Átviteli vonalak és hullámvezetők: 7 fontos magyarázat

Beszélgetési pontok: Átviteli vonalak és hullámvezetők

• Bevezetés az átviteli vonalakba és hullámvezetőkbe
• A hullámvezetők típusai
• Távvezetékek típusai
• Párhuzamos lemezes hullámvezető
• Téglalap alakú hullámvezető
• Kör alakú hullámvezető

Erőátviteli vonalak részletes elemzése! Nézd meg itt!

Az átviteli vonalak (TL) és a hullámvezető (WG) bemutatása

Az átviteli vonalak és más hullámvezetők feltalálása és fejlesztése a nagyfrekvenciás energia alacsony veszteségű átvitelére a mikrohullámú mérnöki tudomány történetének legkorábbi mérföldkövei közé tartozik. Korábban a Rádiófrekvencia és a kapcsolódó tanulmányok a különféle átviteli közegek körül jártak. Előnyei vannak a nagy teljesítmény szabályozásában. Másrészt viszont nem hatékony az alacsonyabb frekvenciákon történő vezérlésben.

A két vezetékes vonal olcsóbb, de nincs árnyékolásuk. Vannak árnyékolt koaxiális kábelek, de nehéz elkészíteni a bonyolult mikrohullámú alkatrészeket. A Planar vonal előnye, hogy többféle változata van. A résvonalak, a co-planar vonalak, a mikrocsíkos vonalak néhány formája. Az ilyen típusú távvezetékek kompaktak, gazdaságosak és könnyen integrálhatók aktív áramköri eszközökkel.

Az olyan paraméterek, mint a terjedési állandó, a karakterisztikus impedancia, a csillapítási állandók figyelembe veszik az átviteli vonal viselkedését. Ebben a cikkben megismerjük ezek különféle típusait. Szinte minden távvezeték (amelynek több vezetéke is van) képes támogatni a keresztirányú elektromágneses hullámokat. A longitudinális mező komponensei nem érhetők el számukra. Ez a sajátos tulajdonság jellemzi a TEM vonalakat és hullámvezetőket. Egyedi feszültség-, áram- és karakterisztikus impedancia értékkel rendelkeznek. Az egyetlen vezetővel rendelkező hullámvezetők támogathatják a TE-t (transzverzális elektromos) vagy a TM-et (keresztirányú mágneses), vagy mindkettőt. A mostanival ellentétben a keresztirányú elektromos és keresztirányú mágneses módoknak megvannak a megfelelő hosszirányú mezőkomponensei. Őket az a tulajdonság képviseli.  

Ismerje meg a mikrohullámú tervezés 7+ alkalmazását és áttekintését. Kattintson ide!

A hullámvezetők típusai

Bár többféle hullámvezető létezik, a legnépszerűbbek közül néhányat az alábbiakban sorolunk fel.

• Párhuzamos lemezes hullámvezető
• Négyszögletes rádiófrekvenciás
• Kör alakú hullámvezető

Az átviteli vonalak típusai

Az alábbiakban felsorolunk néhány távvezeték-típust.

• Csíkvonal
• Microstrip vonal
• Koaxiális vonal

Párhuzamos lemezes hullámvezető

A párhuzamos lemezes hullámvezető a hullámvezetők egyik legnépszerűbb típusa, amely képes mind a keresztirányú elektromos, mind a transzverzális mágneses módok vezérlésére. A párhuzamos lemezes hullámvezetők népszerűségének egyik oka az, hogy modellkészítésben is alkalmazhatók a vonalak nagyobb rendű módozataira.

A fenti kép (Átviteli vonalak és hullámvezetők) a párhuzamos lemezes hullámvezető geometriáját mutatja. Itt a csík szélessége W, és jelentősebbnek tekinthető, mint a d elválasztása. Így törölhető a szegélyező mező és bármely x változó. A két lemez közötti rést ε permittivitású és μ permeabilitású anyag tölti ki.

TEM módok

A TEM módusok megoldását a Laplace-egyenlet megoldása segítségével számítjuk ki. Az egyenletet a vezetőlemezek között lévő elektrosztatikus feszültség tényezőjének figyelembevételével számítjuk ki.

Az egyenlet megoldása, a keresztirányú elektromos tér a következőképpen alakul:

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

Ekkor a teljes elektromos mező: E^- (x, y, z) = h^- (x, y) e^{– jkz} = és^{^} (V_o / d) * e^-jkz

k a terjedési állandót jelenti. Így adják meg: k = w √ (μ * ε)

A mágneses mezők egyenlete a következő:

Itt η a közeg belső impedanciájára utal, amely a párhuzamos lemezes hullámvezetők vezetőlemezei között helyezkedik el. Ezt a következőképpen adjuk meg: η = √ (μ / ε)

TM módok

A transzverzális mágneses vagy TM módokat H-val jellemezhetjük_z = 0 és véges elektromos térérték.

(∂² / ∂y² +k²_c) És_z (x, y) = 0

Itt kc a vágási hullámszám, és ezt adja meg k_c = √ (k² − β²)

Az egyenlet megoldása után az Electric benyújtotta E_X így jön:

E_z (x, y, z) = A_n sin (n * π * y / d) * e^{– jβz}

A keresztirányú mezőkomponensek a következőképpen írhatók fel:

H_x = (jw ε / k_c) A_n cos (nπy / d) e^{– jβz}

E_y = (-jB/ k_c) A_n cos (nπy / d) e^{– jβz}

E_x = H_y = 0.

A TM mód vágási frekvenciája a következőképpen írható fel:

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

A hullámimpedancia a következőképpen jön létre Z_TM = β / ωε

A fázissebesség: v_p = ω / β

A vezető hullámhossz: λ_g = 2π / β

TE módok

H_z (x,y) = B_n cos (nπy / d) e^{– jβz}

Az alábbiakban felsoroljuk a keresztirányú mezők egyenleteit.

A terjedési állandó β = √ (k2 – (nπ/d )²)

A levágási frekvencia: f_c = n / (2d √ (με))

A TM mód impedanciája: Z_TE = E_x /h_y = k_n/ β = ωμ/ β

Négyszögletes rádiófrekvenciás

A téglalap alakú hullámvezető a mikrohullámú jelek továbbítására használt hullámvezetők egyik elsődleges típusa, és még mindig használják.

A miniatürizálás fejlesztésével a hullámvezetőt sík átviteli vonalakra, például szalagvezetékekre és mikroszalagos vezetékekre váltották fel. A nagy névleges teljesítményt használó alkalmazások, amelyek milliméteres hullámtechnológiát használnak, egyes speciális műholdas technológiák továbbra is használják a hullámvezetőket.

Mivel a téglalap alakú hullámvezetőnek legfeljebb két vezetője van, csak keresztirányú mágneses és keresztirányú elektromos üzemmódra képes.

TE módok

A megoldás H_z így jön: H_z (x, y, z) = A_mn cos (mπx/a) cos (nπy/b) e^{– jβz}

Amn egy állandó.

A TEmn módok mezőkomponensei az alábbiakban találhatók:

A terjedési állandó:

TM módok

A megoldás E_z így jön: E_z (x, y, z) = B_mn sin (mπx/a) sin (nπy/b) e^{– jβz}

A Bmn állandó.

A TM mód terepi összetevőit az alábbiak szerint számítjuk ki.

Terjedési állandó :

A hullámimpedancia: Z_TM = E_x /h_y = -E_y /h_x = bη * η / k

Kör alakú hullámvezető

A kör alakú hullámvezető egy tompa, kerek csőszerkezet. Támogatja a TE és a TM módot is. Az alábbi képen egy kör alakú hullámvezető geometriai leírása látható. Belső sugara „a”, és hengeres koordinátákban alkalmazzák.

E_ρ = (- j/k²_c) [ β ∂E_z/ ∂ρ + (ωµ/ρ) ∂ H_z/∂φ]

E_ϕ = (- j/k²_c) [ β ∂E_z/ ∂ρ – (ωµ/ρ) ∂ H_z/∂φ]

H_ρ = (j /k²_c) [(ωe/ ρ) ∂E_z /∂φ − β ∂ H_z/ ∂ρ]

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

TE módok

A hullámegyenlet a következő:

∇²H_z +k²H_z = 0.

k: ω√µe

A terjedési állandó: B_mn = √ (k² – k_c²)

Lezárási frekvencia: fc_nm = k_c / (2π * √ (με))

A keresztirányú mező összetevői a következők:

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

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

A hullámimpedancia:

Z_TE = E_p /h_ϕ = – E_ϕ /h_p = ηk / β

TM módok

A Transzverzális mágneses üzemmódokban működő kör alakú hullámvezető szükséges egyenletek meghatározásához a hullámegyenlet megoldása és az Ez érték kiszámítása történik. Az egyenletet hengerkoordinátákban oldjuk meg.

[∂² /∂ρ² + (1/ρ) ∂/ ∂ρ + (1 /ρ²) ∂²/ ∂φ² +k²c] e_z = 0,

TM_nm A mód terjedési állandója ->

βnm = √ (k² – kc²) = √ (k² − (o_nm/a)²)

Levágási frekvencia: f_cnm = k_c / (2π√µε) = p_nm / (2πa √µε)

A keresztirányú mezők a következők:

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

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

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

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

A hullámimpedancia Z_TM = E_p /h_φ = – E_ϕ/H_p = ηβ/k

Csíkvonal

A sík típusú távvezetékek egyik példája a Stripline. Belső beépítésnél előnyös mikrohullámú áramkörök. A szalagvezeték kétféle lehet: aszimmetrikus és inhomogén szalagos. Mivel a szalagvezeték két vezetővel rendelkezik, így támogatja a TEM módot. A geometriai ábrázolás az alábbi ábrán látható.