Радиоволны в линиях передачи

Для передачи энергии электромагнитного поля от передатчика к передающей антенне, от приемной антенны к приемнику, от каскада к каскаду в радиосистеме применяют линии передачи. Иначе их называют фидерные линии (от англ, «feed» — питать). Например, фидерная линия, ведущая от генератора электромагнитных колебаний к антенне, — это линия, питающая антенну электромагнитной энергией.

Типы передающих линий

В современных радиосистемах используют в основном четыре типа передающих линий — двухпроводную, коаксиальную, микрополосковую и волноводную (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Типы линий передачи:

а — двухпроводная; б — коаксиальная; в — микрополосковая; г — волноводная (прямоугольный и круглый волноводы) Простейшей линией является двухпроводная, которая состоит из двух параллельных металлических проводников. Если один провод расположен внутри другого, получается коаксиальная линия, или коаксиальный кабель. В каскадах сверхвысоких частот (СВЧ) применяют микрополосковую линию (МПЛ), а также волноводы — трубы прямоугольного и круглого сечения. МПЛ — это два параллельных проводника — узкий и широкий, разделенных диэлектрической подложкой.

В линиях передачи электромагнитное поле существует в пространстве около проводников, а сами проводники подобны рельсам, задающим направление движения энергии поля.

Пространство между проводниками может быть ничем не заполненным. В этом случае линия называется воздушной. Если между проводниками имеется диэлектрик, то это линия с диэлектрическим заполнением.

Для того чтобы определить структуру электромагнитного поля в линии передачи, рассмотрим модель, справедливую для всех типов линий, — это две параллельные бесконечные плоскости (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Модель передающей линии

Решим уравнения Максвелла для линии передачи, образованной двумя параллельными плоскостями, при следующих допущениях:

• 1) плоскости, идеально проводящие, т. е. удельная электропроводность материала плоскости g —" оо;
• 2) диэлектрик между плоскостями идеальный, т. е. его удельная электропроводность g_m3Jl = 0;
• 3) волны распространяются вдоль оси z;

• 4) вдоль оси у плоскости бесконечны и электромагнитное поле вдоль этой оси не меняется;
• 5) линия возбуждается источником монохроматического поля.

При сделанных допущениях первое и второе уравнения Максвелла для комплексных амплитуд имеют следующий вид:

Раскрывая их и учитывая, что производные составляющих поля по оси у равны 0, получаем две системы уравнений: первая — относительно переменных Н_у, Ё_х, Ё_:

вторая — относительно переменных Ё, H_X, H_Z

Система уравнений (2.1) описывает поля, у которых вектор напряженности магнитного поля Н перпендикулярен направлению его распространения z, в то время как вектор Ё имеет проекцию на ось z. Такие поля называют поперечно-магнитными (Transverse Magnetic Waves), или полями IM-типа. Иначе их называют полями ?-типа.

Система уравнений (2.2) относится к поперечно-электрическим полям (Transverse Electrical Waves), т. е. полям Г?-типа (или полям Я-типа), поскольку здесь вектор напряженности электрического поля Ё перпендикулярен направлению распространения z (рис. 2.3). Рассмотрим структуру полей волн различных типов более подробно.

Рис. 2.3. Возможные типы полей в передающих линиях:

а — ТМ-волны; б — ТЕ-волны