Кіріспе

Радио толқындарын тасымалдауға арналған кабель немесе басқа құрылым, радиожиіліктік компонент. Электр техникасында тарату желісі – электромагниттік толқындарды белгілі бір шекте өткізетін арнайы кабель немесе басқа құрылым. Бұл термин өткізгіштердің жеткілікті ұзын болған жағдайда қолданылады, онда берілістің толқындық қасиеттерін ескеру қажет. Бұл әсіресе радиожиіліктік техникада маңызды, себебі толқын ұзындығының қысқа болуы толқындық құбылыстардың өте қысқа қашықтықта (жиілікке байланысты миллиметрге дейін) пайда болуына әкеледі. Дегенмен, тарату желілерінің теориясы бастапқыда өте ұзын телеграф желілеріндегі, әсіресе теңіз асты телеграф кабельдеріндегі құбылыстарды түсіндіру үшін дамыған. Тарату желілері радио таратушылар мен қабылдағыштарды антенналарымен қосу (мұндай желілер қоректендіру желілері немесе берушілер деп аталады), кабельдік теледидар сигналдарын тарату, телефондық коммутациялық орталықтар арасындағы қоңырауларды бағыттау, компьютерлік желілер және жоғары жылдамдықты компьютерлік деректер шиналары сияқты мақсаттарда қолданылады. Радиожиіліктік инженерлер әдетте фильтрлер сияқты тізбектер құру үшін белгілі бір схемада орналастырылған, көбінесе басылған жазық тарату желілері түріндегі қысқа тарату желілерін пайдаланады. Бұл тізбектер, бөлінген элементтер тізбектері деп аталады, дискретті конденсаторлар мен индукторларды пайдаланатын дәстүрлі тізбектерге балама болып табылады.

Жоғалмайтын желілердің ерекше жағдайы

Егер элементтер және елеусіз кішкентай болса, беріліс желісі жоғалтусыз құрылым ретінде қарастырылады. Бұл гипотетикалық жағдайда модель тек және элементтеріне байланысты, бұл талдауды едәуір жеңілдетеді. Жоғалтусыз беріліс желісі үшін екінші реттік тұрақты күйдегі телеграф теңдеулері:

Бұл - алға және кері бағытта бірдей таралу жылдамдығына ие жазық толқындардың шешімдері бар толқын теңдеулері. Бұның физикалық мағынасы - электромагниттік толқындар беріліс желілері бойынша таралады және, әдетте, бастапқы сигналмен араласатын шағылысқан компонент болады. Бұл теңдеулер беріліс желісі теориясының негізгі қағидалары болып табылады.

Бөлшекті жүктеме

Тағы бір ерекше жағдай – жүктеме кедергісі сызықтың толқындық кедергісіне тең болғанда (яғни сызық сәйкес келеді), онда кедергі сызықтың толқындық кедергісіне дейін төмендейді, яғни

барлық және барлық үшін.

Қысқа

Қысқа тұйықталған жүктеме жағдайында (яғни), кіріс кедерісі толығымен жолға (реальды бөлігі жоқ) және орналасу мен толқын ұзындығының (жиіліктің) периодтық функциясы болады.

Ашық

Ашық жүктеме жағдайында (яғни), кіріс кедергісі қайтадан жорамал және периодты болады.

Матрицаның параметрлері

Үлкен жүйелерге енгізілген тарату желілерін модельдеуде әдетте өткізгіштік параметрлері (Y матрицасы), кедергі параметрлері (Z матрицасы) және/немесе шашырау параметрлері (S матрицасы) қолданылады, олар модельдеуді қолдауға қажетті толық тарату желісі моделін қамтиды.

Импеданс параметрлері

Импеданс (Z) параметрі беріліс желісінің бір портына (I1) белгілі ток қосылып, екінші порты ашық қалдырылып, нәтижесінде әрбір порттағы (V1, V2) кернеу өлшену арқылы анықталуы мүмкін. Идеалды жиынтық 2-портты элементтерде (резисторлар, конденсаторлар, индукторлар және т.б.) Z параметрлері анықталмаған, ал беріліс желілерінде жерге ішкі байланыс жолы бар, бұл Z параметрлерін анықтауға мүмкіндік береді. Жоғалтусыз және жоғалтулы беріліс желілері үшін Z параметрінің матрицасы стандартты гиперболалықтан дөңгелек күрделі түрлендірулерді қолдану арқылы келесідей болады:

Коаксиалдық кабель

Коаксиалдық желілер электромагниттік толқынның барлық дерлік бөлігін кабельдің ішкі кеңістігіне шоғырландырады. Сондықтан коаксиалдық желілерді белгілі шектеулерде теріс әсерлерсіз иіп, бұрауға болады, сондай-ақ оларды өткізгіш тіреулерге қосымша токтар тудырмай байлауға болады. Радиожиілікті қолдануда бірнеше гигагерцке дейінгі жиіліктерде толқын тек көлденең электрлік және магниттік режимде (TEM) тарайды, яғни электрлік және магниттік өрістер таралу бағытына перпендикуляр болады (электр өрісі радиалды, ал магниттік өрісі – шеңберлік). Дегенмен, толқын ұзындығы (диэлектрикте) кабельдің шеңберінен едәуір қысқа болатын жиіліктерде басқа көлденең режимдер де таралуы мүмкін. Бұл режимдер екі топқа бөлінеді: көлденең электрлік (TE) және көлденең магниттік (TM) толқын жетектері. Егер бірнеше режимнің болуы мүмкін болса, кабельдің геометриясындағы иілімдер мен басқа да бұрмалаулар қуатты бір режимнен екіншісіне ауыстыруы мүмкін. Коаксиалдық кабельдер ең көп теледидар және бірнеше мегагерц жолақтылығы бар басқа да сигналдар үшін қолданылады. 20-шы ғасырдың ортасында олар алысқа телефон байланысын жүргізуге пайдаланылды.

Жазық сызықтар

Жазық беріліс желілері – өткізгіштері немесе кейбір жағдайларда диэлектрлік жолақтары бар, жалпақ, таспа тәрізді желілер болып табылатын беріліс желілері. Олар микротолқынды жиіліктерде жұмыс істейтін баспа схемалары мен интегралдық схемалардың компоненттерін қосу үшін қолданылады, себебі жазық конструкция осы компоненттерді өндіру әдістерімен үйлеседі. Жазық беріліс желілерінің бірнеше түрі бар.

Микрожапсырма

Микрополосалық схема жер жазықтығына параллель жұқа, жазық өткізгішті пайдаланады. Микрополосаны баспалы схема тақтасының (PCB) немесе керамикалық субстраттың бір жағына мыс жолағын, ал екінші жағына үздіксіз жер жазықтығын орналастыру арқылы жасауға болады. Жолақтың ені, оқшаулағыш қабаттың (PCB немесе керамикалық) қалыңдығы және оқшаулағыш қабаттың диэлектрлік тұрақтысы – бұл сипаттамалық кедергіні анықтайтын факторлар. Микрополоса ашық құрылымға жатады, ал коаксиалды кабель жабық құрылым болып табылады.

Стриплин

Стриплайн схемасы екі параллель жер жазықтығының арасында қысылған металл жолақты пайдаланады. Субстраттың оқшаулағыш материалы диэлектрик болып табылады. Жолақтың ені, субстраттың қалыңдығы және субстраттың диэлектрлік тұрақтылығы жолақтың толқындық кедергісін анықтайды, ол беріліс желісі болып есептеледі.

Копланарлық толқын жетектері

Копланарлық толқын жетектері орталық жолақ және екі жанындағы сыртқы өткізгіштерден тұрады. Бұл үш элемент те бір оқшаулағыш негізге жайғастырылып, бір жазықтықта ("копланарлық") орналасқан жазық құрылымдар болып табылады. Орталық өткізгіштің ені, ішкі және сыртқы өткізгіштер арасындағы арақашықтық, сондай-ақ негіздің диэлектрлік өтімділігі копланарлық тарату желісінің толқындық кедергісін анықтайды.

Теңгерімделген желілер

Теңгерілген желі – бір типті екі өткізгіштен тұратын, жерге және басқа тізбектерге бірдей кедергісі бар беріліс желісі. Теңгерілген желілердің көптеген түрлері бар, олардың ішінде ең көп қолданылатындары – бұрылған жұп, жұлдыз тәрізді төрттік және екі қорғасынды желі.

Бұралған жұп

Бұралған жұптар құрлықтағы телефон байланысында кеңінен қолданылады. Мұндай кабельдерде екіден бірнеше мыңға дейін көптеген жұптар бір кабельге топтастырылады. Бұл формат ғимараттар ішіндегі деректер желісін тарату үшін де пайдаланылады, бірақ беру желісі параметрлері қатаң түрде бақыланатындықтан кабельдің құны жоғары.

Жұлдызды төртбұрышты

Жұлдызды төрттік – төрт өткізгіштен тұратын кабель, онда барлық төрт өткізгіш кабель осын айнала бұрылып біріктірілген. Ол кейде екі тізбек үшін қолданылады, мысалы, 4 сымды телефония және басқа телекоммуникациялық қолданыстар. Бұл конфигурацияда әрбір жұп екі қатар тұрған емес өткізгішті пайдаланады. Көбінесе ол аудио қолданыстар мен 2 сымды телефония сияқты жалғыз теңдестірілген желі үшін қолданылады. Бұл конфигурацияда екі қатар тұрған емес өткізгіш кабельдің екі басында біріктіріледі, ал қалған екі өткізгіш те бірге біріктіріледі. Екі тізбек үшін қолданылғанда, екі жеке бұрылған жұптан тұратын кабельдерге қарағанда қиылысу азаяды. Жалғыз теңдестірілген желі үшін қолданылғанда, кабельден ұсталған магниттік кедергі дерлік толық ортақ режим сигналы түрінде келеді, оны байлағыш трансформаторлар оңай жояды. Бұрылудың, теңдестірілген сигнал берудің және төрттік үлгінің біріктірілген артықшылықтары ерекше шуға төзімділікті қамтамасыз етеді, әсіресе микрофон кабельдері сияқты сигнал деңгейі төмен қолданыстар үшін тиімді, тіпті қуат кабеліне жақын орнатылғанда да. Оның кемшілігі – жұлдызды төрттік екі өткізгішті біріктіру арқылы, ұқсас екі өткізгішті бұрылған және қоршалған аудио кабельге қарағанда екі есе артық сыйымдылыққа ие. Жоғары сыйымдылық қашықтық артқан сайын бұрмаланудың күшеюіне және жоғары жиіліктердің жоғалуына себеп болады.

Қос қорғасын

Егіз сым – үздіксіз оқшаулағышпен бөлінген екі өткізгіштен тұрады. Өткізгіштерді белгілі бір қашықтықта ұстау арқылы геометриясы бекітіліп, сызық сипаттамаларының тұрақтылығы қамтамасыз етіледі. Оның коаксиалды кабельге қарағанда шығындары аз, себебі егіз сымның сипаттамалық кедерісі коаксиалды кабельге қарағанда көбінесе жоғары болады, бұл токтың азаюын төмендетіп, кедергілік шығындарды азайтады. Дегенмен, ол сыртқы ықпалға осал.

Лекшерлік желілер

Лехер желілері – ЖҰТ (UHF) жиілігінде резонанстық тізбектер құруға қолданылатын параллель өткізгіштердің бір түрі. Олар – бұл жиынтық элементтердің (ЖЖТ/ВЖТ-да қолданылады) және резонанстық қуыстардың (ЖҰТ/ӨЖТ-да қолданылады) арасындағы қашықтықты толтыратын қолайлы, практикалық формат.

Бір сымдық желі

Бұрын телеграфты тарату үшін теңгерімсіз желілер жиі қолданылған, бірақ қазір бұл байланыс түрі қолданыстан шығып қалды. Кабельдер бұрмаланған жұпқа ұқсас, себебі көптеген өзектер бір кабельге жиналған, алайда әрбір тізбек үшін тек бір өткізгіш қарастырылады және бұрмалану болмайды. Бір маршруттағы барлық тізбектер кері ток үшін ортақ жол – жерді пайдаланады (жерге кері қайтару). Көптеген аймақтарда бір сымды жерге кері қайтарудың электр қуатын таратуға арналған нұсқасы қолданылады.

Сигнал беру

Электрлік тарату желілері жоғары жиілікті сигналдарды ұзақ немесе қысқа қашықтыққа минимал қуат жоғалтумен беру үшін кеңінен қолданылады. Телевизор немесе радио антеннасынан қабылдағышқа дейінгі сым осыған бір мысал.

Тасымалдау желісінің контурлары

Жеткізу желілерін пайдаланып, кедергіні сәйкестендіру схемалары, сүзгілер, қуат бөлігіштер және бағыттық байланыстырғыштар сияқты әртүрлі схемаларды да құрастыруға болады.

Степенді беріліс желісі

Кең ауқымды импедансты сәйкестендіру үшін сатылы беріліс желісі қолданылады. Оны сериялы қосылған, әрқайсысының сипаттамалық кедергісі болатын бірнеше беріліс желісі сегменттері ретінде қарастыруға болады. Кіріс кедергісі тізбектік қатынасты бірізді қолдану арқылы есептеледі:

мұнда – -шы беріліс желісі сегментінің толқын саны, – осы сегменттің ұзындығы, ал – -шы сегментке жалғанатын алдыңғы ұш кедергісі. Әрбір беріліс желісі сегментінің сипаттамалық кедергісі көбінесе төртінші, кіріс кабелінің (суретте сол жақта көрсетілген жебе ретінде ғана бейнеленген) кедергісінен өзгеше болғандықтан, импеданс түрлендіру шеңбері Смит диаграммасының осі бойымен ортасынан ығысқан болады, оның импеданс бейнелеуі әдетте -ға нормаланған.

Бір мезгілде жасалатын элементтерді шамалау

Жоғары жиіліктерде нақты құралымдық элементтердің, индукторлар мен конденсаторларды қоса алғанда, реактивті паразиттік әсерлері олардың қолданылу мүмкіндігін шектейді. Сондықтан, кейде жоғары жиіліктерде индукторлар мен конденсаторлардың электрлік қасиеттерін Ричардстың түрлендірулерін пайдаланып беріліс желілерімен жуықтау және содан кейін беріліс желілерін құралымдық элементтермен алмастыру тиімді. Күрделі дизайнерлер үшін беріліс желілерін қолдана отырып, жоғары жиілікті индукторды модельдеудің дәлірек түрлері бар.

Стамбл сүзгілері

Егер қысқа немесе ашық тізбектелген тарату желісі А нүктесінен В нүктесіне сигнал жеткізуге қолданылатын желіге параллель қосылса, ол сүзгі ретінде жұмыс істейді. Тоқалдарды жасау әдісі Lecher желілерін қолдану әдісіне ұқсас, бірақ ол "кері бағытта жұмыс істейді". RSGB радиобайланыс нұсқаулығында ұсынылған әдістердің бірі – антеннадан сигнал жеткізетін желіге параллель қосылған ашық тізбектелген тарату желісін пайдалану. Тарату желісінің бос ұшын кесу арқылы қабылдағышта байқалатын сигналдың күшінің ең төменгі нүктесін табуға болады. Осы кезеңде тоқал сүзгі бұл жиілікті және тақ гармоникаларды өткізбейді, бірақ егер тоқалдың бос ұшы қысқа тұйықталса, тоқал жұп гармоникаларды өткізбейтін сүзгіге айналады. Көп тоқалды пайдалану арқылы кең жолақты сүзгілер жасауға болады. Дегенмен, бұл біршама ескірген техника. Параллель желілік резонаторлар сияқты басқа әдістермен әлдеқайда ықшам сүзгілер жасауға болады.

Импульсті генерациялау

Тасымалдау желілері импульс генераторлары ретінде қолданылады. Тасымалдау желісін зарядтап, содан кейін оны кедергілік жүктемеге разрядтау арқылы, желінің электрлік ұзындығынан екі есе ұзын, бірақ кернеуі жартысына төмендейтін тікбұрышты импульс алуға болады. Блюмлейн тасымалдау желісі – бұл шектеуді жолайтын импульс қалыптастыру құрылғысы. Олар кейде радиолокациялық таратушылар және басқа құрылғылар үшін импульстік қуат көзі ретінде пайдаланылады.

Дыбыс

Дыбыс толқынының таралу теориясы математикалық тұрғыдан электромагниттік толқындарға өте ұқсас, сондықтан беріліс желісі теориясының әдістері акустикалық толқындарды жүргізуге арналған құрылымдарды салу үшін де қолданылады; және мұндай құрылымдар акустикалық беріліс желілері деп аталады.