / (2d √ (με))

Η σύνθετη αντίσταση της λειτουργίας TM: Z_TE = Ε_x / Ω_y = κ_n/ β = ωμ / β

ορθογώνιο κυματοδηγό

Η καλύτερη ορθογώνιος κυματοδηγός είναι ένας από τους κύριους τύπους κυματοδηγών που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση σημάτων μικροκυμάτων και εξακολουθούν να έχουν χρησιμοποιηθεί.

Με την ανάπτυξη της μικρογραφίας, ο κυματοδηγός έχει αντικατασταθεί από επίπεδες γραμμές μετάδοσης όπως γραμμές λωρίδων και γραμμές μικροστάσεως. Εφαρμογές που χρησιμοποιούν υψηλή βαθμολογία ισχύος, η οποία χρησιμοποιεί τεχνολογίες κυμάτων χιλιοστών, ορισμένες συγκεκριμένες δορυφορικές τεχνολογίες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν τους κυματοδηγούς.

Καθώς ο ορθογώνιος κυματοδηγός δεν έχει περισσότερους από δύο αγωγούς, είναι ικανός μόνο για εγκάρσιους μαγνητικούς και εγκάρσιους ηλεκτρικούς τρόπους.

Τρόποι TE

Η λύση για το Η_z έρχεται ως: H_z (x, y, z) = Α_mn cos (mπx / a) cos (nπy / b) ε^{- jβz}

Το Amn είναι μια σταθερά.

Τα στοιχεία πεδίου των λειτουργιών TEmn παρατίθενται παρακάτω:

Η σταθερά διάδοσης είναι,

Τρόποι TM

Η λύση για το Ε_z έρχεται ως: E_z (x, y, z) = Β_mn sin (mπx / a) sin (nπy / b) ε^{- jβz}

Το Bmn είναι σταθερό.

Το στοιχείο πεδίου της λειτουργίας TM υπολογίζεται όπως παρακάτω.

Σταθερή διάδοση :

Η αντίσταση κύματος: Z_TM = Ε_x / Ω_y = -Ε_y / Ω_x = bη * η / k

Κυκλικός κυματοδηγός

Ο κυκλικός κυματοδηγός είναι στριμμένος, στρογγυλός σωλήνας. Υποστηρίζει και τις δύο λειτουργίες TE και TM. Η παρακάτω εικόνα αντιπροσωπεύει τη γεωμετρική περιγραφή ενός κυκλικού κυματοδηγού. Έχει μια εσωτερική ακτίνα «a», και χρησιμοποιείται σε κυλινδρικές συντεταγμένες.

E_ρ = (- j/ κ²_c) [β ∂ Ε_z/ ∂ρ + (ωµ / ρ) ∂ Η_z/ ∂φ]

E_ϕ = (- j/ κ²_c) [β ∂ Ε_z/ ∂ρ - (ωµ / ρ) ∂ Η_z/ ∂φ]

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

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

Τρόποι TE

Η κυματική εξίσωση είναι:

∇²H_z + κ²H_z = 0.

k: ω√μe

Η σταθερά διάδοσης: B_mn = √ (κ² - κ_c²)

Συχνότητα διακοπής: fc_nm = κ_c / (2π * √ (με))

Τα συστατικά εγκάρσιου πεδίου είναι:

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

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

Η αντίσταση κύματος είναι:

Z_TE = Ε_p / Ω_ϕ = - Ε_ϕ / Ω_p = ηk / β

Τρόποι TM

Για τον προσδιορισμό των απαραίτητων εξισώσεων για τον κυκλικό κυματοδηγό που λειτουργεί σε εγκάρσιες μαγνητικές λειτουργίες, η κυματική εξίσωση επιλύεται και υπολογίζεται η τιμή του Ez. Η εξίσωση επιλύεται σε κυλινδρικές συντεταγμένες.

[∂² / ∂ρ² + (1 / ρ) ∂ / ∂ρ + (1 / ρ)²∂²/ ∂φ² + κ²γ] ε_z = 0,

TM_nm Σταθερή διάδοση της λειτουργίας ->

βnm = √ (k² - kc²) = √ (κ² - (σελ_nm/ένα)²)

Συχνότητα διακοπής: f_cm = κ_c / (2π√)) σελ_nm / (2πa √)

Τα εγκάρσια πεδία είναι:

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

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

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

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

Η αντίσταση κύματος είναι Ζ_TM = Ε_p / Ω_φ = - Ε_ϕ/H_p = ηβ / k

Stripline

Ένα από τα παραδείγματα γραμμής μετάδοσης επίπεδου τύπου είναι το Stripline. Συμφέρει για ενσωμάτωση στο εσωτερικό μικροκύματα κυκλώματα. Το stripline μπορεί να είναι δύο τύπων – Asymmetric stripline και Inhomogeneous stripline. Καθώς το stripline έχει δύο αγωγούς, έτσι υποστηρίζει τη λειτουργία TEM. Η γεωμετρική παράσταση απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα.