Длинная линия — электрическая линия, образованная двумя параллельными проводниками тока, длина которых превышает длину волны передаваемых электромагнитных колебаний, а расстояние между проводниками значительно меньше длины волны. Длинные линии, предназначенные для передачи электромагнитной энергии от передатчика к антенне или от антенны к входу приемника, называются фидерами. В зависимости от назначения длина фидерных линий может колебаться от единиц метров до десятков и даже сотен километров. В тоже время в радиотехнической практике широко используются сравнительно небольшие отрезки длинных линий.
Наиболее простым примером использования линий является открытый фидер, представляющий собой открытую линию, состоящую из двух параллельных (обычно медных) проводников. Расстояние между проводниками на всем протяжении линии неизменно благодаря применению опорных изоляторов, выполняемых из специальных высокочастотных керамических материалов. Первичные параметры и волновое сопротивление такого фидера определяются по формулам:
Единственное достоинство открытого фидера – его простота. Однако открытым фидерам присущ ряд серьезных недостатков, основным из которых является излучение фидером электромагнитной энергии вдоль всей его длины. Это излучение, резко возрастающее с укорочением длины волны, снижает коэффициент полезного действия и ухудшает диаграмму направленности антенны, питаемой таким фидером.
От основного недостатка, присущего открытой линии, свободна экранированная линия, выполняемая обычно в виде двухпроводного кабеля, в котором проводники разделены сплошным слоем твердого, но гибкого диэлектрика. Такая линия состоит из двух проводников, диэлектрика, экрана-оплетки из тонкой медной проволоки и защитной оболочки, выполняемой обычно из специальной пластмассы.
Благодаря применению экрана потери на излучение получаются весьма небольшими, однако с ростом частоты значительно возрастают диэлектрические потери, что ограничивает использование экранирование кабеля дециметровым диапазоном волн.
Рис. 4. Двухпроводная кабельная линия. Рис. 5. Коаксиальная линия.
С укорочением длины волны передаваемых вдоль фидера электромагнитных колебаний приходится отказываться от коаксиального кабеля, так как уже в дециметровом и тем более в сантиметровом диапазоне волн потери в нем резко возрастают. Потери в коаксиальной линии изменяются обратно пропорционально диаметрам проводников. Таким образом, преобладающим является затухание, связанное с наличием внутреннего проводника. Естественно поэтому стремление отказаться от внутреннего проводника и создать систему в виде полой трубы.
Такая труба, выполненная их хорошо проводящего материала и являющаяся граничной поверхностью для электромагнитных волн, называется волноводом. Волноводы представляют собой особый тип длинных линий.
Разомкнутые и короткозамкнутые отрезки длинных линий обладают свойствами настроенных контуров. Аналогичные свойства имеют и отрезки волноводов, замкнутые на обоих концах. Такие колебательные системы, называемые объемными резонаторами, широко применяются в диапазоне сантиметровых волн, где не только обычные колебательные контуры с сосредоточенными параметрами, но и отрезки длинных линий становятся уже практически неприменимыми из-за больших потерь.
Процессы, протекающие в длинной линии при передаче электромагнитной энергии, можно представить следующим образом: при подключении генератора к входным зажимам линии между проводами возникает электрическое поле, которое создает движение электронов, сопровождаемое появлением магнитного поля. Следовательно, напряжение и ток в линии связаны с существованием электромагнитного поля, силовые линии которого окружают проводники. В движущемся электромагнитном поле и заключена передаваемая вдоль линии энергия.
Всякая длинная линия имеет распределенные по длине индуктивность L, емкость между проводами С, активное сопротивление R и активную проводимость между проводами G, наличие которой обусловлено несовершенством изоляции.
Если параметры линии равномерно распределены по длине, то обозначая соответствующие величины на единицу длины через L1,C1,R1 и G1, имеем для линии длиной l.
L = L1l; C =C1l; R = R1l; G =G1l.
L1,C1,R1 и G1 — первичные (погонные) параметры линии.
Коэффициент Zc называют волновым сопротивление линии, а α – фазовой постоянной, причем λ – длина волны колебаний, передаваемых вдоль линии. Иногда величины α и Zc называют вторичными параметрами линии.
Длинная линия называется однородной, если значения её параметров неизменны на всём протяжении. При отсутствии в линии электрических потерь, т. е. R = G = 0 (обычно на радиочастотах):
Длинные линии применяют для передачи информации в дальней телеграфно-телефонной связи, телевидении, радиолокации, а также для передачи энергии по проводам на далёкие расстояния