КОАКСИАЛЬНЫЕ И ПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ

Сверхвысокими частотами (СВЧ) принято называть участок спектра электромагнитных колебаний, частоты которых расположены между 30 и 3000 МГц. Длины волн для этих крайних частот равны соответственно 10 м и 0,1 мм. Напомним, что 1 ГГц равен 10 МГц или ilO Гц. 1 Гц означает, что одно полное колебание совершается за одну секунду. Единица частоты имеет размерность 1/с. Д.чина волны электромагнитных колебаний X в Боздуш ой среде или в вакууме связана с частотой / соотношением

где с - скорость света в вакууме.

Безвоздушную среду, например открытый космос в отсутствии каких-либо частиц, в литературе называют еще свободным пространством. Если частоту выразить в терцах, а скорость света в свободном пространстве i(c=3-ilO* м/с) в метрах в секунду, то длина волны к получится в метрах.

СВЧ диапазон электромагнитных колебаний называют также диапазоном ультракоротких волн (УКВ) и подразделяют на более узкие диапазоны. Наиболее распространено деление электромагнитных волн СВЧ диапазона на метровые (Х=.\0--Л и, if=30--300МГц), дециметровые (Я= 1-0,1 м, f=300 МГц-1-3 ГГц), сантиметровые (>.= 10-f-il см, f=3-H30 ГГц), миллиметровые (Л=10-н1 мм, f= =30-300 ГГц) и субмиллиметровые {X=i\-hO,l мм, f=3004-3000 ГГц) волны.

Вблизи середины дециметрового диапазона i(=30-=-70 см) происходит разделение между м-ногими представлениями, относящимися к радиотехнике низких и сверхвысоких частот. Например, на СВЧ приходится отказаться от таких привычных для радиолюбителя понятий, как сосредоточенная емкость в виде конденсатора и индук-тивиость -в виде катушки, и необходимо привыкнуть к контурам в виде объемных резонаторов, к новым типам генераторных и усилительных ламп И т. п.

Существенные особенности в диапазоне СВЧ имеют линии передачи. Нельзя сказать, конечно, что на волнах длиннее 30 см неприменимы, например, волноводы. Однако на волне 60 см волновод должен иметь слишком громоздкие размеры i(45x23 см), а с другой стороны, при резонансной длине волны 15 см обычный радиотехнический контур будет иметь столь большие потери на излучение, что он будет скорее антевной, чем резонансным элементом.

В общем смысле к Широкому классу радиоволноводов можно отнести самые различные виды устройств (рис. 1), вдоль которых могут распространяться электромагнитные волны. Это открытые двухпроводные линии (рис. 1,а), коаксиальные кабели (рис. 1,6), полые металлические трубы различного поперечного сечения

(Vlic i,e) замедляющие системы (рис. \,д), вдоль которых злек-тромаги'итиые волны распространяются со скоростью, в несколько раз меньшей скорости света. iK радиоволноводам относятся диэлектрические волноводы (рис. 1,г), представляющие собой стержни з диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью, а также так называемые полосковые (ленточные) симметричные (рис. 1,е) и Несимметричные (рчс. .ж) линии.

Рис. 1. Виды радиоволноводов.

а -открытая двухпроводная линия; б - коа'ксиальная линия; в- полые волноводы различных поперечных сечений: прямоугольного, круглого. П-образно-го и Н-образного; г - диэлектрический волновод; д - замедляющие системы-, спиральная в экране и типа гребенки ; е - симметричная колосковая линия; ж - несимметричная полосковая линия.

Применение коаксиальных и открытых двухпроводных линий в диапазоне СВЧ имеет ряд ограничений. Дело в .том, что с укорочением -длины волны расстояние между проводниками двухпровод--ной линии приходится уменьшать с целью снижения потерь энергии на излучение. При этом увеличивается опасность электрического . пробоя при передаче по линии больших мощностей, а допуски на точность изготовления становятся все более жесткими. Поэтому на дециметровых волнах неэкранировэнная симметричная двухпроводная линия непригодна, ее применяют обычно на волнах длиннее 2-5 м.

Коаксиальный кабель, являясь экранированной линией, более пригоден для ОВЧ. Однако И здесь с увеличением частоты увеличиваются потери в металлических проводниках (особенно во внутреннем) и диэлектрике, который необходим для крепления внутренней жилы кабеля. Кроме того, при укорочении длины волны здесь, как и в двухпроводной линии, приходится уменьшать .расстояние между внутренним и наружным проводниками кабеля, что приводит к ограничению уровня передаваемой мощности. С другой стороны, яа сан-

тиметрбвых волнах в коаксиальных линиях сравнительно больших размеров могут распространяться так называемые высшие ишы волн, близкие по своим свойствам к волнам в полых волноводах. В этом случае в коаксиальных трактах появляются неожиданные паразитные резонансы, грезко нарушающие их работу. Поэтому коаксиальные кабели сравнительно редко применяются на волнах ороче 8- 10 см. Иногда при малой передаваемой мощности и небольшой длине линии коаксиальные кабели находят применение и на волнах около .3 см в основном в измерительной аппаратуре и в приемных трактах малой длины.

Волноводы обладают рядом преимуществ по сравнению с коаксиальными н двухпроводными линиями. Для них характерны тгросто-та и жесткость конструкции. Все поле заключено внутри волновода, поэтому нет потерь энергии иа излучение, как в открытой двухпроводной линии. В .коаксиаль'ных линиях для установки -центрального проводника вдоль оси внешнего проводника применяется обычно диэлектрик, потери в котором вносят существенный вклад в общие потери линии. Вяутри волновода в большинстве случаев имеется либо воздух, либо вакуум (в волноводах электронных приборов GB4). Потерями в этих средах практически можио пренебречь. Таким образом, в волноводах при воздушном пх заполнении или при откачке до высокого вакуума отсутствуют потери в диэлектрике. Из-за -отсутствия диэлектрика и центрального проводника пробивная прочность волновода больше, чем у коаксиальной линш. Наконец, потер-и в стенках волновода также меньше по сравнению с потерями - в коаксиальном кабеле, в котором по внутреннему проводнику протекает ток большей плотности при одинаковой передаваемой .мощности. Полезно отметить, что в диапазоне волн 6-IZ см потери энергии в волноводе равны примерно 0,01 дБ на один метр длины, что приблизительно в 100 раз меньше, чем в коаксиальном кабеле (примерно .1 дБ/м), применяемом в измерительной аппаратуре для соединения различных приборов.

Напомним, что ослабление в децибелах равно lOlgPi/Pz, где Pi и Рг - -мощности соответственно а входе и выходе волноводно-го участка. На СВЧ в децибелах измеряют также и усиление сигнала. Для освоения понятия децибел полезно запомнить следующее: если Pi в два раза больше Рг, то говорят, что Pi -больше Рг на 3 дБ, если Pi больше в ilO -раз - то яа 10 дБ, если в ilOO раз-то на 20 дБ, если в 1000 раз-то на 30 дБ и т. д. Если изменения мощности на нескольких уча-стках волновода, выраженные в разах, надо умножать для определения полного изменения мощности, то эти же изменения, выраженные в децибелах, надо складывать. По этому правилу ослабление на 43 дБ равно 40 дБ-Н-З дБ, что соответствует изменению мощности в 10 ОООXi2 =20 ООО раз. Ослаблению на 34 дБ (40 дБ - 3 дБ - 3 дБ) соответствует изменение мощности в 10 000/2 x2 = 2500 раз.

Несмотря на отмеченные преимущества, с укорочением длины волны начинают проявляться и -недостатки волноводов. Вследствие уменьшения -размеров поперечного сечеиия понижается пробивное напряжение, что обусловливает ограничение величины передаваемой мощности. Кроме того, происходит увеличение потерь в стенках волновода. Наконец, в ряде случаев полосы -частот, занимаемые сигналами, оказываются шире полосы частот, рекомендуемой для конкретною типа волновода с заданными размерами поперечного сечения. Для полного перекрытия по частоте в сантиметровом и милли-