Transcript TWCZ6_-_elementy_bierne - Studia

Elementy bierne w.cz.
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
1
Elementy bierne w.cz.
Elementy bierne układów w.cz.
prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Politechnika Warszawska
Instytut Systemów Elektronicznych
ul. Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa
e-mail: [email protected],
tel: (48-22) 8253709
fax: (48-22) 8252300
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
2
Elementy bierne w.cz.
Dopasowane obciążenia falowodowe
Prostokątny falowód metalowy
Stratny materiał rezystywny
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
3
Elementy bierne w.cz.
Dopasowane obciążenia wspólosiowe
Przekroje osiowe dopasowanych obciążeń
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
4
Elementy bierne w.cz.
Dopasowane obciążenia na liniach
mikropaskowych
- metalowy pasek
Dielektryczny laminat
- podłoże linii
L
R = Rs
W
Warstwa rezystywna
RS – rezystancja warstwowa
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
5
Elementy bierne w.cz.
Dopasowane obciążenia MMUS
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
6
Elementy bierne w.cz.
Planarne indukcyjności skupione
i ich obwody zastępcze
l << λg/8
Metalowe
paski na dielektrycznym
podłożu
l <<
g / 4
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
 2l 
Z
0

L=
sin 

2f
 g 
C=
 l 
1
tg  
2f Z 0   g 
7
Elementy bierne w.cz.
Indukcyjność drutu o przekroju kołowym:
 4l 
 l

L[nH / m m]  0,2ln  1  0,2ln  0,386
 d

 d

l – długość, d – średnica drutu
Indukcyjność na jednostkę długości: 1 nH/mm !!!
A dokładnie, dla drutu o przekroju kołowym:
dla d = 17 μm, L = 0,94 nH/mm,
dla d = 25 μm, L = 0,87 nH/mm, oraz
dla d = 37 μm, L = 0,79 nH/mm.
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
8
Elementy bierne w.cz.
Pojemności skupione
i ich obwody zastępcze
S [mm2]
C [pF]= 8,84  10  r
t [mm]
3
l
 2l 
1

C
sin 

Z 0   g 
 l
L
tg 
   g
Z0
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska




9
Elementy bierne w.cz.
Layout
Obwody zastępcze
Rozłożone elementy
reaktancyjne i ich
obwody zastępcze
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
10
Elementy bierne w.cz.
Szeregowe elementy reaktancyjne –
linia szczelinowa i falowód koplanarny
Obwody
zastępcze
Layout
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
11
Elementy bierne w.cz.
Równoległe elementy reaktancyjne –
falowód koplanarny
Obwody
zastępcze
Layout
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
12
Elementy bierne w.cz.
Metalowa przesłona indukcyjna –
metalowy falowód prostokątny
Przekrój poprzeczny falowodu
w płaszczyźnie przesłony P-P
P
B
Y0
=
2  d 
ctg  
a
 2a 
g
Obwód zastępczy
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
13
Elementy bierne w.cz.
Metalowa przesłona pojemnościowa –
metalowy falowód prostokątny
Przekrój poprzeczny
w płaszczyźnie
Przesłony P-P
P
B
Y0
=

 d  
ln  cosec  
 2b  
g 
4b
Obwód zstępczy
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
14
Elementy bierne w.cz.
Metalowa śruba w metalowym
falowodzie prostokątnym
Obwód zastępczy
Przekrój wzdłuż falowodu,
przechodzący przez oś śruby strojącej
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
15
Elementy bierne w.cz.
Przejścia linia współosiowa – falowód
prostokątny
Przekrojee wzdłuż falowodów
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
16
Elementy bierne w.cz.
Przejście linia współosiowa – linia
mikropaskowa
Złącza
współosiowe
Przekroje wzdłuż
paska linii mikropaskowej
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
17
Elementy bierne w.cz.
Przejście linia wspólosiowa – linia
szczelinowa
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
18
Elementy bierne w.cz.
Przejście linia mikropaskowa – linia
szczelinowa
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
19
Elementy bierne w.cz.
Przejścia: linia mikropaskowa – falowód koplanarny
linia współosiowa – falowód koplanarny
linia szcelinowa – falowód koplanarny
Obszary zakreskowane
- metalizacja
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
20
Elementy bierne w.cz.
Dzielnik mocy Wilkinsona
Paski linii mikropaskowych
2 Z0
Z0
Z0
R=2Z0
λ/4
Z0
 0
1 
S
j

2
 j
j
0
0
 j
0 
0 
Macierz rozproszenia
idealnego
dzielnika mocy
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
Elementy bierne w.cz.
Transformator symetryzujacy
Layout metalowych
pasków na dielektrycznym
podłożu
Obwód zastępczy
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
22
Elementy bierne w.cz.
Sprzęgacz kierunkowy
C [dB] = 10 log10 P1
P4
sprzężenie
D [dB] = 10 log P4
P3
kierunkowość
I [dB]= 10 log10 P1
P3
izolacja
I [dB] = C [dB] + D [dB]
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
23
Elementy bierne w.cz.
Macierz rozproszenia sprzęgacza
kierunkowego
Z definicji:
S 13 = S 31 = S 24 = S 42 = 0
Z odwracalności:
S 12 = S 21 ; S 34 = S 43
Z symetrii:
0

S
0

 j
S 14 = S 41 = S 23 = S 32
S 12 = S 21 = S 34 = S 43
Z bezstratności:

0
j
0
S 14 = S 41 ; S 23 = S 32
SS*T = I
0
j
0

j 
0 


0
Macierz jednostkowa
S 12 = 
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
S 14 = j
24
Elementy bierne w.cz.
a) wszystkie cztery wrota sprzęgacza kierunkowego są dopasowane,
b) przesunięcie fazy sygnałów wyjściowych sprzęgacza wynosi 900,
c) parametry α i β spełniają równanie:
2
+
=1


2
co oznacza, że macierz rozproszenia sprzęgacza posiada tylko jeden
wyraz niezależny, np. α,
d) każda z linii transmisyjnych 1 - 2 i 3 - 4 może być użyta jako linia główna,
jako linia pobudzana.
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
25
Elementy bierne w.cz.
Sprzęgacze kierunkowe – falowód
metalowy
Widoki perspektywiczne
sprzęgaczy
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
26
Elementy bierne w.cz.
Sprzęgacze kierunkowe – falowód
prostokątny
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
27
Elementy bierne w.cz.
Przekroje poprzeczne linii sprzężonych
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
28
Elementy bierne w.cz.
Sprzężone linie transmisyjne
Pobudzane „parzyście”
Sprzężone linie transmisyjne
pobudzane „nieparzyście”
Superpozycja parzystego
i nieparzystego pobudzenia
sprzężonych linii transmisyjnych
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
29
Elementy bierne w.cz.
Rozkład pola EM
a) pobudzenie symetryczne
b) pobudzenie niesymetryczne
Pobudzenie symetryczne
- „parzyste”
Pobudzenie niesymetryczne
- „nieparzyste”
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
30
Elementy bierne w.cz.
Rozkład pola EM w pojedyńczej linii transmisyjnej
a) pobudzenie parzyste
b) pobudzenie nieparzyste
Parzyste
Nieparzyste
Wirtualne pojedyńcze linie transmisyjne
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
31
Elementy bierne w.cz.
Gdy
Parametry rozproszenia
Z 0 = Z 0e Z 0o
S 11  0
S 12 =
1- k2
1 - k 2 cos + j sin 
S 13  0
S 14 =
jk sin 
1 - k 2 cos + j sin 
Z 0e - 1
k = Z 0o
Z 0e + 1
Z 0o
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
32
Elementy bierne w.cz.
Na częstotliwości, dla której θ = 900, czyli l = λg/4
2
S 12 = - j 1 - k
S 14 = k
l – długośc obszaru
sprzężęnia linii
Sprzężenie sprzęgacza:
1
1
C[dB] = 10log P1 = 10 log
=
10
log
2
| S14 |2
k
P4
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
33
Elementy bierne w.cz.
Sprzęgacz kierunkowy Lange’a
Layout metalowych pasków linii mikropaskowych
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
34
Elementy bierne w.cz.
Falowodowe „magiczne T”
Widok perspektywiczny
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
35
Elementy bierne w.cz.
S 14 = S 24 =
Symetria:
1
2
S 34 = S 43 = 0
S 13 = - S 23 =
Odwracalność:
S 14 = S 41 = S 24 = S 42 =
Bezstratność:
1
2
S 11 = S 22 = 0
2
Macierz rozproszenia
magicznego T
- idealnego
S 13 = S 31 = - S 23 = - S 32 =
S S*T = I
S12 = S 21 = 0
1
1
2
0 0 1
0 0  1
1 
S
2 1  1 0

1 1 0
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
1
1
0

0
36
Elementy bierne w.cz.
Pierścień hybrydowy
Macierz S
pierścienia
idealnego
Layout metalowych
pasków linii mikropaskowych
0 0 1

1 0 0  1
S
2 1  1 0

1 1 0
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
1
1
0

0
37
Elementy bierne w.cz.
Gałęziowy sprzęgacz kierunkowy
Layout
metalowych pasków
linii mikropaskowych
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
Macierz S
sprzęgacza
idealnego
0 0 1 j 


1 0 0 j 1 
S
2 1 j 0 0 


 j 1 0 0
38
Elementy bierne w.cz.
Sprzęgacz kierunkowy
linia szczelinowa/linia mikropaskowa
Linia szczelinowa
Linia mikropaskowa
Layout metalowych pasków linii sprzęgacza
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
39
Elementy bierne w.cz.
Magiczne T
linia szczelinowa/falowód koplanarny
Metalizacja
Layout planarnego magicznego T
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
40
Elementy bierne w.cz.
Rozgałęzienie hybrydowe 3 dB/1800
wersje z elementami skupionymi
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
41
Elementy bierne w.cz.
Rozgałęzienie hybrydowe 3 dB/900
z elementami o parametrach skupionych
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
42
Elementy bierne w.cz.
Odbiciowy, jednobitowy cyfrowy
przesuwnik fazy
Źródło sygnału
We
Wy
Obciążenia
Para linii transmisyjnych
obciążonych
regulowanymi zwarciami
(o zmienianej długości)
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
43
Elementy bierne w.cz.
 b1 
0 0 1 j   1 
b 
0 0 j 1   0 
1
 2=



 j
b3 
2 1 j 0 0 b3 e 
 

   j 
b
j
1
0
0

 b4 e 
 4
a1 = 1
a2 = 0
a 3 = b3 e
a 4 = b4 e
b1 =
b2 =
- j
- j
1
2
1
2
( b 3 + j b 4 ) e - j
(j b3 + b4 ) e- j
b3 =
b4 =
1
2
j
2
b1 = 0
-j
b2 = a1 j e
Θ – kąt fazowy współczynników odbicia
regulowanych zwarc
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
44
Elementy bierne w.cz.
Cyfrowy regulowany tłumik
Regulowany
przesuwnik
fazy
Źródło sygnału - wejście
Obciążenia
- wyjścia
Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska
45