Linee di trasmissione e guide d'onda: 7 spiegazioni importanti

Punti di discussione: linee di trasmissione e guide d'onda

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Introduzione alle linee di trasmissione (TL) e alla guida d'onda (WG)

L'invenzione e lo sviluppo di linee di trasmissione e altre guide d'onda per la trasmissione a bassa perdita di potenza ad alta frequenza sono tra le prime pietre miliari nella storia dell'ingegneria a microonde. In precedenza, la radiofrequenza e gli studi correlati ruotavano attorno ai diversi tipi di mezzo di trasmissione. Presenta vantaggi per il controllo di alte potenze. Ma d'altra parte, è inefficiente nel controllare a valori più bassi di frequenze.

Le linee a due fili costano meno, ma non hanno schermatura. Esistono cavi coassiali schermati, ma è difficile fabbricare i complicati componenti a microonde. Il vantaggio della linea Planar è che ha varie versioni. Linee di fessura, linee complanari, linee di micro-strisce sono alcune delle sue forme. Questi tipi di linee di trasmissione sono compatti, economici e facilmente integrabili con dispositivi a circuito attivo.

Parametri come costante di propagazione, impedenza caratteristica, costanti di attenuazione considerano come si comporterà una linea di trasmissione. In questo articolo, impareremo i vari tipi di essi. Quasi tutte le linee di trasmissione (che hanno più conduttori) sono in grado di supportare le onde elettromagnetiche trasversali. I componenti del campo longitudinale non sono disponibili per loro. Questa particolare proprietà caratterizza le linee TEM e le guide d'onda. Hanno un valore unico di tensione, corrente e impedenza caratteristica. Le guide d'onda, aventi un unico conduttore, possono supportare TE (elettrico trasversale) o TM (magnetico trasversale), o entrambi. A differenza di Now, le modalità Transverse Electric e Transverse Magnetic hanno le rispettive componenti di campo longitudinale. Sono rappresentati da quella proprietà.  

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Tipi di guide d'onda

Sebbene esistano diversi tipi di guide d'onda, alcuni dei più popolari sono elencati di seguito.

Tipi di linee di trasmissione

Alcuni dei tipi di linee di trasmissione sono elencati di seguito.

  • stripline
  • Linea Microstrip
  • Linea coassiale

Guida d'onda a piastra parallela

La guida d'onda a piastra parallela è uno dei tipi più diffusi di guida d'onda, in grado di controllare sia la modalità elettrica trasversale che quella magnetica trasversale. Uno dei motivi alla base della popolarità delle guide d'onda a piastre parallele è che hanno applicazioni nella creazione di modelli per le modalità di ordine maggiore in linea.

Linee di trasmissione e guide d'onda
Rappresentazione geometrica di guide d'onda, linee di trasmissione e guide d'onda a piastre parallele - 1

L'immagine sopra (Linee di trasmissione e guide d'onda) mostra la geometria della guida d'onda a piastre parallele. Qui, la larghezza della striscia è W ed è considerata più significativa della separazione di d. In questo modo è possibile annullare il campo fringing e qualsiasi variabile x. Lo spazio tra due piastre è riempito da un materiale di permittività ε e permeabilità di μ.

Modalità TEM

La soluzione dei Modi TEM viene calcolata con l'aiuto della soluzione dell'equazione di Laplace. L'equazione è calcolata considerando il fattore per la tensione elettrostatica che si trova tra le piastre conduttrici.

TL 4
Equazione, linee di trasmissione e guide d'onda - 2

Risolvendo, l'equazione, il campo elettrico trasversale si presenta come:

e- (x, y) = ∇t ϕ (x, y) = - y^ Vo / D.

Quindi, il campo elettrico totale è: E- (x, y, z) = h- (x, y) e- jkz = e^ (Vo / d) * e-jkz

k rappresenta la costante di propagazione. È dato come: k = w√ (μ*ε)

L'equazione dei campi magnetici si presenta come:

EQ1

Qui, η si riferisce all'impedenza intrinseca del mezzo che si trova tra le piastre conduttrici delle guide d'onda a piastre parallele. È dato come: η = √ (μ / ε)

Modalità TM

Le modalità magnetiche trasversali o TM possono essere caratterizzate da H.z = 0 e un valore di campo elettrico finito.

(∂2 / y2 +k2c) Ez (x, y) = 0

Qui kc è il numero d'onda di cut-off e dato da kc = (k2 - β2)

Dopo la soluzione dell'equazione, l'Electric ha archiviato EX si presenta come:

Ez (x, y, z) = An peccato (n * π * y / d) * e- jβz

Le componenti del campo trasversale possono essere scritte come:

Hx = (jwε / kc) An cos (nπy / d) e- jβz

Ey = (-jB / kc) An cos (nπy/d) e- jβz

Ex = Hy = 0.

La frequenza di taglio della modalità TM può essere scritta come:

fc=kc / (2π * √ (με)) = n / (2d * √ (με))

L'impedenza dell'onda arriva come ZTM = / ωε

La velocità di fase: vp = / β

La lunghezza d'onda guida: λg = 2π/β

Modalità TE

Hz (x, y) = Bn cos (nπy/d) e- jβz

Di seguito sono elencate le equazioni dei campi trasversali.

EQ 2

La costante di propagazione β = √ (k2 - (nπ / d)2)

La frequenza di taglio: fc = n / (2d √ (με))

L'impedenza della modalità TM: ZTE = Ex /hy =kn/ β = ωμ / β

guida d'onda rettangolare

Le guida d'onda rettangolare è uno dei principali tipi di guida d'onda utilizzata per trasmettere segnali a microonde e, tuttavia, sono stati utilizzati.

Con lo sviluppo della miniaturizzazione, la guida d'onda è stata sostituita da linee di trasmissione planari come linee a strisce e linee a microstriscia. Applicazioni che utilizzano potenze di alto livello, che utilizzano tecnologie a onde millimetriche, alcune specifiche tecnologie satellitari utilizzano ancora le guide d'onda.

Poiché la guida d'onda rettangolare non ha più di due conduttori, è in grado di funzionare solo in modalità magnetica trasversale e elettrica trasversale.

TL 2
Geometria della guida d'onda rettangolare, linee di trasmissione e guide d'onda - 3

Modalità TE

La soluzione per H.z si presenta come: Hz (x, y, z) = Amn cos (mπx / a) cos (nπy / b) e- jβz

Amn è una costante.

I componenti di campo delle modalità TEmn sono elencati di seguito:

EQ3

La costante di propagazione è,

EQ4
EQ5

Modalità TM

La soluzione per Ez si presenta come: Ez (x, y, z) = Bmn sin (mπx / a) sin (nπy / b) e- jβz

Bmn è costante.

I componenti di campo della modalità TM vengono calcolati come di seguito.

EQ6

Costante di propagazione :

EQ7

L'impedenza d'onda: ZTM = Ex /hy = -Ey /hx = bη * η / k

Guida d'onda circolare

La guida d'onda circolare è una struttura a tubo tondo smorzato. Supporta entrambe le modalità TE e TM. L'immagine sotto rappresenta la descrizione geometrica di una guida d'onda circolare. Ha un raggio interno "a" ed è impiegato in coordinate cilindriche.

TL 3
Geometria della guida d'onda circolare, linee di trasmissione e guide d'onda - 4

Eρ = (- j/ K2c) [β ∂Ez/ ∂ρ + (ωµ / ρ) ∂ Hz/ ]

Eϕ = (- j/ K2c) [β ∂Ez/ ∂ρ - (ωµ / ρ) ∂ Hz/ ]

Hρ = (j / k2c) [(ωe / ρ) ∂Ez / ∂φ - β ∂ Hz/ ]

Hϕ = (-j / k2c) [(ωe / ρ) ∂Ez / ∂φ + β ∂ Hz/ ]

Modalità TE

L'equazione delle onde è:

2Hz +k2Hz = 0.

k: ω√μe

La costante di propagazione: Bmn = (k2 - Kc2)

Frequenza di taglio: fcnm =kc / (2π * √ (με))

Le componenti del campo trasversale sono:

Ep = (- jωµn / k2cρ) * (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kc) e- jβz

EQ8

Hφ = (- jβn / k2cρ) (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kc) e- jβz

L'impedenza d'onda è:

ZTE = Ep /hϕ = - Eϕ /hp = k / β

Modalità TM

Per determinare le equazioni necessarie per la guida d'onda circolare operante nei modi magnetici trasversali, si risolve l'equazione d'onda e si calcola il valore di Ez. L'equazione è risolta in coordinate cilindriche.

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

TMnm Costante di propagazione di Mode ->

βnm = (k2 - kc2) = (k2 - (pnm/un)2)

Frequenza di taglio: fcNm =kc / (2π√με) = pnm / (2πa√µε)

I campi trasversali sono:

Eρ = (- jβ / kc) (A sin nφ + B cos nφ) Jn/ (kc) e- jβz

Eφ = (- jβn / k2cρ) (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kc) e- jβz

Hρ = (jωen / k2 cρ) (A cos nφ - B sin nφ) Jn (kc) e- jβz

Hφ = (- jωe / kc) (A sin nφ + B cos nφ) Jn` (kc) e- jβz

L'impedenza dell'onda è ZTM = Ep /hφ = - Eϕ/Hp = ηβ / k

stripline

Uno degli esempi di linea di trasmissione di tipo planare è Stripline. È vantaggioso per l'incorporazione all'interno microonde circuiti. La stripline può essere di due tipi: stripline asimmetrica e stripline disomogenea. Poiché la stripline ha due conduttori, quindi supporta la modalità TEM. La rappresentazione geometrica è rappresentata nella figura sottostante.