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

H2=0 -

3).Fale TM(E) E2=0 - pole elek. ma skł. W kier. Propagacji

H2=0 -

(EH) E2=0 - pole elek.i magn. ma skł. W kier. Propagacji

H2=0 -

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. doliny
Diody 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 lawinowej
Mikrofalowe 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

W czasie przechodzenia elektr.przez wnęki

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

Lampa z falą bierzącą

Jest szerokopasmowym szumowym wzmacniaczem uF4o wysokim wzmocnieniu.Osiąga wzmocnienie mocy do 40dB.Wzkorzystany jest do wzmacniania syg.w zak.300MHz do 500MHz. Wlampie zachodzi modulacja prędkości strumienia elektr.Elektr.oddziaływają

Wzajemne z przemieszczającym się polem elektrycznym spowolniony przez linię opóźniającą

fali elekromag. Oddziaływanie odbywa się na całej długości linii a nie tylko w punktach wnęk,jak to jest w klistronie

Elem. Wym.energii jest linia opóźniająca.Stanowi prowadnicę dla fali wzmóc. Syg.w.cz.

Linia opóźniająca powoduje redukowanie rozprzestrzeniania się fali wzdłuż osi lamp.Zmniejszenie prędkości fonowej fali ma na celu zapewnienie nieznacznie szybszego przemieszczenia się strumienia d.kl. fali w.cz.Powoduje to że występują syndromy oraz zgrupowania elektr.

Elekt. Mają V większą od V fazowej fali. Związku z tympręd.nast.ucieczki z pola przyspieszajacego niż z pola hamującego. Elektr. Uciekające z pola przyśp. Są przechwytywane przez pole ham. Po pewnym czasie na miejsca syt. W której większośc elekt znajduje się w polu ham .

Magnetron

Wszystkie rezonatory są ze sobą sprzężone polem M - tworzą tzw. linię opóźniającą przez którą może przebiegać fala elektromagnetyczna. Położenie wejścia linii z wyjścia wywołuje w lampie silne wew. sprzężenie zwrotne, przez co lampa staje się generatorem. Pod wpływem zmiennego pola E następuje sortowanie i ogniskowanie fazy (hamowanie, przyśpieszenie elektr.)

Pomiary uF

Detektory uF:

Wykonywane z zastosowaniem:

• diod ostrzowych

• diod wstecznych (szczególny przypadek diody tunelowej, w której wyeliminowano odcinek z charakterystyką ujemną)

• dioda z barierą Schottkyiego (poł. Metal-półprzewodnik)

a)

b)

Parametry detektora zależą od stosunku Ku mocy doprowadzanej Pr do złącza.

PRs - w rez. Rs

Na wyjściu detektora otrzymamy prąd, w jakiś sposób zależy od P padającej na detektor.

Czułość zawarta jest w granicach 1-10mV/uW

Budowa detektora uF

Mieszacze mikrofalowe

Przemiana f:

fp<<fs

fp<<fn

schemat układu z mieszaczem

Mieszacz - przetw liniowy, odtwarzającyu inf. Amp. Syg.

Współczynnik L zdefiniowany L= Pp/Ps jest nazywany stratami przemiany.

Starty przemiany zależą L(dB) = Lp +Lo (Pn,Uo)

Lp - straty ze względu na zjawiska pasozytncze

Lo - straty mocy procesu przemiany i zależą od poziomu mocy heterodyny doprowadzonej do diody 3-6dB i zalezą od własności diody.

Przykłady mieszaczy

Mieszacz pojemnościowy zrównoważony:

(Tu powinna być „uproszczona” struktura falowodowego mieszacza, ale w życiu takiego czegoś na kolosie nie da więc nie będę tracił 3 godzin)

Pomiar częstotliwości f=n/tp PDF = Uf

Przyrządy mierzące F to częstościomierze a długość fali - falomierze

Falomierze współosiowe

Wykonane z odc, linii współ. W rezonansie δ_F0 = 2L/P gdzie p = 1… liczba połówek fali odł. Na odc. L

W przypadku linii współosiowej powietrznej df = C/F

Fop = pc/(2L)

---