Техника и электроника СВЧ (Часть 2) Лекція 20 Струми і напруги в техніці НВЧ. тобто від полів неможливо однозначно перейти до струмів та напруг у техніці НВЧ – нестрога процедура. Існує декілька варіантів цього переходу. . Це – незалежні визначення, які не дають . Опір хвильовода теж можна визначити по-різному: , , . Ми будемо користуватись: . Бачимо, що додаються ще параметри хвильовода . Нормовані струми і напруги. По аналогії з КМ , можна ввести . Будемо вважати - напів-напруга, напів-струм. Стоячі хвилі в лініях передачі. Хвиля у прямому напрямку з напругою : . Струм . Відбита хвиля: ; , (мінус – бо струм у зворотному напрямку). Очевидно, загальні напруга і струм: , . Повні напруга і струм складаються з парціальних напруг і струмів хвиль, які існують в хвильоводі. У кожній точці відношення називається повним імпедансом лінії передачі. Підрахуємо повний імпеданс лінії передачі: ; . Таким чином, повний опір залежить від координат. Опір в точці (в точці навантаження): . Тоді (**), де - коефіцієнт відбиття, при . Підставляючи (**) в (*), одержимо: . Отримали вираз для опору в будь-якій точці. Якщо , тобто ми розглянули точку знаходження навантаження, маємо опір . В залежності від відстані до опору змінюється опір лінії. Це суттєва відмінність НВЧ від звичайної електроніки. Для того, щоб взнати опір в будь-якій точці, необхідно знати опір хоча б в одній точці лінії передачі. Якщо лінія закорочена в , то . від точки КЗ буде на відстанях, кратних . Існує метод визначення опору без КЗ. Введемо коефіцієнт стоячої хвилі. до хвилі, що біжить, відбита хвиля додається чи віднімається: , , - коефіцієнт стоячої хвилі. Визначимо опір в точці : , . Очевидно, : , : . Отже: , . Нехай - відстань між та мінімумом, тоді буде , звідки (****). Існує діаграма з розрахованими опорами (див. Мал.): по куту відкладається , по радіусу - . . Однакові значення з’єднані лініями – Однакові значення з’єднані лініями – На цих лініях вказано значення активного та реактивного опорів. В центрі кола . Лекція 21 Виявлення сигналів НВЧ. Звичайний осцилограф використати неможливо – вони працюють на частотах до 1ГГц. Зараз використовують напівпровідникові детектори. Кристалічні детектори: квадратичний детектор. Вони реєструють 1011ГГц так само як і 100Гц. Такий детектор (див. Мал.) вставляється одним боком в один хвильовід, а другим у інший (див. Схему): Еквівалентна схема діода-детектора: Ідеальна частота , оскільки лише та покращити не можна. Зараз досягли . Залежність струму НП діоду від напруги: . (нас цікавить квадратичний детектуючий елемент). Метод комплексних амплітуд тут застосувати не можна, бо втратимо ефект детектування. . Отримаємо потужність . ; ; ; . Тоді . В результаті ми можемо зобразити діод генератором струму: . Звичайне значення . вважається гарним параметром. Це і є квадратичний детектор, оскільки струм пропорційний потужності. Визначимо потужність, яку цей діод може зареєструвати: знайдемо чутливість приймача на базі квадратичного детектора. - для узгодження з підсилювачем, - описує шуми підсилювача. Напруга шумів: , напруга сигналу: . - формула Найквіста. Найквіст довів, що ширина смуги пропорційна кількості електронних ступенів вільності. У відповідності з цим виведена формула для потужності шумів: . Якість детектора . . Визначимо з того, що - тоді Вт. Лекція 22 Лінійний детектор, змішувач. ; . Якщо розписати квадратний член, то одержимо: - постійний струм, тобто . Принципова схема супергетеродинного приймача НВЧ – діапазону. Відгук пропорційний квадрату сигналу. Розглянемо характеристики приймача: Втрати перетворення: , бо існують втрати на дзеркальні канали, тощо. У діапазоні 40ГГц типове значення . Шум-фактор (класичне визначення): . Шум завжди підсилюється більше ніж сигнал, тому показує, у скільки разів шум підсилюється більше, ніж сигнал. , бо немає схем в яких . , де - шум, згенерований всередині. Позначено - ми виносимо джерело струму за підсилювач. Погано в формулі те, що залежить від , тобто від оточуючого середовища. Домовились, що . Тоді для добрих приймачів: , де - еквівалентна температура входу (шуму) приймача. Тоді . Знайдемо мінімальну потужність, яку приймає приймач - шум-фактор. Він показує, у скільки разів еквівалентні шуми більше, ніж зовнішні шуми. Визначимо для змішувача: - бо це пасивний прилад. Для наступної схеми можна записати: з відки - врахуємо шуми подальших каскадів. В середньому . Вт. , бо впевнений прийом при Р в 2 рази меншій, ніж максимальній. Балансний змішувач. Я кщо уявити, що у генератора є деякий контур, то при перекритті та може виникнути биття генератора з самим собою навіть при відсутності сигналу. Балансний змішувач бореться саме з цим – він знищує гармоніки гетеродина. Розглянемо його схему: ГГ – гармоніка гетеродина. На двох діодах сигнал має різні полярності. Струм проміжної частоти залежить від фази на діоді. Отже струм від гетеродина буде в один бік, і на котушці приймача перетвориться в нуль. Сигнал струму буде фіксуватися окремо. Керування параметрами НВЧ за допомогою діодів. - діод – використовується для керування амплітудою НВЧ. Лекція 23 Вимірювання опорів. Узгодження опорів – задача про проходження хвиль між перешкодами без відбиттів. Однак, спочатку треба виміряти ці опори. Метод вимірювальної лінії: вимірювальна лінія – це зонд, який переміщується в середині хвильовода і реєструє відповідні струми (пучності чи мінімуми). Крім того, визначаються координати мінімуму і вимірюються відстані від мінімуму до навантаження, звідки: . Підключаємо між генератором і навантаженням вимірювальної лінії, потім визначаємо . Узгодження опорів. Треба зробити, щоб стержень в хвильоводі забирав максимум енергії. Це можливо при узгодженні опорів. Н ехай в лінію з опором підключили навантаження . , тому частина енергії відбивається. Можна паралельно підключити лінію з закороткою, яку можна рухати вздовж лінії. Це шлейфовий трансформатор або тромбон. Опір шлейфа: . Ми ставимо закоротку на кінці шлейфу, , тоді . Таким чином ми можемо ввести в лінію будь-який реактивний опір (закоротка не вносить активного опору). Нехай . Визначимо опір лінії у довільній точці : . На діаграмі ці опори розташовані на колі з центром в (0,0) та радіусом (опір ) – це коло відповідає незмінному КСХ, він дійсно постійний для лінії. В точці перетину кола з маємо . Цій точці відповідає певна точка на хвильоводі. Якщо в цій точці підключити шлейф, то реактивний опір можна міняти як завгодно. Також можна зробити так, що - тоді не буде відбиття. Фізично шлейф компенсує відбиту хвилю, тобто створює таку ж за амплітудою і протилежну за фазою. Розглянемо схему з двома шлейфами: Знайдемо опір у місці підключення першого шлейфу, зумовлений . Для цього йдемо по пунктирному колу (див. Діаграму нижче) на відстані, відповідній . Ми можемо змінювати шлейфом реактивний опір, залишаючи активний постійним. Знову зсуваємося на відстань між двома шлейфами. Аналогічно другим шлейфом змінюємо активний опір. В результаті прийдемо в точку А, де КСХ значно менший ніж початковий. Ми не отримали ідеальне узгодження. З теорії: узгодження при фіксованих відстанях між шлейфами можна створити при наявності 3-х шлейфів. Ми змінювали опір шлейфа так, щоб опинитись на , тому, що ми отримаємо найменший КСХ. Виявилось, що можна придумати метод, яким КСХ можна створити ще меншим. Лекція 24 Чвертьхвильовий трансформатор. Н ехай маємо два хвильоводи: , ; та стоїть задача передати енергію з одного в інший. Це можна зробити, з’єднавши їх відрізком хвильоводу з деяким опором . Виявляється, що , для узгодження. Підрахуємо це: . Тут , тоді , це фактично резонансний пристрій. Для широкосмугового узгодження роблять багато “східців”: Або ж плавний перехід (однак він більш довгий): Узгодження в МЕ. Потрібно щось увімкнути між генератором та опором, щоб виділялась максимальна потужність. Зробимо так як показано на малюнку: Підрахуємо опір в точці а: , , , , тобто . Таким чином маємо коливальний контур на частоті . Тобто, - це повинно дорівнювати , тобто - цим умовам має задовольняти контур . Таким чином, для узгодження опір необхідно включати в паралельний коливальний контур. Тепер ми знаємо повну теорію узгодження. Щ об збільшити ширину смуги пропускання, використовують більш складні ланцюги, це зв’язані ланцюги, тут смуга пропускання ширша: А що робити, якщо необхідно узгодити комбінований опір, наприклад . В таких випадках включають послідовно : , а потім узгоджують так само як і в попередньому випадку. Взагалі, використовують два методи: Комбінація штирів. Комбінація . Лекція 25 Заміна ліній передачі зосередженими елементами. Для лінії передачі: . Для чотириполюсника на зосереджених елементах: . Для того, щоб можна було провести заміну лінії на зосереджений чотириполюсник, необхідно, щоб вирази для їх були еквівалентні. Прирівнявши, одержимо: , , . Р озглянемо схеми які використовуються на практиці: ПФВЧ: , . ПФВЧ: , . З адача: Представимо - трансформатор у вигляді зосереджених елементів ТФВЧ. , , , , . - опір . трансформатора , звідки . Таким чином, конструктивно цей перехід виконується так: Задача: Узгодження транзистора. , . Треба узгодити з лініями 50 Ом. 1,2 5 10 1,5 Для цього перетворимо еквівалентну схему: Отже, ця схема - узгоджена. Лекція 26 Вимірювання потужностей НВЧ. Н П – детектори не можуть використовуватись для вимірювання, бо з часом вони самі змінюються, тобто не існує однакових НП – детекторів. Найбільш точні методи – калориметричні, але вони розраховані на великі потужності (>1Вт). Використовують термістори і болометри: • - НП-бусинка. Це все поміщують у термостат. Але це знову ж дає мало переваг у порівнянні з НП-детекторами. Тоді можна записати: , звідки маємо . Перевага бусинки - в електроніці. Намалюємо вимірювальний міст: - з’являється тому, що НВЧ нагріває по поверхні, а батарейка - по об’єму. Спочатку міст балансується опором тобто гальванометр нічого не показує. Подаємо НВЧ, тобто болометр перегрівається, баланс порушується. Для встановлення балансу опір збільшуємо так, щоб загальна потужність: . Для точності використовують . Інколи потрібно зменшити падаючу потужність. Для цього використовують атенюатори (поглинаюча пластина, що вставляється в хвилевід). Вони можуть зменшувати потужність на 30-40 дБ. Існують прецизійні атенюатори, точність 0,01 дБ: , а потужність, що поглинається, . А залежність кута можна визначити точно. І снують направлені відгалужувачі: У випадку, зображеному справа, потужність йде в одному напрямку: Лівий відгалужувач реагує лише на відбиту хвилю, правий – на падаючу. Компаратор автоматично рахує Г. У мікроелектроніці використовують мікросмужкові шлейфові відгалуджувачі. І снують розподілені розгалджувачі – (для верхньої смуги пропускання) – тут випромінює щілина. Записуємо за принципом Гюйгенса: , проінтегрувавши одержимо: , коефіцієнт направленості - можливо таке, що . При - це направлений відгалужувач. Однак, розміри цього відгалужувача пропорційні довжині хвилі, що дуже багато. Тому використовують відгалужувач Бете: Виявляється, що зв’язок цього хвильоводу з трубами існує по ЕМП, і фаза зв’язків по ЕП та МП – різна. Розглянуто зв’язок по ЕП, тепер по МП: - тобто хвиля піде лише у ліву трубу: від діелектричного зв’язку все “+”, від магнітного “+” та “-“, тобто в правій трубці . Хвиля піде у ліву трубу. Лекція 27 Вимірювання довжини хвилі та частоти. Найпростіший вимірювач – вимірювальна лінія. Намалюємо її: Тут максимум та мінімум – нечіткі, тому краще помістити у резонатор: . Це – ВСТ, хвильоводи середньої потужності. Для більшої точності є гетеродинні вимірювачі частоти, котрі працюють зі стандартними генераторами частот. Гетеродином може бути кварц чи молекулярний випромінювач на (точність 10-12), також іноді використовується ефект Мьосбауера (точність 10-17). Випромінювання затухання. Розглянемо метод відношення потужностей: Якщо детектор лінійний, то , якщо ж детектор квадратичний, то . О днак, цей спосіб неточний, він залежить від приладу. Тому існує його модифікація – метод еталонного атенюатора. Тут використовується прецизійний атенюатор: , - незалежно від властивостей детектора, бо на ньому завжди 100 поділок. Особливості техніки міліметрових та субміліметрових хвиль. Виготовлення хвилеводів під субміліметрові хвилі проблематичне бо характерні розміри хвильоводу мають порядок 0,1мм. Втрати: , . Тобто такі хвилеводи використовувати неможливо. Межі застосування: Смужкові – до 300-400 ГГц. Мікросмужкові – до 100 ГГц. Коаксіальні кабелі – до 50 ГГц. Потреба в освоєнні даного діапазону пов’язана із “забитістю” інших. Д іелектричні хвильоводи для теж погані, бо ці частоти відповідають оптичним фотонам у ТТ – ЕМХ замість розповсюдження починає збуджувати коливання атомів ТТ. Це – фундаментальна проблема, її не можна “обійти”. Тому роблять так звані лінзові хвильоводи – чим менше діелектрика, тим менше втрати. Тому намагаються зменшити кількість лінз за рахунок збільшення фокусної відстані. Однак, завжди є дифракція. Чим більша фокусна відстань, тим більші втрати, пов’язані з дифракцією. Фокусна відстань Релея - це максимальна фокусна відстань лінзи. Втрати лінзового хвильоводу 1-1,5 . Для виготовлення лінз використовують тефлон. Для того, щоб змінити напрямок розповсюдження, можна поставити дзеркало. Розглянемо ряд приладів на основі лінзових хвильоводів: Н апрямлений відгалуджувач: аналог в НВЧ (див. Мал. Справа): відгалуджує хвилю А, не реагує на хвилю В. непівпрозоре дзеркало створює такий ефект в оптиці (див. Мал. Зліва). Резонатор. Плоскопаралельний дзеркальний резонатор: . Служить для відбору хвиль певної довжини. М ожна використати розділення і злиття хвиль. Важлива фаза після проходження та . Лекція 28 Генерування та підсилення НВЧ. Підсилювач на тунельному діоді. ВАХ тунельного діоду має від’ємну ділянку, де . Будь-який діод можна представити еквівалентною схемою: В термінах цієї схеми буде (тут ми врахували опір переходу ). Звичайні значення . Підрахуємо загальний опір діоду . Знехтуємо паразитичною ємністю , тоді , тут введено позначення: , . У формулі - по модулю, тобто його від’ємність вже враховано. Графічний вигляд опору чи іншої комплексної величини, де параметром є частота, представляється годографом. Зобразимо його: - це резонансна частота діода, вона відповідає чисто реактивному опору. - гранична частота, на якій опір перестає бути від’ємним. Може бути картина, коли <0, тоді наступає самозбудження, оскільки тут резонанс і від’ємний опір. Щоб запобігти цьому, вводять стабілізуючі ланки для обмеження смугу частот від’ємного опору: На резонансній частоті контуру опір всієї ланки ,а на всіх інших частотах: .Таким чином, маємо два паралельно з’єднані опори. Один з них , , тоді сумарний опір . Т оді при буде , підсилення не буде. Тепер годограф буде мати інший вигляд, смуга буде на частотах . Крім цих елементів, у схемі використовуються узгоджуючі трансформатори. Коефіцієнт підсилення підсилювача на тунельному діоді . При цьому тут вхід та вихід не розв’язані, тому, по суті, коефіцієнт підсилення є коефіцієнтом відбиття. Такі підсилювачі нестійкі, нестабільні – параметрично залежать від навантаження. Транзистор має розв’язані вхід та вихід (зв’язок порядку МОм). Тому зараз використовують саме транзистори. Регенеративний підсилювач – це генератор в недозбудженому режимі. Перевага транзисторів – триполюсна схема ( земля, вхід та вихід), хоча швидкодія гірша чим у діода. Лекція 29 Параметричний підсилювач на НП-діодах. . Система генерує , при , якщо ж то система не генерує, проте зовнішній сигнал не підсилюється. - частота накачки. Інший варіант: - сигнал, - холостий, -