58 - Vysokofrekvenční vedení

VF vedení - úvod:

Vedení je soustava umožňující přenos energie mezi dvěma místy. Vysokofrekvenční vedení je pak vedení, které se od ostatních vedení (ss a st) liší zvýšeným projevem vlastní indukčnosti a kapacity, skinefektu, apod. U všech druhů vedení se využívá schopnosti elektromagnetických vln šířit se podél rozhraní dvou prostředí (např. podél dielektrických tyčí).

Připojíme-li na začátek vedení zdroj napětí, vznikne pohyb elektrických nábojů ve vodiči a v okolním prostředí elektromagnetické pole. To vzniká na začátku vedení (v místě připojení zdroje) a šíří se podél vedení. Energie se tedy nešíří od zdroje k zátěži vodičem, nýbrž elektromagnetickým polem v prostředí (dielektrikum) obklopující vodič. Vodič dává této energii jen směr ke spotřebiči. Elektromagnetické pole, šířící se podél vodičů, působí zpětně na elektrické náboje ve vodiči a vyvolává jejich uspořádaný pohyb - elektrický proud.

Výměna energie mezi polem a vodičem neprobíhá beze ztrát (konečná vodivost materiálu způsobuje přeměnu části energie v energii tepelnou; dielektrické ztráty v prostředí; popř. ztráty způsobené vyzařováním).


VF vedení - druhy vedení:

Vysokofrekvenční vedení se používají jednak pro nižší vf kmitočty - vedení dvojité souměrné (obr. A, B, C, D) a nesouměrné (obr. E, F, G) a vedení souosé (koaxiální) (obr. H), a jednak vedení pro velmi vysoké kmitočty - vlnovod (obr. I).

U vedení na obr. A, B, C, E, F, G je sice elektromagnetické pole soustředěno především do prostoru mezi vodiči a do nejbližšího okolí, ale přesto zůstává otevřené, a proto mohou na ně působit vnější pole a dochází k únikům energie. Vedení na obr. D, H, I jsou v tomto směru výhodnější , neboť elektromagnetické pole je zcela uzavřeno vnějším kovovým pláštěm.


VF vedení - vlastnosti:

Primární konstanty vedení jsou veličiny určující elektrické vlastnosti vedení, jsou rovnoměrně rozloženy po celé délce a téměř se nemění (teoreticky). Jsou to:

- odpor R [/m] (zvětšuje s frekvencí - skinefekt);

- indukčnost L [H/m] (zvětšuje se se vzdáleností vodičů, zmenšuje se se zvyšováním průměru vodičů);

- kapacita C [F/m] (zvětšuje se se zmenšováním vzdálenosti vodičů, zvětšuje se s průměrem vodičů);

- svod G [S/m] (zvětšuje se s frekvencí, mění se dle počasí a izolačního stavu vodičů).

Sekundární konstanty vedení jsou veličiny, které jsou závislé na primárních konstantách. Charakteristické impedance vedení (vlnová impedance vedení) Zo [] závisí na frekvenci a všech primárních konstantách, nezávisí na délce vedení a lze ji vyjádřit vztahem, kde pro vysoké frekvence lze zanedbat odpor R a svod G, a pak můžeme charakteristickou impedanci vedení Zo považovat za reálnou:

[; H/m, F/m]

Telegrafní rovnice určují závislost napětí a proudu v libovolném místě vedení s danou vzdáleností od počátku vedení na známém napětí a proudu na počátku vedení (podrobněji o všech těchto veličinách a rovnicích viz Telekomunikační technika).


Jakýkoli elektrický rozruch (tj. změna proudu nebo napětí), na vstupu vedení, vyvolá změnu elektromagnetického pole. Tato změna se šíří podél vedení rychlostí danou vztahem - rychlost šíření vlny po vedení v:

kde co = 3108 [m/s] … rychlost šíření elektromagnetické vlny ve volném prostoru

r … relativní permitivita prostředí kolem vodičů

r … relativní permeabilita prostředí kolem vodičů


VF vedení - přizpůsobení, vedení nakrátko, vedení naprázdno:

Postupná vlna je trvale možná jedině na vedení nekonečně dlouhém, popř. na vedení zakončeném charakteristickou impedancí Zo, v tomto případě se veškerá energie postupující vedením beze zbytku pohltí v zakončovacím odporu R = Zo, pak mluvíme o zátěži přizpůsobené vedení.

Není-li vedení zakončenou charakteristickou impedancí Zo, pohltí se v zakončovacím odporu jen část přicházející energie a zbytek se odrazí zpět směrem ke zdroji. Po délce vedení se tak setkávají dvě postupné vlny - přímá (přicházející od zdroje) a odražena (vracející se od nepřizpůsobené zátěže). Obě se šíří stejnou rychlostí proti sobě a vytvářejí tak vlnu stojatou, jejíž kmity a uzly se opakují vždy ve vzdálenosti, rovné polovině délky vlny na vedení.

Kromě nejčastějšího případu, při němž je zátěž přizpůsobena vedení (Z = Zo), pracuje vedení obvykle s krajními hodnotami zátěže - vedení nakrátko (Zo = 0) nebo vedení naprázdno (Zo = ).

Vedení nakrátko (vedení zakončené zkratem, tj. Zo = 0) má na konci nulové napětí (je tam tedy uzel napětí) a naopak maximální proud (je tam tedy kmitna (maximum) proudu). Ve vzdálenosti rovné /4 od konce vedení je tomu naopak - uzel proudu, kmitna napětí, po další vzdálenosti /4 jsou poměry stejné jako na konci vedení, atd. (obr. A).

Rozložení napětí a proudu podél vedení nakrátko a impedanci, kterou bychom naměřili na vstupu úseku vedení vzhledem k délce vedení a délce vlny , je na obr. A. Chování impedance je následující:

- vedení kratší než /4 … cívka;

- vedení rovno /4 … ideální paralelní rezonanční obvod;

- vedení delší než /4 a kratší než /2 … kondenzátor;

- vedení rovna /2 … ideální sériový rezonanční obvod;

- vedení delší než /2 … vedení pomyslně zkrátíme o celistvé násobky /2 tak, aby zbytek byl /2 a najdeme vstupní impedancí zbývajícího úseku vedení, což je vstupní impedance zkoumaného (nezkráceného) úseku vedení.

Vedení naprázdno (vedení na konci rozpojené, tj. Zo = ) má na konci maximální napětí (je tam tedy kmitna (maximum) napětí) a naopak nulový proud (je tam tedy uzel proudu). Ve vzdálenosti rovné /4 od konce vedení je tomu naopak - uzel napětí, kmitna proudu, po další vzdálenosti /4 jsou poměry stejné jako na konci vedení, atd. (obr. B).

Rozložení napětí a proudu podél vedení naprázdno a impedanci, kterou bychom naměřili na vstupu úseku vedení vzhledem k délce vedení a délce vlny , je na obr. B. Chování impedance je následující:

- vedení kratší než /4 … kondenzátor;

- vedení rovno /4 … ideální sériový rezonanční obvod;

- vedení delší než /4 a kratší než /2 … cívka;

- vedení rovna /2 … ideální paralelní rezonanční obvod;

- vedení delší než /2 … vedení pomyslně zkrátíme o celistvé násobky /2 tak, aby zbytek byl /2 a najdeme vstupní impedancí zbývajícího úseku vedení, což je vstupní impedance zkoumaného (nezkráceného) úseku vedení.

Toho, že vedení se chová ze určitých předpokladů jako sériový nebo paralelní rezonanční obvod, se využívá v tzv. rezonátorech, např. u vysílacích elektronek.


VF vedení - vlnovody,...

Vlnovody jsou vysokofrekvenční vedení ve tvaru trubky, nejčastěji obdélníkového průřezu, které se používají pro frekvence 1 GHz - 100 GHz. Elektromagnetické pole se šíří uvnitř vlnovodu a postupuje v podélném směru mnohonásobnými odrazy na stěnách (obr. I).

Výhody: malý útlum, velká šířka přenášeného kmitočtového pásma.

Nevýhody: vysoké nároky na přesnost výroby, obtížné řešení ohybu v trase, větší hmotnost, cena.

Dalším vf vedením je např. světlovod, který využívá k přenosu signálu elektricky neutrální fotony.



dlabos.wz.cz