TRANSMISSIELIJNEN. I. Aardse luchtlagen

Transcriptie

1 TRANSMISSIELIJNEN Hier wordt alleen het transport van signalen met een hoge frequentie beschouwd, namelijk vanaf het audiogebied (telefonie) tot de uiterste hoge frequenties die gebruikt worden bij de radar en satelliet. Daarvoor worden er allerlei soorten transmissielijnen gebruikt. I. Aardse luchtlagen Door de luchtlagen vindt de voortplanting van de signalen elektromagnetisch plaats. De bandbreedte is onbeperkt maar de aanwezigheid van ruis en storingen, de selectiviteitseisen en de frequentie-afhankelijke eigenschappen leggen praktische beperkingen op. Zo kan in het HFband onder bepaalde condities grote afstanden afgelegd worden, terwijl in de VHF-band door de beperktere reikwijdte juist meerdere zenders met verschillende uit te zenden informatie op relatief korte afstand van elkaar kunnen geplaatst worden zonder dat ze elkaar beïnvloeden. In de aardse luchtlagen vinden de aardse of terrestriale verbindingen plaats. Het gaat hier om verbindingen waarbij de zender rechtstreeks de ontvangantenne aanstraalt = zichtverbinding. Om deze reden kan vanuit de zendantenne gezien geen ontvangantenne bereiken die voorbij de horizon liggen. Door de klimatologische en fysische verschillen in de diverse luchtlagen kunnen er echter reflecties optreden waardoor het uitgezonden signaal als het ware meerdere malen tussen de reflecterende laag en het aardoppervlak heen en weer kaatst. Tevens wordt de richting van het signaal enigszins afgebogen met de kromming van de aarde waardoor ontvangantennes voorbij de horizon kunnen bereikt worden. In de TV-banden wordt de reikwijdte van de uitgezonden signalen echter beperkt tot de regionale of nationale grensgebieden omwille van auteursrechten en de controleerbaarheid van het zendgebied. II. Hogere luchtlagen Door met actieve componenten, zoals satelliet, gebruik te maken van hogere luchtlagen kan een veel groter gebied van informatie voorzien worden. Het gaat hier terug om zichtverbindin-gen, het zicht vanuit de zendantenne. Hier zijn de overbrugde afstanden zo groot waardoor er enorme verliezen ontstaan. Deze verliezen worden gecompenseerd door het kiezen van de geschikte modulatietechnieken en door de winsten van de antennes. Door de keuze van andere (hogere) frequentiebanden en de wijze van doorsnijding van de luchtlagen ontstaat er een groot verschil tussen aardse en satellietverbindingen. III. Bifilaire lijnen met evenwijdige draden Deze soort lijnen worden vooral gebruikt in de telefonie en de telegrafie (oude luchtlijnen op palen), maar ook voor de verbinding van zenders aan antennes of antennes aan ontvangers (feeders) bij de niet al te hoge frequenties (LG, MG, KG, scheepvaartcommunicatie). Open 2-draadse lijn in lucht. Gebalanceerd met de aarde. Satelliettelevisie en -radio Transmissielijnen HS/V1-2003

2 Enkele draad met de aarde. Enkele draad in vierkante afscherming. Deze transmissielijnen zijn goedkoop en eenvoudig. De verliezen door straling zijn echter belangrijk en kunnen hoog oplopen in het VHF-gebied, vooral als ze zich bevinden in de omgeving van goed geleidende voorwerpen (metalen, natte muren ). In het UHF gebied zijn ze niet meer bruikbaar. Ze worden minstens op 120 tot 150mm van een bevestigingsvlak geïnstalleerd. IV. Coaxiale lijnen of kabels Deze soort transmissielijnen worden zeer veel gebruikt in het VHF en UHF gebied. De kabel is opgebouwd uit een geleidende kern of een buisje en een concentrisch geleidende afscherming. De hoogfrequente stroom vloeit aan de buitenzijde van de binnengeleider en aan de binnenzijde van de buitenmantel. De binnengeleider wordt op zijn plaats gehouden door isolatieschijfjes uit een materiaal met kleine HF verliezen zoals pyrex, polyethyleen, poystyreen of teflon. De enkele coaxiale lijn. Soms zijn de schijfjes vervangen door een spiraal uit isolatiemateriaal die gewikkeld is met een zeer grote stap. Meestal echter is gans de ruimte tussen binnen en buitengeleider opgevuld met een isolatiestof, zoals in de klassieke antennekabel voor TV en de transmissielijnen die gebruikt worden bij kabeltelevisie (distributie). Er is een duidelijke verschil in kostprijs en kwaliteit tussen de consumer standaard coaxiale kabel en wat toegepast wordt in de kabeltelevisie technologie, dit omwille van de toelaatbare verliezen, de frequentieband en het vermogen dat moet overgebracht worden. Beschrijving van de samenstelling van de kabel: a. De binnengeleider Deze is meestal uit massief koper en is soms verzilverd om de ohmse weerstand te verkleinen. Bij kabels met heel grote diameter wordt soms aluminium bedekt met een koperlaagje gebruikt. b. Het diëlektricum Dit bestaat meestal uit polyethyleen of polystryreen. Voor de kabels met diëlektricum uit polyethyleen wordt ofwel vol of schuimvormig polyethyleen gebruikt. Vol polyethyleen vertoont grotere diëlektrische verliezen dan het schuimvormige, maar is dan beter dan het schuimvormige bestand tegen het indringen van waterdamp in het diëlektricum. Satelliettelevisie en -radio Transmissielijnen HS/V1-2003

3 c. De buitengeleider De meest gebruikte kabels hebben een geweven buitengeleider die bestaat uit zeer dunne koperdraad die soms verzilverd is om de ohmse weerstand te verkleinen. Deze kabels hebben uiteraard de beste buigzaamheid. De beste coaxiale kabels zijn echter deze waar de buitengeleider bestaat uit een werkelijke buis: het waarborgt de beste kenmerken zowel pp het gebied van doordringen van waterdamp in het diëlektricum als ook op RF-gebied (kleinste overdrachtsimpedantie). In plaats van een werkelijke buis wordt ook wel een overlappende folie gebruikt; dit is goedkoper te construeren maar niet zo waterdicht. Omwille van de waterdampindringing zijn de geweven buitengeleider en deze uit overlappende folie niet geschikt om toe te passen samen met een schuimvormig diëlektricum (zeker niet bij buiten installaties). d. De beschermende buitenmantel De RF-eigenschappen zijn hier van geen belang zodat in principe zowel PVC als polyethyleen kan gebruikt worden. Er worden echter chemische bestanddelen in deze buitenmantel gebruikt om hem soepel en beter bewerkbaar te maken. Deze bestanddelen kunnen migreren naar het diëlektricum, vooral bij geweven buitengeleiders maar ook bij overlappende folie. Dit is de voornaamste oorzaak van de veroudering van de kabel waarbij de eigenschappen slechter worden (vooral de verzwakking wordt groter). V. Afgeschermde bifilaire lijnen Het voordeel van deze lijn is dat de capaciteit van beide geleiders t.o.v. de massa gelijk is, terwijl er toch geen straling kan zijn zoals bij de gewone bifilaire lijn. Omwille van het evenwicht van beide geleiders t.o.v. de massa worden bifilaire lijnen symmetrisch genoemd. Coaxiale kabels daarentegen zijn assymetrisch. Vele toestellen en de meeste antennes zijn ook symmetrisch; indien een asymmetrische kabel wordt gebruikt, dan moet er steeds een aanpassing gebeuren. Afgeschermde bifilaire lijnen worden weinig toegepast omwille van de hoge kostprijs en de diëlektrische verliezen die belangrijk worden bij de zeer hoge frequentie. Gebalanceerde afgeschermde lijn. VI. Strip-lines Er worden nu veel halfgeleiders en gedrukte schakelingen gebruikt, ook bij de hoge en de zeer hoge frequenties. De transmissielijnen worden dan eveneens uitgevoerd in gedrukte schakelingen, de striplijnen of microstrip. Voor het vervaardigen van striplijnen worden meestal dubbelzijdige printfolie gebruikt. Hierbij kan er langs één zijde worden weggeëtst, zodat een asymmetrische striplijn wordt bekomen, ofwel langs twee zijden zodat er een symmetrische striplijn wordt verkregen. Satelliettelevisie en -radio Transmissielijnen HS/V1-2003

4 Microstrip. Strip-transmissielijn. Soms worden ook de zogenaamde multilayer technieken gebruikt waarbij een geleidende strip zich tussen twee grondplaten bevindt; de sandwich -lijnen. Als grondplaat voor striplijnen worden in de industrie normaal zeer dunne plaatsjes in teflon (PFTE) ofwel glasvezel geïmpregneerd met teflon gebruikt. De plaatjes worden altijd zeer dun genomen om strooivelden zoveel mogelijk te vermijden. Voor zelfbouw kan er ook gebruik gemaakt worden van de gewone dubbelzijdige epoxyplaat met een dikte van 1,4mm. Bakelietplaat is af te raden omwille van de te grote verliezen. Deze lijnen hebben een theoretische voortplantingssnelheid v = c/?? r, een karakteristieke impedantie Z o die afhankelijk is van de afmetingen van de striplijn, en zijn verliezen? die bestaan uit verliezen in de geleider en in het diëlektricum. Strip-line technologie wordt toegepast in de vlakke satelliet ontvangstantenne en als HF impedantieaanpassing, resonators, afsluitimpedanties en transmissielijnen in microschakelingen op hoogwaardige printplaatbasis. VII. Oppervlaktegolftransmissielijn Dit is een ééndraadsgeleider met een relatief dikke diëlektrische omhulling, meestal drie tot meermaal de geleiderdiameter. De voortplantingsmode, die praktisch niet straalt, wordt op de lijn geëxciteerd door middel van conische hoorns aan de beide zijden van de lijn. De mond van deze hoorn in ¼ tot 1 golflengte in diameter. De verliezen zijn ongeveer de helft van die van een 2- draadslijn, doch deze oppervlaktegolftransmissielijn heeft een praktische onderste frequentiegrens van ongeveer 50MHz. Oppervlaktegolftransmissielijn. VIII. Golfpijp De golfpijp is ontworpen om hoogfrequente elektromagnetische energie over te dragen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een elektrische geleider met een terugweggeleider als afscherming zoals bij de coaxkabel. Een golfpijp is hol en de overdracht vindt plaats door het transformeren van elektromagnetische velden langs en binnen de wand van de pijp. De doorsnede van de Satelliettelevisie en -radio Transmissielijnen HS/V1-2003

5 golfpijp is meestal rechthoekig waarbij de grensfrequentie bepaald wordt door de maat x van de pijp. De pijpdelen worden door middel van flenzen aan de uiteinden aan elkaar gekoppeld. Door de stijfheid van de pijp moet als het ware loodgieterswerk verricht worden om een dergelijke verbindingslijn aan te leggen in dit soort materiaal. Alle onderdelen moeten daarenboven perfect op mekaar aansluiten. Golfpijptechnologie wordt toegepast bij de verbinding tussen de zender en de zendreflector van satellietinstallaties en radarinstallaties. Omwille van de grote verliezen worden ze niet toegepast in de lange afstandstransmissie. Voor toepassingen in het 12GHz gebied is de demping 180dB/km. Bij deze frequenties zijn de afmetingen x en y van de pijp respectievelijk 20mm en 12mm. Bij 1GHz zijn de afmetingen resp. 250mm en 130mm terwijl de demping slechts 5dB/km bedraagt. Rechthoekige golfpijp met flens. IX. Coaxiale caviteiten Alhoewel dit principiëel ook transmissielijnen zijn, worden coaxiaal caviteiten of trilholten niet gebruikt voor het overbrengen van energie van het ene punt naar het andere. Ze worden echter wel veelvuldig gebruikt als resonantiekring voor o.a. de afstemming van UHF-kanaalkiezers, voor vermenigvuldigers met varactordioden,. Ze worden beschouwd als korte transmissielijnen, meestal ongeveer een kwartgolflengte lang. Voorstelling van de doosvormige opbouw van een coaxiale caviteit als?/4 resonator. Satelliettelevisie en -radio Transmissielijnen HS/V1-2003