27.02.08r
1. Zakres częstotliwości mikrofalowych
Mikrofale – fale elektromagnetyczne o długości mierzonej w próżnie mniejszej od 1m, co odpowiada częstotliwości większej od 300 MHz. Górna granic początku pasma podczerwieni. Granica ta jest wyznaczona przez możliwości techniczne wytwarzania drgań. Za koniec μFal uważa się częstotliwość sygnału, którą można wytwarzać przez układy lampowe lub tranzystorowe, natomiast podczerwień jako częstotliwości wytwarzanych w procesach typowych dla fizyki kwantowej.
W układach generatorów można wytwarzać sygnał w zakresie dalekiej podczerwieni tj. 700GHz (0,43mm).
Mała długość fali w zakresie μFal pozwala na stosowanie ich w:
- radiolokacja, radionawigacja, radioliniach, grzejnictwie, medycynie, radioastronomii.
μFale są bardzo silnie pochłaniane przez organizmy żywe i wywołują w pełni rozpoznane oddziaływania biologiczne.
Fale μFalowe dzielone są na zakresy dziesiętne:
Fale decymetrowe 1 m-10 cm f=0,3-3 GHz
Fale centymetrowe 10 cm-1 cm f=3-30 GHz
Fale milimetrowe 1 cm- 1 mm f=30-300 GHz
Fale submilimetrowe <1 mm f>300 GHz
Zakresy fal μFalowych
Symbol zakres
L 1-2 GHz
S 2-4 GHz
C 4-8 GHz
X 8-12 GHz
Ku 12-18 GHz
K 18-26 GHz
Ka 26-40 GHz
Z 299,9-300 GHz
2. Charakterystyczne cechy techniki mikrofalowej
Linie współosiowe pomimo ich szerokiego zastosowania mają szereg istotnych wad, które szczególnie uwidaczniają się w zakresie fal centymetrowych. Straty w tych liniach znaczie zwiększają się wraz ze wzrostem częstotliwości, gdyż powierzchnia przewodu wew. jest mała a więc jego oporność jest stosunkowo duża.
Alternatywa dla linii współosiowych eliminująca niekorzystne zjawiska są falowody.
Falowody – rury o ścianach przewodzących przekroju kołowego lub prostokątnego wew. których rozchodzą się fale elektromagnetyczne. Ścianki falowodu spełniają rolę ekranu, który zapobiega rozchodzeniu się fal w różnych kierunkach zmuszając do przesuwania się tylko wzdłuż przewodu.
Falowód – kanał (tunel do przenoszenia energii elektromagnetycznej ograniczony ścianami dającymi rozgraniczenie dwóch środowisk o różnych parametrach) w zależności od parametrów (μ σ ε) ulega dużej zmianie na bocznej ściance falowodu. Rozróżniamy falowody metalowe, dielektryczne, atmosferyczne. Metalowe o stałym przekroju poprzecznym. Falowód nie przenosi fali o częstotliwości mniejszej od tak zwanej częstotliwości krytycznej związanej ściśle z jego wymiarami.
Zalety falowodu:
- przenoszenie większej energii niż przewód współosiowy o tych samych wymiarach
- maksymalne napięcie panuje pomiędzy przeciwległymi ściankami
Zastosowanie falowodu:
- radiokomunikacja (linie radiowe , TV satelitarna)
- radiolokacja
- przemysł
- medycyna
- gospodarstwo domowe
Falowody stosowane do częstotliwości większej niż 3GHz. Dla niskich częstotliwości wymiary falowodów musiały by być znaczne co jest ściśle powiązane z ich częstotliwością graniczną.
Częstotliwość graniczna powoduje że falowody zachowują się jak filtry górnoprzepustowe.
Falowód prostokątny – długość boku dłuższego z przekroju poprzecznego
Wady: rozchodzenie się częstotliwości wyższych od częstotliwości granicznej falowodu, trudność zmiany kierunku ich prowadzenia. Aby tego uniknąć należy użyć profilowanych elementów aby nie zmniejszać fali.
W wyniku naskórkowości rezystancja czynna Rs wzrasta bo prąd zaczyna płynąć w coraz mniejszym przekroju
Zjawisko naskórkowości - polegga na tym że prąd przewodzenia o wyższej częstotliwości nie płynie pełnym przekrojem przewodnika lecz jego powierzchnią w warstwie o skończonej grubości. Ważnym parametrem pozwalającym obliczyć efekt rez. Przewodu jest głębokość wnikania równa drodze na której fali maleje e-krotnie.
[Rad/s]
- przenikliwości magnetyczna [H\m]
przenikliwość właściwa [S/m]
W związku ze zjawiskiem naskórkowości zmienia się rez i ind przewodnika.
Dla zmniejszenia strat wnętrze falowodu pokrywa się srebrem w celu zmniejszenia efektu naskórkowości.
Powierzchnia równa
Powierzchnia nie równa
ZASADA PROWADZENIA FALI W FALOWODZIE
Ośrodkiem propagacji jest powietrze o malej rezystancji (suche)
MOC FALOWODU
W instalacji dużej mocy stosuje się dodatkowe zabiegi mające na celu zwiększenie wytrzymałości. Wytrzymałość ta może być podwyższona poprzez zwiększenie wys. falowodu lub wypełnia jego wnętrze sprzężonym gazem.
FALA PŁASKA
- elektromagnetyczna – zaburzenia pola elektromag. rozchodzącej się w próżni lub ciele stałym.
- ekwiamplitudowa – zbiór punktów w których w ostatniej chwili czasowej amplituda wektora pola magnetycznego lub elektrycznego przyjmuje takie same wartości.
- ekwifazowa – zbiór punktów w których w ustalonej chwili fazy wektor pola magnetycznego lub elektrycznego przyjmuje takie same wartości.
- jeśli fala płaska – fala w której fala ekwifazowa pokrywa się z płaska ekwipotencjalną w przeciwnym przypadku jest to fala płaska … ?
- Kulista (sferyczna) – pow. … ma kształt kuli.
- Fala cylindryczna – pow. ma kształt pobocznicy walcu.
Prędkość Vp - rozkład fali płaskiej określa prędkość z jaką porusza się powierzchnia ? i stąd nazywana jest prędkością ?
Do ośrodka tyczy się:
- impedancja falowa ośrodka
Dla próżni
Fala TEM w ośrodku stratnym (dielektryk)
Fala płaska w dielektryku
A = A exp (-α R)
Α – współczynnik tłumienia
R – współczynnik wnikania
Długość fali
Współczynnik propagacji
Straty dielektryka w postaci zespolonej
tg stratności
Dla dielektryka o małych statach w którym jest spełniony warunek
Linie transmisyjne TEM
Prowadnice falowe – układ pow. granicz. materiałów tworzących całą drogę Z1 punktów do drugiego zdolny do kierowania przepływu energ. elektromag. Fala elektromagnetyczna może być prowadzona wzdłuż przewod. oraz dielektryków.
Jeżeli w układzie przesyłana fala płaska lub zbliżona do nich (quasi TEM) to prowadnice są liniami transmisyjnymi.
W stosujemy linie paskowe lub mikropaskowe
Współosiowa linia
Linia symetryczna
Linia paskowa symetryczna
Symetryczna niesymetryczna
Linie współosiowe o rodzaju pola TEM
Fala decymetrowa-> linia współosiowa (giętkie przewody, cylindryczne metalowe sztywne)
Linie pola elektromagnetycznego fali TEM w lini współosiowej
Em=Um /{b*lna/b} max U; najmniejsza wartość pola elektrycznego a/b = e
Max moc!!!
a/b= √e=1,648
średnia moc przenoszona przez linie Pśr=½Re[∫∫(EmxHm)ds]
Linie współosiowe – 3-18GHz, Zo=50Ω optymalnie
Zo=70,7- max tłumienie Zo=30 najwyższa moc
Tłumienie a wytrzymałość nap. Linii: współczynnik a/stosunek promieni przewodów
1-tłumienie, 2-max impedancja falowa, 3- napięcia przebicia, 4 – max moc przenoszona
W celu zmniejszenie strat w liniach współosiowych stosuje się podpory dielektryczne o określonych wartościach:
-współczynnik fali stojącej (WFS) jak mniejsze
-częstotliwość pasma większy
-wytrzymałość linii na przebicie nie powinno ulegać zmianie
Krążek pełny
Falowody prostokątne:
Rury metalowe nie zawierające w środku przewodów. Mogą być układami które są wypełnione gazami (freon) w celu zwiększenia wytrzymałości elektrycznej. W falowodzie rozchodzi się fala E dla której: E różne od 0, H=0 lub E=0 i H różne od 0
Fale w falowodzie prostokątnym :
- fala graniczna
-częstotliwość graniczna
W zakresie fal dużych od fgr falowód idealny przeniesie energ. bez (strat)tłumienia
W zakresie f. małych od fgr fala szybko tłumiona
Rodzaje Fal:
1). Fale TEM E2=0 – żadne z pól nie ma skł.w kier.propagacji
H2=0 –
2).Fale TE(H) E2=0 – pole mag. ma skł. W kier. Propagacji
3).Fale TM(E) E2=0 - pole elek. ma skł. W kier. Propagacji
(EH) E2=0 - pole elek.i magn. ma skł. W kier. Propagacji
Ruch fal w falowodzie prostokątnym
Linie pola fali , ruch podst. W falowodzie prostokątnym
Falowody kołowe
Fale w falowodach kołowych
Rodz fali H11 , H10 , E01 Rodz podst.
Linie uF płaskie i paskowe o Roch. Pola TEM
Najprostszy ukł. Linii są 2 przewody płaskie w ukł.:
I taki jak na:
Reaktancje w liniach paskowych
W liniach paskowych sym. lub niesym. dowolne wart. Susceptancji można uzyskać przez podłączenie równoległe linii rozwartej lub zwartej na końcu:
Rezonatory ufalowe
Wnęki o ściankach z mater. o wys. konduktywności lub pokrytych od wewnątrz mater.o wys. konduktywności
Przechowywanie energii
rezonator wnękowy d=V / fr
rezonator prostopadłościenny
przejście ( sprzężenie ) między linią współosiową a falowodem.
między falowodem a liniami współ. są stosowane dwa rodzaje sprężeń:
-za pośrednictwem pola elekt.
-za pośrednictwem pola magnet.
??? zaprojektowany układ sprzęgającego można faworyzować wzbudzenie w falowodzie wyższego rodzaju pola, jeżeli wymiary falowodu na to pozwalają.
rys. Sprzężenie przewodem wdpólosiowym za pomocą sondy falowodu-linia
rys. Sprzężenie falowodu- linia wspolosiowa za pomocą pętli
rys. rodzaj sprzęż fal- linia wspólosiowa na wyższe rodzaje pól
Trójwtórniki
(rozgalęźniki) falowody typu T symetryczne i niesymetryczne dla pól typu E i H. Dzielą moc ??? ??? do jednego z wej w stosunku 1:1
niesym sym.
Wprawdzie rozgal do falowodu wyst. Niedopasowany falowe, które mogą powodować powstanie fal ???
Zwieracz-musi zapewnić staly i maly opór zwarcia przy regulacji zwieracza.
Rys. zwieracz bezkontaktowy w falowodzie o ??? kolowym .
Tłumiki regulowane i stałe
Precyzyjne. Elementami tłumiącymi są elementy o kształcie płetwy i wykonane z materiału o dużej rezystywności.
Regulowany płetwowy:
2 płetwy:
Obciążenia dopasowujące (bezodbiciowe)
Stosowane w układach mierników mikrofalowych oraz nadawczych i odbiorczych.
Parametry:
-max wartość współczynnika fali stojącej WFS lub moduł współczynnika odbicia
-szerokość pasma częstotliwościowego, przy którym wartość WFS nie przekracza wartości dopuszczalnej
-obciążalność czyli dopuszczalna moc chwilowa ograniczona napięciem przebicia lub mocą ciągłą wynikającą z ograniczeń cieplnych
Dla klasy średniej WFS=1,05
Przesuwnik fazowy
-falownik prostokątny
Linia szczelinowa:
Elementy uFalowe
Tranzystory uf – dla F= 100MHz – 100GHz z arsenku galu. Gdyż ruchliwość elektronów jest większa niż w krzemie oraz osiąga nasycenie prędkości przy mniejszym Nat. Pola elektrycznego.
HEMT – z wykorzystaniem podwyższonej ruchliwości nośników co pozwala na ich stosowanie przy f do 100 GHz. Tranzystory bipolarne oparte na krzemie mogą być stosowane przy f – 6GHz ze względu na nizszy koszt w stosunku do arsenku galu. Rozwijaja się również uf monolityczne układy scalone MM/C
Bipolarne – budowane jako tranzystory n-p-n budowane w strukturze palczastej.
Podział:
- nisko szumowe nalej mocy
- Wzmacniające do pracy w klasie A
- średniej mocy
Obudowy tranzystorow uFalowych
Polaryzacja tranzystorow uFalowych
Pracuja w układach wzmacniaczy i generatorow, musza być odpowiednio spolaryzowane. Elementy którymi są zasilane nie powinny wpływać na paramtery tranzystora i układu oraz musza zabezpieczac element przed wzbudzeniem na innych częstotliwościach. Szczególnie jest to niebezpieczne dla wzm malej częstotliwości, gdyz dosc latwo wzbudzaja się na wyzszych. Ponadto układy zasilania powinny zapewnic stabilny punkt pracy.
STRONA 21
Elementy polaryzacyjne tranzystora muszą być niezauważalne dla właściwości układu. Dławik jest wykonany jak cewka z rdzeniem ferrytowym.
Diody tunelowe:
Elementy wzmacniające w układach generacyjnych uF. Ch-ka diody zawiera odcinek o rez. Ujemnej.
I=f(U) diody tunelowej
Ip,Up – prąd/nap szczytu
Ir,Ur – prąd/ nap. dolinyDiody lawinowe stosowane są do odtłumiania obwodu rezonansowego rezonansowego zakresie ujemnej….
19.03.08r
Częstotliwość graniczna (fgr) diody lawinowej to taka f przy której dioda jest w stanie wygenerować rez. Ujemną
Sch. Zastępczy diody lawinowej
Diody lawinowe
Typu P+- N-N+. Budowane są z Si, Ga-As. Po doprowadzeniu do diody napięcia wzdłuż osi diody tak aby zpolaryzowana była w kierunku zaporowym, wzdłuż diody powstaje rozkład pola elektrycznego przy czym największe natężenie jest w złączu P+-N. W warstwie tej o długości Lm powstaje jonizacja lawinowa a pozostały obszar jest obojętny.
W przypadku podawania napięcia stałego i zmiennego zjawisko lawinowe powstaje tylko w ujemnych połówkach sygnału zmiennego
rys. rozkład domieszek
sch.zast diody lawinowej z oprawą oraz Zal. Reaktancji i rezystancji od f dla diody lawinowejMikrofalowe elementy próżniowe
1. Pobudzenie rezonatora przez wiązkę przelotu elektronów umieśćmy za szczeliną to zbliżające się zgrupowanie elektronów indukuje na ściance ładunki dodatnie co powoduje przepływ prądu od lewej do prawej ścianki rezonatora powodując powstanie ładunku ujemnego na prawej ściance. Obecność obwodu rezonansowego sprawia że procesy rozładowywania nie mogą być wymuszane przez wiązkę lecz odbywają się z f drgań własnych
Jeżeli czas przejścia zgrupowania elekt.przez szczeline;ł pi jest znacznie mniejszy niż okres drgań własnych T rezonatora, to zgrupowanie będzie przechodziło przez szczelinę.Pole to powoduje zmniejszanie energii wiązki o ł energii pola elekt.mag. zgromadzona w rezonatorze jeżeli czas przelotubyły r.ówne okresowi drgań własnych
KLISTRON DWUWNĘKOWY
Jest szerokopasmowym szumowym wzmacniaczem uF4o wysokim wzmocnieniu.Osiąga wzmocnienie mo...
cebool