Основные характеристики длинных линий
Длинная линия – это электрическая цепь с распределенными параметрами, размер которой сравним с длиной электромагнитной волны, распространяющаяся в ней.
Параметры длинной линии делятся на первичные и вторичные. К первичным параметрам относятся погонная емкость (емкость одной единицы длины линии), погонное сопротивление, погонная индуктивность и погонная проводимость.
Погонные проводимость и сопротивление зависят от качества диэлектрика и проводимости материала проводов. Согласно закону Джоуля-Ленца, чем меньше тепловые потери в диэлектрике и металле провода, тем меньше погонная проводимость диэлектрика и погонное сопротивление металла. Погонная индуктивность и погонная емкость зависят от формы и размеров поперечного сечения провода. Пример схемы двухпроводной длинной линии изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема двухпроводной длинной линии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь z - продольная координата линии, которая отсчитывается от места подключения нагрузки.
Выделим из данной линии участок длиной dz и рассмотри его эквивалентную схему, которая представлена на рисунке ниже.
Рисунок 2. Схема участка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Значения параметром схемы будут определяться следующей системой уравнений:
Рисунок 3. Система уравнений. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, R1 - погонное сопротивление; G1 - погонная проводимость; L1 - погонная индуктивность; С1 - погонная емкость.
Используя эквивалентную схему, можно следующим образом записать выражения для приращения электрического тока и напряжения:
Рисунок 4. Формулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь I - сила тока; U – напряжение.
Если мы подставим в данные выражения параметры схемы из первых выражений, получим
Рисунок 5. Формулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, Z1 и Y1 - погонные значения сопротивления и проводимости линии.
Комплексные значения сопротивления и проводимости линии определяются следующим образом
$Z_1 = R_1+iwL_1$
$Y_1 = G_1+iwC_1$
где, w - частота.
Из последних соотношений находят дифференциальные уравнения длинной линии, определяющие связь между током и напряжением в любом сечении линии - телеграфные уравнения:
Рисунок 6. Телеграфные уравнения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
К вторичным параметрам длинных линий относятся:
- Коэффициент фазы, который характеризует изменение фазы электрического напряжения или тока электромагнитной волны в линии с распределенными параметрами, в случае ее перемещения на единицу длины.
- Волновое сопротивление, которое представляет собой отношение комплексной амплитуды электрического напряжения к комплексной амплитуде электрического тока, бегущей синусоидальной электромагнитной волны.
- Коэффициент затухания, который характеризует уменьшение амплитуды электрического тока электромагнитной волны в линии, при ее перемещении на единицу длины, а также напряжения.
- Коэффициент распространения, который характеризует изменение амплитуды и фазы бегущей электромагнитной волны при ее перемещении на единицу длины линии.
Типы длинных линий
По конструктивному исполнению длинные линии делятся на:
- Коаксиальные.
- Экранированные.
- Воздушные.
Воздушные длинные линии используются на частотах до 200 мегагерц. Они состоят из двух параллельных медных проводов диаметром от 1 до 6 миллиметров, расстояние между которыми не должно превышать четверти длины волны. Обычно это расстояние составляет 5 - 30 сантиметров и поддерживается при помощи изоляторов. Главное достоинство воздушной линии заключается в простоте ее устройства. К недостаткам относятся антенный эффект (потери на излучение), неудобство прокладки, влияние внешних электромагнитных полей.
Пример экранированной линии изображен на рисунке ниже
Рисунок 7. Экранированная линия. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
1 - провода; 2 - высокочастотный диэлектрик; 3 - наружная резиновая изоляция; 4 - экран.
В экранированных линиях провода защищены от механических повреждений резиновой изоляцией и экраном. Пробивное напряжение диэлектрика значительно больше, чем у воздуха, поэтому по экранированной линии можно передавать большую мощность, чем по воздушной, а экран способен устранять антенный эффект. К недостаткам экранированной линии относятся высокая стоимость и сложный процесс изготовления.
Коаксиальный кабель – это электрический кабель, который состоит из экрана и центрального проводника, расположенных соосно и разделенных воздушным промежутком или изоляционным материалом.
Схема коаксиальной линии изображена на рисунке ниже.
Рисунок 8. Схема коаксиальной линии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
1 - внутренний провод; 2 - высокочастотный диэлектрик; 3 - внешний провод; 4 - изоляционная оболочка.
В отличии от воздушной и экранированной линий, коаксиальная линия несимметрична. Ее не симметрия заключается в том, что электромагнитное поле заключено между внутренним и внешним проводами и создается только зарядами и токами внутреннего провода. Из-за этого внешний провод подключается к такому полюсу генератора, который можно заземлить, и все время равен нулю. Главный недостаток линии заключается в больших потерях в диэлектрике, которые растут с увеличением частоты.
Выбор того или иного типа линии зависит от мощности передатчика, вида антенны, рода работы всей системы, расстояния между передатчиком и антенной и т. д.
