Если двухпроводная линия находится на расстоянии h от проводящей плоскости, то ее волновое сопротивление при условии r<h и d<h равно [Л. 32]:

2оф=

Arch - - 2r

По мере приближения линии к проводящей плоскости ее волновое сопротивление уменьщается.

Четырехпроводные линии передачи применяют для уменьщения излучаемой линией мощности. Четырехпроводная линия передачи представляет собой четыре провода, расположенные в верщинах квадрата со стороной d. Провода соединяются попарно, образуя своеобразную двухпроводную линию. Если соединяются провода, расположенные на одной стороне квадрата, то такую линию называют четырехпроводной нескрещенной, если же соединяют провода, расположенные на одной диагонали квадрата, то линию называют четырехпроводной скрещенной.

Параметры скрещенной линии, расположенной в воздухе, можно определить по формулам

= 138 Ig

dV2 2r

. ом; (7-ni)

L = 4,6-10-7 Ig-, ен/Mi (7-112)

24,1

10-12, Ф1М. (7-113)

Четырехпроводная скрещенная линия может иметь сравнительно низкое волновое сопротивление, близкое к волновым сопротивлениям коаксиальных кабелей.

На практике могут найти применение и другие типы многопроводных линий передачи. Методы расчета таких линий изложены, например, в [Л. 3], где приведены также схемы различных проволочных линий и формулы для расчета их волнового сопротивления.

Коаксиальные кабели

Коаксиальный кабель представляет собой два проводника, один из которых имеет форму металлической трубки, а второй расположен внутри трубчатого проводника. Внутренний проводник обычно изолирован каким-нибудь диэлектриком.

Конструкции коаксиальных кабелей очень разнообразны. Широко распространены коаксиальные кабели, внещний проводник которых представляет собой металли-

ческую оплетку из тонких проводов, надетую на диэлектрический цилиндр. Внутри этого цилиндра находится второй проводник кабеля либо в виде сплошного цилиндрического проводника либо многопроволочного. Такие кабели называют гибкими, так как им легко придать необходимую форму, особенно если внутренний проводник многопроволочный.

Коаксиальные кабели в виде круглой металлической трубы с расположенным по оси внутренним проводом, представляющим собой металлический стержень или трубку, называют жесткими. Центрирование внутреннего провода относительно внешнего в жестких кабелях осуществляется с помощью диэлектрических шайб или же с помощью короткозамкнутых четвертьволновых отрезков жесткого коаксиального кабеля ( металлический изолятор ).

Потери на излучение в коаксиальном кабеле отсутствуют, однако потери в проводах и особенно в диэлектрике на высоких частотах значительны. По этой причине коаксиальные кабели находят применение в диапазонах волн не ниже 10 см. В исключительных случаях (кабель с высококачественным диэлектриком при малой длине) используют и в диапазоне 3-10 см. Для уменьшения потерь в диэлектрике последний иногда делают не сплошным, а в виде спиралей, шайб, колпаков и т. п.

Условия распространения электромагнитных волн в коаксиальном кабеле могут быть исследованы так же, как и в двухпроводной линии (разд. 5). Однако следует иметь в виду, что в коаксиальном кабеле могут распространяться различные типы волн. Лишь при условиях, что

Я > 2,6(D -d), Я > Jt(d-f D), (7-114)

где D - внутренний диаметр внешнего проводника; d - диаметр внутреннего проводника, в коаксиальном кабеле будет распространяться одна волна типа ТЕМ. Все проводимые ниже данные относятся к основной волне в коаксиальном кабеле типа ТЕМ.

Параметры коаксиального кабеля могут быть определены из следующих соотношений.

Волновое сопротивление (без учета потерь)

138 D 2оф= -Т7=г Ig - , ом, (7-115)

где е - относительная диэлектрическая проницаемость изолирующего диэлектрика кабеля. Если диэлектрик не сплошной, а многослойный из материалов с разной проницаемостью, то следует определить эквивалентную диэлектрическую проницаемость бе, которая, например, для диэлектрических шайб равна:

е,= 1-

(е-1).

(7-116)

где t-период расположения шайб; f - толщина шайбы; е - диэлектрическая проницаемость материала шайбы.

Величина вэ и должна использоваться вместо е при расчетах по формуле (7-115). Определение Бэ в других случаях обычно производится методами электростатики. Для этого бэ определяют из равенства емкостей двух коаксиальных конденсаторов, имеющих одинаковую геометрию (такую, как и кабель), но один со сплошной изоляцией, диэлектрическая проницаемость которой и является эквивалентной, а второй с изоляцией, применяемой в кабеле.

Погонная емкость равна:

C = ?ilil-io-i2, (7-117)

причем в отношении е справедливы замечания, сделанные выше.

Погонная индуктивность равна:

L = 4,6.10-7 Ig- , гк/ж. (7-П8) а

Коэффициент затухания можно определить с помощью приближенного соотношения [Л. 31]

2.6.10- Уе/ ( 1 1 \

-f 9,08-10-8/]Ле tg6, d6jM, (7-119)

где / - рабочая частота;

tg6 - тангенс угла потерь диэлектрика кабеля.

Формула справедлива для коаксиального кабеля из сплошных проводников. В случае плетеного внешнего проводника кабеля и многожильного внутреннего Р несколько увеличивается (подробнее см. [Л. 31]).

Длина волны (для волны ТЕМ) равна:

К = ~= . (7-120)

где Яо - длина волны в вакууме.

Следует иметь в виду, что для коаксиального кабеля такие его характеристики, как затухание волны, наибольшее приложенное напряжение, максимальная мощность, передаваемая по кабелю, и т. д., имеют оптимальные величины, зависящие не только от геометрии кабеля, но и от параметров материалов, из которых они изготовлены. Так, при фиксированной величине внутреннего диаметра сплошного внешнего проводника D минимальное затухание в коаксиальном кабеле из меди будет при отношении Did, равном 3,6. Волновое сопротивление 2оф такого кабеля равно 77 ом. Наибольшее напря-

жение можно приложить к кабелю, у которого D/d=2,7, а наибольшую мощность в согласованную нагрузку при заданной максимальной величине напряженности поля в кабеле можно передать по кабелю, у которого D/d= 1,65.

Коаксиальные радиочастотные кабели, выпускаемые промышленностью, имеют следующие волновые сопротивления: 50, 75, 100, 150 и 200 ом. Для них установлены следующие номинальные значения диаметров по изоляции: 0,5; 1,0; 1,5; 2,2; 3,0; 4,6; 7,3; 9,0; 11,0; 13,0; 17,3; 24,0; 33,0; 44,0; 60,0; 82,0 и 112 мм. В качестве изоляции используются следующие материалы, которым присвоены цифровые обозначения: 1 - полиэтилен различных видов и его смеси; 2 - фторопласты; 3 - полистирол, стиро-флекс; 4 - полипропилен и его смеси; 5 - резина; 6 - неорганическая изоляция.

Маркировка кабеля состоит из букв, указывающих вид кабеля данной марки (РК - радиочастотный, коаксиальный;

РКС, РКГ - кабели для больших мощностей; РКПГ - радиочастотный кабель повышенной гибкости; ТКМ - телевизионные кабели мощные и т. п.), и трех чисел, отделенных дефисами. Первое число указы-вает величину волнового сопротивления, второе-диаметр по изоляции (округлен после 2 мм до целого числа) и третьем (двухзначном числе) первая цифра указывает на тип изоляции, а вторая - на порядковый номер конструкции.

Пример.

PK-50-11-I3 (старое название РК-48)- радиочастотный коаксиальный, волновое сопротивление 50 ом диаметром II мм с внутренней полиэтиленовой изоляцией.

РК-75-7-16 (старое название РК-20) - радиочастотный коаксиальный, волновое сопротивление 75 ом, внутренняя полиэтиленовая изоляция.

Элементы коаксиальных трактов

Любая практическая линия передачи (тракт), в том числе и коаксиальная, не может быть выполнена в виде, однородной прямой линии. В нее обязательно входят различные элементы, позволяющие изменять направление распространения волны (изгибы, повороты), передавать энергию при вращении одной части линии относительно другой (вращающиеся сочленения), соединять между собой отдельные отрезки линий (фишки, разъемы) и т. д.

Обычно эти элементы линий стандартизованы или отрабатываются экспериментально. Поэтому расчеты их обычно не производятся. Там, где это возможно, приводятся соотношения, поясняющие принцип действия элемента или позволяющие ориентировочно выбрать его размеры.

Соединительные устройства (флянцы, штепсельные разъемы и т. п.) служат для соединения между собой отдельных кусков коаксиального кабеля. Соединительные устройства должны иметь минимальное отра-

жение, высокую электрическую прочность, малые потери, механическую прочность и герметичность. Иа основе этих требований сконструированы различные типы разъемов, описание которых приводится в [Л. 26, 29, 32].

Изгибы коаксиальных линий должны быть по возможности более плавными, т. е.

коаксиальной а - прямоугольный изгиб, б )=0,26 для Z

Рис. 7-67. Неотражающие изгибы линии.

=70 ом; б - двойной изгиб.

радиус кривизны изгиба должен быть большим по сравнению с длиной волны. В случае необходимости резких изгибов применяют прямоугольные изгибы с компенсацией отражения (рис. 7-67). Разработаны также фишки с поворотом на 90° и компенсацией отражений от них.

<5Г

Рис. 7-68. Неотражающее разветвление коаксиальной линии (2дф=70 ом).

Разветвления коаксиальных линий осуществляются с помощью тройников (рис. 7-68), в которых обычно принимаются меры для компенсации отражений от них. Разветвления линии, работающей в диапазоне метровых и более длинных волн, могут быть более простыми, так как их размеры малы по сравнению с длиной волны. Обычно это паяные соединения трех кабелей, взаимное расположение которых в месте пайки фиксируется с помощью платы.

Металлический изолятор представляет собой ответвление от основной линии (рис. 7-68) длиной четверть длины волны, замкнутое на конце. Входное сопротивление такого ответвления очень велико и практически не оказывает влияния на работу линии. Такие изоляторы применяются в жестких коаксиальных линиях для центровки центрального проводника. Недостатком металлического изолятора является его узко-полосность.

Вращаюи{иеся коаксиальные соединения бывают: контактные, бесконтактные (дроссельные) и емкостные.

Контактные вращающиеся сочленения применяются при небольших скоростях вращения и малых мощностях. Они представляют собой входящие друг в друга на длину не менее 2-3 см жесткие коаксиальные кабели. Контакт между проводниками достигается путем продольных разрезов конца одной из линий и создания таким образом пружинных кольцевых пластин. Такие сочленения просты и имеют коэффициент бегущей волны не ниже 0,9 в полосе частот ±25-30%. Однако контактные соединения имеют низкую надежность и не способны передавать большие мощности.

Бесконтактные соединения позволяют передавать значительные мощности и работают при больших скоростях вращения. Один

Рис. 7-69. Коаксиальное вращающееся сочленение.

1, 2, 3, 4 - коаксиальные четвертьволновые линии, образующие корот-козамыкающие перемычки по высокой частоте: о - трущиеся контакты.

из вариантов такого сочленения показан иа рис. 7-69. Хотя в этом сочленении и имеются трущиеся контакты, но их качество не влияет на работу линии, так как они находятся в узле тока полуволновой коротко-замкнутой линии. Короткое замыкание по высокой частоте проводников соединяемых линий достигается с помощью короткозамкнутых коаксиальных полуволновых линий, волновые сопротивления которых выбираются из следующих приближенных соотноше-ний: =(510) 2(2; г<Д (22,5)

Zf ) = (3-3,5) Zl -

Емкостные соединения или вращающиеся сочленения емкостного типа, не имеющие трущихся гальванических контактов, основаны на том, что в разрыв внешнего и внутреннего проводников последовательно включаются большие емкости, которые образуются коаксиальными конденсаторами. Одной обкладкой такого конденсатора является, например, внешняя часть внешнего проводника одного кабеля, а второй - внутренняя часть внешнего проводника второго кабеля, который имеет больший диаметр и надвинут на первый. Аналогично устроен и конденсатор для внутреннего проводника.