Теория: понемногу - обо всем

Журнал "Радио", номер 2, 1999г.
Автор В.Поляков, г.Москва

Продолжение. Начало см. в "Радио",1999,#1

    2.5. Линии передачи Для излучения радиоволн требуется разместить в пространстве систему проводников и подвести к ней высокочастотные колебания от радиопередатчика. Эта система называется антенной, а соединительная линия - фидером. Общее правило таково: что-бы антенна хорошо излучала, ее размеры должны быть сравнимы с длиной волны.Невозможно, например, излучать километровые волны проволокой длиной в несколько метров. Вот потому-то длинноволновые антенны и имеют такие гигантские размеры.

    Задача фидерных линий несколько проще - они должны передавать высокочастотную энергию с минимальными потерями и, разумеется, сами излучать не должны.

    На практике используют два вида фидерных линий: двухпроводные (например, телефонный провод) и коаксиальные (телевизионный кабель). Структура электромагнитного поля в этих линиях показана на рис.13, а и б соответственно. Коаксиальная линия лучше в том отношении, что все поле заключено внутри внешнего проводника (оплетки) и не выходит наружу. В то же время в ряде случаев двухпроводная линия обладает меньшими потерями, но располагать ее надо на некотором удалении от внешних предметов.

    Проводники линии обладают погонной (на метр длины) индуктивностью L, а между проводниками существует распределенная емкость С, поэтому эквивалентная схема линии выглядит так, как показано на рис.13,в. Длинная линия (а длинной она является, когда ее длина сравнима с длиной волны или превышает ее) обладает определенным волновым или, как его еще называют, характеристическим сопротивлением, физический смысл его простой - это отношение напряжения на проводах линии к току, протекающему в них, и измеряется оно в омах. Скорость распространения волн в линии v = (1/LC)1/2. Сравните эти формулы с аналогичными из раздела 2.3 для волн в свободном пространстве, и вы увидите, что они совершенно одинаковы по структуре.

    Это и неудивительно - ведь уравнения Максвелла можно написать и для длинных линий. В этом случае они получаются особенно простыми и носят названия телеграфных уравнений, поскольку когда-то, еще до открытия радиоволн, практически использовались для расчета параметров и свойств телеграфных кабелей, укладываемых, например, по дну океана. И решения этих уравнений получаются такими же - они говорят о существовании волн, распространяющихся вдоль линии. В связи с этим иногда и константы мю нулевое и эпсилон нулевое называют погонными индуктивностью и емкостью свободного пространства.

    Если длинную линию нагрузить на конце активным сопротивлением, равным ее волновому сопротивлению, а к началу линии подключить генератор высокочастотных колебаний, то в линии установится режим бегущих волн от генератора к нагрузке. При этом, если пренебречь обычно малыми потерями в проводах линии, вся мощность генератора будет передана в нагрузку, а генератор "увидит" активное сопротивление, также равное волновому. Это режим согласования, который всегда стараются использовать. Волновые сопротивления промышленно выпускаемых коаксиальных кабелей имеют стандартные значения 50 или 75 Ом. Такими же стараются сделать выходные сопротивления генераторов, входные сопротивления приемников, сопротивления антенн.

    А что будет, если линия окажется нагруженной на сопротивление, не равное волновому? Тогда часть энергии отразится от нагрузки и пойдет обратно к генератору - появится отраженная волна. При этом режим работы генератора нарушится и в нагрузку будет попадать меньшая мощность. Коэффициент отражения r, равный отношению амплитуд падающей и отраженной волн, легко найти по формуле r=(Р -W)/(R +W), где R - сопротивление нагрузки. Если же линия разомкнута на конце, замкнута накоротко или нагружена на чисто реактивное сопротивление, коэффициент отражения равен по абсолютному значению единице. Тогда в линии устанавливается стоячая волна, обусловленная наложением двух волн одинаковой амплитуды (падающей и отраженной), но распространяющихся в противоположных направлениях. Стоячие волны характеризуются наличием пучностей тока и напряжения (мест, где они максимальны) и узлов (мест, где ток или напряжение обращаются в нуль). Пучности тока соответствуют узлам напряжения, и наоборот.

    Очень интересно поведение отрезков линии с длиной, кратной четверти длины волны. На рис.14,а показано распределение тока и напряжения в короткозамкнутой линии длиной l/4. На конце линии образуется пучность тока и узел напряжения - ведь конец замкнут. У генератора на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца ток обращается в нуль, а напряжение максимально. Следовательно, генератор "видит" со стороны линии бесконечно большое сопротивление. Если же конец четвертьволновой линии разомкнут (рис. 14,6), он "увидит" нулевое сопротивление. В первом случае линия эквивалентна параллельному колебательному контуру, настроенному в резонанс, а во втором - последовательному.

    Разведем концы четвертьволновой линии (рис.14,в) в стороны. Получился полуволновый вибратор или диполь. Реактивное сопротивление на зажимах генератора по-прежнему будет равно нулю, а это означает, что диполь настроен в резонанс на частоту генератора. Но появится некоторое активное сопротивление, которое, как показывает расчет, для тонкого проволочного диполя равно 73,1 им и обусловлено излучением радиоволн в пространство. Такое сопротивление поэтому и называется сопротивлением излучения.

    Для диполей из относительно толстых проводов сопротивление несколько меньше - 50...60 Ом. Резонансная длина диполя при этом также на несколько процентов меньше значения l/2. Если же длина диполя отличается от резонансной, то на его зажимах, кроме активного сопротивления излучения, появляется и реактивное сопротивление: емкостное при укорочении диполя либо индуктивное при его удлинении.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.