Transcript BVMT_obvody - hofyland.cz v2.0

Základní pasivní
mikrovlnné obvody
1
Mikrovlnné vlnovodové zeslabovače
(atenuátory)
Odporové (absorpční) zeslabovače
V těchto zeslabovačích vzniká útlum absorpcí elmag. vlny a
její přeměnou v teplo ve ztrátovém dielektriku, ve špatně
vodivých stěnách vlnovodu nebo v odporových deskách
vložených dovnitř vlnovodu.
 Zeslabovač s
g / 4
a
příčně posuvnou odporovou deskou
b
x t
dielektrická
deska
odporová
vrstva
l
2
l Z 0TE10
2 x
L  8,68  
 sin a
a R
[dB]
kde R = 1/t je tzv. čtvercový plošný odpor absorpční vrstvy
a Z0TE10 je charakteristická impedance vlnovodu pro vid TE10.
Obvyklá velikost plošného odporu R činí 100 až 800 .
 Nožový atenuátor se používá především na milimetrových
vlnách.
dielektrická deska
s odporovou vrstvou
b
l
a
3
 Otočný odporový zeslabovač vyniká snadnou obsluhou,
vysokou přesností a malou kmitočtovou závislostí útlumu.

1
1

2
3
2
3
L  40  log
1
cos φ
[dB]
4
 Neproměnné odporové zeslabovače – útlumová vložka je
nepohyblivá a může být rozměrná s dobrým odvodem tepla.
Kromě neproměnného deskového zeslabovače se užívá i
konstrukce, v níž ztrátové dielektrikum vyplňuje celý objem
části vlnovodu. U jiné varianty výkonového zeslabovače je
vlnovod rozšířen v hranolové pouzdro, které je až po
normální průřez vlnovodu vyplněno útlumovou hmotou;
útlum ztrátami pak nastává v těchto „stěnách“ vlnovodu.
5
Bezodrazové koncovky
Bezodrazová koncovka (přizpůsobená zátěž, zakončovací
odpor) absorbuje celý výkon postupné vlny. Zároveň musí být
sama koncovka co nejlépe impedančně přizpůsobena.
6
Mikrovlnné posouvače fáze
Posouvač fáze (fázovač) je dvojbran sloužící ke změně fázového úhlu  postupné vlny na vedení. Při průchodu vlny
úsekem vlnovodu délky l vznikne fázový posuv
Φ =  β  l =  2 
l
λg
Zde λg je délka vlny ve vlnovodu a záporné znaménko vyjadřuje, že výstupní vlna je za vstupní vlnou fázově zpožděna.
Odtud plynou možnosti konstrukce fázovačů:
 změnou délky vlnovodu nebo vedení l,
 změnou vlnové délky λg změnou průřezu vlnovodu,
 změnou λg vložením dielektrických částí dovnitř vlnovodu.
7
Fázovač se změnou průřezu – změnou rozměru a se mění
mezní vlnová délka vidu TE10 a tím i délka vlny g . Změna
fázového úhlu (fázový zdvih) je
Φ    
λg  l
 a
4a 3
l
a
a
8
Fázovače s pohyblivými dielektrickými částmi – princi-
pem je zmenšení fázové rychlosti postupné vlny jejím průchodem dielektrickým materiálem s relativní permitivitou r > 1.
 Fázovač s příčným posuvem dielektrické desky
a
r
Φmax
2 
2
2
λ
2
d
λ

 1   1  ε 1    l
 2a 
 2a  
λ 
r
a
 
 
d
b
dielektrická deska
Na stejném principu pracuje i nožový fázovač, u něhož se
dielektrická deska zasouvá do vlnovodu podélnou štěrbinou.
9
 Otočný fázovač

45°
1
2
3
4
5
Φ  2φ
10
Směrové vazební členy
(směrové odbočnice)
Jejich úkolem je odbočit část přenášeného signálu z hlavní
vlnovodové trasy do vedlejší větve, kde tento odbočený signál
dále zpracováváme. Požadujeme přitom, aby toto odbočení
nevneslo do hlavního vlnovodu žádné přídavné odrazy a aby
změny pracovních poměrů ve vedlejší větvi neovlivňovaly
hlavní větev mikrovlnné aparatury.
Věta o existenci ideální směrové odbočnice: Každý
bezeztrátový, reciproční a totálně přizpůsobený čtyřbran je
ideální směrovou odbočnicí.
11
Základní parametry směrových odbočnic
Vazební útlum (coupling) C
P1
[dB]
C  10  log
P13
Průchozí (vložný) útlum
(insertion loss) IL
P1 [dB]
IL  10  log
P12
Izolace (isolation) I
P1
P2
I  10  log
 10  log
P14
P23
P14
P1
P12
P24
P21
P13
P23
P2
[dB]
12
Směrovost (directivity) D vyjadřuje míru rozdělení vstupního signálu mezi brány 3 a 4
P13
P13
D  10  log
 10  log
[dB]
P14
P23
P14
P1
U ideální odbočnice je D =  .
I = C + D [dB]
Zpětný útlum (return loss)
RL charakterizuje odrazy vln
na vstupních branách SO
P12
P24
P21
P13
P23
P2
P1
1
1
[dB]
RL  10  log
 10  log 2  20  log
ρ
P1odr
ρ
13
Hlavní typy
vlnovodových směrových odbočnic
 Betheova směrová odbočnice
Odbočnice s jediným malým vazebním otvorem –
Elektrická
me- se musí realizovat
3
vazba
obouvazba
vlnovodů
jak elektrickou, tak i
zi vlnovody nezávisí
magnetickou
složkou elektromagnetického pole ve vlnovodu.
na úhlu ψ , magneD
1
tická vazba je úměrná hodnotě cos ψ .
Při
λ 2
1

1   
2  cos ψ
 2a 
2
4

je brána 4 dokonale izolována. Při ψ = 90° ztrácí odbočnice
své směrové vlastnosti a brány 3 a 4 jsou stejně buzeny. Při
ψ = 0° má odbočnice směrové vlastnosti jen při λ0 = 1,41·a .
14
Odbočnice s několika vazebními otvory – směrové vlast-
nosti jsou důsledkem skládání vzájemně fázově posunutých
vln při šíření mezi vazebními otvory, jimiž jsou vázány oba
vlnovody.
 Odbočnice se dvěma otvory vzdálenými o λg / 4
Vlnovody jsou vázány dvěma kruhovými vazebními otvory
uprostřed společné stěny. Vlny prozářené vazebními otvory
z hlavního do vedlejšího vlnovodu se v něm setkávají v
jednom směru se stejnou fází a sečítají se (rameno je
vybuzeno), v opačném směru se setkávají s opačnou fází
a vzájemně se ruší (rameno se nevybudí).
Základní nevýhodou tohoto jednoduchého principu je
značná kmitočtová závislost směrovosti odbočnice.
15
 Odbočnice se dvěma otvory vzdálenými o λg /4 s opačnou fází
Vhodným umístěním vazebních otvorů se napětí
v místě štěrbin kromě fázového posunu o β· d liší
ještě o 180° (jsou v
protifázi).
C  20  log
3
4
U14 = 0
1
2
3
4
1
2
1
U1
 20  log
U13
2K  sin β d
D  20  log
U13
 
U14
Směrovost odbočnice nezávisí na kmitočtu a je nekonečně velká.
16
Ribletova
odbočnice
Schwingerova
odbočnice
Morenova
odbočnice
Morenova
odbočnice
17
 Odbočnice s jedním velkým vazebním otvorem, příp.
odbočnice s mnoha vazebními otvory
vazební štěrbina
U těchto odbočnic lze realizovat jak slabou, tak i silnou vazbu,
vysokou směrovost (větší než 35 dB) a současně velkou šířku
pásma (až jednu oktávu). Mnohoštěrbinové vlnovodové odbočnice proto patří k nejdokonalejším a nejužívanějším typům
zejména v mikrovlnné měřicí technice.
18
Vlnovodové reaktanční členy
Jejich úkolem je vytvořit ve vlnovodu bezeztrátový prvek
požadovaného reaktančního charakteru, tj. prvek chovající se
jako induktor, kapacitor či zkrat. Reaktanční elementy se ve
vlnovodové technice realizují
 posuvnými zkratovacími písty,
 tlumivkami,
 vlnovodovými clonami a kolíky (šrouby).
Reaktanční členy se uplatňují v konstrukci bezeztrátových
impedančních transformátorů a především kmitočtových filtrů.
19
Vlnovodové písty a tlumivky
Vlnovodové písty slouží k vytvoření zkratu (nulové impedance) v určitém průřezu vlnovodu. Měřítkem kvality pístu je
hodnota vstupního poměru stojatých vln v pracovním pásmu
kmitočtů, která u pevných vlnovodových či koaxiálních zkratů bývá až 500, u posuvných pístů nemá klesnout pod 150.
Posuvným zkratovacím pístem můžeme realizovat i nekonečně velkou impedanci jeho posunutím o g/4 vůči
původní poloze.
Typické konstrukce vlnovodových pístů jsou bezkontaktní
a využívají několikanásobné čtvrtvlnné (inverzní) transformace impedance v úsecích vlnovodu s různými velikostmi
charakteristické impedance.
20
 Tlumivkový píst
ZK
2
Z VST
Z 
  01   Z K
 Z 02 
Při Z01 << Z02 je
ZVST  0.
 Žlábkový píst
21
 Rotační píst v obdélníkovém vlnovodu
Pro správnou činnost musí být co nejostřeji splněny
nerovnosti Z01 << Z02 >> Z03 << Z04 .
22
Vlnovodové clony
Induktivní
clona
deforJsou
to tenké
kovové
přepážky, které částečné přehrazují
muje především
magne- V obdélníkových vlnovodech se
příčný
průřez vlnovodu.
tické pole ve užívají
vlnovodu.symetrické induktivní, kapacitní a
nejčastěji
rezonanční clony.
bL
λg
2  dL
 
 cotg
a
2a
Kapacitní clona zvyšuje
koncentraci elektrického
pole v daném místě.
bC  
 dC
4b
 lncosec
2b
λg
23
Rezonanční clona (rezo-
nanční okno) je tvořena kovovou přepážkou s obdélníkovým, příp. kruhovým otvorem. Její rozměry lze navrhnout tak, že na daném kmitočtu clona neovlivňuje přenos dominantního vidu TE10
vlnovodem.
b
2
λ


0
a  1  
 2a 

b
2
λ


0
a  1  

 2a 
24
Vlnovodové kolíky
Induktivní
kolík spojuje
jsou
kolíky (šrouby)
zasunuté do vlnovodu ve směru elekširší stěny
obdélníkového
trických
či magnetických
siločar. Ve vlnovodu plní podobnou
vlnovodu
ve směru
elektricroli
jako kovové
clony.
kých siločar dominantního
vidu a realizuje tak vodivou
spojku pro příčné vodivé
proudy.
bL  
2 λg

a
d
sin a
2a
ln
r
Kapacitní reaktance jsou způsobeny
nenulovou tloušťkou kolíku a jsou tím
menší, čím je kolík tenčí.
Výhody:  jednoduchá konstrukce,
 snadná montáž do obdélníkového vlnovodu
 prakticky nezmenšují maximální přenášený výkon.
25
Kapacitní kolík je zasunut
do vlnovodu ve směru siločar
elektrického pole dominantního vidu. Vodivá část kolíku
představuje induktivní složku
impedance, rozptylové elektrické pole jeho konce vůči
dolní stěně vlnovodu vytváří
kapacitu. Při hloubce zasunutí
l  l0 
λg 2 d  r

2d
4
2  ln
r
Kapacitní charakter má rovněž impedance kolíku spojujícího
boční
užší stěny
obdélníkového
vlnovose sériový rezonanční obě
obvod
dostává
do rezonance
a vlnovod
je v
du
kolmo
k
siločarám
elektrického
pole.
daném průřezu pro daný kmitočet prakticky zkratován.
26
Vlnovodové filtry
Kmitočtové filtry vytvořené z dutých kovových vlnovodů se
v mikrovlnné technice používají pro nejnáročnější účely a
pro nejvyšší kmitočtová pásma. Na rozdíl od koaxiálních či
mikropáskových filtrů je lze použít k vytváření vysoce
selektivních filtračních soustav při vysoké hodnotě
přenášeného výkonu.
V konstrukci vlnovodových filtrů se velmi často využívají
transformační vlastnosti čtvrtvlnných úseků vedení (vlnovodu). V teorii filtrů se čtvrtvlnný úsek vlnovodu nazývá
impedančním invertorem.
27
Pásmová propust
Paralelní rezonanční obvody jsou realizovány půlvlnnými vlnovodovými rezonátory omezenými induktivními clonami a dolaďované
kapacitními šrouby. Sériový rezonanční obvod je tvořen stejným
rezonátorem inverzně transformovaným dvěma čtvrtvlnnými
vazebními úseky vlnovodu.
28
Pásmová zádrž
Pásmovou zádrž tvoří půlvlnné rezonátory připojené vazebními
otvory k obdélníkovému vlnovodu ve vzdálenostech 3g/4. Rezonátory jsou kvádrové nebo válcové. Vliv vazebních otvorů na
impedanci základního vlnovodu se kompenzuje výstupky na
protější stěně vlnovodu.
29
Vlnovodová konstrukce
vstupu radiolokačního
vysílače - přijímače
k anténě
f
W
od magnetronu
k přijímači
f
W
V
GŠ
P
30