Техника и электроника СВЧ (Часть 2)

Лекція 20 Струми і напруги в техніці НВЧ.

тобто від полів неможливо однозначно перейти до струмів та напруг у техніці НВЧ – нестрога процедура. Існує декілька варіантів цього переходу.

.

Це – незалежні визначення, які не дають . Опір хвильовода теж можна визначити по-різному: , , . Ми будемо користуватись: . Бачимо, що додаються ще параметри хвильовода .

Нормовані струми і напруги.

По аналогії з КМ , можна ввести . Будемо вважати - напів-напруга, напів-струм.

Стоячі хвилі в лініях передачі.

Хвиля у прямому напрямку з напругою : . Струм . Відбита хвиля: ; , (мінус – бо струм у зворотному напрямку). Очевидно, загальні напруга і струм: , . Повні напруга і струм складаються з парціальних напруг і струмів хвиль, які існують в хвильоводі. У кожній точці відношення називається повним імпедансом лінії передачі.

Підрахуємо повний імпеданс лінії передачі:

; .

Таким чином, повний опір залежить від координат. Опір в точці (в точці навантаження): . Тоді (**), де - коефіцієнт відбиття, при . Підставляючи (**) в (*), одержимо: .

Отримали вираз для опору в будь-якій точці. Якщо , тобто ми розглянули точку знаходження навантаження, маємо опір .

В залежності від відстані до опору змінюється опір лінії. Це суттєва відмінність НВЧ від звичайної електроніки.

Для того, щоб взнати опір в будь-якій точці, необхідно знати опір хоча б в одній точці лінії передачі. Якщо лінія закорочена в , то .

від точки КЗ буде на відстанях, кратних .

Існує метод визначення опору без КЗ.

Введемо коефіцієнт стоячої хвилі. до хвилі, що біжить, відбита хвиля додається чи віднімається: , , - коефіцієнт стоячої хвилі.

Визначимо опір в точці : , . Очевидно, : , : .

Отже: , .

Нехай - відстань між та мінімумом, тоді буде , звідки (****).

Існує діаграма з розрахованими опорами (див. Мал.): по куту відкладається , по радіусу - . .

Однакові значення з’єднані лініями –

Однакові значення з’єднані лініями –

На цих лініях вказано значення активного та реактивного опорів. В центрі кола .

Лекція 21 Виявлення сигналів НВЧ.

Звичайний осцилограф використати неможливо – вони працюють на частотах до 1ГГц. Зараз використовують напівпровідникові детектори.

Кристалічні детектори: квадратичний детектор.

Вони реєструють 10¹¹ГГц так само як і 100Гц. Такий детектор (див. Мал.) вставляється одним боком в один хвильовід, а другим у інший (див. Схему):

Еквівалентна схема діода-детектора:

Ідеальна частота , оскільки лише та покращити не можна. Зараз досягли .

Залежність струму НП діоду від напруги: .

(нас цікавить квадратичний детектуючий елемент).

Метод комплексних амплітуд тут застосувати не можна, бо втратимо ефект детектування. .

Отримаємо потужність . ; ; ; . Тоді . В результаті ми можемо зобразити діод генератором струму: .

Звичайне значення .

вважається гарним параметром. Це і є квадратичний детектор, оскільки струм пропорційний потужності.

Визначимо потужність, яку цей діод може зареєструвати: знайдемо чутливість приймача на базі квадратичного детектора.

- для узгодження з підсилювачем, - описує шуми підсилювача. Напруга шумів: , напруга сигналу: .

- формула Найквіста.

Найквіст довів, що ширина смуги пропорційна кількості електронних ступенів вільності. У відповідності з цим виведена формула для потужності шумів: .

Якість детектора . .

Визначимо з того, що - тоді Вт.

Лекція 22 Лінійний детектор, змішувач. ; . Якщо розписати квадратний член, то одержимо:

- постійний струм, тобто .

Принципова схема супергетеродинного приймача НВЧ – діапазону. Відгук пропорційний квадрату сигналу.

Розглянемо характеристики приймача:

Втрати перетворення: , бо існують втрати на дзеркальні канали, тощо. У діапазоні 40ГГц типове значення .

Шум-фактор (класичне визначення): .

Шум завжди підсилюється більше ніж сигнал, тому показує, у скільки разів шум підсилюється більше, ніж сигнал. , бо немає схем в яких . , де - шум, згенерований всередині.

Позначено - ми виносимо джерело струму за підсилювач. Погано в формулі те, що залежить від , тобто від оточуючого середовища. Домовились, що . Тоді для добрих приймачів: , де - еквівалентна температура входу (шуму) приймача. Тоді .

Знайдемо мінімальну потужність, яку приймає приймач - шум-фактор. Він показує, у скільки разів еквівалентні шуми більше, ніж зовнішні шуми.

Визначимо для змішувача:

- бо це пасивний прилад. Для наступної схеми можна записати:

звідки - врахуємо шуми подальших каскадів. В середньому .

Вт. , бо впевнений прийом при Р в 2 рази меншій, ніж максимальній.

Балансний змішувач.

Якщо уявити, що у генератора є деякий контур, то при перекритті та може виникнути биття генератора з самим собою навіть при відсутності сигналу. Балансний змішувач бореться саме з цим – він знищує гармоніки гетеродина.

Розглянемо його схему:

ГГ – гармоніка гетеродина. На двох діодах сигнал має різні полярності. Струм проміжної частоти залежить від фази на діоді. Отже струм від гетеродина буде в один бік, і на котушці приймача перетвориться в нуль. Сигнал струму буде фіксуватися окремо.

Керування параметрами НВЧ за допомогою діодів.

- діод – використовується для керування амплітудою НВЧ.

Лекція 23 Вимірювання опорів.

Узгодження опорів – задача про проходження хвиль між перешкодами без відбиттів. Однак, спочатку треба виміряти ці опори.

Метод вимірювальної лінії: вимірювальна лінія – це зонд, який переміщується в середині хвильовода і реєструє відповідні струми (пучності чи мінімуми).

Крім того, визначаються координати мінімуму і вимірюються відстані від мінімуму до навантаження, звідки: . Підключаємо між генератором і навантаженням вимірювальної лінії, потім визначаємо .

Узгодження опорів.

Треба зробити, щоб стержень в хвильоводі забирав максимум енергії. Це можливо при узгодженні опорів.

Нехай в лінію з опором підключили навантаження . , тому частина енергії відбивається. Можна паралельно підключити лінію з закороткою, яку можна рухати вздовж лінії. Це шлейфовий трансформатор або тромбон. Опір шлейфа: . Ми ставимо закоротку на кінці шлейфу, , тоді . Таким чином ми можемо ввести в лінію будь-який реактивний опір (закоротка не вносить активного опору).

Нехай . Визначимо опір лінії у довільній точці : .

На діаграмі ці опори розташовані на колі з центром в (0,0) та радіусом (опір ) – це коло відповідає незмінному КСХ, він дійсно постійний для лінії. В точці перетину кола з маємо . Цій точці відповідає певна точка на хвильоводі. Якщо в цій точці підключити шлейф, то реактивний опір можна міняти як завгодно. Також можна зробити так, що - тоді не буде відбиття.

Фізично шлейф компенсує відбиту хвилю, тобто створює таку ж за амплітудою і протилежну за фазою.

Розглянемо схему з двома шлейфами:

Знайдемо опір у місці підключення першого шлейфу, зумовлений .

Для цього йдемо по пунктирному колу (див. Діаграму нижче) на відстані, відповідній .

Ми можемо змінювати шлейфом реактивний опір, залишаючи активний постійним.

Знову зсуваємося на відстань між двома шлейфами.

Аналогічно другим шлейфом змінюємо активний опір. В результаті прийдемо в точку А, де КСХ значно менший ніж початковий. Ми не отримали ідеальне узгодження. З теорії: узгодження при фіксованих відстанях між шлейфами можна створити при наявності 3-х шлейфів.

Ми змінювали опір шлейфа так, щоб опинитись на , тому, що ми отримаємо найменший КСХ. Виявилось, що можна придумати метод, яким КСХ можна створити ще меншим.

Лекція 24 Чвертьхвильовий трансформатор.

Нехай маємо два хвильоводи: , ; та стоїть задача передати енергію з одного в інший. Це можна зробити, з’єднавши їх відрізком хвильоводу з деяким опором .

Виявляється, що , для узгодження. Підрахуємо це: . Тут , тоді , це фактично резонансний пристрій.

Для широкосмугового узгодження роблять багато “східців”:

Або ж плавний перехід (однак він більш довгий):

Узгодження в МЕ.

Потрібно щось увімкнути між генератором та опором, щоб виділялась максимальна потужність. Зробимо так як показано на малюнку:

Підрахуємо опір в точці а: , , , , тобто . Таким чином маємо коливальний контур на частоті . Тобто, - це повинно дорівнювати , тобто - цим умовам має задовольняти контур .

Таким чином, для узгодження опір необхідно включати в паралельний коливальний контур. Тепер ми знаємо повну теорію узгодження.

Щоб збільшити ширину смуги пропускання, використовують більш складні ланцюги, це зв’язані ланцюги, тут смуга пропускання ширша:

А що робити, якщо необхідно узгодити комбінований опір, наприклад . В таких випадках включають послідовно : , а потім узгоджують так само як і в попередньому випадку.

Взагалі, використовують два методи:

Комбінація штирів.

Комбінація .

Лекція 25 Заміна ліній передачі зосередженими елементами.

Для лінії передачі: . Для чотириполюсника на зосереджених елементах: .

Для того, щоб можна було провести заміну лінії на зосереджений чотириполюсник, необхідно, щоб вирази для їх були еквівалентні. Прирівнявши, одержимо: , , .

Розглянемо схеми які використовуються на практиці:

ПФВЧ: , .

ПФВЧ: , .

Задача: Представимо - трансформатор у вигляді зосереджених елементів ТФВЧ.

, , , , .

- опір .

трансформатора

, звідки .

Таким чином, конструктивно цей перехід виконується так:

Задача: Узгодження транзистора. , . Треба узгодити з лініями 50 Ом.

1,2

5

10

1,5

Для цього перетворимо еквівалентну схему:

Отже, ця схема - узгоджена.

Лекція 26 Вимірювання потужностей НВЧ.

НП – детектори не можуть використовуватись для вимірювання, бо з часом вони самі змінюються, тобто не існує однакових НП – детекторів. Найбільш точні методи – калориметричні, але вони розраховані на великі потужності (>1Вт). Використовують термістори і болометри:

_•- НП-бусинка. Це все поміщують у термостат. Але це знову ж дає мало переваг у порівнянні з НП-детекторами.

Тоді можна записати:

, звідки маємо .

Перевага бусинки - в електроніці. Намалюємо вимірювальний міст: - з’являється тому, що НВЧ нагріває по поверхні, а батарейка - по об’єму.

Спочатку міст балансується опором тобто гальванометр нічого не показує.

Подаємо НВЧ, тобто болометр перегрівається, баланс порушується. Для встановлення балансу опір збільшуємо так, щоб загальна потужність: . Для точності використовують . Інколи потрібно зменшити падаючу потужність. Для цього використовують атенюатори (поглинаюча пластина, що вставляється в хвилевід). Вони можуть зменшувати потужність на 30-40 дБ. Існують прецизійні атенюатори, точність 0,01 дБ:

, а потужність, що поглинається, . А залежність кута можна визначити точно.

Існують направлені відгалужувачі:

У випадку, зображеному справа, потужність йде в одному напрямку:

Лівий відгалужувач реагує лише на відбиту хвилю, правий – на падаючу. Компаратор автоматично рахує Г.

У мікроелектроніці використовують мікросмужкові шлейфові відгалуджувачі.

Існують розподілені розгалджувачі – (для верхньої смуги пропускання) – тут випромінює щілина.

Записуємо за принципом Гюйгенса: , проінтегрувавши одержимо:

, коефіцієнт направленості - можливо таке, що . При - це направлений відгалужувач. Однак, розміри цього відгалужувача пропорційні довжині хвилі, що дуже багато. Тому використовують відгалужувач Бете:

Виявляється, що зв’язок цього хвильоводу з трубами існує по ЕМП, і фаза зв’язків по ЕП та МП – різна. Розглянуто зв’язок по ЕП, тепер по МП:

- тобто хвиля піде лише у ліву трубу: від діелектричного зв’язку все “+”, від магнітного “+” та “-“, тобто в правій трубці . Хвиля піде у ліву трубу.

Лекція 27 Вимірювання довжини хвилі та частоти.

Найпростіший вимірювач – вимірювальна лінія. Намалюємо її:

Тут максимум та мінімум – нечіткі, тому краще помістити у резонатор:

. Це – ВСТ, хвильоводи середньої потужності. Для більшої точності є гетеродинні вимірювачі частоти, котрі працюють зі стандартними генераторами частот.

Гетеродином може бути кварц чи молекулярний випромінювач на (точність 10^-12), також іноді використовується ефект Мьосбауера (точність 10^-17).

Випромінювання затухання.

Розглянемо метод відношення потужностей:

Якщо детектор лінійний, то , якщо ж детектор квадратичний, то .

Однак, цей спосіб неточний, він залежить від приладу. Тому існує його модифікація – метод еталонного атенюатора. Тут використовується прецизійний атенюатор:

, - незалежно від властивостей детектора, бо на ньому завжди 100 поділок.

Особливості техніки міліметрових та субміліметрових хвиль.

Виготовлення хвилеводів під субміліметрові хвилі проблематичне бо характерні розміри хвильоводу мають порядок 0,1мм. Втрати: , . Тобто такі хвилеводи використовувати неможливо. Межі застосування:

Смужкові – до 300-400 ГГц.

Мікросмужкові – до 100 ГГц.

Коаксіальні кабелі – до 50 ГГц.

Потреба в освоєнні даного діапазону пов’язана із “забитістю” інших.

Діелектричні хвильоводи для теж погані, бо ці частоти відповідають оптичним фотонам у ТТ – ЕМХ замість розповсюдження починає збуджувати коливання атомів ТТ. Це – фундаментальна проблема, її не можна “обійти”.

Тому роблять так звані лінзові хвильоводи – чим менше діелектрика, тим менше втрати. Тому намагаються зменшити кількість лінз за рахунок збільшення фокусної відстані. Однак, завжди є дифракція. Чим більша фокусна відстань, тим більші втрати, пов’язані з дифракцією. Фокусна відстань Релея - це максимальна фокусна відстань лінзи.

Втрати лінзового хвильоводу 1-1,5 . Для виготовлення лінз використовують тефлон. Для того, щоб змінити напрямок розповсюдження, можна поставити дзеркало.

Розглянемо ряд приладів на основі лінзових хвильоводів:

Напрямлений відгалуджувач: аналог в НВЧ (див. Мал. Справа): відгалуджує хвилю А, не реагує на хвилю В. непівпрозоре дзеркало створює такий ефект в оптиці (див. Мал. Зліва).

Резонатор. Плоскопаралельний дзеркальний резонатор: . Служить для відбору хвиль певної довжини.

Можна використати розділення і злиття хвиль. Важлива фаза після проходження та .

Лекція 28 Генерування та підсилення НВЧ. Підсилювач на тунельному діоді.

ВАХ тунельного діоду має від’ємну ділянку, де . Будь-який діод можна представити еквівалентною схемою:

В термінах цієї схеми буде (тут ми врахували опір переходу ). Звичайні значення . Підрахуємо загальний опір діоду . Знехтуємо паразитичною ємністю , тоді , тут введено позначення: , . У формулі - по модулю, тобто його від’ємність вже враховано. Графічний вигляд опору чи іншої комплексної величини, де параметром є частота, представляється годографом. Зобразимо його:

- це резонансна частота діода, вона відповідає чисто реактивному опору. - гранична частота, на якій опір перестає бути від’ємним.

Може бути картина, коли