Koaxiální (souosé) vedení

Prezentace na téma: "Koaxiální (souosé) vedení"— Transkript prezentace:

1 Koaxiální (souosé) vedení
koaxiální vlnovody 1

2 Koaxiální vedení lze pova-žovat se zvláštní typ dutého kovového vlnovodu, v jehož příčném průřezu jsou dva vzájemně izolované vodiče.  ,  r0 R0 Dominantním videm v koaxi-álním vedení je vlna TEM (Transverzálně Elektric-ko Magnetická), jejíž silo-čáry elektrického a magne-tického pole leží pouze v příčné rovině a mají zde stej-ný průběh pro vysokofrek-venční i pro stejnosměrný signál. 2

3 Protože koaxiálním vedením s vlnou TEM se může šířit i stejno-směrný signál s f = 0, má vid TEM nulový mezní kmitočet Na koaxiální vedení s vlnou TEM lze proto pohlížet jako na speciální druh dutého kovového vlnovodu. Pro výpočet parametrů vidu TEM lze použít vztahy z předchozích kapitol pro duté vlnovody, do nichž dosadíme hodnotu fm = 0. Charakteristická impedance (vlnová impedance, vlnový odpor) souosého vedení je dána podílem komplexních amplitud napětí U mezi vodiči a proudu I tekoucím některým z obou vodičů když vnitřní objem vedení je vyplněn materiálem s parametry r a μr . 3

4 přenášený dominantní vlnou TEM v koaxiálním vedení
Maximální činný výkon přenášený dominantní vlnou TEM v koaxiálním vedení kde Emax je maximální intenzita elektrického pole mezi vodiči. Ta nastává na povrchu vnitřního vodiče a nesmí překročit průraznou pevnost použitého dielektrika. Při konstantním poloměru vnějšího vodiče R0 = konst. nastává ma-ximum předchozího vztahu pro poměr R0 / r0 = 1,65 . To znamená, že k přenosu největších výkonů je nejvhodnější koaxiální kabel s vlnovou impedancí 4

5 Měrný útlum souosého vedení
s vlnou TEM vlivem ztrátového dielektrika  viz obecný vlnovod pro fm = 0 v pásmu nepropustnosti  viz obecný vlnovod pro fm = 0 útlum je nulový vlivem ztrát v nedokonale vodivých kovových stěnách  Pro R0 = konst. má tento vztah mi-nimum při poměru R0 / r0 = 3,6 . To znamená, že minimální útlum vyka-zuje koaxiální kabel s impedancí Pro často používané polyetylénové dielektrikum s r ≈ 2,4 vychází odtud optimální hodnota vlnového odporu Z0 ≈ 50 Ω. 5

6 Souosá vedení se provozují prakticky vždy jen s videm TEM.
Kromě vlny TEM se mohou v každém dvojvodičovém vedení vybudit a šířit i vlnovodové vidy, tj. vlny TM a TE. Mluvíme pak o souosém (koaxiálním) vlnovodu. Praktické použití vlnovodových vidů je však zcela výjimečné. Souosá vedení se provozují prakticky vždy jen s videm TEM. Vlna TEM je pro souosé vedení dominantním videm a šíří se v něm od nejnižšího (nulového) kmitočtu. Vid TEM má nejjednodušší uspořádání elektromagnetického pole, což usnadňuje jeho buzení i praktické aplikace souosých vedení. Jako u ostatních vlnovodů, je i u souosého vedení žádoucí pracovat v jeho pásmu jednovidovosti, tedy v takovém rozsahu kmitočtů (vlnových délek), kdy se vedením šíří jen dominantní vid TEM. 6

7 Hlavním (prvním) vlnovodovým videm v souosém vlnovodu je vid TE11
Hlavním (prvním) vlnovodovým videm v souosém vlnovodu je vid TE11 . Má ze všech vlnovodových vidů největší mezní vlnovou délku což je obvod kružnice, jejíž poloměr je dán aritmetickým průměrem poloměrů vnějšího a vnitřního vodiče. Aby se v souosém vedení s danými rozměry R0 , r0 nevybudil hlavní vlnovodový vid (a tedy ani žádný vyšší vlnovodový vid), musí vlnová délka  přenášeného signálu vyhovovat nerovnosti R0 r0 r0 mTE11 která tak vymezuje pásmo jednovidovosti souosého vedení. 7

8 různých druhů vlnovodů a koaxiálních vedení
Srovnání různých druhů vlnovodů a koaxiálních vedení Srovnání při buzení dominantních vidů na horním okraji pásma jednovidovosti, tedy na kmitočtu, který je blízký meznímu kmitočtu nejbližšího vyššího vidu. Obdélníkový vlnovod má asi 1,5-krát menší útlum a přenáší asi 2-krát větší činný výkon než vlnovod kruhového průřezu. Oproti koaxiálnímu vedení s optimálními příčnými rozměry je jeho měrný útlum asi 2,5-krát menší a přenášený výkon téměř 5-krát větší. Proti kruhovému vlnovodu je u obdélníkového vlnovodu zhruba 2-krát větší relativní šířka přenášeného pásma kmitočtů. Z těchto důvodů se na kratších cm a mm vlnách užívá jako vodič elmag. energie obdélníkový vlnovod. 8

9 Pro delší cm a dm vlny je obvod průřezu obdélníkového
Pro delší cm a dm vlny je obvod průřezu obdélníkového vlnovodu velký (značná spotřeba materiálu, vlnovod zaplní velký prostor), proto se používá místo něj koaxiální vedení, jehož obvod příčného průřezu je zhruba poloviční proti obdélníkovému či kruhovému vlnovodu. Zároveň s klesajícím kmitočtem klesá v absolutní hodnotě měrný útlum koaxiálního vedení a maximální přenášený výkon roste na dostatečnou hodnotu. Výhodou je i to, že impedanční přizpůsobení na koaxiálním vedení je mnohem méně kmitočtově závislé než u vlnovodu a jeho relativní šířka kmitočtového pásma je zhruba třikrát větší. U obdélníkového vlnovodu a koaxiálního vedení je jednoznačně určen směr intenzity elektrického pole dominantního vidu, zatímco u kruhového vlnovodu tomu tak není; tam směr elektrických siločar dominantního vidu závisí na způsobu vybuzení vlnovodu. 9