Радиочастотная линия передачи

 

Применение: линии передачи, антенная техника и элементы трактов сверхвысокочастотных устройств. Сущность: радиочастотная линия передачи содержит два проводника, расположенных параллельно и по крайней мере в один из которых последовательно включены емкости Сь, расположенные на одинаковых расстояниях одна от другой при выполнении соотношения Сь S Сд I, где Cdi - емкость между отрезкам и проводников, расположенных между соседними емкостями. Обеспечивается наличие дисперсии и превышения фазовой скорости над групповой. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РГСПУБЛИК (я)5 Н 01 P 3/02, 3/04, 3/08

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

j i 1 ) () j$

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ

1 (21) 4878387/09 (22) 29,10.90 (46) 15,07.92. Бюл. N. 26 (72) B.Ï,Êèñåëåâ, А,В.Артемьев, Ю,В.Киселев, В, Е. Федяев и В; Г. Сайко (53) 621.372.821 (088,8) (56) Близнюк Н,P. Волны вдоль проводов.

КВИРТУ, Киев, 1965. . Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е. М,Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, Связь, 1971, т. 1, с, 72, рис. 3 08 3, (54) РАДИОЧАСТОТНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ

Изобретение относится к электродинамике двухсвязных систем передачи электромагнитной энергии, например к электродинэмике однородной двухпроводной или полосковой линии передачи электромагнитной энергии, и может применяться в линиях передачи, антенной технике и технике сверхвысоких частот.

Известны линии передачи электромагнитной энергии с волнами типа ТЕМ, например полосковые, коаксиальные и двухпроводные. Из теории длинных линий известно, связь между напряжением и током в произвольном сечении линии и пер- вичными параметрами длиной линии определяется телеграфными уравнениями, Обычно при этом рассматривают однородную длинную линию, любой бе конечно малый участок которой dx обладает индуктивностью dL, емкостью dC, активным сбпротивлением бй и проводимостью изоляции между проводами dG. При этом погонные параметры, характеризующие линию, считались неизменными вдоль всей линии и имели размерность

„„5U„„1748208 А1

2 (57) Применение; линии передачи, антенная техника и элементы трактов сверхвысокочастотных устройств. Сущность: радиочастотная линия передачи содержит два проводника, расположенных параллельно и по крайней мере в один из которых последовательно включены емкости Cb, расположенные на одинаковых расстояниях одна от другой при выполнении соотношения Cb =

> Cq i, где С вЂ” емкость между отрезками проводников, расположенных между соседними емкостями. Обеспечивается наличие дисперсии и превышения фаэовой скорости над групповой. 3 ил. Телеграфные уравнения в комплексной форме имеют вид

dU с !(йо+/ NLp) бх

dt

U(G+j а Cn) (1) где Zp = Rp + j и Lp — полное комплексное погонное сопротивление линии;

Yp =- Qp + j жС0 — полная комплексная погонная проводимость линии.

Решая систему уравнений (1), получают дифференциальное уравнение для напряжения в линии 2ц U=0 (2) дх2 где б

= ZpYp = (Rp + j й) Lp)(Gp + j N Со) =

= @LpCp+ RpCp+/ (t)(LpCp+ CpRp) {3) постоянная распространения, характеризующая основные показатели распространяющейся в линии волны. В общем случае

1748208 ладэют положительной дисперсией, а скорость движения фазы волны в них не может быть больше скорости света, Цель изобретения — придание двухсвяз5 ной радиочастотной линии дисперсионных свойств (положительной дисперсии).

Поставленная цель достигается тем, что хотя бы в один из проводников двухсвязной линии дополнительно введены последов41О тельно включенные, равномерно распределенные по всей длине емкости. При этом емкости могут быть выполнены как сосредоточенные в виде емкостных включений, так и распределенные в один или в оба провода

15 линии.

Для доказательства возможности получения дисперсионных свойств рассмотрим однородную двухпроводную длинную линию с включениями, эквивалентная схема

0 которой имеет вид, показанный на фиг. 1, От ранее рассмотренной она отличается равномерно распределенной по всей длине емкостью Cb, включенной последовательно в каждый элемент dx линии. При агом погон25 ные параметры такой линии будут иметь размерность

Гн Ф Ом, Сим

1, о (— ); Cp (— I: Ro (— ), Gp (). м м м м

Cb (Ф . м).

30 Полное комплексное погонное сопротивление и полная комплексная проводи-, мость такой линии будут равны

-1

Z=-(R,+j «>L,+ - „);

j«) Cb

35 Y = (Gp+ j «> Cp). (7)

Решая аналогично телеграфные уравнения для такой линии, получим следующее выражение, определяющее постоянную распространения волны тока или напряже40 ния:

) =ZY — Rp+j u)Lp+ . C )x

j«)Cb х (Gp + j u) Со). (8)

Как и прежде, рассмотрим случай, когда активные потери в линии отсутствуют Rp = 0 и G, = О. При этом постоянная распространения будет равна.

1 j) = Ij N Lо + — — — )j «) Со =

j«)Cb

50 Со

= — («> Lp Cp — )

Сь

Из этой формулы видно, что фазовая 2 скорость волны в длинной линии без потерь зависит только от реактивных погонных параметров линии Lp и С< и не зависит от частоты, откуда делается вывод о том, что двухпроводная длинная линия, в отличие от волновода, т.е. от односвязной системы, не обладает дисперсионными свойствами.

Известны конструкции полосковой, коаксиальной и двухпроводной линий передачи электромагнитной энергии, содержащие два токонесущих проводника, отстоящих один от другого на расстоянии, значительно меньше длины рабочей волны.

Одним из свойств известных линий является отсутствие положительной дисперсии в них. Это свойство в. некоторых практических случаях оказывается недостатком линий такого типа. Так, например, фазовая длина волны определяется в них только параметрами диэлектрика и не может быть больше длины волны в свободном пространстве. Это свойство является препятствием для выполнения линий с меньшим набегом фаэ, чем позволяет их естественная длина и при изготовлении широкополосных устройств на основе длинных линий, таких кэк направленные ответвители, мосты, вибраторные антенны и т.п.

Известны радиочастотные линии передачи электромагнитной энергии, содержащие два токонесущих проводника, расположенных параллельно один другому, по крайней мере в один из которых последовательно включены одинаковые емкости, обладающие свойствами полосно-пропускающих фильтров. При увеличении количества включенных в линию емкостей обычно усиливают фильтрующие свойства и следовательно увеличивают задержку движения энергии в такой линии. Такие линии не об(9) постоянная распространения является величиной комплекснои:

У=- а +1/3, (4) действительная часть которой а является коэффициентом затухания, а мнимая / — фаэовой постоянной (коэффициентом фазы).

Если рассматривать линию без потерь, в которой Rp = О и Со = О, то постоянная распространения в ней из (3) будет равна

7= j«) Y L Cp j (5) т.е, окажется величиной чисто мнимой, При этом фазовая скорость Vy распространения волны в линии определяется через фазовую постоянную Р и частоту «) и получается равной чф«) 1 (6) (-о Со

Видно, что в зависимости от частоты г)) постоянная распространения может быть величиной действительной, мнимой или равной нулю, По аналогии с волноводами, частоту, при которой постоянная распространения становится равной нулю, назовем критической частотой

1748208

Г >кр (-оСО + -7 = О, ) =2 Со - h (10) откуда

1 С

1 или (e<>

1о Сь

Иначе говоря, критическая частота рассматриваемой линии определяется величинами погонной индуктивности и включенной в линию последовательно емкостью, Теперь, подставив значение критической частоты в выражение (10), имеем;

y=i vzo г =iP о 1— (12) Из полученного выражения видно, что на частотах ниже критической постоянная распространения будет величиной действительной, т.е. волна в двухпроводной линии с включениями распространяться не будет (как в волноводе). Нэ частотах выше критической постоянная распространения будет

-величиной мнимой и следовательно будет определяться только изменение фазы распространяющейся волны, Фазовая скорость в линии с емкостными вставками соответственно определится вы ражением

Р ""

Х 1 Ч. 1 (13) г 1

Lo Со - О г

Из полученного выражения видно, что в двухсвязной линии с последовательно включенными емкостйыми вставками, распределенными равномерно по всей длине линии, фазовая скорость зависит от частоты, т.е. в ней проявляется положительная дисперсия..

Не сложно убедиться, что включение в линию параллельно реактивностей емкостного характера не приведет,к появлению дисперсионных свойств рассматриваемой системы.

Заметим также, что формулы 13 и 14 определяют зависимость фазовой постоянной не только от частоты, но и от соотношения погонных параметров Lo и Сь.

Волновое сопротивление линии с вклю чениями определяется выражением

Zo = V =-Po Ъ, g ); Г (14) (/ь .,р ) и зависит от отношения рабочей длины водны и критической. Поскольку дл -. распространяющихся волн это отношение всегца меньше единицы, то можно утверждать, что волновое сопротивление линии с включениями всегда меньше волнового сопротивле ния ро такой же линии, но без реактивных включений.

5 При этом сопротивление линии с включениями, нагруженной íà Z„в произвольном сечении х, имеет входное сопротивление, равное

При рассмотрении различных конструкций линий с включениями (фиг. 2) можно увидеть, что реактивные включения могут быть сосредоточенными или распределенными, например, в виде M конструктивных емкостей, распределенных равномерно по всей длине линии (фиг. 2.а) или в виде распределенной емкости по всей длине линии (фиг. 2, б, в).

20 Нетрудно определить соотношение первичных параметров в линии с. включениями, при которых в ней будет наблюдаться явление дисперсии, Нижняя рабочая частота определится выражением при этом Cb = Со, т,е. реактивные включения по величине равны погонным реактивностям отрезков ли30 нил без дисперсии. При выполнении этого условия дисперсионные свойства линии выражены наиболее ярко, С другой стороны, если реактивность вставки окажется бол;:ше соответствующей погонной реактлвно35 сти, то дисперсионный множитель будет приближаться к един :це и дисперсионные свойства в линии будут проявляться незначительно (фиг. 3), Изменяя величину дисперсионного

40 множителя, можно изменять электричес <ую длину линии по сравнению с геометрической длиной. Это свойство осоебнно важно и может быть использовано при проектировании устройства миллиметрового диапазо45 на радиоволн, существенно увеличивал их размеры, Таким образом, предлагаемая радиоча стотная линия передачи электромагнитной энергии обладает новым свойством — пола50 жлтельной дисперсией волн.

Изобретение иллюстрлруется примерами (фиг. 2).

На фиг, 2, а изображена двухпроводная линия, в разрывы обоих проводов которой

55 посгедовэтельно включены емкости Со (устройство и электрическая схема). Изменять величину емкости Cb можно, изменяя конфигурацию разрывов (например, делая их в виде косых щелей), или включая дополни1748208 тельно в разрывы сосредоточенные емкости. При этом необходимо, чтобы емкости были размещены равномерно и на расстоянии, меньше или значительно меньше длины волны. 5

На фиг. 2., б изображена несимметричная полосковая линия с емкостными включениями (вид сверху, вид сбоку и ее схема) в полосковый проводник, выполненный в виде металлических отрезков полоски, 10 расположенных последовательно, изолированных один от другого и от основания линии. Изменяя зазор между отдельными полосками, можно изменять величину емкостей, включенных последовательно в линию 15 передачи.

Ка фиг. 2, в и. ображена несимметричная полосковая линия с последовательно включенной емкостью, распределенной вдоль всей линии (вид сверху, вид сбоку, 20 торцовой срез). При этом емкость включения образуется между торцами двух. полосок верхнего проводника.

Экспериментальные исследования распределения составляющих электромагнит- 25 ного поля вдоль линии с включениями показали, что фазовая длина волны в такой линии изменяется в зависимости от отношения рабочей и критической частот, т.е. в линии с реактивными включениями наблюдается явление дисперсии, аналогичное дисперсии волн в волноводе.

На основе радиочастотных линий передачи электромагнитной энергии с реактивными включениями можно создавать устройства с уменьшенным набегом фаз, линии задержки с изменяющимся временем задержки для разных частот, фильтры верхних частот, широкополосные антенно-фидерные устройства, Формула изобретения

Радиочастотная линия передачи, содержащая два проводника, расположенных параллельно, по крайней мере в один из которых последовательно включены емкости Cb, расположенные на одинаковых расстояниях одна от другой, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью придания дисперсионных свойств и превышения фазовой скорости над:-рупповой скоростью, емкости Cb выбраны из соотношения Cb Сап где

С вЂ” емкость между отрезками проводников, расположенных между соседними емкостями Сь.

О,S

Редак1ор Э. Слиган

Заказ 2508 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

06

Составитель В, Киселев

Техред M,Ìîðãåíòàë. Корректор С. Черни