• 1. Zastosowania fal elektromagnetycznych wielkich częstotliwości.

- radiokomunikacja naziemna

• - GSM - Global System for Mobile Communications,

• - radiokomunikacja satelitarna,

• - radiolokacja naziemna i satelitarna (GPS - Global Positioning System),

• - naziemne bezprzewodowe sieci komputerowe i multimedialne,

• - przemysł: nagrzewanie materiałów polem elektromagnetycznym,

• - lokalizowanie i obserwacja urządzeń nadawczych oraz sygnałów mikrofalowych,

• - biologia i medycyna:

- wykorzystania termiczne: rozmrażanie organów ludzkich przy przeszczepach, zwal-czanie nowotworow

- wykorzystania nietermiczne: wykrywanie ognisk zapalnych i nowotworowych oraz wad serca i tarczycy

• W pasmach mikrofalowych przesyłane zmodulowane sygnały wykorzystują szerokie pasma częstotliwości.

Szerokość wiązki fali elektromagnetycznej promieniowanej przez antenę jest rzędu 140⋅λ/D (D - efektywna średnica anteny), więc uzyskanie wąskich wiązek promieniowania (rzędu 1-5°) wymaga anten o średnicach około 40 - 100 razy większych od długości promieniowanej fali elektromagnetycznej. Z tego powodu realizacja anten kierunkowych o wymiarach nie większych niż kilka metrów możliwa jest na częstotliwościach mikrofalowych

• 2. Pasma fal elektromagnetycznych.

Nazwa pasma			Częstotliwość		Długość fali
Bardzo długie	VLF		0 - 30 kHz		∞___ - 10 km
Długie	LF		30 - 300 kHz		10 - 1 km
Średnie	MF		300 - 3000 kHz		1000 - 100 m
Krótkie	HF		3 - 30 MHz		100 - 10 m
Bardzo krótkie	VHF		30 - 300 MHz		10 - 1 m
Ultrakrótkie (mikrofale)	UHF		0.3 - 3 GHz		1 - 0.1 m
Superkrótkie (mikrofale)	SHF		3 - 30 GHz		10 - 1 cm
Nadzwyczaj krótkie (fale milimetrowe)	EHF		30 - 300 GHz		10 - 1 mm
Quasi-optyczne (fale submilimetrowe)		300 - 3000 GHz		1 - 0.1 mm

• 3. Oznaczenia pasm mikrofalowych i pasma milimetrowego.

Pasmo	Zakres częstotliwości [GHz]	Pasmo	Zakres częstotliwości [GHz]
UHF	0.3 - 1.12	K	18 - 26.5
L	1.12 - 1.7	Ka	26.5 - 40
LS	1.7 - 2.6	Q	33 - 50
S	2.6 - 3.95	U	40 - 60
C	3.95 - 5.85	M	50 - 75
XC	5.85 - 8.2	E	60 - 90
X	8.2 - 12.5	F	90 - 140
Ku	12.4 - 18.0	G	140 - 220
H		220 - 325

• 4. Charakterystyczne cechy techniki mikrofalowej.

W zakresach częstotliwości należących do klasycznych pasm radiowych (fale długie, średnie, krótkie) obwody elektryczne są budowane z tak zwanych elementów „skupionych” RLC. Ze wzrostem częstotliwości rozmiary fizyczne elementów „skupionych” musiałyby być porównywalne z długością fali. Ich wykonanie byłoby bardzo trudne ze względów mecha-nicznych. Ponadto takie zminiaturyzowane elementy w wersji „skupionej” charakteryzowały-by się znacznie mniejszą dobrocią niż wymagana do prawidłowego funkcjonowania obwodu.

Zamiast „skupionych” elementów pojemnościowych i indukcyjnych stosuje się elementy o „stałych rozłożonych”, czyli odpowiednio ukształtowane odcinki różnorodnych linii transmi-syjnych. W zakresie wielkich częstotliwości, rolę obwodów rezonansowych LC pełnią rezo-natory mikrofalowe w postaci zamkniętych wnęk wykonanych z materiałów przewodzących, lub w postaci prostopadłościanów oraz walców wykonanych z materiałów dielektrycznych.

• 5. Model obwodowy linii transmisyjnej.

a) b)





Rys.1. Odcinek linii transmisyjnej a), jej schemat zastępczy b).

Zakładając, że linia jest ułożona wzdłuż osi z można dla niej zapisać zależności nazywane równaniami telegrafistów:


(1)

oraz


(2)

• 6. Parametry mikrofalowej linii transmisyjnej.

Parametry mikrofalowej linii transmisyjnej:

• współczynnik propagacji (przenoszenia):




• impedancja charakterystyczna:




Dla linii bezstratnej (R₁=0, G₁=0):

7. Impedancja wejściowa linii transmisyjnej obciążonej impedancją Zk.




Impedancja wejściowa odcinka linii transmisyjnej o długości l i impedancji charakterystycznej Z₀ zakończonego impedancją Z_k dana jest zależnością:


(21)

Jeżeli linia jest bezstratna, wówczas zależność (21) przyjmuje postać:


(22)

Można rozpatrzyć trzy charakterystyczne przypadki:

1. Z_k= Z₀ (linia zakończona obciążeniem dopasowanym):

Z_we= Z₀.

2. Z_k= 0 (linia zwarta na końcu):

3. 
   (23)




Rys. 3. Impedancja wejściowa linii transmisyjnej zwartej na końcu.

Z_k= ∞ (linia rozwarta na końcu):


(24)




Rys. 4. Impedancja wejściowa linii transmisyjnej rozwartej na końcu.

W przypadku gdy Z_k ≠ Z₀ następuje odbicie od niedopasowanego obciążenia i wówczas w linii powstaje fala stojąca.




8. Współczynnik odbicia linii transmisyjnej obciążonej impedancją Z_k.

Stosunek napięć
/
jest nazywany napięciowym współczynnikiem odbicia Γ_k:


(17)

Jednocześnie, należy pamiętać, iż prądowy współczynnik odbicia ma znak przeciwny do współczynnika odbicia fali napięciowej, czyli:




• 9. Rozkład napięcia prądu w linii transmisyjnej obciążonej impedancją Z_k.










10. Definicja WFS oraz relacja między współczynnikiem odbicia i WFS.

Stopień niedopasowania impedancji obciążenia do impedancji linii transmisyjnej określa się poprzez współczynnik odbicia lub poprzez tak zwany współczynnik fali stojącej WFS.




11. Konstrukcja i parametry falowodu prostokątnego.










Stosunek długości boków falowodu wpływa na jego tłumienie oraz determinuje możliwość wzbudzenia się fal rodzajów innych niż podstawowy.




Rys. 2. Zależność tłumienia fali rodzaju podstawowego w falowodzie prostokątnym od częstotliwości sygnału i wymiarów falowodu.




Rys. 3. Możliwość pobudzania różnych rodzajów fal w falowodzie prostokątnym

(obszary robocze różnych rodzajów fal leżą powyżej lub z lewej strony odpowiednich linii).

13. Rodzaj podstawowy w falowodzie prostokątnym.





15. Falowód o zmniejszonej częstotliwości granicznej.

Falowód o zmniejszonej częstotliwości granicznej





Rys. 6. Przekroje falowodów grzbietowych




Rys. 7. Zależność granicznej długości fali rodzaju podstawowego w falowodzie dwugrzbietowym

16. Budowa i parametry linii koncentrycznej.














Zależność parametrów linii współosiowej od stosunku a/b.

Minimalne natężenie pola Em




Zdolność przenoszenia maksymalnej mocy, przy której nie wystąpi przebicie w linii uzyska się gdy:


(32)

Minimalne tłumienie w linii uzyskuje się wówczas, gdy:


(33)

W linii o impedancji charakterystycznej Z₀= 50 Ω najdłuższa fala graniczna rodzaju innego niż TEM jest dana w postaci:




18. Konstrukcja prowadnic paskowych (NLP, SLP i inne).

Wśród paskowych prowadnic falowych wyróżnia się trzy główne grupy:

• linie paskowe (symetryczne linie paskowe),

• linie mikropaskowe (niesymetryczne linie paskowe),

• linie o strukturze złożonej (linia podwieszana, szczelinowa, koplanarna, dwutaśmowa).

Zalety: możliwość miniaturyzacji,

Wady: duże tłumienie (około 0.01 - 0.3 dB/cm).

a)
b)


c)
d)


e)
f)


Rys. 1. Przekroje poprzeczne paskowych prowadnic falowych

a)linia paskowa (symetryczna linia paskowa), b) linia mikropaskowa (niesymetryczna linia paskowa), c) linia z podwieszanym podłożem (podwieszana), d) linia szczelinowa, e) linia koplanarna, f) linia dwutaśmowa (dwupaskowa

19. Co to jest dyspersja i czym się objawia? Co to jest i od czego zależy efektywna stała dielektryczna?




20. Rozkład składowych pola EM w niesymetrycznej linii paskowej i czynniki wpływające na jej parametry elektryczne.


t-grubosc metalizacji

21. Definicja znormalizowanych zespolonych fal napięciowych (prądowych).





22. Macierz rozproszenia S i znaczenie jej wyrazów.

Jednymi z wielkości charakteryzujących właściwości obwodu mikrofalowego są tak zwane parametry rozproszenia wchodzące w skład macierzy rozproszenia S obwodu.

Parametry rozproszenia obwodu są współczynnikami wiążącymi znormalizowane zespolone amplitudy padających i odbitych fal napięciowych (prądowych) we wrotach obwodu mikrofalowego.

Ogólnie wszystkie elementy obwodów, czynne i bierne, mogą być scharakteryzowane za pomocą macierzy rozproszenia




33. Konstrukcja i parametry rezystora skupionego.




34. Konstrukcja i parametry indukcyjności skupionej szeregowej.

a)


b)


c)


Rys. 2. Indukcyjność skupiona szeregowa

a), b) konstrukcje w technologii NLP (widok od strony druku),

c) schemat zastępczy

(liniami przerywanymi zaznaczono pasożytnicze pojemności).


dla
(1)


dla
(2)

35. Konstrukcja i parametry kondensatora skupionego.

b)
c)


Rys. 3. Kondensator skupiony

a) budowa, b) włączenie szeregowe, c) włączenie równoległe.

a)


b)


Rys. 4. Pojemność skupiona równoległa

1. konstrukcja w technologii NLP (widok od strony druku),

b) schemat zastępczy

(liniami przerywanymi zaznaczono pasożytnicze indukcyjności).


dla
(3)


dla
(4)





Rys. 5. Reaktancja pojemnościowa zrealizowana przy pomocy pręta

wprowadzonego do wnętrza falowodu.

)


b)


c)


Rys. 6. Pojemność skupiona szeregowa

a) konstrukcja w technologii NLP (widok od strony druku),

b) konstrukcja w technologii linii współosiowej,

c) schemat zastępczy

38. Możliwości uzyskania obwodów z elementami reaktancyjnymi za pomocą strojnika rozwartego włączonego równolegle do linii transmisyjnej.




39. Możliwości uzyskania obwodów z elementami reaktancyjnymi za pomocą strojnika zwartego włączonego równolegle do linii transmisyjnej.




40. Budowa i działanie dzielnika mocy Wilkinson'a.







41. Pojęcie i parametry mikrofalowego sprzęgacza kierunkowego.

Sprzęgacz kierunkowy jest czterowrotnikiem składającym się z dwóch prowadnic mikrofalowych sprzężonych tak, że moc sygnału pobudzającego jedne z wrót jest przekazywana do dwóch innych wrót elementu, a czwarte są izolowane (w sensie mikrofalowym).

a)
b)


Rys. 5. Idea funkcjonowania sprzęgacza kierunkowego

a) sprzęgacz typu „w przód”, b) sprzęgacz typu „w tył”.

Podstawowe parametry sprzęgaczy kierunkowych:

- sprzężenie:


(8)

- izolacja:


(9)

- kierunkowość:


(10)

gdzie:

P₁, P₃, P₄ - moce sygnałów we wrotach 1, 3, 4.

Pomiędzy powyższymi parametrami istnieje związek:




42. Zasada działania dwuotworowego sprzęgacza falowodowego.




43. Budowa i parametry sprzęgacza zbliżeniowego (struktura klasyczna).





44. Budowa i parametry sprzęgacza zbliżeniowego Lange'a.




45. Budowa i działania sprzęgacza pierścieniowego o obwodzie 3/2 λ.





46. Budowa i działanie sprzęgacza dwugałęziowego.





47. Definicja i właściwości rezonatora mikrofalowego.

Rezonatory mikrofalowe

Rezonator mikrofalowy (wnęka rezonansowa) - obszar dielektryka otoczonego ściankami przewodzącymi lub innym dielektrykiem (o innej stałej dielektrycznej). Rezonatorem mikrofalowym może być również odcinek linii transmisyjnej o końcach zwartych lub rozwartych.

a)
b)


Rys. 2. Schemat zastępczy rezonatora mikrofalowego

a) szeregowy, b) równoległy.

Rezonator mikrofalowy znajduje się w rezonansie gdy:

W_H = W_E (1)

Rezonator o określonych wymiarach fizycznych, w odróżnieniu od obwodów rezonansowych na stałych skupionych, posiada nieskończenie wiele częstotliwości rezonansowych (ale o wartościach dyskretnych). Różnią się one rozkładem pola wewnątrz rezonatora. Najmniejszą wartość częstotliwości rezonansowej nazywamy rezonansem podstawowym.

Wyższe częstotliwości rezonansowe nie muszą być całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości rezonansu podstawowego.

Dobroć własna Q₀ rezonatora mikrofalowego jest parametrem, który wskazuje jak szybko będzie malała energia wewnątrz rezonatora po zaprzestaniu jego pobudzania.


(2)

gdzie:

ω_o - pulsacja rezonansowa,

t - czas,

Q₀ - dobroć własna rezonatora.

W układach rzeczywistych zanikanie drgań jest wywołane dodatkowo obciążającym wpływem obwodów dołączonych do rezonatora. Wpływ ten opisuje się parametrem zwanym dobrocią zewnętrzną Q_Z. Parametrem obejmującym właściwości samego rezonatora i dołączonego do niego obwodu jest dobroć całkowita Q_L. Wszystkie te wielkości łączy relacja:


(3)

• 48. Budowa i właściwości rezonatora prostopadłościennego.

Rezonator prostopadłościenny metalowy




Rys. 3. Rezonator prostopadłościenny metalowy

Częstotliwość rezonansowa rodzaju m n p:


(4)

gdzie: m, n, p - wskaźniki rodzaju rezonansowego

a, b, l - wymiary ścianek rezonatora.

oraz


(5)

Najczęściej rezonatory prostopadłościenne wykorzystuje się dla częstotliwości rezonansowej rodzaju podstawowego t.j. TE₁₀₁.

Wówczas:


• 50. Budowa i właściwości rezonatora współosiowego ćwierćfalowego.




49. Budowa i właściwości rezonatora współosiowego półfalowego.


51. Budowa i właściwości rezonatora YIG.









• 52. Budowa i dzialanie filtry z rezonatorem YIG.

Przestrajalny filtr mikrofalowy z rezonatorem YIG




Rys. 8. Uproszczona budowa przestrajalnego filtru z rezonatorem YIG.

Obydwie prowadnice mikrofalowe zakończone są zachodzącymi na siebie pętlami leżącymi na płaszczyznach tworzących kąt prosty. W związku z tym przy braku kulki YIG lub przy braku zewnętrznego stałego pola magnetycznego obydwie pętle nie będą na siebie oddziaływać gdyż wektor zmiennego pola magnetycznego jednej pętli jest zawsze równoległy do płaszczyzny pętli sąsiedniej. W takim przypadku transmitancja układu będzie równa zeru. Po włączeniu zewnętrznego stałego pola magnetycznego i doprowadzeniu do wrót 1 lub 2 sygnału mikrofalowego o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej kryształku YIG wektor zmiennego pola magnetycznego pętli dołączonej do prowadnicy pobudzanej sygnałem mikrofalowym zostaje przez kulkę YIG usytuowany prostopadle do płaszczyzny pętli drugiej prowadnicy. Skutkiem tego w pętli tej zostaje wzbudzony sygnał mikrofalowy, który propaguje się do wrót wyjściowych. Dzięki tym właściwościom układ przedstawiony schematycznie na rysunku 8 pełni rolę odwracalnego przestrajalnego elektronicznie filtru mikrofalowego.




Rys. 9. Schemat zastępczy przestrajalnego filtru z rezonatorem YIG.




Rys. 10. Charakterystyki częstotliwościowe przestrajalnego filtru z rezonatorem YIG

dla dwóch różnych wartości natężenia stałego zewnętrznego pola magnetycznego

(ustawianego prądem elektromagnesu I_magn).

Średnica kulek rezonatorów YIG wynosi około 0.2 - 2 mm. Rezonatory YIG stosuje się w szerokim zakresie częstotliwości - od 50 MHz do 50 GHz. Zakres przestrajania pojedynczego egzemplarza sięga kilku oktaw. Dobroć rezonatora YIG rośnie ze wzrostem częstotliwości (od kilkuset do kilku tysięcy).

53. Filtr dolnoprzepustowy w technologii NLP - struktura, charakterystyki.

a)


b)


c)


54. Filtr górno przepustowy w technologii NLP - struktura, charakterystyki.

a)


b)


c)


55. Filtr pasmowo zaporowy w technologii NLP - struktura, charakterystyki.




b)


c)


Rys. 15. Filtr pasmowo - zaporowy w technologii NLP

a) topologia (widok od strony ścieżek), b) schemat zastępczy,

c) charakterystyka transmisyjna

(linią przerywaną naniesiono charakterystyki filtru wykonanego na podłożu stratnym).

56. Filtr pasmowo przepustowy w technologii NLP - struktura, charakterystyki.

Filtry pasmowo - przepustowe mogą być wykonywane przy pomocy linii sprzężonych. Na rysunku 16a przedstawiono filtr oparty na rezonatorach półfalowych (o długości fizycznej λ_t / 2) rozwartych na obydwu końcach i sprzężonych na odcinku ćwierć falowym. Taka struktura jest równoważna odpowiedniemu połączeniu kilku zbliżeniowych sprzęgaczy kierunkowych, w których wrota niewykorzystywane pozostają nieobciążone. Innym rozwiązaniem filtru pasmowo - przepustowego jest struktura palczasta przedstawiona na rysunku 16b. W realizacji tej występują rezonatory zwarte naprzemiennie na jednych końcach. Ponadto rezonatory wewnętrzne są sprzężone obustronnie. Częstotliwość środkowa pasma filtru jest zdeterminowana długością rezonatorów, a kształt charakterystyki transmisyjnej jest uwarunkowany szerokością szczelin oraz wartościami impedancji charakterystycznych poszczególnych rezonatorów.

a)


b)


c)


Rys. 16. Filtry pasmowo - przepustowe w technologii NLP

a) topologia filtru schodkowego (widok od strony ścieżek),

b) topologia filtru palczastego (widok od strony ścieżek), c) charakterystyka transmisyjna

(linią przerywaną naniesiono charakterystyki filtru wykonanego na podłożu stratnym).

Na rysunkach 11 - 16 zamieszczono poglądowe kształty charakterystyk transmisyjnych poszczególnych filtrów. Przedstawione konfiguracje filtrów charakteryzują się tym, że w pasmie przepustowym są dobrze dopasowane impedancyjnie, natomiast w pasmach zaporowych ograniczenie przepływu sygnału mikrofalowego jest następstwem bardzo dużej wartości współczynnika odbicia wrót wejściowych. Ponadto, na kształt charakterystyk transmisyjnych i odbiciowych filtrów mają wpływ nie tylko reaktancje poszczególnych odcinków linii mikropaskowych, ale również straty w dielektryku rosnące ze wzrostem częstotliwości. Zjawisko to obniża moduł transmitancji filtru, ale jednocześnie może sprzyjać redukowaniu niepożądanych wyższych pasm przepustowych.

57. Budowa i działanie izolatora ferrytowego opartego na zjawisku rotacji Faraday'a.






58. Budowa i działanie izolatora ferrytowego wykorzystującego zjawisko przesunięcia pola.




59. Budowa i właściwości cyrkulatora ferrytowego.





60. Wykorzystanie cyrkulatorów ferrytowych - przykłady.


61. Budowa i działanie przełącznika mikrofalowego opartego na cyrkulatorze ferrytowym.




63. Budowa i działanie przełącznika mikrofalowego z diodami PIN.





64. Definicja i właściwości mikrofalowego przesuwnika fazy.





65. co to jest względne przesuniecie fazy?




67. Definicja i właściwości tłumika mikrofalowego.




DIODA PIN







68. Budowa i działanie tłumika falowodowego z przesuwanymi wkładkami.






70,71,72. Prosty tłumik z diodami PIN regulowany elektronicznie.








Równania (postać finalna) opisujące linie wykresu Smith'a

.
oraz:


Przeznaczenie i parametry transformatora ćwierćfalowego.

Transformator ćwierćfalowy




Rys. 1. Transformator ćwierćfalowy

dopasowujący dwie impedancje rzeczywiste.

Dopasowanie impedancyjne wystapi wówczas gdy będzie spełniona zależność:


(1)

czyli:
(2)

Przy długościach l_T spełniających warunek:
(3)

otrzymuje się:
(4)

Uwzględniając relację (4) w zależnościach (1) i (2) otrzymuje się:


(5)

Stąd mamy:
(6)

Współczynnik odbicia w płaszczyźnie połączenia linii o impedancji Z₀₁ i transformatora ćwierćfalowego będzie wyrażała zależność:
(7)

Po uwzględnieniu związków (2) i (6), zależność (7) przyjmie postać:


8)

Przebieg modułu tak opisanego współczynnika odbicia będzie miał kształt jak na rysunku:




Rys. 2. Moduł współczynnika odbicia we wrotach wejściowych transformatora ćwierćfalowego dopasowującego dwie impedancje rzeczywiste.

---