Учебная работа. Реферат: Техника и электроника СВЧ (Часть 2)

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:

звідки

— врахуємо шуми
подальших
каскадів. В
середньому
.

Вт.
,
бо впевнений
прийом при Р
в 2 рази меншій,
ніж максимальній.

Якщо
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.

—
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
.

Треба зробити,
щоб стержень
в хвильоводі
забирав максимум
енергії. Це
можливо при
узгодженні
опорів.

Нехай
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.

Нехай
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):

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.

Щоб
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:
,
,
.

Розглянемо
схеми які
використовуються
на практиці:

ПФВЧ:
,
.

ПФВЧ:
,
.

Задача:
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.

НП
– 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.

Існують
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.

Існують
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.

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).

Розглянемо
метод відношення
потужностей:

Якщо детектор
лінійний, то
,
якщо ж детектор
квадратичний,
то
.

Однак,
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.

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.

Діелектричні
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:

Напрямлений
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.

Можна
використати
розділення
і злиття хвиль.
Важлива фаза
після проходження

та
.

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