2.1 Beginsels van Transmissielyne

Die opwekking van mikrogolfenergie is slegs die eerste stap; hierdie energie moet dan doeltreffend van sy bron na sy bestemming vervoer word – of dit nou 'n antenna, 'n menger of 'n ander komponent is. Dit is die fundamentele rol van die transmissielyn , wat as die kanaal vir mikrogolfenergie dien. Om die elektriese parameters te verstaan ​​wat die gedrag van hierdie lyne beheer, is ononderhandelbaar vir enige ingenieur wat daarop gemik is om doeltreffende mikrogolfstelsels te ontwerp en die verlies van waardevolle krag te minimaliseer.

'n Transmissielyn is 'n konnektor wat ontwerp is om energie van een punt na 'n ander oor te dra. Alhoewel daar baie konfigurasies bestaan, is die vier basiese tipes wat in mikrogolfingenieurswese voorkom:

1. Tweedraads parallelle transmissielyne
2. Koaksiale lyne
3. Strooktipe substraat transmissielyne
4. Golfleiers

Die werkverrigting van enige transmissielyn word bepaal deur vier primêre elektriese parameters: Weerstand (R), Induktansie (L), Geleiding (G) en Kapasitansie (C). Hierdie is verspreide parameters, wat beteken dat hulle langs die hele lengte van die lyn bestaan.

• Weerstand (R): Hierdie parameter verteenwoordig die weerstand teen stroomvloei as gevolg van die weerstand van die lyn se geleiers. Die totale weerstand word gegee deur die formule: R = ∫rho ∫frac{l}{a} waar ∫rho die weerstand van die geleiermateriaal is, l sy lengte is, en a sy dwarssnitarea is. By mikrogolffrekwensies beïnvloed twee faktore weerstand krities. Eerstens wissel weerstand met temperatuur. Tweedens, en meer belangrik, is die Effek van die velSoos die frekwensie toeneem, konsentreer die WS-stroom naby die oppervlak van die geleier eerder as om eenvormig deur sy dwarssnit te vloei. Dit verminder die effektiewe area a, waardeur die algehele weerstand R en die gepaardgaande ohmiese verliese (I^2R) verhoog word.
• Induktansie (L): In 'n WS-transmissielyn veroorsaak die sinusvormige stroomvloei 'n magneetveld rondom die geleiers. Volgens Faraday se wet veroorsaak hierdie tydveranderende magneetveld 'n elektromotoriese krag (EMK) in die geleier wat die oorspronklike verandering in stroom teenwerk. induktansie, aangedui deur 'L' en gemeet in Henries (H), is die fisiese eienskap wat hierdie weerstand teen 'n verandering in stroom kwantifiseer.
• Geleidingsvermoë (G): Hierdie parameter is verantwoordelik vir die lekstroom wat deur die diëlektriese materiaal vloei wat die geleiers skei. Geen isolator is perfek nie, en 'n klein stroom sal tussen die geleiers of na die grond lek. geleiding is die inverse van hierdie lekweerstand en verteenwoordig 'n verlies aan krag langs die lyn.
• Kapasitansie (C): 'n Spanningsverskil tussen die twee primêre geleiers van 'n transmissielyn skep 'n elektriese veld in die diëlektriese materiaal wat hulle skei. Hierdie konfigurasie – twee geleiers geskei deur 'n isolator – tree op as 'n kapasitor. Dit kapasitansie-effek beteken dat die lyn energie in die elektriese veld stoor, wat beïnvloed hoe golwe daarlangs voortplant.

Hierdie vier fundamentele parameters is intrinsiek aan die fisiese struktuur van die transmissielyn en bepaal gesamentlik die belangrikste operasionele eienskappe daarvan, wat ons vervolgens sal bespreek.

2.2 Sleutelprestasie-eienskappe en impedansie-ooreenstemming

Die teoretiese parameters van weerstand, induktansie, geleiding en kapasitansie manifesteer as praktiese, meetbare eienskappe wat die werklike werkverrigting van 'n transmissielyn bepaal. Stelselwerkverrigting hang af van hoe goed 'n lyn by sy bron en las pas, wat weer bepaal hoeveel krag suksesvol oorgedra word en hoeveel verkwistend gereflekteer word. Hierdie afdeling fokus op die kritieke konsepte van impedansie, refleksie en kragoordrag.

'n Sleutelprestasiemaatstaf is die Karakteristieke Impedansie () . Dit word gedefinieer as die verhouding van die spanning- en stroomamplitudes vir 'n golf wat in een rigting langs 'n uniforme lyn beweeg sonder refleksies. Fisies verteenwoordig dit die impedansie wat 'n transmissielyn "blyk" te hê wanneer dit oneindig lank is. Die algemene formule is: Z_0 = \sqrt{\frac{R + jwL}{G + jwC}} Vir 'n ideale "verlieslose" lyn, waar weerstand (R) en geleiding (G) weglaatbaar is, vereenvoudig dit tot 'n suiwer reële waarde: R_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}

Die enkele belangrikste doelwit in baie mikrogolfstelsels is om maksimum kragoordrag van die bron na die las te bereik. Dit word bereik deur middel van impedansie-aanpassing . Om dit te laat gebeur, moet die lasimpedansie die komplekse toegevoegde van die bronimpedansie wees. Dit vereis dat twee voorwaardes gelyktydig nagekom word:

1. Die lasweerstand moet gelyk wees aan die bronweerstand: R_L = R_S.
2. Die lasreaktansie moet gelyk in grootte maar teenoorgesteld in teken wees as die bronreaktansie: X_L = -X_S.

Wanneer aan hierdie voorwaardes voldoen word, word al die beskikbare krag van die bron aan die las gelewer, en geen energie word gereflekteer nie.

Wanneer die lasimpedansie nie ooreenstem met die lyn se kenmerkende impedansie nie, word 'n gedeelte van die invallende golf teruggekaats na die bron. Hierdie impedansie-wanverhouding het verskeie belangrike gevolge, wat deur die volgende terme gekwantifiseer word:

• Refleksiekoëffisiënt (): Dit is 'n komplekse getal wat die fraksie van die invalspanning beskryf wat by die las gereflekteer word. Dit word gedefinieer as die verhouding van die gereflekteerde spanning tot die invalspanning. \rho = \frac{V_r}{V_i} 'n Perfek ooreenstemmende las het 'n refleksiekoëffisiënt van 0, terwyl 'n perfekte kortsluiting of oop stroombaan 'n refleksiekoëffisiënt van 1 het.
• Spanning staande golfverhouding (VSWR): Die interferensie tussen die invallende en gereflekteerde golwe skep 'n stasionêre patroon van spanningsmaksima en minima langs die lyn, bekend as 'n staande golf. Die VSWR (aangedui deur 'S') is die verhouding van die maksimum spanning tot die minimum spanning in hierdie patroon. S = \frac{\left |V_{max} \right |}{\left |V_{min} \right|} = \frac{1 + \rho }{1 – \rho } VSWR is 'n reële getal wat wissel van 1 tot oneindigheid. 'n VSWR van 1 dui op 'n perfekte passing sonder weerkaatsing. 'n Hoë VSWR dui op 'n beduidende wanverhouding en swak kragoordrag.

Om impedansie-wanpassings reg te stel, word 'n tegniek genaamd Stub-aanpassing dikwels gebruik. Dit behels die koppeling van 'n kort gedeelte van 'n oop- of kortsluit-transmissielyn ('n "stub") parallel met die hooflyn op 'n spesifieke afstand van die las. Die stub bring 'n spesifieke reaktansie in wat die reaktiewe komponent van die las uitkanselleer en sodoende die lyn aanpas.

• Enkele Stub-ooreenstemming: 'n Enkele stomp van 'n vaste lengte word op 'n noukeurig berekende afstand van die las geplaas. Alhoewel hierdie oplossing effektief is, is dit frekwensie-sensitief; as die bedryfsfrekwensie verander, moet die posisie en lengte van die stomp ook verander word.
• Dubbele Stomppassing: Twee stompe word op vaste posisies geplaas, en hul lengtes word aangepas om 'n passing te verkry. Hierdie benadering is meer buigsaam vir wisselende ladings en word wyd gebruik in laboratoriumomgewings vir enkelfrekwensie-passing.

Nadat ons gedek het hoe energie op 'n transmissielyn bestuur word, sal ons nou ons fokus verskuif van hierdie algemene beginsels na die spesifieke modusse van golfvoortplanting wat hierdie geleidingsstrukture kan ondersteun.

2.3 Voortplantingswyses en Golfgeleierstrukture

Die manier waarop elektromagnetiese golwe hul elektriese en magnetiese velde oriënteer relatief tot hul bewegingsrigting is fundamenteel vir die klassifikasie en begrip van hul gedrag binne verskillende geleidingsstrukture. Hierdie oriëntasie definieer die voortplantingswyse . 'n Formele klassifikasie is gebaseer op of die elektriese veld (E_z) en magnetiese veld (H_z) komponente langs die voortplantingsas (die z-rigting) het.

Die vier primêre voortplantingswyses is:

• Transversale Elektromagnetiese (TEM): In hierdie modus is beide die elektriese en magnetiese velde suiwer dwars (loodreg) op die rigting van golfvoortplanting. Daar is geen veldkomponente in die aksiale rigting nie. E_z = 0 en H_z = 0
• Transversale Elektriese (TE): In hierdie modus is die elektriese veld suiwer dwars tot die voortplantingsrigting, maar die magnetiese veld het 'n komponent in die aksiale rigting. E_z = 0 en H_z = 0
• Transversale Magnetiese (TM): In hierdie modus is die magneetveld suiwer dwars tot die voortplantingsrigting, terwyl die elektriese veld 'n aksiale komponent het. E_z \ne 0 \: en \: H_z = 0
• Hibried (HE): In hierdie modus is nóg die elektriese nóg die magnetiese veld suiwer transversaal. Beide velde het komponente langs die voortplantingsrigting. E_z \ne 0 \: en \: H_z \ne 0

Die tipe geleidingsstruktuur bepaal watter modusse dit kan ondersteun. Multigeleierlyne, soos koaksiale kabels en tweedraadlyne, kan die TEM-modus ondersteun. Enkelgeleierstrukture, bekend as golfgidse, kan nie die TEM-modus ondersteun nie en versprei eerder energie in TE- of TM-modusse.

Golfleiers

'n Golfgeleier is 'n gespesialiseerde transmissielyn wat bestaan ​​uit 'n hol metaalbuis met 'n eenvormige deursnit. Dit lei elektromagnetiese golwe deur hulle agtereenvolgens van sy binnewande te laat weerkaats. Die buiswande self verskaf verspreide induktansie, terwyl die leë ruimte tussen hulle verspreide kapasitansie verskaf.

Golfgidse bied verskeie duidelike voordele, veral by hoër mikrogolffrekwensies:

• Hulle is relatief maklik om te vervaardig.
• Hulle kan baie hoë vlakke van krag hanteer, aangesien daar geen sentrale geleier is om af te breek nie.
• Hulle toon baie lae verswakkingsverlies in vergelyking met koaksiale kabels teen dieselfde frekwensie.

Die volgende tabel bied 'n noukeurige vergelyking tussen konvensionele transmissielyne en golfgidse, wat hul fundamentele verskille in werking en toepassing beklemtoon.

Twee bykomende konsepte is van kardinale belang vir die beskrywing van golfvoortplanting binne 'n gids: Fasesnelheid () en Groepsnelheid ().

• Fasesnelheid (): Dit is die snelheid waarteen die fase van 'n enkelfrekwensie-golfkomponent deur die golfgeleier beweeg. Dit word gedefinieer as die tempo waarteen die golf se fase moet verander om 'n verskuiwing van 2π radiale te ondergaan. Dit kan bereken word as: V_p = ∫[π]/∫β waar ∫β die hoekfrekwensie is en ∫β die fasekonstante is.
• Groepsnelheid (): Dit is die snelheid waarteen die algehele omhullende van 'n gemoduleerde golf (die "groep" golwe) deur die golfgeleier voortplant. Dit verteenwoordig die spoed waarteen inligting of energie oorgedra word. Dit word gedefinieer as: V_g = \frac{d\omega}{d\beta }

Deur die teoretiese raamwerk van transmissie en voortplanting te verstaan, kan ons nou die spesifieke passiewe komponente ondersoek wat gebruik word om funksionele mikrogolfstroombane en -stelsels te bou.