Übertragungsleitungen und Wellenleiter: 7 wichtige Erklärungen

Diskussionspunkte: Übertragungsleitungen und Wellenleiter

• Einführung in Übertragungsleitungen und Wellenleiter
• Arten von Wellenleitern
• Arten von Übertragungsleitungen
• Parallelplattenwellenleiter
• Rechteckiger Wellenleiter
• Kreisförmiger Wellenleiter

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Einführung in Übertragungsleitungen (TL) und Wellenleiter (WG)

Die Erfindung und Entwicklung von Übertragungsleitungen und anderen Wellenleitern für die verlustarme Übertragung von Leistung bei hohen Frequenzen gehört zu den frühesten Meilensteinen in der Geschichte der Mikrowellentechnik. Zuvor drehten sich Radiofrequenz- und verwandte Studien um die verschiedenen Arten von Übertragungsmedien. Es hat Vorteile für die Steuerung hoher Leistung. Andererseits ist es ineffizient, bei niedrigeren Frequenzwerten zu steuern.

Zwei-Draht-Leitungen kosten weniger, haben aber keine Abschirmung. Es gibt Koaxialkabel, die abgeschirmt sind, aber es ist schwierig, die komplizierten Mikrowellenkomponenten herzustellen. Vorteil der Planar-Linie ist, dass sie verschiedene Versionen hat. Schlitzlinien, koplanare Linien, Mikrostreifenlinien sind einige seiner Formen. Diese Arten von Übertragungsleitungen sind kompakt, wirtschaftlich und leicht in aktive Schaltungsvorrichtungen integrierbar.

Parameter wie Ausbreitungskonstante, charakteristische Impedanz und Dämpfungskonstanten berücksichtigen das Verhalten einer Übertragungsleitung. In diesem Artikel lernen wir die verschiedenen Arten von ihnen kennen. Fast alle Übertragungsleitungen (die mehrere Leiter haben) können die transversalen elektromagnetischen Wellen unterstützen. Die Längsfeldkomponenten sind für sie nicht verfügbar. Diese besondere Eigenschaft kennzeichnet die TEM-Linien und Wellenleiter. Sie haben einen eindeutigen Spannungs-, Strom- und charakteristischen Impedanzwert. Wellenleiter mit einem einzigen Leiter können TE (transversal elektrisch) oder TM (transversal magnetisch) oder beides tragen. Im Gegensatz zu Now haben die Modi Transverse Electric und Transverse Magnetic ihre jeweiligen Längsfeldkomponenten. Sie werden durch diese Eigenschaft dargestellt.  

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Arten von Wellenleitern

Obwohl es verschiedene Arten von Wellenleitern gibt, sind einige der beliebtesten unten aufgeführt.

• Parallelplattenwellenleiter
• Rechteckwellenleiter
• Kreisförmiger Wellenleiter

Arten von Übertragungsleitungen

Einige der Arten von Übertragungsleitungen sind unten aufgeführt.

• Streifenleitung
• Mikrostreifenleitung
• Koaxialleitung

Parallelplattenwellenleiter

Der Wellenleiter mit parallelen Platten ist eine der beliebtesten Arten von Wellenleitern, die sowohl transversale elektrische als auch transversale magnetische Modi steuern können. Einer der Gründe für die Beliebtheit von Wellenleitern mit parallelen Platten ist, dass sie Anwendungen im Modellbau für Moden höherer Ordnung in Linien haben.

Das obige Bild (Übertragungsleitungen und Wellenleiter) zeigt die Geometrie des Wellenleiters mit parallelen Platten. Hier ist die Streifenbreite W und wird als signifikanter angesehen als die Trennung von d. Auf diese Weise können Randfelder und beliebige x-Variablen gelöscht werden. Der Spalt zwischen zwei Platten wird durch ein Material mit einer Permittivität & egr; und einer Permeabilität von & mgr; gefüllt.

TEM-Modi

Die Lösung der TEM-Modi wird mit Hilfe der Lösung der Laplace-Gleichung berechnet. Die Gleichung wird unter Berücksichtigung des Faktors für die elektrostatische Spannung berechnet, die zwischen den Leiterplatten liegt.

Das Lösen der Gleichung und des transversalen elektrischen Feldes ergibt sich wie folgt:

e^- (x, y) = ∇_t ϕ (x, y) = - y^{^} V_o / D.

Dann ist das gesamte elektrische Feld: E^- (x,y,z) = h^- (x, y) e^{- jkz} = y^{^} (V_o / d) * z^-jkz

k repräsentiert die Ausbreitungskonstante. Es ist gegeben als: k = w √ (μ * ε)

Die Magnetfeldgleichung lautet wie folgt:

Hier bezieht sich η auf die Eigenimpedanz des Mediums, das zwischen den Leiterplatten paralleler Plattenwellenleiter liegt. Es ist gegeben als: η = √ (μ / ε)

TM-Modi

Transversale magnetische oder TM-Moden können durch H charakterisiert werden_z = 0 und ein endlicher elektrischer Feldwert.

(∂² / ∂y² +k²_c) und_z (x, y) = 0

Hier ist kc die abgeschnittene Wellenzahl und gegeben durch k_c = (k² - β²)

Nach der Lösung der Gleichung wurde die elektrische Datei E._X kommt als:

E_z (x, y, z) = A._n Sünde (n * π * j / d) * e^{- jβz}

Die Querfeldkomponenten können wie folgt geschrieben werden:

H_x = (jw & epsi; / k_c) A_n cos (nπy / d) e^{- jβz}

E_y = (-jB / k_c) A_n cos (nπy / d) e^{- jβz}

E_x = H_y = 0.

Die Grenzfrequenz des TM-Modus kann wie folgt geschrieben werden:

f_c= k_c / (2π * √ (με)) = n / (2d * √ (με))

Die Wellenimpedanz kommt als Z_TM = β / ωε

Die Phasengeschwindigkeit: v_p = ω / β

Die Leitwellenlänge: λ_g = 2π / β

TE-Modi

H_z (x, y) = B._n cos (nπy / d) e^{- jβz}

Gleichungen der Querfelder sind unten aufgeführt.

Die Ausbreitungskonstante β = √ (k2 - (nπ / d)²)

Die Grenzfrequenz: f_c = n / (2d √ (με))

Die Impedanz des TM-Modus: Z_TE = E_x / H._y = k_n/ β = ωμ / β

Rechteckwellenleiter

Das rechteckiger Wellenleiter ist einer der Haupttypen von Wellenleitern, die zur Übertragung von Mikrowellensignalen verwendet werden, und sie wurden dennoch verwendet.

Mit der Entwicklung der Miniaturisierung wurde der Wellenleiter durch planare Übertragungsleitungen wie Streifenleitungen und Mikrostreifenleitungen ersetzt. Bei Anwendungen, bei denen eine hohe Nennleistung verwendet wird und bei denen Millimeterwellentechnologien verwendet werden, werden bei einigen spezifischen Satellitentechnologien immer noch die Wellenleiter verwendet.

Da der rechteckige Wellenleiter nicht mehr als zwei Leiter hat, kann er nur transversale magnetische und transversale elektrische Modi ausführen.

TE-Modi

Die Lösung für H._z kommt als: H_z (x, y, z) = A._mn cos (mπx / a) cos (nπy / b) e^{- jβz}

Amn ist eine Konstante.

Die Feldkomponenten der TEmn-Modi sind unten aufgeführt:

Die Ausbreitungskonstante ist,

TM-Modi

Die Lösung für E._z kommt als: E_z (x, y, z) = B._mn sin (mπx / a) sin (nπy / b) e^{- jβz}

Bmn ist konstant.

Die Feldkomponente des TM-Modus wird wie folgt berechnet.

Ausbreitungskonstante :

Die Wellenimpedanz: Z_TM = E_x / H._y = -E_y / H._x = bη * η / k

Kreisförmiger Wellenleiter

Der kreisförmige Wellenleiter ist eine gedämpfte, runde Rohrstruktur. Es unterstützt sowohl den TE- als auch den TM-Modus. Das folgende Bild zeigt die geometrische Beschreibung eines kreisförmigen Wellenleiters. Es hat einen Innenradius 'a' und wird in Zylinderkoordinaten verwendet.

E_ρ = (- j/k²_c) [β ∂E_z/ ∂ρ + (ωµ / ρ) ∂ H._z/ ∂φ]

E_ϕ = (- j/k²_c) [β ∂E_z/ ∂ρ - (ωµ / ρ) ∂ H._z/ ∂φ]

H_ρ = (j / k²_c) [(ωe / ρ) ∂E_z / ∂φ - β ∂ H._z/ ∂ρ]

H_ϕ = (-j / k2_c) [(ωe / ρ) ∂E_z / ∂φ + β ∂ H._z/ ∂ρ]

TE-Modi

Die Wellengleichung lautet:

∇²H_z +k²H_z = 0.

k: µe

Die Ausbreitungskonstante: B_mn = (k² - k_c²)

Grenzfrequenz: fc_nm = k_c / (2π * √ (με))

Die Querfeldkomponenten sind:

E_p = (- jωµn / k²_cρ) * (A cos nφ - B sin nφ) J._n (k_cρ) e^{- jβz}

H_φ = (- jβn / k²_cρ) (A cos nφ - B sin nφ) J._n (k_cρ) e^{- jβz}

Die Wellenimpedanz ist:

Z_TE = E_p / H._ϕ = - E._ϕ / H._p = ηk / β

TM-Modi

Um die notwendigen Gleichungen für den kreisförmigen Wellenleiter zu bestimmen, der in transversalen Magnetmoden arbeitet, wird die Wellengleichung gelöst und der Wert von Ez berechnet. Die Gleichung wird in Zylinderkoordinaten gelöst.

[∂² / ∂ρ² + (1 / ρ) ∂ / ∂ρ + (1 / ρ²) ∂²/ ∂φ² +k²c] e_z = 0,

TM_nm Ausbreitungskonstante des Modus ->

βnm = √ (k² - kc²) = √ (k² - (p_nm/ein)²)

Grenzfrequenz: f_cm = k_c / (2π√µε) = p_nm / (2πa √µε)

Die Querfelder sind:

E_ρ = (- jβ / k_c) (A sin nφ + B cos nφ) J._n^/ (k_cρ) e^{- jβz}

E_φ = (- jβn / k²_cρ) (A cos nφ - B sin nφ) J._n (k_cρ) e^{- jβz}

H_ρ = (jωen / k² _cρ) (A cos nφ - B sin nφ) J._n (k_cρ) e^{- jβz}

H_φ = (- jωe / k_c) (A sin nφ + B cos nφ) Jn` (k_cρ) e^{- jβz}

Die Wellenimpedanz ist Z._TM = E_p / H._φ = - E._ϕ/H_p = ηβ / k

Streifenleitung

Eines der Beispiele für eine Übertragungsleitung vom planaren Typ ist Stripline. Es ist vorteilhaft für die Einarbeitung im Inneren Mikrowelle Schaltungen. Es gibt zwei Arten von Streifenleitungen – asymmetrische Streifenleitungen und inhomogene Streifenleitungen. Da Stripline zwei Leiter hat, unterstützt es den TEM-Modus. Die geometrische Darstellung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Sudipta Roy

Hallo, ich bin Sudipta Roy. Ich habe einen B. Tech in Elektronik gemacht. Ich bin ein Elektronik-Enthusiast und widme mich derzeit dem Bereich Elektronik und Kommunikation. Ich habe großes Interesse an der Erforschung moderner Technologien wie KI und maschinellem Lernen. Mein Ziel ist es, allen Lernenden genaue und aktuelle Daten zur Verfügung zu stellen. Es macht mir große Freude, jemandem beim Wissenserwerb zu helfen.
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