СВЧ-элементы радиотракта приемопередающих устройств

1.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Уфимский государственный авиационный технический университет» (ФГБОУ ВО «УГАТУ»)
У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта приемопередающих устройств
Радиоприемные и радиопередающие устройства
Доцент Воронков Г.С.

2.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Функции СВЧ-элементов
1.
Деление (ответвление) мощности:
сплиттеры;
направленные ответвители;
мостовые устройства;
невзаимные
устройства
коммутаторы).
2.
Согласование каскадов;
3.
Фильтрация сигналов.
1
(вентили,
циркуляторы,

3.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
СВЧ-многополюсники
Многополюсник - 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. Сечения входов многополюсника называют плоскостями
отсчета фаз. 2N-полюсником является устройство с N входами, на каждом из
которых имеется по два полюса.
Свойства многополюсников
свойство пассивности - отсутствие усиления или генерации мощности внутри
многополюсника;
свойство линейности - независимость характеристик многополюсника от уровня
подаваемой на него мощности (в определенном диапазоне);
свойство взаимности (симметрии) - коэффициенты передачи в прямом и
обратном направлении между входами устройства равны;
свойство реактивности - наличие свойства пассивности и отсутствие
потерь в многополюснике.
2

4.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
СВЧ-многополюсники
Балансный многополюсник дополнительно обладает свойствами согласования
и развязки.
свойство согласования - каждый из входов многополюсника согласован, если к
оставшимся входам подключены неотражающие (согласованные) нагрузки;
свойство развязки - мощность генератора, подключенного к одному из входов,
не поступает на один из оставшихся. При этом считается, что эти входы
развязаны.
Для описания многополюсников используют так называемые волны
напряжения:
j z z
u Вт Pe
u u1
u2 ... uN 1 uN
P - переносимая направляемой волной мощность,
βz - продольное волновое число,
z - продольная координата.
3

5.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
СВЧ-многополюсники
Падающие волны – волны, распространяющиеся по направлению к многополюснику;
Отраженные (рассеянные) волны – волны, распространяющиеся от многополюсника.
uiОТР Sij uiПАД
j
uОТР S uПАД
S11
S 21
S
S31
S 41
4
S12
S 22
S32
S 42
S13
S 23
S33
S 43
S14
S 24 Пример матрицы рассеяния
S34 для 8-полюсника
S 44

6.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
СВЧ-многополюсники
При условии симметрии устройства относительно двух плоскостей, проходящих между
входами:
.
S
5

7.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
СВЧ-многополюсники
При подключении нагрузки (двухполюсника) с комплексным коэффициентом отражения
к одному из входов 2N-полюсника этот вход становится недоступным. Соответственно,
число полюсов уменьшается на два, а свойства образующегося 2 (N–1)-полюсника
изменяются. Так, если нагрузить один из входов восьмиполюсника, он превращается в
шестиполюсник.
Рассмотрим преобразование матрицы рассеяния в этом случае.
Z2
6
Z2
Z0
1
3
2
4
Z2
1
3
2
4

8.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Дырочные волноводные направленные ответвители представляют собой два волновода
(чаще прямоугольных), имеющих общую стенку с отверстиями связи в ней. Они
являются
широко
распространенным
видом
волноводных
балансных
восьмиполюсников обычно с двумя плоскостями симметрии.
7

9.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
При согласовании входов восьмиполюсника (когда коэффициенты отражения α = 0)
плечи 1–2 и 3–4 будут попарно развязаны (β = 0), матрица рассеяния идеального НО
приобретает вид:
.
S
8

10.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Свойство реактивности определяет унитарностью матрицы рассеяния, то есть
произведение матрицы рассеяния на обратную должно дать единичную матрицу Е:
9

11.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Основными параметрами НО являются переходное ослабление С (отношение
мощности волны, поступающей на вход НО, к мощности ответвленной волны) и
направленность N (отношение мощности волны, ответвленной в заданном
направлении, к мощности волны, ответвленной в противоположном
направлении). Обычно эти величины измеряются в децибелах, так как
абсолютные их значения обычно очень малы (для С) или велики (для N).
10

12.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Многодырочный волноводный направленный ответвитель со связью по узкой
стенке
11

13.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
12
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

14.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Направленность быстро убывает при отклонении частоты от расчетной. Полоса
рабочих частот получается небольшой. Один из способов ее расширения — это
использование большего числа отверстий связи.
13

15.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Направленность быстро убывает при отклонении частоты от расчетной. Полоса
рабочих частот получается небольшой. Один из способов ее расширения — это
использование большего числа отверстий связи.
14

16.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Двухдырочный НО: направленность не менее 20 дБ достигается в полосе 12%
Трехдырочный НО: направленность не менее 20 дБ достигается в полосе 40%
Переходное затухание:
В трехдырочном НО для обеспечения двукратной разницы между
коэффициентами прохождения по мощности через среднее и крайнее
отверстия их диаметры должны быть связаны следующим
соотношением:
15

17.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Направленный ответвитель
Двухдырочный НО: направленность не менее 20 дБ достигается в полосе 12%
Трехдырочный НО: направленность не менее 20 дБ достигается в полосе 40%
Переходное затухание:
В трехдырочном НО для обеспечения двукратной разницы между
коэффициентами прохождения по мощности через среднее и крайнее
отверстия их диаметры должны быть связаны следующим
соотношением:
16

18.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Крестообразный направленный ответвитель
17
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

19.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Мостовые устройства
Мостовым устройством называется НО, распределяющий мощность поровну
между двумя выходами. Как и ответвители с произвольным коэффициентом
деления, мосты являются реактивными балансными восьмиполюсниками с хотя
бы одной плоскостью симметрии. Если предположить, что развязаны плечи 1–2 и
3–4, идеальный мост обладает матрицей рассеяния следующего вида:
1
3
2
4
С учетом условия реактивности и равенства модулей
коэффициентов передачи:
18

20.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Мостовые устройства
Параметры мостов
Коэффициент отражения каждого входа:
Развязка плеч C21 или С43
Баланс N12 или N34
19
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

21.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Двойной Т-образный мост
Из симметрии, взаимности и реактивности устройства следует, что при
согласовании и развязке плеч 1–2 будут одновременно согласо ваны и развязаны
плечи 3–4. Можно выбрать такие плоскости отсчета, что матрица рассеяния
согласованного двойного Т-образного моста с приведенной нумерацией входов
примет вид
20

22.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Щелевой волноводный мост
21
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

23.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Щелевой волноводный мост
Для нормальной работы моста необходимо, чтобы на общем
участке длиной l могли распространяться две волны —
синфазная Н и противофазная Н , а волна Н должна быть
запредельной. Тогда размер h должен удовлетворять условию:
10
20
λ0 — рабочая длина волны в свободном пространстве
22
30

24.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Щелевой волноводный мост
рабочая длина волны моста:
22
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

25.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Невзаимные устройства
23
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

26.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Невзаимные устройства
Структура поля основной волны в прямоугольном волноводе
секция с подмагниченным ферритом
длиной l обладает невзаимным фазовым
сдвигом ΔΨ
Распределение прямой и
обратной волн в волноводе с
ферритовой пластинкой
24

27.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Невзаимные устройства
Основные невзаимные ферритовые устройства СВЧ и
их идеализированные матрицы рассеяния:
а) невзаимный аттенюатор; б) невзаимный
фазовращатель; в) Y-циркулятор; г) X-циркулятор
25

28.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Невзаимные устройства. Вентиль
Конструкция вентиля на эффекте
смещения поля:
1) диэлектрическая пластинка; 2)
феррит; 3) поглощающая пленка; 4)
постоянный магнит
Служит для устранения влияния нагрузки на выходные цепи генератора и
для согласования произвольных нагрузок. Ферритовая пластинка приклеена
к диэлектрической пластине, а та, в свою очередь, приклеена к боковой
стенке волновода. Концы ферритовой пластины скошены для согласования
секции с волноводом. На внешней боковой грани пластины нанесена
поглощающая пленка. Прямое направление передачи указано стрелкой на
кожухе вентиля. При прямом направлении передачи в области расположения
поглотителя находится минимум поля и затухание отсутствует. При обратном
распространении волны поглотитель находится в максимуме поля и обратная
волна интенсивно затухает.
25

29.

СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Невзаимные устройства. Коммутатор
Конструкция коммутатора:
1) переход от прямоугольного волновода к
квадратному; 2) диэлектрическая втулка;
3) ферритовый стержень; 4) соленоид; 5)
разветвитель; 6) переход от квадратного
волновода к прямоугольному
26
Функционирует на использовании эффекта Фарадея в квадратном волноводе.
Ферритовый стержень с коническими концами укреплен на оси квадрат ной
секции с помощью диэлектрической втулки. Ступенчатые переходы служат
для согласования волноводов прямоугольного и квадратного сечения.
Продольное подмагничивание феррита создается соленоидом, питающимся
постоянным током. К квадратной секции подсоединен разветвитель,
имеющий два развязанных по поляризации выхода. Если сигнал подается на
вход 1, то при отсутствии подмагничивания возбуждается выход 2, так как при
прохождении ферритовой секции волна не меняетсвоей плоскости
поляризации; на выходе 3 сигнал отсутствует. Если подобрать
подмагничивание такой величины, что вследствие эффекта Фарадея
плоскость поляризации волны при прохождении ферритовой секции
поворачивается на 90°, то сигнал появляется на выходе 3 и отсутствует на

30.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
X-циркулятор
Циркулятор — невзаимный распределитель — многополюсное
устройство, обеспечивающее прохождение электромагнитных волн
через его зажимы в определенной последовательности (например,
1→2→3→1).
27

31.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
X-циркулятор
28
X-циркулятор
образован
двумя
связанными
прямоугольными
волноводами, имеющими общую узкую стенку, и состоит из двух щелевых
волноводных мостов, двух невзаимных фазовращателей, имеющих
невзаимный фазовый сдвиг Δψ = 90°, и изогнутой секции,
обеспечивающей разницу длин волноводов на четверть длины волны и
являющейся в данной конструкции взаимным фазовращателем
(обеспечивает одинаковый сдвиг фаз для волн обоих направлений) со
сдвигом фазы 90° в верхнем волноводе.

32.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
X-циркулятор
29
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

33.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Y-циркулятор
1) волноводный тройник; 2)
феррит; 3) диэлектрическая
втулка; 4) согласующие стержни;
5) магнитная система
30

34.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Фильтры СВЧ
31
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

35.

У ГАТ У
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Фильтры СВЧ
Характеристика Баттерворта
Характеристика Чебышева
32
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств

36.

У ГАТ У
СВЧ-элементы радиотракта
приемопередающих устройств
Уфимский государственный
авиационный технический
университет
Фильтры СВЧ
Характеристика Баттерворта
33
Характеристика Чебышева