Mikrovlnná technika

Osnova

• Úvod • Maxwellovy rovnice • Typy mikrovlnného vedení • Generace a zesílení • Maser, EPR, NMR • Použití

Úvod

Mikrovlny

– jsou elektromagnetické vlny o vlnové délce větší než 1mm a menší než 1m, což odpovídá frekvencím 300MHz a 300GHz – elmag. záření o větší frekvenci (kratší vlnové délce) je IR záření. Vlny s delšími vlnovými délkami jsou radiové vlny – dělení na milimetrové, centimetrové, decimetrové vlny – z historie (na počátku se jednodušeji měřila vlnová délka), anebo dlouhé, střední,krátké a velmi krátké vlny – objev elmag. záření učinil teoreticky J.C. Maxwell (1886) – experimentálně potvrdil H.Hertz (1888), sestavil aparaturu, která produkovala a detekovala mikrovlny ve spektru VKV

Úvod

Úvod

Soustředné parametry

• Rozměry obvodu jsou alespoň o dva řády menší než je délka vlny, která jím prochází – signál se šíří nekonečnou rychlostí, tj. ve stejném čase je všude stejná hodnota signálu • Při studiu obvodů se soustřednými parametry mají základní význam veličin jako jsou napětí a proud. Při řešení obvodů se pak také využívá Kirchhoffových zákonů.

Úvod

Rozložené parametry

• Délka vlny je srovnatelná s délkou obvodu.

• Výpočty obvodů s rozloženými parametry se provádí řešením Maxwellových rovnic a z nich odvozenými vlnovými rovnicemi – je třeba znát elektromagnetické pole, přesněji jeho elektrickou a magnetickou složku a s nimi vázanou impedanci. Jen studie prostorově-časová konfigurace těchto polí umožňuje popsat toky elektromagnetického výkonu.

V pásmech VKV (30-300MHz) a UKV (300-3000MHz) se mohou oba typy obvodů prolínat.

Obvody velmi vysokých frekvencí můžeme považovat za elektrické obvody s rozloženými parametry.

Maxwellovy rovnice

Vlnová rovnice

Typy vln ve vlnovodu

Elektrické vlny (E-vlny) neboli transverzálně-magnetické vlny (TM-vlny) – E z  0, H z = 0 – podélná složka mag. pole je rovna nulová Magnetické vlny (H-vlny) neboli transverzálně-elektrické vlny (TE-vlny) – H z  0, E z = 0 – podélná složka elektrického pole je nulová Transverzálně elektromagnetické vlny (TEM vlny) – E z = 0 i H z = 0 – mohou se šířit pouze ve vybraných typech vlnovodů – dvoj a více vodičových vlnovodech

Typy mikrovlnného vedení

Vedení

– přenosové zařízení, jehož příčné rozměry jsou mnohem menší než vlnová délka – pole má v příčné rovině stacionární charakter

Vlnovod

– rozumíme jím systém vodičů anebo dielektrik, podél kterých je možný usměrněný přenos elektromagnetické energie – příčné rozměr jsou stejné jako vlnová délka – elmag. pole má vlnový charakter i v příčném směru – existuje mezní vlnová délka  m – vlnovodem se mohou šířit pouze vlny s  <  m – ve VF a MW technice se používají převážně vícevidové vlnovody, tj. kovové trubky obdélníkového nebo kruhové průřezu

Vlnovod

Dvojlinka

– tzv. Lecherovo vedení – přenáší metrové vlny – při zvyšování frekvence rostou ztráty vyzařováním,protože je to otevřené vedení – energie se šíří mezi vodiči – snadno ovlivnitelné vnějšími poli

Vlnovod

– slouží k přenosu vysokofrekvenční energie s malými ztrátami – ve VF a MW technice se používají převážně vícevidové vlnovody, tj. kovové trubky obdélníkového nebo kruhové průřezu, případně vlnovody H nebo PI – vede elmag. vlnění až od

kritické frekvence

, vlnění nižší frekvence do vlnovodu nevstoupí – ve vlnovodech se šíří vidy TE a TM, vid TEM ne – kritická frekvence a pásmo jednovidovosti závisí na rozměrech – materiály jsou mosaz, měď, hliník

Vlnovod

Pravoúhlý vlnovod – řešení vlnové rovnice E - vlny H - vlny

Kruhový vlnovod – řešení vlnové rovnice E - vlny H - vlny

Koaxiální vedení

– přenáší decimetrové vlny –výhodou je ohebnost, používá se na propojování – vnitřní a vnější vodič jsou odděleny dielektrickou vrstvou – vně není elmag. pole – nedá se ovlivnit vnějším polem – obecně je pásmo použitelnosti shora ohraničeno mezní frekvencí dominantního vlnovodového vidu TE 11 , jehož šíření ve vlnovodu je nežádoucí – typická impedance je 50  a 75 

Koaxiální vedení

Mikropáskové vedení

– snadno se vyrábí a osazuje součástkami – dielektrická destička vyrobená ze substrátu (teflon, laminát) s kovovým proužkem navrchu, spodní část destičky je pokovená – šíří se po něm vlna podobná TEM, ale s rostoucí frekvencí přibývají složky E a H i ve směru šíření – tzv.

kvazi

TEM – elmag. pole se šíří vzduchem i dielektrickým substrátem destičky

Generace a zesílení mikrovln

– všechny elektronky používají pro svoji činnost interakci mezi svazkem elektronů a VF elektromagnetickým polem ve vakuu uvnitř skleněného nebo kovového pláště – výstup VF energie zpravidla umožňuje koaxiální sonda nebo smyčka – rozžhavená katoda emituje elektrony – tyto katody se zpravidla konstruují z kovu na jehož povrchu je oxid baria nebo wolframu – proud elektronů je fokusován do úzkého svazku anodou s vysokým napětím (alternativně se požívá solenoidální elektromagnet) – pro pulzní provoz se používá elektroda pro modulaci svazku (kladné předpětí elektrony urychluje, záporné předpětí je zpomaluje) –

elektronky s lineárním svazkem

– proud elektronů prochází elektronkou a je rovnoběžný s orientací elmag. polí –

elektronky s příčným polem

– fokusující pole je kolmé k urychlu jícímu elektrickému poli

Magnetron

– elektronka s příčným polem – magnetron se používá jako generátor vysokých výkonů a pracuje s vysokou účinností – je reprezentantem velmi vysokofrekvenčních elektronek pracujících ve zkřížených polích – na rozdíl od klystronů v něm dochází k interakci elektronů s vysoko frekvenčním polem v celém vnitřním prostoru – účinnost je 80%

Magnetron - princip

Magnetron tvoří katoda válcového tvaru a kolem ní je umístěna anoda taktéž válcového tvaru. Na vnitřní straně anody je pak umístěn systém dutinových rezonátorů naladěných na požadovanou výstupní frekvenci.

Vnější stejnosměrné mag. pole je orientováno rovnoběžně se společnou osou katody a anody. Dráha elektronů emitovaných katodou je urychlo vána a zakřivována vnějším mag. polem, takže výsledkem je kruhová dráha kolem katody. Přitom také dochází ke shlukování elektronů. Proud elektronů indukuje v rezonančních komorách VF kmity, které jsou odváděny vlnovodem.

Magnetron

Magnetron

Klystron

– jde o elektronku s lineárním svazkem, která je využívána jako oscilátor i zesilovač a)průletový – využívá rychlostní modulace elektronového svazku mikrovlnným polem – ZESILOVAČ b)reflexní – rezonanční dutina má kladné předpětí, za ní je umístěn tzv. reflektor (elektroda se záporným předpětím). Tím vzniká kladná zpětná vazba a tedy i oscilace – klystrony lze přelaďovat mechanicky změnou rozměrů rezonanční dutiny – výkon kolem 1MW – nevýhoda – nízkopásmový

Klystron - princip

Elektronový paprsek vystupuje z katody, je urychlován potenciálem U 0 a prochází mezi mřížkami g 1 a g 2 , k nímž je připojen dutinový rezonátor Střídavé napětí vysoké frekvence mezi mřížkami způsobí rychlostní modulaci elektronového svazku. Takto rychlostně modulovaný elektro nový svazek vstupuje do brzdného elektrického pole mezi mřížkou a g 1 a reflektorem R. Za předpokladu, že el. pole je zde homogenní a konstantní, pohybují se elektrony ve směru k reflektoru rovnoměrně zpožděně a po zabrzdění se vrací k mřížkám. Průletová doba elektronů urychlených VF polem je delší než průletová doba elektronů zbrzdě ných. V brzdném poli proto dochází k přeměně rychlostní modulace na hustotní modulaci el. paprsku, vznikají shluky elektronů, které se vracejí zpět do prostoru mřížek. Prochází-li tyto shluky mezi mřížkami v okamžiku, kdy VF napětí mezi mřížkami jejich pohyb brzdí, dodávají elektrony energii VF poli v rezonátoru a klystron kmitá.

Klystron

Klystron

Permaktron

Ve vlnovodu opatřeném vhodnou periodickou strukturou, která zpoma luje běžící vlnu, se pohybuje svazek elektronů. Na elektron, který se pohybuje stejnou rychlostí jako elektromagnetická vlna, působí síla, která nezávisí na čase. Jestliže je touto silou brzděn, předává energii poli, a to – na rozdíl od klystronu – po dlouhou dobu. Elektron, který vstoupí do pole vlny v nevhodném okamžiku, bude urychlován též dlouhodobě. V šířící se vlně však dochází ke shlukování elektronů, za určitých podmínek je počet brzděných elektronů větší, než urychlovaných – signál se zesiluje. rezonátor reflexního klystronu působí na elektronový svazek soustředěně – zpožďovací struktura má např. tvar obdelníku – vlna běží po této dráze, zpomalení délka ku šířce až 10X – např. urychlovače

Karcinotron

– elektronka se zpětnou vazbou – zdroj elmag. vln v cm a mm oblasti – generátor založený na podobném principu jako permaktron – dlouho dobá interakce elektronového svazku se zpomalenou elektromagnetickou vlnou by měl široké pásmo laditelnosti frekvence změnou rychlosti elektronového svazku – činnost karcinotronu je umožněna interakcí mezi elektronovým paprskem a první zpětnou prostorovou harmonikou zpožděné vlny v periodickém zpožďujícím vedení

Karcinotron

Použití

•

Průmyslová aplikace

– využití pro ohřev nebo vysoušení materiálů – materiál, který je vysoušen, je ztrátové dielektrikum, takže se mikrovlnná energie absorbuje a mění na teplo – výhody – větší rychlost ohřevu, bezpečnost, ekologie, vyšší kvalita •

Spoje

– pozemní služby – radioreléové spoje směrový radiový spoj realizovaný postupně od stanice ke stanici, používaný pro přenos signálů – geostacionární satelity – 1GHz – mobilní telefony – 800-1900MHz – bluetooth, wi-fi – 2,45MHz

Použití

•

Navigace a doprava

– navigace pomocí radaru – letadla, lodě – kontrola a řízení dopravy – senzory pro řízení dopravy •

Mikrovlnné senzory a mikrovlnná tomografie

ho záření resp. Na bázi ultrazvuku – na bázi ionizující •

Lékařské aplikace

– mikrovlnná hypertermie – v onkologii na léčbu nádorů (ohřívání mezi 42  C a 45  C – buňky vydrží do 45  C a nádory jen do 42  C) – mikrovlnná diatermie – ohřev tkáně do 41  C, rehabilitace, fyzioterapie – mikrovlnná termokoagulace – urologie – mikrovlnný skalpel – rostoucí implanty – dětská chirurgie

Termoterapeutická souprava

Použití

•

Základní a aplikovaný výzkum

1. Urychlovač částic – lineární, kruhový 2. Radiometrie v astronomii 3. Dálkový průzkum země 4. Zažehnutí fůze – přihřívání plazmatu – 100GHz 5. Mikrovlnná interferometrie, EPR – diagnostika 6. Zkoumání struktur látek a jejich vlastností (polarizace,permitivita) •

Další použití

– mikrovlnná trouba, vysílaní televize a rozhlasu, zbraně – například proti demonstrantům