Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про свч устройства, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое свч устройства, синтез устройств свч, тракт свч, элементы с сосредоточенными параметрами, элементы с распределёнными параметрами, микрополосковые резонаторы, многополюсник, мостовые устройства свч , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
СВЧ тракт - это тракт сверхвысоких частот, в котором имеется совокупность сверхвысокочастотных устройств, сочлененных определенным образом.
тракт свч любой радиотехнической системы состоит из большого числа различных устройств СВЧ. К их числу относятся отрезки линий передачи, разъемы, изгибы и скрутки,согласующие устройства, фазовращатели, фильтры СВЧ, делители мощности СВЧ, невзаимные устройства СВЧ с использованием ферритов, коммутирующие устройства и т.п. Общим для этихи им подобных устройств является то, что они принадлежат к классу устройств с распределенными параметрами. Геометрические размеры этих устройств сравнимы с длиной волныэлектромагнитных колебаний. Это определяет всю специфику расчета и проектирования устройств СВЧ, так как процессы, происходящие в них, имеют волновой характер. Теория устройств СВЧ тесно связана с электродинамикой и включает в себя два больших раздела: анализ устройств СВЧ и синтез устройств СВЧ. Задача анализа состоит в изучении внешних характеристикустройств СВЧ, а также определения этих внешних характеристик из решения соответствующей внутренней задачи методами прикладной электродинамики илииз эксперимента.
К сверхвысокочастотным устройствам относятся линии передачи, преобразователи сверхвысокочастотной энергии, ответвители,СВЧ фильтры, вентили, аттенюаторы, фазовращатели и т.д.
элементы с сосредоточенными параметрами :
Элементы с распределенными параметрами:
3. Меандр:
4. Спираль:
5. Пластинчатая емкость:
6. Зазор:
7. Гребенчатая емкость:
Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.
На сверхвысоких частотах сосредоточенные элементы (конденсаторы и катушки индуктивности) практически не используются, так как с ростом частоты их типичные для этого диапазона номиналы, а следовательно и габариты, уменьшаются настолько, что изготовление их становится невозможным. Поэтому применяются так называемые линии с распределенными параметрами, в которых индуктивность, емкость и активная нагрузка равномерно или неравномерно распределены по всей линии. Так, элементарный ФНЧ, рассматриваемый в предыдущем разделе, состоит из двух сосредоточенных элементов, представляющих собой резонатор; в случае же распределенных параметров фильтр будет состоять из одного элемента-резонатора (например отрезка микрополосковой линии или металлического стержня).
Конструкции СВЧ фильтров весьма разнообразны, и выбор конкретной реализации зависит от предъявляемых к устройству требований (значение рабочих частот, добротность, максимальное затухание в полосе задержания, расположение паразитных полос пропускания).
Проектирование фильтров на распределенных параметрах является достаточно сложным процессом, состоящим из двух этапов: получение электрических параметров, исходя из требований к устройству; получение габаритных параметров из полученных электрических. В основе современных методов проектирования микроволновых фильтров лежит теория связанных резонаторов.
Задача синтеза устройств СВЧ состоит в определении структуры и геометрических размеров элементов устройства СВЧ по заданным его характеристикам.
Изучение внешних характеристик устройств СВЧ может производиться без конкретизации их внутренней структуры. Это позволяет рассматривать устройство СВЧ как некий «черныйящик», имеющий определенное число выходящих из него линий передачи СВЧ. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Каждая из этих линий передачи также является устройством с распределенными параметрами, для которого непременным является волновой характер электромагнитных процессов. Это приводит к необходимости фиксировать продольные координаты поперечных сечений линий передачи или, как говорят, фиксировать клеммные плоскости. Относительно этих клеммных плоскостей проводится отсчет фаз, а в некоторых случаях и амплитуд падающих и отраженных волн. Смещение клеммных плоскостей вдоль входных линий передачи приводит к изменению внешних характеристик устройств СВЧ. В большинстве случаев во входных линиях передачи устройств СВЧ единственной распространяющейся волной является волна основного типа. Волны остальных типов находятся в закритическом режиме. Клеммные плоскости устройства СВЧ стремятся расположить таким образом, чтобы амплитудами закритических волн в них можно было бы пренебречь.
В дальнейшем будем рассматривать пассивные линейные устройства СВЧ. Устройство СВЧ называется пассивным, если в его состав не входят активные преобразующие или усиливающие элементы, например, транзисторы, электронные устройства СВЧ и т.п. Линейность устройств СВЧ означает независимость его характеристик от подводимой к нему мощности. Внешние характеристики пассивных линейных устройств СВЧ связаны между собой системами линейных алгебраических уравнений. Поэтому в теории устройств СВЧ широко используется математический аппарат теории матриц.
При анализе разветвленных трактов фундаментальное значение имеет понятие «многополюсник». Многополюсник представляет собой устройство, состоящее из любой комбинация проводников, диэлектриков и других элементов и имеющее один или несколько входов в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами (или наборами типов) волн в каждой линии
Методы описания неоднородностей волноводного тракта. В технике СВЧ принято каждому устройству СВЧ ставить в соответствие некоторый многополюсник. При этом каждой распространяющейся волне во входных линиях передачи устройства СВЧ ставится в соответствие пара клемм этого эквивалентного многополюсника. В дальнейшем будем считать, что во входных линиях передачи распространяются лишь волны основных типов. Тогда число пар клемм эквивалентного многополюсника совпадает с числом входных линий передачи устройства СВЧ. Входы устройства СВЧ представляют собой поперечные сечения входных линий передачи.
Основные свойства многополюсника. К основным свойствам многополюсников относят следующие:
На каждой паре клемм эквивалентного многополюсника могут быть определены
комплексные напряжения un и токи in . Способы задания эквивалентных напряжений и токов могут быть различные. Будем рассматривать линейные пассивные многополюсники. Токи и напряжение на входах многополюсника можно связать системой соотношения,
которая в матричной форме имеет вид
где 
— взаимные сопротивления i –го и k–го входа при режиме холостого хода на Jk всех входах, кроме k–го;
— собственное сопротивление i–го входа, определяется в режиме холостого хода на всех входах, кроме i–го.
Используют нормировку элементов матрицы сопротивлений [Z]
Многополюсник — реактивный, если элементы его матрицы сопротивлений чисто реактивные.
При анализе работы устройств СВЧ всегда существует формальная возможность перехода от электрических и магнитных полей, характеризующихся их напряженностями к их эквивалентным напряжениям, «приложенным» к зажимам устройства, и эквивалентным токам, «текущим», на этих зажимах. При этом функциональные особенности любого волноводного элемента, определяющие его взаимодействие с различными узлами тракта, описываются с помощью некоторых коэффициентов, объединяемых в матрицу. Матрица любого элемента определена, если в нем известна структура электромагнитного поля.
Полное поле в линии передачи можно представить в виде оценки суммы падающей и отраженной волн (или падающей из другого плеча) с нормированными амплитудами Uпад и Uотр. Это представление удобно использовать и при описании СВЧ элементов, при этом полученные волновые матрицы объединяют коэффициенты связи между величинами падающих и отраженных волн в плечах данного элемента.
Для примера рассмотрим трехплечий волноводный элемент (см. рис. 3.1).
Выбрав в каждом плече плоскость отсчета, в которой измеряются амплитуда и фаза падающих волн, получим следующие соотношения в плечах элемента:
где Sij — комплексные коэффициенты, характеризующие волноводный узел.
Пусть источник включен в i-ое плечо 
, а к остальным плечам волноводного элемента подключены согласованные нагрузки, т.е. 
Тогда при 
коэффициент пад Sii представляет собой коэффициент отражения волны в i-ом плече.
а при 
коэффициент Sij — коэффициент передачи волны из j-го плечав i-ое:
В случаях, когда U const система (5.1) может быть записана в матричном виде:
где матрица [S]— матрица рассеяния.
Матрица рассеяния многополюсника. Рассмотрим некоторый многополюсник (рис. 3.2).
Матрица рассеяния для него имеет вид:
Для симметричных много плюсников
.
Количество элементов матрицы ,которые следует определить составляет 
.
Воспользуемся свойством унитарности матрицы, когда
Вся поданная в плечо j энергия распределяется по всем плечам, которые должны быть согласованы со своими нагрузками.
Не возбуждение соседнего плеча — условие независимого возбуждении плеч.
Матрица рассеяния волноводного H-тройника.
H-тройник — устройство для разветвления энергии вдоль узкой стенки волновода (рис. 3.3).
Деление мощности осуществляется синфазно. Для получения в плече 3 суммарной мощности с плеч 1 и 2, последние нужно возбуждать синфазно.
Матрица рассеяния H -плоскостного волноводного тройника, когда внутренне согласованного со стороны плеча 3 ,а плечи 1 и 2 нагружены на согласованные нагрузки, имеет вид:
где нумерация строк и столбцов соответствует нумерации плеч.
Матрица рассеяния волноводного Е-тройника.
Е-тройник — устройство для разветвления энергии вдоль широкой стенки волновода (рис. 3.4).
Матрица рассеяния E -тройника, когда внутренне согласованного со стороны плеча 3, а плечи 1 и 2 нагружены на согласованные нагрузки, имеет вид:
Деление мощности осуществляется противофазно. Для получения в плече 3 суммарной мощности с плеч 1 и 2, последние нужно возбуждать протифазно, а для вычитания мощностей сплеч 1 и 2 — возбуждать их синфазно.
Матрица рассеяния двойного волноводного тройника (рис. 3.5).
Предполагается, что на входах двойного тройника существуют волны основного типа H10 .
В таком многополюснике отсутствуют не взаимные устройства. Такой многополюсник — взаимный.
Пусть многополюсник возбуждается со входа 3. Остальные входы согласованы.
В этом случае поле формируется на выходах 1 и 2 (см. рис. 3.6, а) в противофазе: 
Возбуждение на вход 4 не пройдет: 
Представим, что возбуждается вход 4, остальные согласованы. Принцип распределения мощности такой же, как и в H–тройнике: 
.
Энергия в плечо 3 не попадает: 
.
Отсюда
Полная матрица рассеяния имеет вид
Для случая согласованной матрицы рассеяния, когда фазы элементов матрицы 
, тогда:
Матрица дает связь между амплитудами падающих и отраженных волн на входах многополюсника:
Определим 
:
Мостовые устройства – это восьмиполюсники, обладающие следующими свойствами: при возбуждении одного из плеч сигнал на другое плечо не проходит(свойство развязки). Сигнал на оставшихся 2–х входах делится пополам.
Примеры мостовых устройств. Кольцевой мост, волноводнощелевой мост, двойной волноводный тройник.
Кольцевой мост выполняется на коаксиальных, волноводных, полосковых линиях передачи (см. рис. 3.7).
1 — переходы; 2 — корпус; 3 — микрополосковая линия передачи
Рис. 3.7 — Кольцевой мост: а) схема; б) конструкция
Пусть возбуждается вход 2, а остальные нагружены на согласованные нагрузки. В кольцевой коаксиальной линии возбуждаются две волны противоположного направления. Пройдя одинаковый путь, поля этих волн складываются в сечении а (пучность напряжения) сечения а – а эквивалентно холостому ходу и отстает от входа 4 на 
. Холостой ход через 
пересчитывается в короткое замыкание. Сигнал на вход 4 не пройдет, а делится пополам между входами 1 и 3. Аналогично можно рассмотреть возбуждение с любого другого входа. Определим волновое сопротивление кольца 
, если известны волновые сопротивления
входов 
Рассмотрим случай синфазных сигналов на входах 1 и 3 — кольцевой мост составлен из Н-тройников. Сопротивление 
пересчитывается со входа 1 ко входу 2, как некое сопротивление Z1 и со входа 3 пересчитывается в Z2 на вход 2. Эти сопротивления на входе 2 параллельны.
В случае, когда кольцевой мост составлен из Е-тройников, то волновое сопротивление кольца и линий передачи должны быть связаны соотношением
Волноводно-щелевой мост. Рассмотрим волноводно-щелевой мост, представленный на рис. 3.8.
Полагаем, что в волноводах на входах 1, 2, 3, 4 возбуждаются волны H10 . Пусть мост возбуждается со стороны плеч 1 и 2 (рис. 3.9).
В случае, показанном на рис. 3.9, а в области щели возбуждается волна H10 .
а) б) Рис. 3.9 — Описание принципа работы волноводно-щелевого моста
Определим длину волны в области щели
В случае противофазного возбуждения (см. рис. 3.9, б) в области щели возбуждается волна H20
Волны этих типов, распространяясь в области щели получат запаздывание по фазе
На входах 3 и 4, поля этих волн складываются с разницей фаз
Для того, чтобы разность фаз составляла выбирается длина щели
Рассмотрим сигнал на входе 3. Сигнал на входах 3 и 4 делится пополам. При этом сигнал на входе 3 опережает сигнал на входе 4. Волны, распространяясь в области щели на входах 3 и 4встречают неоднородность. В результате появляются отраженные волны. Для их компенсации (для настройки моста) вводят регулируемый штырь. Можно регулировать либо переходноеослабление, либо направленность (развязку на входе 2 и уровень сигналов на входе 3 и 4). Также можнорассмотреть возбуждение с других входов.
Направленные ответвители. Направленные ответвители (рис. 3.10) — это 8– полюсники, один вход которого развязан. Это устройство используется для ответвления части мощности в некоторую вторичную линию передачи. Это полностью взаимное устройство.
Коэффициенты его матрицы рассеяния можно сгруппировать следующим образом
Тогда матрицу рассеяния можно записать в виде
На практике направленный ответвитель используется в двух режимах работы — см. рис. 3.11.
а) б) Рис. 3.11 — Режимы работы направленного ответвителя: а) сонаправленный; б) противонаправленный
Для сонаправленного ответвителя матрица рассеянияимеетвид
Направленные ответвители имеют характеристики:
1) переходное ослабление 
2) рабочее затухание 
3) направленность 
4) коэффициент стоячих волн 
Статью про свч устройства я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое свч устройства, синтез устройств свч, тракт свч, элементы с сосредоточенными параметрами, элементы с распределёнными параметрами, микрополосковые резонаторы, многополюсник, мостовые устройства свч и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны