Линии передачи
advertisement
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
