Линии передачи

реклама
Устройства СВЧ
Шабунин Сергей Николаевич
Доцент кафедры Высокочастотных средств
радиосвязи и телевидения
Уральского государственного технического
университета - УПИ
Классификация линий передачи
• Линии передачи с поперечными
электромагнитными волнами (типа Т)
• Линии с волнами типа Е или Н
прямоугольные и круглые волноводы
• Линии передачи поверхностных и
гибридных волн
Линии передачи с поперечными
электромагнитными волнами (типа Т)
Коаксиальные кабели
Фильтр на полосковых линиях
Линии с волнами типа Е или Н
Линии передачи
поверхностных и гибридных волн
Технические характеристики
линий передачи
• Тип волны (Т, Е, Н, ЕН)
• Диапазон рабочих частот (fmin<f<fmax)
•
•
•
•
•
Допустимая мощность
Фазовая скорость Vф=c ξ
Длина волны в линии λ=λ0 ξ
Волновое сопротивление ρ [Ом]
Коэффициент затухания α [дБ/м]
Математическая модель линии
передачи
U (z)
I (z)
U& ( z ) = U 0e− jβ z e−α z
z
E& ⊥ ( z ) = E0 e − j β z e −α z
β=
2π
λ
Коэффициент затухания
U ( z0 )
1
α = ln
,
∆z U ( z0 + ∆z )
U(z0)
1
M
⎡ дБ ⎤
⎡1⎤
α ⎢ ⎥ = 8, 68 ⋅ α ⎢ ⎥
⎣М⎦
⎣М⎦
U(z0+∆z)
z0
z0+∆z
U ( z ) = U 0 ⋅10
−
α [ дБ М ]
20
⋅z
Задача №1
На входе коаксиального кабеля напряжение равно 1 мВ. Определить
напряжение на выходе кабеля, если погонный коэффициент затухания
составляет 0,05 дБ/М. Длина кабеля составляет 40 М.
U ( z = 40 м ) = 1⋅10
−
0,05[ дБ М ]
20
⋅40
= 0, 794 мВ
Волновое сопротивление
Для коаксиальной линии
U пад ( z )
ρ=
I пад ( z )
ρ=
138
ε
lg
D
d
Pотр = Рпад ⋅ Γ
Zн
Р отр
Рн
(
2
Рн = Рпад ⋅ 1 − Γ
Zн − ρ
Γ=
Zн + ρ
2
)
Коэффициент стоячей волны
1+ Γ
КСВ =
1− Γ
U
КСВ = max
U min
U=U пад+U отр
U max
Согласованная линия:
Г=0, КСВ=1
Короткозамкнутая линия :
Г=-1, КСВ → ∞
Линия холостого хода :
Г=1, КСВ→ ∞
U min
Задача №2
К коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом
подсоединена нагрузка 50 Ом. Определить коэффициент отражения от
нагрузки, долю отраженной мощности, долю мощности, поглощенной
нагрузкой и КСВ.
50 − 75
Γ=
= −0, 2
50 + 75
2
Pотр = Рпад ⋅ −0, 2 = Рпад ⋅ 0, 04 = 4%
(
Рн = Рпад ⋅ 1 − −0, 2
КСВ =
1 + −0, 2
2
1 − −0, 2
2
2
) = 96%
= 1, 08
Входное сопротивление
нагруженной линии
β, ρ
Zн
Z вх =?
Согласованная линия:
Z н=ρ , Z вх=ρ
Шлейф холостого хода:
L
Z н→æ , Z вх=-jρctg(βL)
Z н + j ρ ⋅ tg β L
Z вх = ρ ⋅
ρ + jZ н ⋅ tg β L
Х вх
L
λ/4
3λ/4
λ/2
Коэффициент отражения
-1
Г=1
0,25 λ
Г=0,5
0,375 λ
-1
IГI
0,5
0,5
Г=0
0,125λ
1
ImГ
φГ
0,5 λ 0
1 ReГ
Γ = Γ ⋅e
jϕΓ
Номограмма нормированных
сопротивлений
~
&Γ = Z н − ρ = Z~н − 1 =
Zн + ρ Zн + 1
~
~
Rн + jX н − 1
= ~
~
Rн + jX н + 1
~
X = −0,5
~
X = 0,5
~
R = 0,5
1
rX~ = ~
X
1
rR~ = ~
R +1
~
X =0
~
R =0
~
X = −1
~
R =1
~
X =1
~
R=2
~
X =2
~
X = −2
~
X →∞
~
R →∞
Номограмма Вольперта - Смитта
Номограмма нормированных
сопротивлений
~
X =0
к генератору
1
rX~ = ~
X
1
rR~ = ~
R +1
~
R = 0,5
~
R =1
~
X =1
∆L/λ
~
X →∞
~
R →∞
Усилитель Ku диапазона,
выполненный по
микрополосковой технологии
Методы согласования нагрузок с
волновым сопротивлением линии
Узкополосное
согласование
• Четвертьволновый
трансформатор
сопротивлений
• Согласование с
помощью
реактивных
элементов
Широкополосное
согласование
• Експоненциальные
трансформаторы
• Ступенчатые
трансформаторы
• Частотная
компенсация
Четвертьволновый
трансформатор сопротивлений
ρ
ρтр, L=λтр/4
ρ
ρтр = ρ ⋅ Rн′
Zн
Задача № 3
Входное сопротивление антенны на некоторой частоте равно 300
Ом. Волновое сопротивление фидерной линии 50 Ом. Согласовать
линию с нагрузкой с помощью четвертьволнового трансформатора.
ρ тр = 300 ⋅ 50 = 122,5 Ом
Lтр = λтр / 4, М
Согласование с помощью
реактивного элемента (шлейфа)
β, ρ
β, ρ
Zн
~
~
Yн′ = 1 + j ⋅ Bн′
∆L/λ
∆L/λ
~
~
Bшл = − j ⋅ Bн′
∆Lш/λ
∆Lш/λ
~
Yн
Пример широкополосного
согласования
ρ1
ρ1
ρ2
ρ2
Элементы трактов СВЧ
(классификация по типу линий)
•
•
•
•
•
Волноводные
Коаксиальные
Полосковые
………………
Элементы связи между линиями
различного типа
Элементы трактов СВЧ
(классификация по назначению)
• Согласованные нагрузки
•
•
•
•
Разъемы и сочленения
Переходы между типами линий
Повороты линий передачи
Реактивные элементы (диафрагмы,
штыри,…)
Волноводные согласованные
нагрузки
Коаксиальные согласованные
нагрузки
Коаксиальное сочленение
Волноводное сочленение
Коаксиально-волноводные
переходы
Многополюсники СВЧ
U1пад
U2пад
U1пад = Р1пад ⋅ e − jβz
[S]
U1отр
U1отр = Р1отр ⋅ e + jβz
U2отр
z
z
⎡U1отр ⎤ ⎡ S11
⎢U ⎥ = ⎢
⎣ 2 отр ⎦ ⎣ S 21
S12 ⎤ ⎡U1пад ⎤
⋅⎢
⎥
⎥
S 22 ⎦ ⎣U 2пад ⎦
Определение элементов
матрицы рассеяния
⎧U1отр = S11 ⋅ U1пад + S12 ⋅ U 2пад
⎨
⎩U 2отр = S21 ⋅ U1пад + S 22 ⋅ U 2пад
S11 =
S21 =
U1отр
U1пад
U1пад
U 2пад =0
[S]
U 2отр
U1пад
U 2пад =0
S 21 [ дБ] = 20lg S 21
U1отр
Zн=ρ
U2отр
Матрица рассеяния отрезка
линии передачи
ρ
⎡ 0
[ S ] = ⎢ − jθ
⎢⎣e
e − jθ ⎤
⎥
0 ⎥⎦
⎡
[ S ,дБ] = ⎢
⎣
⎤
⎥
⎦
θ=βL
Измерение коэффициента
передачи шестиполюсника
Детекторная Измерительный
секция
прибор
Генератор
СВЧ
Детекторная Измерительный
секция
прибор
Генератор
СВЧ
Измеряемое
устройство
Согласованная
нагрузка
Устройства СВЧ
•
•
•
•
•
•
•
•
Фильтры
Делители и сумматоры мощности
Направленные ответвители
Фазовращатели
Циркуляторы
Переключатели и коммутаторы
Усилители и генераторы СВЧ
Детекторы СВЧ
Фильтры СВЧ
Фильтр нижних частот
Полосовой фильтр
Полосовой фильтр с
диэлектрическим резонатором
S
LO
S
L
W
n1
LO
W
n2
L
Делители (сумматоры) СВЧ
Микрополосковый делитель
мощности
Направленный ответвитель
1
3
2
4
λв/4
Волноводно-щелевой мост
Вентиль на эффекте
смещения поля
Направление распространения
волны
Циркулятор
⎡0 0 1 ⎤
[ S ] = ⎢⎢1 0 0⎥⎥
⎢⎣0 1 0 ⎥⎦
Фазовращатель
Скачать