Микроволновая техника — Введение

Электромагнитный спектр состоит из всего спектра электромагнитного излучения. Радиация — это энергия, которая распространяется и распространяется по мере распространения. Типы электромагнитного излучения, которое создает электромагнитный спектр, изображены на следующем снимке экрана.

Давайте теперь посмотрим на свойства микроволн.

Свойства микроволн

Ниже приведены основные свойства микроволн.

• Микроволны — это волны, которые излучают электромагнитную энергию с меньшей длиной волны.

• Микроволны не отражаются ионосферой.

• Микроволны распространяются по прямой линии и отражаются от проводящих поверхностей.

• Микроволны легко ослабляются на более коротких расстояниях.

• Микроволновые токи могут протекать через тонкий слой кабеля.

Микроволны — это волны, которые излучают электромагнитную энергию с меньшей длиной волны.

Микроволны не отражаются ионосферой.

Микроволны распространяются по прямой линии и отражаются от проводящих поверхностей.

Микроволны легко ослабляются на более коротких расстояниях.

Микроволновые токи могут протекать через тонкий слой кабеля.

Преимущества микроволновых печей

Есть много преимуществ микроволн, таких как следующие —

• Поддерживает большую пропускную способность и, следовательно, больше информации передается. По этой причине микроволны используются для связи точка-точка.

• Возможно усиление антенны.

• Чем выше скорость передачи данных, тем больше пропускная способность.

• Размер антенны уменьшается, так как частоты выше.

• Низкое энергопотребление, так как сигналы имеют более высокие частоты.

• Эффект замирания уменьшается за счет использования прямой видимости.

• Обеспечивает эффективную зону отражения в радиолокационных системах.

• Возможна спутниковая и наземная связь с высокой пропускной способностью.

• Могут быть разработаны недорогие миниатюрные микроволновые компоненты.

• Эффективное использование спектра с широким спектром применения во всех доступных диапазонах частот.

Поддерживает большую пропускную способность и, следовательно, больше информации передается. По этой причине микроволны используются для связи точка-точка.

Возможно усиление антенны.

Чем выше скорость передачи данных, тем больше пропускная способность.

Размер антенны уменьшается, так как частоты выше.

Низкое энергопотребление, так как сигналы имеют более высокие частоты.

Эффект замирания уменьшается за счет использования прямой видимости.

Обеспечивает эффективную зону отражения в радиолокационных системах.

Возможна спутниковая и наземная связь с высокой пропускной способностью.

Могут быть разработаны недорогие миниатюрные микроволновые компоненты.

Эффективное использование спектра с широким спектром применения во всех доступных диапазонах частот.

Недостатки микроволн

Есть несколько недостатков микроволн, таких как следующие —

• Стоимость оборудования или стоимость установки высока.
• Они здоровенные и занимают больше места.
• Могут возникнуть электромагнитные помехи.
• Могут возникнуть изменения в диэлектрических свойствах с температурой.
• Врожденная неэффективность электроэнергии.

Применение микроволн

Существует широкий спектр применений для микроволновых печей, которые невозможны для других излучений. Они —

Беспроводная связь

• Для междугородних телефонных звонков
• блютуз
• WIMAX операции
• Передачи на открытом воздухе
• Вещательные вспомогательные службы
• Блок дистанционного захвата
• Студия / передатчик
• Спутник прямого вещания (DBS)
• Персональные системы связи (ПК)
• Беспроводные локальные сети (WLAN)
• Системы сотовой связи (CV)
• Автомобильная система предотвращения столкновений

электроника

• Быстрые переключатели без джиттера
• Фазовращатели
• ВЧ поколение
• Тюнинг элементы
• Системы ECM / ECCM (электронный счетчик)
• Системы с расширенным спектром

Коммерческое использование

• Охранная сигнализация
• Гаражные ворота
• Полицейские детекторы скорости
• Идентификация бесконтактными методами
• Сотовые телефоны, пейджеры, беспроводные локальные сети
• Спутниковое телевидение, радио XM
• Детектор движения
• Дистанционное зондирование

навигация

• Глобальные навигационные спутниковые системы
• Глобальная система позиционирования (GPS)

Военные и Радар

• Радары для определения дальности и скорости цели.

• Приложения SONAR

• Управления воздушным движением

• Прогноз погоды

• Навигация судов

• Приложения для траления мин

• Обеспечение ограничения скорости

• Военные используют микроволновые частоты для связи и для вышеупомянутых применений.

Радары для определения дальности и скорости цели.

Приложения SONAR

Управления воздушным движением

Прогноз погоды

Навигация судов

Приложения для траления мин

Обеспечение ограничения скорости

Военные используют микроволновые частоты для связи и для вышеупомянутых применений.

Исследования приложений

• Атомные резонансы
• Ядерные резонансы

Радиоастрономия

• Отметить космическое микроволновое фоновое излучение
• Обнаружение мощных волн во вселенной
• Обнаружение многих излучений во вселенной и земной атмосфере

Пищевая промышленность

• Микроволновые печи для разогрева и приготовления пищи
• Приложения для пищевой промышленности
• Приложения предварительного нагрева
• Предварительное приготовление
• Обжарка пищевых зерен / бобов
• Сушка картофельных чипсов
• Выравнивание влаги
• Поглощающие молекулы воды

Промышленное использование

• Вулканизирующая резина
• Аналитическая химия
• Процессы сушки и реакции
• Обработка керамики
• Полимерная матрица
• Модификация поверхности
• Химическая обработка паров
• Обработка порошка
• Стерилизующие препараты
• Химический синтез
• Восстановление отходов
• Передача энергии
• Туннель скучный
• Ломая камень / бетон
• Разрушение угольных пластов
• Отверждение цемента
• РЧ освещение
• Термоядерные реакторы
• Системы активного отказа

Технологии обработки полупроводников

• Реактивное ионное травление
• Химическое осаждение из паровой фазы

спектроскопия

• Электронная парамагнитная резонансная (ЭПР или ЭПР) спектроскопия
• Чтобы узнать о неспаренных электронов в химических веществах
• Знать свободные радикалы в материалах
• Электронная химия

Медицинские Приложения

• Мониторинг сердцебиения
• Обнаружение воды в легких
• Обнаружение опухоли
• Региональная гипертермия
• Терапевтические применения
• Локальное отопление
• пластическая операция на сосудах
• Микроволновая томография
• Микроволновая акустическая визуализация

Для распространения любой волны нужна среда. Линии передачи, которые имеют различные типы, используются для распространения микроволн. Давайте узнаем о них в следующей главе.

Микроволновая техника — линии электропередачи

Линия передачи — это разъем, который передает энергию из одной точки в другую. Изучение теории линий электропередачи полезно для эффективного использования энергии и оборудования.

Есть в основном четыре типа линий передачи —

• Двухпроводные параллельные линии электропередачи
• Коаксиальные линии
• Линии передачи подложки полосового типа
• волноводы

Во время передачи или приема передача энергии должна выполняться эффективно, без потерь энергии. Для достижения этого есть определенные важные параметры, которые необходимо учитывать.

Основные параметры ЛЭП

Важными параметрами линии передачи являются сопротивление, индуктивность, емкость и проводимость.

Сопротивление и индуктивность вместе называются импедансом линии передачи.

Емкость и проводимость вместе называются допуском .

сопротивление

Сопротивление, оказываемое материалом, из которого сделаны линии электропередачи, будет значительным, особенно для более коротких линий. При увеличении тока в линии также увеличивается омическая потеря  left(I2Rloss right)$\ left (I ^ {2} R \: loss \ right)$.

Сопротивление R$R$ проводника длиной «l$l$« и сечением «a$a$« представляется в виде

R= rho fracla

$$R = \ rho \ frac {l} {a}$$

куда

 rho$\ rho$ = удельное сопротивление материала проводника, которое является постоянным.

Температура и частота тока являются основными факторами, которые влияют на сопротивление линии. Сопротивление проводника изменяется линейно с изменением температуры. Принимая во внимание, что, если частота тока увеличивается, плотность тока к поверхности проводника также увеличивается. В противном случае плотность тока по направлению к центру проводника увеличивается.

Это означает, что чем больше ток течет к поверхности проводника, тем меньше он течет к центру, который известен как скин-эффект .

самоиндукция

В линии передачи переменного тока ток течет синусоидально. Этот ток индуцирует магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю, которое также изменяется синусоидально. Это хорошо известно как закон Фарадея. Поля изображены на следующем рисунке.

Это переменное магнитное поле индуцирует некоторую ЭДС в проводнике. Теперь это индуцированное напряжение или ЭДС течет в направлении, противоположном току, протекающему изначально. Эта ЭДС, текущая в противоположном направлении, эквивалентно показана параметром, известным как Индуктивность , который является свойством противодействовать сдвигу тока.

Обозначается буквой » L «. Единицей измерения является « Генри (H) ».

проводимость

Между линией передачи и землей, а также между фазовыми проводниками будет ток утечки. Это небольшое количество тока утечки обычно протекает через поверхность изолятора. Обратный ток утечки называется проводимостью . Обозначается буквой » G «.

Поток тока в линии связан с индуктивностью, а разность напряжений между двумя точками связана с емкостью. Индуктивность связана с магнитным полем, а емкость связана с электрическим полем.

емкость

Разница напряжений между фазовыми проводниками приводит к возникновению электрического поля между проводниками. Два проводника похожи на параллельные пластины, и воздух между ними становится диэлектриком. Этот образец вызывает эффект емкости между проводниками.

Характеристическое сопротивление

Если рассматривается однородная линия передачи без потерь, то для волны, распространяющейся в одном направлении, отношение амплитуд напряжения и тока вдоль этой линии, которая не имеет отражений, называется характеристическим сопротивлением .

Обозначается Z0$Z_0$

Z0= sqrt fracVoltagewavevaluecurrentwavevalue

$$Z_0 = \ sqrt {\ frac {Voltage \: \: wave \: \: value} {current \: \: wave \: \: value}}$$

Z0= sqrt fracR+jwLG+jwC

$$Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}}$$

Для строки без потерь R0= sqrt fracLC$R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}}$

Где L$L$ и C$C$ — индуктивность и емкость на единицу длины.

Сопротивление импеданса

Для достижения максимальной передачи мощности на нагрузку необходимо выполнить согласование импедансов. Для достижения этого соответствия импеданса должны быть выполнены следующие условия.

Сопротивление нагрузки должно быть равно сопротивлению источника.

RL=RS

$$R_L = R_S$$

Реактивное сопротивление нагрузки должно быть таким же, как у источника, но противоположное по знаку.

XL=−XS

$$X_L = -X_S$$

Это означает, что если источник индуктивный, нагрузка должна быть емкостной, и наоборот.

Коэффициент отражения

Параметр, который выражает количество отраженной энергии из-за несоответствия импеданса в линии передачи, называется коэффициентом отражения . На это указывает  rho$\ rho$ (rho) .

Его можно определить как «отношение отраженного напряжения к падающему напряжению на клеммах нагрузки».

 rho= fracотраженонапряжениеинцидентнапряжение= fracVrViпринагрузкаклеммы

$$\ rho = \ frac {отражено \: напряжение} {инцидент \: напряжение} = \ frac {V_r} {V_i} \: при \: нагрузка \: клеммы$$

Если импеданс между устройством и линией передачи не совпадает, то энергия отражается. Чем выше энергия отражается, тем больше будет значение коэффициента отражения  rho$\ rho$.

Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)

Стоячая волна формируется, когда падающая волна отражается. Стоячая волна, которая образуется, содержит некоторое напряжение. Величина стоячих волн может быть измерена с точки зрения коэффициентов стоячих волн.

Отношение максимального напряжения к минимальному напряжению в стоячей волне может быть определено как коэффициент напряжения в стоячей волне (КСВН). Обозначается «S$S$«.

S= frac left|Vmax right| left|Vmin right| quad1 leqS leq infty

$$S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ right |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty$$

VSWR описывает диаграмму стоячей волны напряжения, которая присутствует в линии передачи из-за сложения фазы и вычитания падающей и отраженной волн.

Следовательно, это также может быть записано как

S= frac1+ rho1− rho

$$S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho}$$

Чем больше рассогласование импеданса, тем выше будет амплитуда стоячей волны. Поэтому, если полное сопротивление согласовано идеально,

Vmax:Vmin=1:1

$$V_ {max}: V_ {min} = 1: 1$$

Следовательно, значение для VSWR равно единице, что означает, что передача является идеальной.

Эффективность линий электропередачи

Эффективность линий передачи определяется как отношение выходной мощности к входной мощности.

%эффективностьofпередачалиния eta= fracПитаниедоставленоприприемеПитаниеотправленоотпередачипередачаконец раз100$\% \: эффективность \: of \: передача \: линия \: \ eta = \ frac {Питание \: доставлено \: при \: приеме} {Питание \: отправлено \: от \: передачи \: передача \: конец} \ раз 100$

Регулирование напряжения

Регулирование напряжения определяется как изменение величины напряжения между передающим и приемным концами линии передачи.

%напряжениерегулирование= fracотправкаконецнапряжение−получениеконецнапряжениеотправкаконецнапряжение раз100$\% \: напряжение \: регулирование = \ frac {отправка \: конец \: напряжение - \: получение \: конец \: напряжение} {отправка \: конец \: напряжение} \ раз 100$

Потери из-за несоответствия импеданса

Линия электропередачи, если она не заканчивается согласованной нагрузкой, возникает в виде потерь. Эти потери бывают разных типов, такие как потери на затухание, потери на отражение, потери на передачу, возвратные потери, вносимые потери и т. Д.

Потеря ослабления

Потеря, которая возникает из-за поглощения сигнала в линии передачи, называется потерей затухания, которая представлена ​​как

Затуханиепотеря(дБ)=10log10 left[ fracEi−ErEt right]

$$Затухание \: потеря (дБ) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right]$$

куда

• Ei$E_i$ = входная энергия

• Er$E_r$ = отраженная энергия от нагрузки до входа

• Et$E_t$ = передаваемая энергия нагрузке

Ei$E_i$ = входная энергия

Er$E_r$ = отраженная энергия от нагрузки до входа

Et$E_t$ = передаваемая энергия нагрузке

Потеря отражения

Потери, возникающие из-за отражения сигнала из-за несоответствия импеданса линии передачи, называются потерями при отражении, которые представлены как

Отражениепотеря(дБ)=10log10 left[ fracEiEi−Er right]

$$Отражение \: потеря (дБ) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right]$$

куда

• Ei$E_i$ = входная энергия

• Er$E_r$ = отраженная энергия от нагрузки

Ei$E_i$ = входная энергия

Er$E_r$ = отраженная энергия от нагрузки

Потеря передачи

Потеря, возникающая при передаче по линии передачи, называется потерей передачи, которая представлена ​​как

Передачапотеря(дБ)=10log10 fracEiEt

$$Передача \: потеря (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t}$$

куда

• Ei$E_i$ = входная энергия

• Et$E_t$ = передаваемая энергия

Ei$E_i$ = входная энергия

Et$E_t$ = передаваемая энергия

Обратные потери

Мера мощности, отражаемой линией передачи, называется возвратными потерями, которые представлены как

Returnloss(дБ)=10log10 fracEiEr

$$Return \: loss (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r}$$

куда

• Ei$E_i$ = входная энергия

• Er$E_r$ = отраженная энергия

Ei$E_i$ = входная энергия

Er$E_r$ = отраженная энергия

Потеря вставки

Потеря, которая возникает из-за передачи энергии с использованием линии передачи по сравнению с передачей энергии без линии передачи, называется вносимой потерей, которая представлена ​​как

Вставкапотери(дБ)=10log10 fracE1E2

$$Вставка \: потери (дБ) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2}$$

куда

• E1$E_1$ = энергия, полученная нагрузкой при прямом подключении к источнику без линии передачи.

• E2$E_2$ = энергия, полученная нагрузкой, когда линия передачи подключена между нагрузкой и источником.

E1$E_1$ = энергия, полученная нагрузкой при прямом подключении к источнику без линии передачи.

E2$E_2$ = энергия, полученная нагрузкой, когда линия передачи подключена между нагрузкой и источником.

Соответствие окурка

Если импеданс нагрузки не соответствует исходному импедансу, для достижения соответствия иногда используется метод «Сопоставление заглушки».

Процесс соединения участков открытых или коротких замыканий, называемых заглушками в шунте, с главной линией в некоторой точке или точках, можно назвать согласованием заглушки .

На более высоких микроволновых частотах используются в основном два метода согласования заглушек.

Соответствие одиночного окурка

При согласовании с одной заглушкой заглушка определенной фиксированной длины размещается на некотором расстоянии от нагрузки. Он используется только для фиксированной частоты, потому что для любого изменения частоты местоположение заглушки должно быть изменено, что не делается. Этот метод не подходит для коаксиальных линий.

Двойная заглушка

При двойном согласовании шпилек две заглушки переменной длины фиксируются в определенных положениях. При изменении нагрузки только длина заглушек регулируется для достижения соответствия. Это широко используется в лабораторной практике как одночастотное согласующее устройство.

На следующих рисунках показано, как выглядят заглушки.

Согласование с одной заглушкой и согласование с двумя заглушками, как показано на рисунках выше, выполняются в линиях передачи для достижения согласования полного сопротивления.

Режимы распространения

Волна имеет как электрические, так и магнитные поля. Все поперечные составляющие электрического и магнитного полей определяются по осевым составляющим электрического и магнитного полей в направлении z. Это позволяет формировать моды, такие как TE, TM, TEM и Hybrid в микроволнах. Давайте посмотрим на типы режимов.

Направление компонентов электрического и магнитного полей вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений x, y и z показано на следующем рисунке.

Типы режимов

Режимы распространения микроволн:

ТЕМ (поперечная электромагнитная волна)

В этом режиме как электрическое, так и магнитное поля являются чисто поперечными к направлению распространения. В направлении ′Z′$'Z'$ нет компонентов.

Ez=0andHz=0

$$E_z = 0 \: and \: H_z = 0$$

TE (поперечная электрическая волна)

В этом режиме электрическое поле является чисто поперечным направлению распространения, тогда как магнитное поле — нет.

Ez=0andHz ne0

$$E_z = 0 \: and \: H_z \ ne 0$$

ТМ (поперечная магнитная волна)

В этом режиме магнитное поле является чисто поперечным направлению распространения, тогда как электрическое поле — нет.

Ez ne0andHz=0

$$E_z \ ne 0 \: and \: H_z = 0$$

ОН (Гибридная волна)

В этом режиме ни электрическое, ни магнитное поле не являются чисто поперечными к направлению распространения.

Ez ne0иHz ne0

$$E_z \ ne 0 \: и \: H_z \ ne 0$$

Многопроводные линии обычно поддерживают способ распространения ТЕА, поскольку теория линий передачи применима только к тем системам проводников, которые имеют путь возврата и возврата, т.е. к тем, которые могут поддерживать волну ТЕА.

Волноводы представляют собой однопроводные линии, которые допускают режимы TE и TM, но не режим TEM. Открытые проводники направляют опору на гибридные волны. Типы линий передачи обсуждаются в следующей главе.

Типы Линий Передачи

Обычные линии передачи с открытой проводкой не подходят для микроволновой передачи, поскольку потери на излучение будут высокими. На микроволновых частотах используемые линии передачи можно в целом классифицировать на три типа. Они —

• Многопроводные линии
  • Коаксиальные линии
  • Линии полосы
  • Микрополосковые линии
  • Слоты
  • Копланарные линии и др.

• Одножильные линии (волноводы)
  • Прямоугольные волноводы
  • Круглые волноводы
  • Эллиптические волноводы
  • Однолистные волноводы
  • Двухконтурные волноводы и др.

• Открытые граничные структуры
  • Диэлектрические стержни
  • Открытые волноводы и др.

Многопроводные линии

Линии передачи, которые имеют более одного проводника, называются многопроводными линиями.

Коаксиальные линии

Этот в основном используется для высокочастотных приложений.

Коаксиальная линия состоит из внутреннего проводника с внутренним диаметром d , а затем концентрического цилиндрического изоляционного материала вокруг него. Он окружен внешним проводником, который представляет собой концентрический цилиндр с внутренним диаметром D. Эта структура хорошо понятна, если взглянуть на следующий рисунок.

Основным и доминирующим режимом в коаксиальных кабелях является режим TEM. Частота среза в коаксиальном кабеле отсутствует. Он проходит все частоты. Однако для более высоких частот начинает распространяться не-TEM-режим более высокого порядка, что вызывает значительное затухание.

Стриптиз

Это плоские линии передачи, используемые на частотах от 100 МГц до 100 ГГц.

Линия полосы состоит из центральной тонкой проводящей полосы шириной ω, которая больше ее толщины t . Он помещен внутри диэлектрической (ε _r ) подложки с малыми потерями толщиной b / 2 между двумя широкими пластинами заземления. Ширина заземляющих пластин в пять раз превышает расстояние между пластинами.

Толщина металлического центрального проводника и толщина металлических заземляющих плоскостей одинаковы. На следующем рисунке показан вид поперечного сечения структуры линии полосы.

Основным и доминирующим режимом в полосовых линиях является режим TEM. При b <λ / 2 распространения в поперечном направлении не будет. Полное сопротивление линии полосы обратно пропорционально отношению ширины ω внутреннего проводника к расстоянию b между заземляющими плоскостями.

Линии Micro Strip

У полосы полосы есть тот недостаток, что она недоступна для настройки и настройки. Этого избегают в микрополосковых линиях, что позволяет монтировать активные или пассивные устройства, а также позволяет вносить незначительные корректировки после изготовления схемы.

Линия микрополоски представляет собой несимметричную параллельную линию передачи с пластинами, имеющую диэлектрическую подложку, которая имеет металлизированное основание на дне и тонкую проводящую полосу наверху с толщиной « t » и шириной « ω ». Это можно понять, взглянув на следующий рисунок, на котором показана линия микрополоски.

Характерный импеданс микрополоски является функцией ширины линии полосы (ω) , толщины (t) и расстояния между линией и земной плоскостью (h) . Микрополосковые линии бывают многих типов, такие как встроенная микрополоска, перевернутая микрополоска, подвесная микрополоска и щелевые линии передачи микрополоски.

В дополнение к этому, некоторые другие линии ПЭМ, такие как параллельные полосы и копланарные линии полосы, также использовались для микроволновых интегральных схем.

Другие Линии

Линия параллельной полосы похожа на двухпроводную линию передачи. Он может поддерживать квази-ТЕМ режим. На следующем рисунке это объясняется.

Копланарная линия полос образована двумя проводящими полосами, одна полоса которых заземлена, и обе расположены на одной поверхности подложки для удобного соединения. На следующем рисунке это объясняется.

Линия передачи щелевой линии состоит из щели или зазора в проводящем покрытии на диэлектрической подложке, и этот процесс изготовления идентичен микрополосковым линиям. Ниже приводится его схематическое представление.

Копланарный волновод состоит из полоски тонкой металлической пленки, которая осаждается на поверхности диэлектрической пластины. Эта плита имеет два электрода, расположенных рядом и параллельно полосе на одной поверхности. На следующем рисунке это объясняется.

Все эти микрополосковые линии используются в микроволновых устройствах, где недостатком является использование громоздких и дорогих в производстве линий электропередачи.

Открытые пограничные структуры

Они также могут быть заявлены как открытые электромагнитные волноводы . Волновод, который не полностью заключен в металлический экран, может рассматриваться как открытый волновод. Свободное пространство также считается своего рода открытым волноводом.

Открытый волновод может быть определен как любое физическое устройство с продольной осевой симметрией и неограниченным поперечным сечением, способное направлять электромагнитные волны. Они обладают спектром, который больше не является дискретным. Микрополосковые линии и оптические волокна также являются примерами открытых волноводов.

Микроволновая техника — волноводы

Как правило, если частота сигнала или конкретной полосы сигналов высока, использование полосы пропускания является высоким, поскольку сигнал обеспечивает больше места для накопления других сигналов. Однако высокочастотные сигналы не могут преодолевать большие расстояния без ослабления. Мы изучили, что линии передачи помогают сигналам преодолевать большие расстояния.

Микроволны распространяются через микроволновые цепи, компоненты и устройства, которые действуют как часть микроволновых линий передачи, широко называемых волноводами.

Полый металлический патрубок равномерного поперечного сечения для передачи электромагнитных волн путем последовательных отражений от внутренних стенок трубки называется волноводом .

На следующем рисунке показан пример волновода.

Волновод обычно предпочтителен в микроволновой связи. Волновод представляет собой особую форму линии передачи, которая представляет собой полую металлическую трубку. В отличие от линии передачи, волновод не имеет центрального проводника.

Основными характеристиками волновода являются —

• Стенка трубки обеспечивает распределенную индуктивность.

• Пустое пространство между стенками трубки обеспечивает распределенную емкость.

• Это громоздкие и дорогие.

Стенка трубки обеспечивает распределенную индуктивность.

Пустое пространство между стенками трубки обеспечивает распределенную емкость.

Это громоздкие и дорогие.

Преимущества волноводов

Ниже приведены некоторые преимущества волноводов.

• Волноводы просты в изготовлении.

• Они могут работать с очень большой мощностью (в киловаттах).

• Потери мощности очень незначительны в волноводах.

• Они предлагают очень низкие потери (низкое значение альфа-затухания).

• Когда микроволновая энергия проходит через волновод, она испытывает меньшие потери, чем коаксиальный кабель.

Волноводы просты в изготовлении.

Они могут работать с очень большой мощностью (в киловаттах).

Потери мощности очень незначительны в волноводах.

Они предлагают очень низкие потери (низкое значение альфа-затухания).

Когда микроволновая энергия проходит через волновод, она испытывает меньшие потери, чем коаксиальный кабель.

Типы волноводов

Существует пять типов волноводов.

• Прямоугольный волновод
• Круглый волновод
• Эллиптический волновод
• Однолистный волновод
• Двухконтурный волновод

На следующих рисунках показаны типы волноводов.

Типы волноводов, показанные выше, являются полыми в центре и состоят из медных стенок. Они имеют тонкую подкладку из Au или Ag на внутренней поверхности.

Давайте теперь сравним линии электропередачи и волноводы.

Линии передачи и волноводы

Основное различие между линией передачи и волноводом —

• Двухпроводная структура, которая может поддерживать волну ТЕА, представляет собой линию передачи.

• Структура с одним проводником, которая может поддерживать волну TE или волну TM, но не волну TEM, называется волноводом.

Двухпроводная структура, которая может поддерживать волну ТЕА, представляет собой линию передачи.

Структура с одним проводником, которая может поддерживать волну TE или волну TM, но не волну TEM, называется волноводом.

В следующей таблице приведены различия между линиями передачи и волноводами.

Линии передачи	волноводы
Поддерживает волну ТЭМ	Не может поддержать волну ТЕА
Все частоты могут проходить через	Только частоты, которые превышают частоту среза, могут проходить через
Однопроводная передача	Двухпроводная передача
Размышлений меньше	Волна проходит сквозь отражения от стенок волновода
Имеет характерное сопротивление	Имеет волновое сопротивление
Распространение волн согласно «Теории цепи»	Распространение волн согласно «Теории поля»
У него есть обратный проводник на землю	Обратный проводник не требуется, так как тело волновода действует как земля
Пропускная способность не ограничена	Пропускная способность ограничена
Волны не расходятся	Волны рассеиваются

Фазовая скорость

Фазовая скорость — это скорость, с которой волна меняет свою фазу, чтобы пройти фазовый сдвиг в 2π радиан. Его можно понимать как изменение скорости волновой составляющей синусоидальной волны при модуляции.

Выведем уравнение для фазовой скорости.

Согласно определению следует учитывать скорость изменения фазы при 2π радиан.

Это означает, что λ$λ$ / T$T$, следовательно,

V= frac lambdaT

$$V = \ frac {\ lambda} {T}$$

Куда,

λ$λ$ = длина волны и T$T$ = время

V= frac lambdaT= lambdaf

$$V = \ frac {\ lambda} {T} = \ lambda f$$

Так как f= frac1T$f = \ frac {1} {T}$

Если мы умножим числитель и знаменатель на 2π, то получим

V= lambdaf= frac2 pi lambdaf2 pi

$$V = \ lambda f = \ frac {2 \ pi \ lambda f} {2 \ pi}$$

Мы знаем, что  omega=2 pif$\ omega = 2 \ pi f$ и  beta= frac2 pif$\ beta = \ frac {2 \ pi} {f}$

Приведенное выше уравнение можно записать в виде

V= frac2 pif frac2 pi lambda= frac omega beta

$$V = \ frac {2 \ pi f} {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} = \ frac {\ omega} {\ beta}$$

Следовательно, уравнение для фазовой скорости представляется в виде

Vp= frac omega beta

$$V_p = \ frac {\ omega} {\ beta}$$

Скорость группы

Групповая скорость может быть определена как скорость, с которой волна распространяется по волноводу. Это можно понимать как скорость, с которой движется модулированная огибающая по сравнению с одной несущей. Эта модулированная волна проходит через волновод.

Уравнение скорости группы представляется в виде

Vg= fracd omegad beta

$$V_g = \ frac {d \ omega} {d \ beta}$$

Скорость модулированной огибающей обычно медленнее, чем сигнал несущей.

Микроволновая техника — Компоненты

В этой главе мы поговорим о микроволновых компонентах, таких как микроволновые транзисторы и диоды разных типов.

Микроволновые Транзисторы

Существует необходимость в разработке специальных транзисторов, чтобы выдерживать микроволновые частоты. Следовательно, для микроволновых применений были разработаны кремниевые npn-транзисторы, которые могут обеспечить адекватную мощность на микроволновых частотах. Они имеют обычно 5 Вт на частоте 3 ГГц с усилением 5 дБ. Вид в поперечном сечении такого транзистора показан на следующем рисунке.

Конструкция СВЧ Транзисторов

Эпитаксиальный слой n- типа выращивают на подложке n +, которая составляет коллектор. В этой n- области слой SiO2 выращивается термически. Р-основа и сильно легированные н-излучатели диффундируют в основание. Отверстия выполнены в оксиде для омических контактов. Соединения выполняются параллельно.

Такие транзисторы имеют геометрию поверхности, которая классифицируется как встречная, наложенная или матричная. Эти формы показаны на следующем рисунке.

Силовые транзисторы используют все три геометрии поверхности.

Транзисторы с малым сигналом используют геометрию поверхности со смещением. Взаимозаменяемая структура подходит для применений с малым сигналом в диапазонах L, S и C.

Геометрию матрицы иногда называют сеткой или эмиттерной сеткой. Оверлейные и матричные структуры полезны в качестве силовых устройств в областях УВЧ и ОВЧ.

Работа СВЧ Транзисторов

В СВЧ-транзисторе первоначально переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении. При применении микроволнового сигнала соединение эмиттер-база становится смещенным в прямом направлении. Если рассматривать pnp- транзистор, то применение положительного пика сигнала направляет прямое смещение соединения эмиттер-база, создавая отверстия для дрейфа до тонкой отрицательной базы. Далее отверстия ускоряются до отрицательной клеммы напряжения смещения между коллектором и клеммами базы. Нагрузка, подключенная к коллектору, получает импульс тока.

Твердотельные устройства

Классификация твердотельных микроволновых устройств может быть сделано —

• В зависимости от их электрического поведения

  • Нелинейный тип сопротивления.

    Пример — Варисторы (переменные сопротивления)

  • Нелинейный тип реактивного сопротивления.

    Пример — варакторы (переменные реакторы)

  • Отрицательный тип сопротивления.

    Пример — туннельный диод, импульсный диод, диод Ганна

  • Тип контролируемого импеданса.

    Пример — PIN-диод

В зависимости от их электрического поведения

Нелинейный тип сопротивления.

Пример — Варисторы (переменные сопротивления)

Нелинейный тип реактивного сопротивления.

Пример — варакторы (переменные реакторы)

Отрицательный тип сопротивления.

Пример — туннельный диод, импульсный диод, диод Ганна

Тип контролируемого импеданса.

Пример — PIN-диод

• В зависимости от их конструкции
  • Точечные контактные диоды
  • Барьерные диоды Шоттки
  • Металлооксидные полупроводниковые приборы (МОП)
  • Металлоизолирующие устройства

Типы диодов, которые мы упомянули здесь, имеют много применений, таких как усиление, обнаружение, генерация мощности, сдвиг фазы, преобразование с понижением частоты, преобразование с повышением частоты, ограничение модуляции, переключение и т. Д.

Варактор Диод

Емкость с переменным напряжением в обратном смещенном контакте может быть названа Varactor диодом. Варакторный диод представляет собой полупроводниковое устройство, в котором емкость перехода может изменяться как функция обратного смещения диода. Характеристики CV типичного Varactor диода и его символов показаны на следующем рисунке.

Емкость перехода зависит от приложенного напряжения и конструкции перехода. Мы знаем это,

Cj alphaV−nr

$$C_j \: \ alpha \: V_ {r} ^ {- n}$$

куда

• Cj$C_j$ = емкость перехода

• Vr$V_r$ = обратное напряжение смещения

• n$n$ = параметр, который определяет тип соединения

Cj$C_j$ = емкость перехода

Vr$V_r$ = обратное напряжение смещения

n$n$ = параметр, который определяет тип соединения

Если соединение является обратным смещением, подвижные несущие истощают соединение, что приводит к некоторой емкости, где диод ведет себя как конденсатор, а соединение действует как диэлектрик. Емкость уменьшается с увеличением обратного смещения.

Инкапсуляция диода содержит электрические выводы, которые прикреплены к полупроводниковой пластине, и вывод, прикрепленный к керамическому корпусу. На следующем рисунке показано, как выглядит микроволновый диод Varactor.

Они способны обрабатывать большие мощности и большие напряжения обратного пробоя. Они имеют низкий уровень шума. Хотя изменение емкости перехода является важным фактором в этом диоде, паразитные сопротивления, емкости и проводимости связаны с каждым практическим диодом, который должен быть низким.

Применение Varactor Diode

Варакторные диоды используются в следующих приложениях —

• До преобразования
• Параметрический усилитель
• Генерация импульсов
• Формирование импульса
• Коммутационные цепи
• Модуляция микроволновых сигналов

Диод Шоттки Барьер

Это простой диод, который имеет нелинейный импеданс. Эти диоды в основном используются для микроволнового обнаружения и микширования.

Построение барьера Шоттки Диод

Полупроводниковая таблетка монтируется на металлическом основании. Подпружиненный провод соединен острым концом с этой силиконовой таблеткой. Это может быть легко установлено в коаксиальные или волноводные линии. Следующий рисунок дает четкое представление о конструкции.

Операция Шоттки Барьер Диод

При контакте между полупроводником и металлом образуется область обеднения. Металлическая область имеет меньшую ширину обеднения, сравнительно. Когда контакт установлен, поток электронов происходит от полупроводника к металлу. Это истощение создает положительный объемный заряд в полупроводнике, а электрическое поле противодействует дальнейшему течению, что приводит к созданию барьера на границе раздела.

Во время прямого смещения высота барьера уменьшается, и электроны впрыскиваются в металл, тогда как при обратном смещении высота барьера увеличивается, и инжекция электронов практически прекращается.

Преимущества барьерного диода Шоттки

Это следующие преимущества.

• Бюджетный
• Простота
• надежный
• Шум цифры от 4 до 5 дБ

Применение барьерного диода Шоттки

Это следующие приложения.

• Смеситель с низким уровнем шума
• Сбалансированный смеситель в радиолокаторе непрерывного действия
• Микроволновый детектор

Устройства с эффектом Ганна

Дж. Б. Ганн обнаружил периодические флуктуации тока, проходящего через образец GaAs n-типа, когда приложенное напряжение превышало определенное критическое значение. В этих диодах есть две долины, L & U-долины в зоне проводимости, и перенос электронов происходит между ними, в зависимости от приложенного электрического поля. Этот эффект инверсии населения из нижней L-долины в верхнюю U-долину называется эффектом переноса электронов и, следовательно, они называются устройствами переноса электронов (TED).

Применение диодов Ганна

Диоды Ганна широко используются в следующих устройствах —

• Радиолокационные передатчики
• Приемоответчики в управлении воздушным движением
• Промышленные телеметрические системы
• Силовые генераторы
• Логические схемы
• Широкополосный линейный усилитель

Устройства Лавина Транзит Времени

Процесс задержки между напряжением и током в лавине вместе со временем прохождения через материал называется отрицательным сопротивлением. Устройства, которые помогают заставить диод проявлять это свойство, называются устройствами времени пролета Лавины .

Примерами устройств этой категории являются диоды IMPATT, TRAPATT и BARITT. Давайте рассмотрим каждый из них подробно.

ИМПАТТ Диод

Это мощный полупроводниковый диод, используемый в высокочастотных микроволновых устройствах. Полная форма IMPATT — это импульсный ионизационный лавинный диод Transit Time .

Градиент напряжения при подаче на диод IMPATT приводит к сильному току. Нормальный диод в конечном итоге будет разбит этим. Тем не менее, ИМПАТТ диод разработан, чтобы выдержать все это. Высокий градиент потенциала применяется для обратного смещения диода, и, следовательно, неосновные носители протекают через переход.

Приложение напряжения переменного тока ВЧ при наложении на высокое напряжение постоянного тока, увеличенная скорость дырок и электронов приводит к появлению дополнительных дырок и электронов, выбивая их из кристаллической структуры ударной ионизацией. Если исходное поле постоянного тока было на пороге развития этой ситуации, то это приводит к умножению лавинного тока, и этот процесс продолжается. Это можно понять по следующему рисунку.

Благодаря этому эффекту импульс тока принимает сдвиг фазы на 90 °. Однако вместо того, чтобы быть там, он движется к катоду из-за обратного смещения. Время, необходимое импульсу для достижения катода, зависит от толщины слоя n + , который регулируется так, чтобы он сдвигался по фазе на 90 °. Теперь доказано, что существует динамическое отрицательное сопротивление РФ. Следовательно, диод IMPATT действует как генератор и усилитель.

На следующем рисунке показаны конструктивные особенности диода IMPATT.

КПД диода IMPATT представлен в виде

 eta= left[ fracPacPdc right]= fracVaVd left[ fracIaId right]

$$\ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right]$$

Куда,

• Pac$P_ {ac}$ = мощность переменного тока

• Pdc$P_ {dc}$ = мощность постоянного тока

• V_a \: \ & \: I_a$V_a \: \ &amp;amp; \: I_a$ = переменное напряжение и ток

• V_d \: \ & \: I_d$V_d \: \ &amp;amp; \: I_d$ = постоянное напряжение и ток

Pac$P_ {ac}$ = мощность переменного тока

Pdc$P_ {dc}$ = мощность постоянного тока

V_a \: \ & \: I_a$V_a \: \ &amp;amp; \: I_a$ = переменное напряжение и ток

V_d \: \ & \: I_d$V_d \: \ &amp;amp; \: I_d$ = постоянное напряжение и ток

Недостатки

Ниже приведены недостатки ИМПАТТ диода.

• Шумно, так как лавина — шумный процесс.
• Диапазон настройки не так хорош, как у диодов Ганна

Приложения

Ниже приведены применения ИМПАТТ диода.

• СВЧ генератор
• Микроволновые генераторы
• Модулированный выходной генератор
• Локальный генератор приемника
• Усиление отрицательного сопротивления
• Системы охранной сигнализации (высокий Q IMPATT)
• Полицейский радар (высокий Q IMPATT)
• Микроволновый передатчик малой мощности (IMPATT с высоким Q)
• FM-передатчик (низкий Q IMPATT)
• CW Доплеровский радарный передатчик (низкий Q IMPATT)

TRAPATT Диод

Полная форма диода TRAPATT представляет собой транзитный транзисторный диод с лавинной цепью TRApped . Микроволновый генератор, который работает от сотен МГц до ГГц. Это диоды с высокой пиковой мощностью, обычно n + — p-p + или p + -n-n + структуры с областью обеднения n-типа, ширина которой варьируется от 2,5 до 1,25 мкм. На следующем рисунке это показано.

Электроны и дырки, захваченные в области слабого поля за зоной, предназначены для заполнения области обеднения в диоде. Это осуществляется с помощью области лавинного поля, которая распространяется через диод.

На следующем рисунке показан график, на котором AB показывает заряд, BC показывает образование плазмы, DE показывает извлечение плазмы, EF показывает остаточное извлечение и FG показывает зарядку.

Давайте посмотрим, что происходит в каждой из точек.

A: Напряжение в точке A не является достаточным для возникновения лавинного пробоя. В точке A носители заряда из-за тепловыделения приводят к зарядке диода как линейная емкость.

А.Б .: В этот момент величина электрического поля увеличивается. Когда генерируется достаточное количество носителей, электрическое поле понижается по всей области истощения, вызывая снижение напряжения от B до C.

C: Этот заряд помогает лавине продолжаться, и создается плотная плазма электронов и дырок. Поле дополнительно подавлено, чтобы не допустить попадания электронов или дырок из обедненного слоя и удержание оставшейся плазмы.

D: напряжение падает в точке D. Требуется длительное время для очистки плазмы, поскольку общий заряд плазмы велик по сравнению с зарядом в единицу времени во внешнем токе.

E: В точке E плазма удаляется. Остаточные заряды дырок и электронов остаются каждый на одном конце отклоняющего слоя.

E до F: напряжение увеличивается по мере удаления остаточного заряда.

F: В точке F, весь внутренний заряд удаляется.

F to G: диод заряжается как конденсатор.

G: В точке G ток диода обнуляется в течение половины периода. Напряжение остается постоянным, как показано на графике выше. Это состояние продолжается до тех пор, пока ток не включится снова и цикл не повторится.

Скорость лавинной зоны Vs$V_s$ представлена ​​в виде

Vs= fracdxdt= fracJqNA

$$V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A}$$

куда

• J$J$ = плотность тока

• q$q$ = заряд электрона 1.6 x 10 ^-19

• NA$N_A$ = концентрация допинга

J$J$ = плотность тока

q$q$ = заряд электрона 1.6 x 10 ^-19

NA$N_A$ = концентрация допинга

Лавинная зона будет быстро проходить через большую часть диода, и время прохождения несущих представляется как

 taus= fracLVs

$$\ tau_s = \ frac {L} {V_s}$$

куда

• Vs$V_s$ = скорость дрейфа насыщенного носителя

• L$L$ = длина образца

Vs$V_s$ = скорость дрейфа насыщенного носителя

L$L$ = длина образца

Расчетное время прохождения — это время между впрыском и сбором. Повторяющееся действие увеличивает выходной сигнал, чтобы сделать его усилителем, тогда как микроволновый фильтр нижних частот, соединенный шунтом с цепью, может заставить его работать как генератор.

Приложения

Есть много применений этого диода.

• Доплеровские радары малой мощности
• Локальный генератор для радаров
• Микроволновая система посадки маяков
• Радиовысотомер
• Фазированная антенная решетка и др.

БАРИТТ Диод

Полной формой диода BARITT является диод BARRI Injection Transit Time . Это последнее изобретение в этой семье. Хотя эти диоды имеют длинные области дрейфа, такие как диоды IMPATT, инжекция носителей в диодах BARITT вызвана смещенными в прямом направлении переходами, а не из плазмы лавинной области, как в них.

В диодах IMPATT инжекция носителя довольно шумная из-за ударной ионизации. В диодах BARITT, чтобы избежать шума, инжекция несущей осуществляется посредством пробивки через область истощения. Отрицательное сопротивление в диоде БАРИТТА получается за счет дрейфа инжектированных отверстий на конце коллектора диода, выполненного из материала р-типа.

На следующем рисунке показаны конструктивные детали диода BARITT.

Для многодиапазонного диода Баритта барьер Шоттки Ps-Si связывает металлы с кремниевой пластиной n-типа между ними. Быстрое увеличение тока с приложенным напряжением (выше 30 В) связано с инжекцией термоэлектронной дыры в полупроводник.

Критическое напряжение (Vc)$(Vc)$ зависит от константы легирования (N)$(N)$, длины полупроводника (L)$(L)$ и диэлектрической проницаемости полупроводника ( epsilonS)$(\ epsilon S)$, представленной в виде

Vc= fracqNL22 epsilonS

$$V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S}$$

Монолитная микроволновая интегральная схема (MMIC)

Микроволновые ИС являются лучшей альтернативой обычным волноводным или коаксиальным схемам, так как они имеют малый вес, малые размеры, высоконадежны и воспроизводимы. Основные материалы, используемые для монолитных микроволновых интегральных схем:

• Материал основания
• Материал проводника
• Диэлектрические пленки
• Резистивные фильмы

Они так выбраны, чтобы иметь идеальные характеристики и высокую эффективность. Подложка, на которой изготавливаются элементы схемы, важна, так как диэлектрическая проницаемость материала должна быть высокой с низким коэффициентом рассеяния наряду с другими идеальными характеристиками. Используемые материалы подложки: GaAs, феррит / гранат, алюминий, бериллий, стекло и рутил.

Материал проводника выбирается таким образом, чтобы иметь высокую проводимость, низкотемпературный коэффициент сопротивления, хорошую адгезию к подложке, травление и т. Д. В качестве материалов проводника в основном используются алюминий, медь, золото и серебро. Диэлектрические и резистивные материалы выбраны таким образом, чтобы иметь низкие потери и хорошую стабильность.

Технология изготовления

В гибридных интегральных схемах полупроводниковые устройства и элементы пассивной схемы сформированы на диэлектрической подложке. Пассивные схемы являются либо распределенными, либо сосредоточенными элементами, либо комбинацией обоих.

Гибридные интегральные схемы бывают двух типов.

• Гибридная ИС
• Миниатюрная гибридная микросхема

В обоих вышеописанных процессах гибридная ИС использует элементы распределенных цепей, которые изготавливаются на ИС с использованием технологии однослойной металлизации, тогда как в миниатюрной гибридной ИС используются многоуровневые элементы.

Большинство аналоговых цепей используют технологию мезоизоляции для изоляции активных областей n-типа, используемых для полевых транзисторов и диодов. Плоские цепи изготавливаются путем имплантации ионов в полуизолирующую подложку, и для обеспечения изоляции области маскируются.

Технология « через отверстие » используется для соединения источника с электродами источника, соединенными с землей, в полевом транзисторе на основе GaAs, что показано на следующем рисунке.

Есть много применений MMIC.

• Военная связь
• радиолокационный
• ECM
• Фазированная антенная система
• Системы с расширенным спектром и TDMA

Они рентабельны, а также используются во многих бытовых потребительских приложениях, таких как DTH, телекоммуникации и приборостроение и т. Д.

Микроволновая техника — Микроволновые устройства

Как и другие системы, микроволновые системы состоят из множества микроволновых компонентов, в основном с источником на одном конце и нагрузкой на другом, которые все связаны с волноводами или коаксиальным кабелем или системами линий электропередачи.

Ниже приведены свойства волноводов.

• Высокий SNR
• Низкое затухание
• Более низкая вносимая потеря

Волноводные СВЧ-функции

Рассмотрим волновод, имеющий 4 порта. Если питание подается на один порт, оно проходит через все 3 порта в некоторых пропорциях, где часть из них может отражаться от одного и того же порта. Эта концепция четко изображена на следующем рисунке.

Параметры рассеяния

Для сети с двумя портами, как показано на следующем рисунке, если питание подается на один порт, как мы только что обсуждали, большая часть мощности выходит из другого порта, а часть отражается обратно на тот же порт. На следующем рисунке, если применяется V ₁ или V ₂ , то ток I ₁ или I ₂ протекает соответственно.

Если источник применяется к противоположному порту, следует рассмотреть еще две комбинации. Таким образом, для сети с двумя портами, вероятно, могут возникнуть комбинации 2 × 2 = 4.

Бегущие волны с соответствующими мощностями при рассеянии через порты СВЧ-соединения могут быть определены S-параметрами или параметрами рассеяния , которые представлены в виде матрицы, называемой « Матрица рассеяния ».

Матрица рассеяния

Это квадратная матрица, которая дает все комбинации соотношений мощности между различными входными и выходными портами микроволнового соединения. Элементы этой матрицы называются «коэффициентами рассеяния» или «параметрами рассеяния (S)» .

Рассмотрим следующий рисунок.

Здесь источник соединен линией ith$i ^ {th}$, а a1$a_1$ — падающая волна, а b1$b_1$ — отраженная волна.

Если дана связь между b1$b_1$ и a1$a_1$,

b1=(отражениекоэффициент)a1=S1ia1

$$b_1 = (отражение \: \: коэффициент) a_1 = S_ {1i} a_1$$

куда

• S1i$S_ {1i}$ = коэффициент отражения линии 1st$1 ^ {st}$ (где i$i$ — входной порт, а 1$1$ — выходной порт)

• 1$1$ = Отражение от линии 1st$1 ^ {st}$

• i$i$ = Источник подключен к линии ith$i ^ {th}$

S1i$S_ {1i}$ = коэффициент отражения линии 1st$1 ^ {st}$ (где i$i$ — входной порт, а 1$1$ — выходной порт)

1$1$ = Отражение от линии 1st$1 ^ {st}$

i$i$ = Источник подключен к линии ith$i ^ {th}$

Если полное сопротивление совпадает, то мощность передается на нагрузку. Маловероятно, если сопротивление нагрузки не совпадает с характеристическим сопротивлением. Затем происходит отражение. Это означает, что отражение происходит, если

Zl neqZo

$$Z_l \ neq Z_o$$

Однако, если это несоответствие существует для более чем одного порта, например портов ′n′$'n'$, то от i=1$i = 1$ до n$n$ (поскольку i$i$ может быть любой строкой от 1$1$ до n$n$).

Поэтому мы имеем

b1=S11a1+S12a2+S13a3+...............+S1nan

$$b_1 = S_ {11} a_1 + S_ {12} a_2 + S_ {13} a_3 + ............... + S_ {1n} a_n$$

b2=S21a1+S22a2+S23a3+...............+S2nan

$$b_2 = S_ {21} a_1 + S_ {22} a_2 + S_ {23} a_3 + ............... + S_ {2n} a_n$$

.

.

.

.

.

bn=Sn1a1+Sn2a2+Sn3a3+...............+Snnan

$$b_n = S_ {n1} a_1 + S_ {n2} a_2 + S_ {n3} a_3 + ............... + S_ {nn} a_n$$

Когда все это хранится в матричной форме,

$$ \ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \\. \\. \\. \\ b_n \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13 } & … & S_ {1n} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} & … & S_ {2n} \\. &. &. & … &. \\. &. &. & … &. \\. &. &. & … &. \\ S_ {n1} & S_ {n2} & S_ {n3} & … & S_ {nn} \\ \ end {bmatrix} \ times \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \\. \ \. \\. \\ a_n \ end {bmatrix} $$

Матрица столбца [b]$[b]$ Матрица рассеяния [S]$[S]$ Матрица [a]$[a]$

Матрица столбца  left[b right]$\ left [b \ right]$ соответствует отраженным волнам или выходному сигналу, а матрица  left[a right]$\ left [a \ right]$ соответствует падающим волнам или входному сигналу. Матрица рассеивающего столбца  left[s right]$\ left [s \ right]$ порядка n timesn$n \ times n$ содержит коэффициенты отражения и коэффициенты пропускания. Следовательно,

 left[b right]= left[S right] left[a right]

$$\ left [b \ right] = \ left [S \ right] \ left [a \ right]$$

Свойства матрицы [S]

Матрица рассеяния указана в виде матрицы [S]$[S]$. Существует несколько стандартных свойств для матрицы [S]$[S]$. Они —

• [S]$[S]$ всегда квадратная матрица порядка (nxn)

  [S]n timesn$[S] _ {n \ times n}$

• [S]$[S]$ — симметричная матрица

  то есть Sij=Sji$S_ {ij} = S_ {ji}$

• [S]$[S]$ — унитарная матрица

  т.е. [S][S]∗=I$[S] [S] ^ * = I$

• Сумма произведений каждого члена любой строки или столбца, умноженная на комплексное сопряжение соответствующих членов любой другой строки или столбца, равна нулю. т.е.

[S]$[S]$ всегда квадратная матрица порядка (nxn)

[S]n timesn$[S] _ {n \ times n}$

[S]$[S]$ — симметричная матрица

то есть Sij=Sji$S_ {ij} = S_ {ji}$

[S]$[S]$ — унитарная матрица

т.е. [S][S]∗=I$[S] [S] ^ * = I$

Сумма произведений каждого члена любой строки или столбца, умноженная на комплексное сопряжение соответствующих членов любой другой строки или столбца, равна нулю. т.е.

 sumni=jSikS∗ik=0дляk neqj

$$\ sum_ {i = j} ^ {n} S_ {ik} S_ {ik} ^ {*} = 0 \: для \: k \ neq j$$

(k=1,2,3,...n)и(j=1,2,3,...n)

$$(k = 1,2,3, ... \: n) \: и \: (j = 1,2,3, ... \: n)$$

• Если электрическое расстояние между портом kth$k ^ {th}$ и переходом равно  betakIk$\ beta _kI_k$, то коэффициенты Sij$S_ {ij}$, включающие k$k$, будут умножены на коэффициент e−j betakIk$e ^ {- j \ beta kIk}$

Если электрическое расстояние между портом kth$k ^ {th}$ и переходом равно  betakIk$\ beta _kI_k$, то коэффициенты Sij$S_ {ij}$, включающие k$k$, будут умножены на коэффициент e−j betakIk$e ^ {- j \ beta kIk}$

В следующих нескольких главах мы рассмотрим различные типы соединений СВЧ-тройников.

Микроволновая инженерия — E-Plane Tee

Соединение тройника E-Plane образуется путем присоединения простого волновода к более широкому размеру прямоугольного волновода, который уже имеет два порта. Плечи прямоугольных волноводов образуют два порта, называемые коллинеарными портами, т. Е. Port1 и Port2, а новый, Port3, называется боковым или E-плечом . Тройник E-plane также называется серийным тройником .

Поскольку ось бокового рычага параллельна электрическому полю, это соединение называется переходом тройника E-Plane. Это также называется напряжением или последовательным соединением . Порты 1 и 2 не совпадают по фазе на 180 °. Детали поперечного сечения тройника E-плоскости можно понять на следующем рисунке.

На следующем рисунке показано соединение, выполненное боковым рычагом с двунаправленным волноводом для формирования параллельного порта.

Свойства E-Plane Tee

Свойства E-Plane Tee могут быть определены его [S]3x3$[S] _ {3x3}$ -матрицей.

Это матрица 3 × 3, так как есть 3 возможных входа и 3 возможных выхода.

[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} \\ S_ {31} & S_ {32 } & S_ {33} \ end {bmatrix}$[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {21} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {23} \\ S_ {31} &amp;amp; S_ {32 } &amp;amp; S_ {33} \ end {bmatrix}$ …….. Уравнение 1

Коэффициенты рассеяния S13$S_ {13}$ и S23$S_ {23}$ не совпадают по фазе на 180 ° со входом в порт 3.

S23=−S13$S_ {23} = -S_ {13}$ …….. Уравнение 2

Порт идеально подходит к перекрестку.

S33=0$S_ {33} = 0$ …….. Уравнение 3

Из симметричного свойства,

Sij=Sji$S_ {ij} = S_ {ji}$

S12=S21S23=S32S13=S31$S_ {12} = S_ {21} \: \: S_ {23} = S_ {32} \: \: S_ {13} = S_ {31}$ …….. Уравнение 4

Учитывая уравнения 3 и 4, матрицу [S]$[S]$ можно записать в виде

[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & -S_ {13} \\ S_ {13} & -S_ {13} & 0 \ end {bmatrix}$[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {12} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; -S_ {13} \\ S_ {13} &amp;amp; -S_ {13} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$ …….. Уравнение 5

Можно сказать, что у нас есть четыре неизвестных, учитывая свойство симметрии.

От унитарной собственности

[S][S] ast=[I]

$$[S] [S] \ ast = [I]$$

\ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & -S_ {13} \\ S_ {13} & -S_ {13} & 0 \ end {bmatrix} \: \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} & S_ {12} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} & S_ {22} ^ {*} & -S_ {13} ^ {*} \\ S_ {13} ^ {*} & -S_ {13} ^ {*} & 0 \ end {bmatrix} = \ begin { bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix}

$$\ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {12} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; -S_ {13} \\ S_ {13} &amp;amp; -S_ {13} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} \: \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} &amp;amp; S_ {12} ^ {*} &amp;amp; S_ {13} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} &amp;amp; S_ {22} ^ {*} &amp;amp; -S_ {13} ^ {*} \\ S_ {13} ^ {*} &amp;amp; -S_ {13} ^ {*} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} = \ begin { bmatrix} 1 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 1 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 1 \ end {bmatrix}$$

Умножая мы получаем,

(Отмечая R как строку и C как столбец)

R1C1:S11S∗11+S12S∗12+S13S∗13=1$R_1C_1: S_ {11} S_ {11} ^ {*} + S_ {12} S_ {12} ^ {*} + S_ {13} S_ {13} ^ {*} = 1$

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 = 1 $ …….. Уравнение 6

$ R_2C_2: \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 7

$ R_3C_3: \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 8

R3C1:S13S∗11−S13S∗12=1$R_3C_1: S_ {13} S_ {11} ^ {*} - S_ {13} S_ {12} ^ {*} = 1$ ……… Уравнение 9

Приравнивая уравнения 6 и 7, получим

S11=S22$S_ {11} = S_ {22}$ ……… Уравнение 10

Из уравнения 8

$ 2 \ слева | S_ {13} \ right | ^ 2 \ quad или \ quad S_ {13} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $ ……… Уравнение 11

Из уравнения 9

S13 left(S∗11−S∗12 right)$S_ {13} \ left (S_ {11} ^ {*} - S_ {12} ^ {*} \ right)$

Или S11=S12=S22$S_ {11} = S_ {12} = S_ {22}$ ……… Уравнение 12

Используя уравнения 10, 11 и 12 в уравнении 6,

мы получаем,

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ frac {1} {2} = 1 $

$ 2 \ слева | S_ {11} \ right | ^ 2 = \ frac {1} {2} $

Или S11= frac12$S_ {11} = \ frac {1} {2}$ ……… Уравнение 13

Подставляя значения из приведенных выше уравнений в матрицу [S]$[S]$,

Мы получаем,

\ left [S \ right] = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac { 1} {2} & \ frac {1} {2} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & — \ frac {1} { \ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix}

$$\ left [S \ right] = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac { 1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; - \ frac {1} { \ sqrt {2}} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$$

Мы знаем, что [b]$[b]$ = [S][a]$[S] [a]$

\ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2 }} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \ end {bmatrix}

$$\ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2 }} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \ end {bmatrix}$$

Это матрица рассеяния для E-Plane Tee, которая объясняет ее рассеивающие свойства.

Микроволновая инженерия — H-Plane Tee

Соединение тройника H-плоскости формируется путем присоединения простого волновода к прямоугольному волноводу, который уже имеет два порта. Плечи прямоугольных волноводов образуют два порта, называемые коллинеарными портами, т. Е. Port1 и Port2, а новый порт Port3 называется боковым или H-плечом . Эта тройник Н-плоскости также называется шунтирующей .

Поскольку ось бокового рычага параллельна магнитному полю, этот переход называется тройником H-плоскости. Это также называется Токовым переходом , поскольку магнитное поле делится на плечи. Детали поперечного сечения тройника H-плоскости можно понять из следующего рисунка.

На следующем рисунке показано соединение, выполненное боковым рычагом с двунаправленным волноводом для формирования последовательного порта.

Свойства тройника H-Plane

Свойства H-плоскости Tee могут быть определены его  left[S right]3 times3$\ left [S \ right] _ {3 \ times 3}$ матрицей.

Это матрица 3 × 3, так как есть 3 возможных входа и 3 возможных выхода.

[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} \\ S_ {31} & S_ {32 } & S_ {33} \ end {bmatrix}$[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {21} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {23} \\ S_ {31} &amp;amp; S_ {32 } &amp;amp; S_ {33} \ end {bmatrix}$ …….. Уравнение 1

Коэффициенты рассеяния S13$S_ {13}$ и S23$S_ {23}$ здесь равны, поскольку переход симметричен на плоскости.

Из симметричного свойства,

Sij=Sji$S_ {ij} = S_ {ji}$

S12=S21S23=S32=S13S13=S31$S_ {12} = S_ {21} \: \: S_ {23} = S_ {32} = S_ {13} \: \: S_ {13} = S_ {31}$

Порт идеально подобран

S33=0$S_ {33} = 0$

Теперь матрицу [S]$[S]$ можно записать в виде

[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} \\ S_ {13} & S_ {13 } & 0 \ end {bmatrix}$[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {12} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {13} &amp;amp; S_ {13 } &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$ …….. Уравнение 2

Можно сказать, что у нас есть четыре неизвестных, учитывая свойство симметрии.

От унитарной собственности

[S][S] ast=[I]

$$[S] [S] \ ast = [I]$$

\ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 \ end {bmatrix} \: \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} & S_ {12} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} & S_ {22} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} \\ S_ {13} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} & 0 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix}

$$\ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {12} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {13} \\ S_ {13} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} \: \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} &amp;amp; S_ {12} ^ {*} &amp;amp; S_ {13} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} &amp;amp; S_ {22} ^ {*} &amp;amp; S_ {13} ^ {*} \\ S_ {13} ^ {*} &amp;amp; S_ {13} ^ {*} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} 1 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 1 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 1 \ end {bmatrix}$$

Умножая мы получаем,

(Отмечая R как строку и C как столбец)

R1C1:S11S∗11+S12S∗12+S13S∗13=1$R_1C_1: S_ {11} S_ {11} ^ {*} + S_ {12} S_ {12} ^ {*} + S_ {13} S_ {13} ^ {*} = 1$

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $ …….. Уравнение 3

$ R_2C_2: \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 4

$ R_3C_3: \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 5

R3C1:S13S∗11−S13S∗12=0$R_3C_1: S_ {13} S_ {11} ^ {*} - S_ {13} S_ {12} ^ {*} = 0$ ……… Уравнение 6

$ 2 \ слева | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 \ quad или \ quad S_ {13} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $ ……… Уравнение 7

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 = \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 $

S11=S22$S_ {11} = S_ {22}$ ……… Уравнение 8

Из уравнения 6 S13 left(S∗11+S∗12 right)=0$S_ {13} \ left (S_ {11} ^ {*} + S_ {12} ^ {*} \ right) = 0$

Так как S13 neq0,S∗11+S∗12=0,илиS∗11=−S∗12$S_ {13} \ neq 0, S_ {11} ^ {*} + S_ {12} ^ {*} = 0, \: или \: S_ {11} ^ {*} = -S_ {12} ^ {*}$

Или S11=−S12илиS12=−S11$S_ {11} = -S_ {12} \: \: или \: \: S_ {12} = -S_ {11}$ ……… Уравнение 9

Используя их в уравнении 3,

Так как S13 neq0,S∗11+S∗12=0,илиS∗11=−S∗12$S_ {13} \ neq 0, S_ {11} ^ {*} + S_ {12} ^ {*} = 0, \: или \: S_ {11} ^ {*} = -S_ {12} ^ {*}$

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ frac {1} {2} = 1 \ quad или \ quad 2 \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 = \ frac {1} {2} \ quad или \ quad S_ {11} = \ frac {1} {2} $ ….. Уравнение 10

Из уравнений 8 и 9

S12=− frac12$S_ {12} = - \ frac {1} {2}$ ……… Уравнение 11

S22= frac12$S_ {22} = \ frac {1} {2}$ ……… Уравнение 12

Подставляя для S13$S_ {13}$, S11$S_ {11}$, S12$S_ {12}$ и S22$S_ {22}$ из уравнений 7 и 10, 11 и 12 в уравнение 2,

Мы получаем,

\ left [S \ right] = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & — \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ — \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & \ frac {1} { \ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix}

$$\ left [S \ right] = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} &amp;amp; - \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ - \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; \ frac {1} { \ sqrt {2}} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$$

Мы знаем, что [b]$[b]$ = [s][a]$[s] [a]$

\ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & — \ frac {1} {2} & \ frac {1} { \ sqrt {2}} \\ — \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt { 2}} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \ end {bmatrix}

$$\ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} &amp;amp; - \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} { \ sqrt {2}} \\ - \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt { 2}} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \ end {bmatrix}$$

Это матрица рассеяния для H-плоскости Tee, которая объясняет ее рассеивающие свойства.

Микроволновая инженерия — EH Plane Tee

Соединение плоского тройника EH формируется путем присоединения двух простых волноводов, один параллельный, а другой ряд, к прямоугольному волноводу, который уже имеет два порта. Это также называется Magic Tee , или Hybrid или 3dB ответвителем .

Плечи прямоугольных волноводов образуют два порта, называемые коллинеарными портами, т. Е. Порт 1 и порт 2, а порт 3 называется портом H-Arm, или суммой, или параллельным портом . Порт 4 называется портом E-Arm, разностным портом или последовательным портом .

Детали поперечного сечения Magic Tee можно понять на следующем рисунке.

На следующем рисунке показано соединение боковых рычагов с двунаправленным волноводом для формирования параллельных и последовательных портов.

Характеристики EH Plane Tee

• Если сигнал с одинаковой фазой и величиной отправляется на порт 1 и порт 2, то выход на порт 4 равен нулю, а выход на порт 3 будет суммировать оба порта 1 и 2.

• Если сигнал отправляется на порт 4 (E-arm), то мощность распределяется между портами 1 и 2 одинаково, но в противоположной фазе, тогда как на порте 3 не будет выхода. Следовательно, S34$S_ {34}$ = 0 ,

• Если сигнал подается на порт 3, то мощность распределяется между портами 1 и 2 в равной степени, тогда как на порту 4 не будет выходного сигнала. Следовательно, S43$S_ {43}$ = 0.

• Если сигнал подается на один из коллинеарных портов, то на другом коллинеарном порту не появляется выходного сигнала, так как E-плечо вызывает задержку фазы, а H-плечо вызывает продвижение фазы. Итак, S12$S_ {12}$ = S21$S_ {21}$ = 0.

Если сигнал с одинаковой фазой и величиной отправляется на порт 1 и порт 2, то выход на порт 4 равен нулю, а выход на порт 3 будет суммировать оба порта 1 и 2.

Если сигнал отправляется на порт 4 (E-arm), то мощность распределяется между портами 1 и 2 одинаково, но в противоположной фазе, тогда как на порте 3 не будет выхода. Следовательно, S34$S_ {34}$ = 0 ,

Если сигнал подается на порт 3, то мощность распределяется между портами 1 и 2 в равной степени, тогда как на порту 4 не будет выходного сигнала. Следовательно, S43$S_ {43}$ = 0.

Если сигнал подается на один из коллинеарных портов, то на другом коллинеарном порту не появляется выходного сигнала, так как E-плечо вызывает задержку фазы, а H-плечо вызывает продвижение фазы. Итак, S12$S_ {12}$ = S21$S_ {21}$ = 0.

Свойства EH Plane Tee

Свойства EH Plane Tee могут быть определены его  left[S right]4 times4$\ left [S \ right] _ {4 \ times 4}$ матрицей.

Это матрица 4 × 4, так как имеется 4 возможных входа и 4 возможных выхода.

[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} & S_ {14} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} & S_ {24} \\ S_ {31} & S_ {32} & S_ {33} & S_ {34} \\ S_ {41} & S_ {42} & S_ {43} & S_ {44} \ end {bmatrix}$[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; S_ {14} \\ S_ {21} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {23} &amp;amp; S_ {24} \\ S_ {31} &amp;amp; S_ {32} &amp;amp; S_ {33} &amp;amp; S_ {34} \\ S_ {41} &amp;amp; S_ {42} &amp;amp; S_ {43} &amp;amp; S_ {44} \ end {bmatrix}$ .. …… Уравнение 1

Так как у него есть секция H-Plane Tee

S23=S13$S_ {23} = S_ {13}$ …….. Уравнение 2

Как у него есть секция E-Plane Tee

S24=−S14$S_ {24} = -S_ {14}$ …….. Уравнение 3

Порт E-Arm и порт H-Arm настолько изолированы, что другой не будет выдавать выходной сигнал, если на один из них подан вход. Следовательно, это можно отметить как

S34=S43=0$S_ {34} = S_ {43} = 0$ …….. Уравнение 4

Из свойства симметрии мы имеем

Sij=Sji$S_ {ij} = S_ {ji}$

S12=S21,S13=S31,S14=S41$S_ {12} = S_ {21}, S_ {13} = S_ {31}, S_ {14} = S_ {41}$

S23=S32,S24=S42,S34=S43$S_ {23} = S_ {32}, S_ {24} = S_ {42}, S_ {34} = S_ {43}$ …….. Уравнение 5

Если порты 3 и 4 идеально согласованы с переходом, то

S33=S44=0$S_ {33} = S_ {44} = 0$ …….. Уравнение 6

Подставляя все вышеприведенные уравнения в уравнение 1, чтобы получить матрицу [S]$[S]$,

[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} & S_ {14} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} & -S_ {14 } \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 & 0 \\ S_ {14} & -S_ {14} & 0 & 0 \ end {bmatrix}$[S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; S_ {14} \\ S_ {12} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; -S_ {14 } \\ S_ {13} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ S_ {14} &amp;amp; -S_ {14} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$ …….. Уравнение 7

Из унитарного свойства [S][S] ast=[I]$[S] [S] ^ \ ast = [I]$

\ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} & S_ {14} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} & -S_ {14} \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 & 0 \\ S_ {14} & -S_ {14} & 0 & 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} & S_ {12} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} & S_ {14} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} & S_ {22} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} & -S_ {14} ^ {*} \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 & 0 \\ S_ {14} & -S_ {14} & 0 & 0 \ end {bmatrix}$\ begin {bmatrix} S_ {11} &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; S_ {14} \\ S_ {12} &amp;amp; S_ {22} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; -S_ {14} \\ S_ {13} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ S_ {14} &amp;amp; -S_ {14} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} &amp;amp; S_ {12} ^ {*} &amp;amp; S_ {13} ^ {*} &amp;amp; S_ {14} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} &amp;amp; S_ {22} ^ {*} &amp;amp; S_ {13} ^ {*} &amp;amp; -S_ {14} ^ {*} \\ S_ {13} &amp;amp; S_ {13} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ S_ {14} &amp;amp; -S_ {14} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$

= \ begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix}$= \ begin {bmatrix} 1 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 1 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 1 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; 1 \ end {bmatrix}$

$ R_1C_1: \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 + \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 8

$ R_2C_2: \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 + \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 9

$ R_3C_3: \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 10

$ R_4C_4: \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 = 1 $ ……… Уравнение 11

Из уравнений 10 и 11 получаем

S13= frac1 sqrt2$S_ {13} = \ frac {1} {\ sqrt {2}}$ …….. Уравнение 12

S14= frac1 sqrt2$S_ {14} = \ frac {1} {\ sqrt {2}}$ …….. Уравнение 13

Сравнивая уравнения 8 и 9, получим

S11=S22$S_ {11} = S_ {22}$ ……… Уравнение 14

Используя эти значения из уравнений 12 и 13, получим

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ frac {1} {2} + \ frac {1} {2} = 1 $

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 = 0 $

S11=S22=0$S_ {11} = S_ {22} = 0$ ……… Уравнение 15

Из уравнения 9 мы получаем S22=0$S_ {22} = 0$ ……… Уравнение 16

Теперь мы понимаем, что порты 1 и 2 идеально согласованы с переходом. Поскольку это 4-портовое соединение, всякий раз, когда два порта идеально согласованы, два других порта также идеально согласовываются с соединением.

Соединение, где все четыре порта идеально сочетаются, называется Magic Tee Junction.

Подставляя уравнения с 12 по 16, в матрицу [S]$[S]$ уравнения 7, мы получаем матрицу рассеяния Magic Tee как

[S] = \ begin {bmatrix} 0 & 0 & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ 0 & 0 & \ frac {1} {2} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \ end {bmatrix}

$$[S] = \ begin {bmatrix} 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$$

Мы уже знаем, что [b]$[b]$ = [S][a]$[S] [a]$

Переписав вышесказанное, получим

\ begin {vmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \\ b_4 \ end {vmatrix} = \ begin {bmatrix} 0 & 0 & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2} } \\ 0 & 0 & \ frac {1} {2} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & — \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \ end {bmatrix} \ begin {vmatrix} a_1 \ \ a_2 \\ a_3 \\ a_4 \ end {vmatrix}

$$\ begin {vmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \\ b_4 \ end {vmatrix} = \ begin {bmatrix} 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2} } \\ 0 &amp;amp; 0 &amp;amp; \ frac {1} {2} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; - \ frac {1} {\ sqrt {2}} &amp;amp; 0 &amp;amp; 0 \ end {bmatrix} \ begin {vmatrix} a_1 \ \ a_2 \\ a_3 \\ a_4 \ end {vmatrix}$$

Применение EH Plane Tee

Вот некоторые из наиболее распространенных применений EH Plane Tee:

• Соединение плоскости EH используется для измерения импеданса — нулевой детектор подключен к порту E-Arm, в то время как микроволновый источник подключен к порту H-Arm. Коллинеарные порты вместе с этими портами образуют мост, а измерение импеданса выполняется путем балансировки моста.

• EH Plane Tee используется в качестве дуплексера — дуплексер — это схема, которая работает как передатчик и приемник, используя одну антенну для обеих целей. Порты 1 и 2 используются в качестве приемника и передатчика, где они изолированы и, следовательно, не будут создавать помехи. Антенна подключена к порту E-Arm. Соответствующая нагрузка подключена к порту H-Arm, который не дает отражений. Теперь существует передача или прием без каких-либо проблем.

• EH Plane Tee используется в качестве смесителя — порт E-Arm соединен с антенной, а порт H-Arm соединен с местным генератором. Порт 2 имеет согласованную нагрузку, которая не имеет отражений, а порт 1 имеет схему микшера, которая получает половину мощности сигнала и половину мощности генератора для получения частоты ПЧ.

Соединение плоскости EH используется для измерения импеданса — нулевой детектор подключен к порту E-Arm, в то время как микроволновый источник подключен к порту H-Arm. Коллинеарные порты вместе с этими портами образуют мост, а измерение импеданса выполняется путем балансировки моста.

EH Plane Tee используется в качестве дуплексера — дуплексер — это схема, которая работает как передатчик и приемник, используя одну антенну для обеих целей. Порты 1 и 2 используются в качестве приемника и передатчика, где они изолированы и, следовательно, не будут создавать помехи. Антенна подключена к порту E-Arm. Соответствующая нагрузка подключена к порту H-Arm, который не дает отражений. Теперь существует передача или прием без каких-либо проблем.

EH Plane Tee используется в качестве смесителя — порт E-Arm соединен с антенной, а порт H-Arm соединен с местным генератором. Порт 2 имеет согласованную нагрузку, которая не имеет отражений, а порт 1 имеет схему микшера, которая получает половину мощности сигнала и половину мощности генератора для получения частоты ПЧ.

В дополнение к вышеперечисленным применениям плоскостный тройник EH также используется в качестве микроволнового моста, микроволнового дискриминатора и т. Д.

Микроволновая техника — Крысиные гонки

Это микроволновое устройство используется, когда необходимо объединить два сигнала без разности фаз и избежать сигналов с разностью путей.

Нормальный тройник соединения с тремя портами взят, и четвертый порт добавлен к нему, чтобы сделать это соединением Rtrace. Все эти порты соединены в форме угловых колец с равными интервалами, используя последовательные или параллельные соединения.

Средняя окружность общей гонки составляет 1,5λ, и каждый из четырех портов разделен расстоянием λ / 4. На следующем рисунке показано изображение соединения Rat-race.

Давайте рассмотрим несколько случаев, чтобы понять работу соединения крысиных бегов.

Случай 1

Если входная мощность подается на порт 1, она в равной степени разделяется на два порта, но по часовой стрелке для порта 2 и против часовой стрелки для порта 4. Порт 3 не имеет абсолютно никакого выхода.

Причина в том, что в портах 2 и 4 мощности объединяются по фазе, в то время как в порте 3 отмена происходит из-за разницы в тракте λ / 2.

Дело 2

Если входная мощность подается на порт 3, мощность распределяется поровну между портом 2 и портом 4. Но на порте 1 выход не будет.

Дело 3

Если два неравных сигнала подаются на сам порт 1, то выходной сигнал будет пропорционален сумме двух входных сигналов, которая делится между портами 2 и 4. Теперь на порте 3 появляется дифференциальный выход.

Матрица рассеяния для пересечения крысиной гонки представлена ​​в виде

[S] = \ begin {bmatrix} 0 & S_ {12} & 0 & S_ {14} \\ S_ {21} & 0 & S_ {23} & 0 \\ 0 & S_ {32} & 0 & S_ {34} \ \ S_ {41} & 0 & S_ {43} & 0 \ end {bmatrix}

$$[S] = \ begin {bmatrix} 0 &amp;amp; S_ {12} &amp;amp; 0 &amp;amp; S_ {14} \\ S_ {21} &amp;amp; 0 &amp;amp; S_ {23} &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; S_ {32} &amp;amp; 0 &amp;amp; S_ {34} \ \ S_ {41} &amp;amp; 0 &amp;amp; S_ {43} &amp;amp; 0 \ end {bmatrix}$$

Приложения

Крысиная гонка используется для объединения двух сигналов и деления сигнала на две половины.

Микроволновая техника — Направленные ответвители

Направленный ответвитель — это устройство, которое измеряет небольшое количество микроволновой энергии для целей измерения. Измерения мощности включают падающую мощность, отраженную мощность, значения КСВН и т. Д.

Направленный ответвитель представляет собой 4-портовый волноводный переход, состоящий из первичного основного волновода и вторичного вспомогательного волновода. На следующем рисунке показано изображение направленного ответвителя.

Направленный ответвитель используется для подключения микроволновой мощности, которая может быть однонаправленной или двунаправленной.

Свойства направленных ответвителей

Свойства идеального направленного ответвителя состоят в следующем.

• Все окончания соответствуют портам.

• Когда питание передается от порта 1 к порту 2, некоторая его часть подключается к порту 4, но не к порту 3.

• Поскольку это также двунаправленный ответвитель, когда питание передается от порта 2 к порту 1, некоторая его часть подключается к порту 3, но не к порту 4.

• Если питание подается через порт 3, часть его подключается к порту 2, но не к порту 1.

• Если питание подается через порт 4, часть его подключается к порту 1, но не к порту 2.

• Порты 1 и 3 разъединены, так же как и порт 2 и порт 4.

Все окончания соответствуют портам.

Когда питание передается от порта 1 к порту 2, некоторая его часть подключается к порту 4, но не к порту 3.

Поскольку это также двунаправленный ответвитель, когда питание передается от порта 2 к порту 1, некоторая его часть подключается к порту 3, но не к порту 4.

Если питание подается через порт 3, часть его подключается к порту 2, но не к порту 1.

Если питание подается через порт 4, часть его подключается к порту 1, но не к порту 2.

Порты 1 и 3 разъединены, так же как и порт 2 и порт 4.

В идеале выходной порт 3 должен быть нулевым. Тем не менее, практически, небольшое количество энергии, называемой обратной мощностью , наблюдается в порту 3. На следующем рисунке показан поток мощности в направленном ответвителе.

куда

• Pi$P_i$ = мощность инцидента в порту 1

• Pr$P_r$ = Полученная мощность в порту 2

• Pf$P_f$ = Прямое связанное питание в порту 4

• Pb$P_b$ = обратная мощность в порту 3

Pi$P_i$ = мощность инцидента в порту 1

Pr$P_r$ = Полученная мощность в порту 2

Pf$P_f$ = Прямое связанное питание в порту 4

Pb$P_b$ = обратная мощность в порту 3

Ниже приведены параметры, используемые для определения производительности направленного ответвителя.

Коэффициент сцепления (C)

Коэффициент связи направленного ответвителя — это отношение падающей мощности к прямой мощности, измеренное в дБ.

C=10log10 fracPiPfдБ

$$C = 10 \: log_ {10} \ frac {P_i} {P_f} дБ$$

Направленность (D)

Направленность направленного ответвителя — это отношение прямой мощности к задней мощности, измеренное в дБ.

D=10log10 fracPfPbдБ

$$D = 10 \: log_ {10} \ frac {P_f} {P_b} дБ$$

изоляция

Он определяет директивные свойства направленного ответвителя. Это отношение падающей мощности к задней мощности, измеренное в дБ.

I=10log10 fracPiPbдБ

$$I = 10 \: log_ {10} \ frac {P_i} {P_b} дБ$$

Изоляция в дБ = Коэффициент связи + Направленность

Направленная муфта с двумя отверстиями

Это направленный ответвитель с теми же основными и вспомогательными волноводами, но с двумя небольшими отверстиями, которые являются общими для них. Эти отверстия находятся на расстоянии  lambdag/4${\ lambda_g} / {4}$, где λg — длина волны гида. На следующем рисунке показано изображение направленного ответвителя с двумя отверстиями.

Направленный ответвитель с двумя отверстиями разработан для удовлетворения идеального требования направленного ответвителя, который состоит в том, чтобы избежать обратной мощности. Некоторая часть электроэнергии, проходя между портом 1 и портом 2, выходит через отверстия 1 и 2.

Величина мощности зависит от размеров отверстий. Эта мощность утечки в обоих отверстиях находится в фазе в отверстии 2, суммируя мощность, вносящую вклад в прямую мощность P _f . Тем не менее, он находится в противофазе в отверстии 1, компенсируя друг друга и предотвращая возникновение обратной мощности.

Следовательно, направленность направленного ответвителя улучшается.

Волноводные соединения

Поскольку волноводная система не всегда может быть собрана в единый элемент, иногда необходимо объединить разные волноводы. Это соединение должно быть тщательно сделано, чтобы предотвратить такие проблемы, как — эффекты отражения, создание стоячих волн, увеличение затухания и т. Д.

Соединения волновода, помимо того, что избегают неровностей, должны также учитывать структуру полей E и H, не затрагивая их. Существует много типов волноводных соединений, таких как фланцевое соединение с болтом, фланцевое соединение, воздушное соединение и т. Д.

Микроволновая инженерия — полость клистрона

Для генерации и усиления микроволн необходимы специальные трубки, называемые микроволновыми трубками . Из всех них Клистрон является важным.

Существенными элементами клистрона являются электронные пучки и резонаторы резонатора. Электронные пучки производятся из источника, а клистроны резонатора используются для усиления сигналов. Коллектор присутствует в конце, чтобы собрать электроны. Вся установка показана на следующем рисунке.

Электроны, испускаемые катодом, ускоряются по направлению к первому резонатору. Коллектор на конце имеет тот же потенциал, что и резонатор. Следовательно, обычно электроны имеют постоянную скорость в зазоре между резонаторами резонатора.

Первоначально в резонатор первого резонатора подается слабый высокочастотный сигнал, который необходимо усилить. Сигнал инициирует электромагнитное поле внутри полости. Этот сигнал передается через коаксиальный кабель, как показано на следующем рисунке.

Благодаря этому полю электроны, которые проходят через резонатор резонатора, модулируются. При достижении второго резонатора электроны индуцируются другим ЭДС на той же частоте. Это поле достаточно сильное, чтобы извлечь большой сигнал из второй полости.

Резонатор полости

Сначала попробуем разобраться в конструктивных деталях и работе резонатора резонатора. На следующем рисунке показан резонатор резонатора.

Простой резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктивного контура, можно сравнить с этим резонатором резонатора. Проводник имеет свободные электроны. Если на конденсатор подается заряд, чтобы зарядить его до напряжения этой полярности, многие электроны удаляются из верхней пластины и вводятся в нижнюю пластину.

Пластина с большим электронным осаждением будет катодом, а пластина с меньшим числом электронов станет анодом. На следующем рисунке показано накопление заряда на конденсаторе.

Линии электрического поля направлены от положительного заряда к отрицательному. Если конденсатор заряжается с обратной полярностью, то направление поля также меняется на противоположное. Смещение электронов в трубке представляет собой переменный ток. Этот переменный ток создает переменное магнитное поле, которое не совпадает по фазе с электрическим полем конденсатора.

Когда магнитное поле достигает максимальной силы, электрическое поле становится равным нулю, и через некоторое время электрическое поле становится максимальным, в то время как магнитное поле равно нулю. Этот обмен силой происходит за цикл.

Закрытый резонатор

Чем меньше значение конденсатора и индуктивности контура, тем выше будет колебание или резонансная частота. Поскольку индуктивность контура очень мала, можно получить высокую частоту.

Для получения более высокочастотного сигнала индуктивность может быть дополнительно уменьшена путем параллельного размещения большего количества индуктивных контуров, как показано на следующем рисунке. Это приводит к образованию замкнутого резонатора, имеющего очень высокие частоты.

В замкнутом резонаторе электрические и магнитные поля ограничены внутренней частью полости. Первый резонатор резонатора возбуждается усиливаемым внешним сигналом. Этот сигнал должен иметь частоту, с которой резонатор может резонировать. Ток в этом коаксиальном кабеле создает магнитное поле, с помощью которого возникает электрическое поле.

Работа Клистрона

Чтобы понять модуляцию электронного пучка, поступающего в первую полость, рассмотрим электрическое поле. Электрическое поле на резонаторе продолжает изменять направление индуцированного поля. В зависимости от этого электроны, выходящие из электронной пушки, контролируют свой темп.

Поскольку электроны заряжены отрицательно, они ускоряются, если движутся в направлении, противоположном направлению электрического поля. Кроме того, если электроны движутся в одном и том же направлении электрического поля, они замедляются. Это электрическое поле продолжает изменяться, поэтому электроны ускоряются и замедляются в зависимости от изменения поля. На следующем рисунке показан поток электронов, когда поле находится в противоположном направлении.

При движении эти электроны попадают в свободное пространство поля, называемое дрейфующим пространством между резонаторами с различными скоростями, которые создают сгустки электронов. Эти гроздья создаются из-за различий в скорости движения.

Эти сгустки входят во второй резонатор с частотой, соответствующей частоте, на которой колеблется первый резонатор. Поскольку все резонаторы резонатора идентичны, движение электронов заставляет колебаться второй резонатор. На следующем рисунке показано формирование электронных сгустков.

Индуцированное магнитное поле во втором резонаторе индуцирует некоторый ток в коаксиальном кабеле, инициируя выходной сигнал. Кинетическая энергия электронов во второй полости почти равна энергии в первой полости, поэтому энергия из этой полости не берется.

Электроны, проходя через вторую полость, лишь немногие из них ускоряются, а сгустки электронов замедляются. Следовательно, вся кинетическая энергия преобразуется в электромагнитную энергию для получения выходного сигнала.

Усиление такого двухрезонаторного клистрона невелико, и поэтому используются многорезонаторные клистроны.

На следующем рисунке показан пример многорезонаторного усилителя Klystron.

При подаче сигнала в первую полость мы получаем слабые сгустки во второй полости. Это создаст поле в третьей полости, которое производит более концентрированные пучки и так далее. Следовательно, усиление больше.

Микроволновая техника — Reflex Klystron

Этот микроволновый генератор представляет собой клистрон, который работает на отражениях и колебаниях в одной полости, которая имеет переменную частоту.

Reflex Klystron состоит из электронной пушки, катодной нити, анодной полости и электрода с потенциалом катода. Это обеспечивает низкое энергопотребление и имеет низкую эффективность.

Строительство Рефлекс Клистрона

Электронная пушка испускает электронный пучок, который проходит через щель в анодной полости. Эти электроны движутся в направлении электрода Repeller, который имеет высокий отрицательный потенциал. Из-за сильного отрицательного поля электроны отталкиваются обратно в анодную полость. В обратном пути электроны отдают больше энергии зазору, и эти колебания поддерживаются. Детали конструкции этого рефлекторного клистрона показаны на следующем рисунке.

Предполагается, что колебания в трубке уже существуют, и они поддерживаются ее работой. Электроны, проходя через анодную полость, набирают некоторую скорость.

Операция Рефлекс Клистрон

Работа Reflex Klystron понятна из некоторых предположений. Электронный пучок ускоряется в направлении анодной полости.

Предположим, что эталонный электрон e _r пересекает полость анода, но не имеет дополнительной скорости и отталкивается после достижения электрода Repeller с той же скоростью. Другой электрон, скажем, e _e, который стартовал раньше, чем этот эталонный электрон, первым достигает Repeller, но медленно возвращается, достигая в то же время, что и эталонный электрон.

У нас есть другой электрон, поздний электрон _el , который начинается позже, чем e e и e _e , однако он движется с большей скоростью, возвращаясь назад, достигая в то же время, что и e _e .

Теперь эти три электрона, а именно, e, _e и e, достигают зазора одновременно, образуя сгусток электронов . Это время в пути называется временем прохождения , которое должно иметь оптимальное значение. Следующий рисунок иллюстрирует это.

Полость анода ускоряет электроны во время движения и получает их энергию, задерживая их во время обратного пути. Когда напряжение зазора максимально положительное, это позволяет максимально отрицательным электронам замедляться.

Оптимальное время прохождения представлено в виде

T=n+ frac34 quadгдеnisaninteger

$$T = n + \ frac {3} {4} \ quad где \: n \: is \: an \: integer$$

Это время прохождения зависит от напряжения Repeller и анода.

Применение Reflex Klystron

Reflex Klystron используется в приложениях, где желательна переменная частота, например:

• Радиоприемники
• Портативные микроволновые каналы
• Параметрические усилители
• Локальные генераторы СВЧ приемников
• В качестве источника сигнала, где переменная частота желательна в микроволновых генераторах.

Труба бегущей волны

Лампы бегущей волны — это широкополосные микроволновые устройства, которые не имеют резонаторов резонатора, таких как клистроны. Усиление осуществляется через длительное взаимодействие между электронным пучком и радиочастотным (RF) полем.

Строительство трубки бегущей волны

Трубка бегущей волны представляет собой цилиндрическую структуру, которая содержит электронную пушку от катодной трубки. Он имеет анодные пластины, спираль и коллектор. ВЧ вход отправляется на один конец спирали, а выход — на другой конец спирали.

Электронная пушка фокусирует электронный луч со скоростью света. Магнитное поле направляет луч в фокус, без рассеяния. ВЧ поле также распространяется со скоростью света, которая задерживается спиралью. Спираль действует как структура медленной волны. Прикладное радиочастотное поле, распространяемое по спирали, создает электрическое поле в центре спирали.

Результирующее электрическое поле, вызванное приложенным радиочастотным сигналом, распространяется со скоростью света, умноженной на отношение шага спирали к окружности спирали. Скорость электронного пучка, проходящего через спираль, индуцирует энергию радиочастотных волн на спирали.

На следующем рисунке показаны конструктивные особенности трубки с бегущей волной.

Таким образом, усиленный выход получается на выходе ЛБВ. Осевая фазовая скорость Vp$V_p$ представляется как

Vp=Vc left(Pitch/2 pir right)

$$V_p = V_c \ left ({Pitch} / {2 \ pi r} \ right)$$

Где r — радиус спирали. Поскольку спираль обеспечивает наименьшее изменение фазовой скорости Vp$V_p$, она предпочтительнее других медленных волновых структур для ЛБВ. В ЛБВ электронная пушка фокусирует электронный пучок в промежутке между анодными пластинами к спирали, которая затем собирается на коллекторе. На следующем рисунке показано расположение электродов в трубке бегущей волны.

Эксплуатация бегущей волны

Анодные пластины при нулевом потенциале, что означает, что когда аксиальное электрическое поле находится в узле, скорость электронного пучка остается неизменной. Когда волна в аксиальном электрическом поле находится в положительной пучности, электрон из пучка электронов движется в противоположном направлении. Этот ускоряемый электрон пытается догнать поздний электрон, который сталкивается с узлом осевого поля ВЧ.

В точке, где аксиальное поле RF находится в отрицательной пучности, упомянутый ранее электрон пытается перегнать из-за эффекта отрицательного поля. Электроны получают модулированную скорость. Как совокупный результат, вторая волна индуцируется в спирали. Выходной сигнал становится больше входного и приводит к усилению.

Применение бегущей волновой трубки

Есть много применений трубки бегущей волны.

• ЛБВ используется в микроволновых приемниках в качестве малошумящего РЧ-усилителя.

• ЛБВ также используются в широкополосных линиях связи и коаксиальных кабелях в качестве усилителей повторителей или промежуточных усилителей для усиления слабых сигналов.

• ЛБВ имеют длительный срок службы трубки, благодаря чему они используются в качестве выходных трубок мощности на спутниках связи.

• Мощные ЛБВ с непрерывной волной используются в каналах Troposcatter из-за большой мощности и большой полосы пропускания для рассеяния на большие расстояния.

• ЛБВ используются в импульсных радарах большой мощности и наземных радарах.

ЛБВ используется в микроволновых приемниках в качестве малошумящего РЧ-усилителя.

ЛБВ также используются в широкополосных линиях связи и коаксиальных кабелях в качестве усилителей повторителей или промежуточных усилителей для усиления слабых сигналов.

ЛБВ имеют длительный срок службы трубки, благодаря чему они используются в качестве выходных трубок мощности на спутниках связи.

Мощные ЛБВ с непрерывной волной используются в каналах Troposcatter из-за большой мощности и большой полосы пропускания для рассеяния на большие расстояния.

ЛБВ используются в импульсных радарах большой мощности и наземных радарах.

Микроволновая техника — магнетроны

В отличие от трубок, обсуждаемых до сих пор, магнетроны являются трубками поперечного поля, в которых электрические и магнитные поля пересекаются, то есть проходят перпендикулярно друг другу. В ЛБВ наблюдалось, что электроны, когда они взаимодействуют с РЧ в течение более длительного времени, чем в клистроне, приводят к более высокой эффективности. Та же техника применяется в магнетронах.

Типы магнетронов

Существует три основных типа магнетронов.

Тип отрицательного сопротивления

• Используется отрицательное сопротивление между двумя сегментами анода.
• Они имеют низкую эффективность.
• Они используются на низких частотах (<500 МГц).

Циклотронные частотные магнетроны

• Рассмотрен синхронизм между электрической составляющей и колеблющимися электронами.

• Полезно для частот выше 100 МГц.

Рассмотрен синхронизм между электрической составляющей и колеблющимися электронами.

Полезно для частот выше 100 МГц.

Тип бегущей волны или полости

• Взаимодействие между электронами и вращающимся электромагнитным полем учитывается.

• Высокие пиковые колебания мощности предоставляются.

• Полезно в радарных приложениях.

Взаимодействие между электронами и вращающимся электромагнитным полем учитывается.

Высокие пиковые колебания мощности предоставляются.

Полезно в радарных приложениях.

Полость Магнетрон

Магнетрон называется полым магнетроном, потому что анод состоит из резонансных полостей, а постоянный магнит используется для создания сильного магнитного поля, действие которого заставляет устройство работать.

Строительство полости Магнетрон

Толстый цилиндрический катод присутствует в центре, а цилиндрический блок из меди закреплен в осевом направлении, что служит анодом. Этот анодный блок состоит из ряда прорезей, которые действуют как резонансные анодные полости.

Пространство, существующее между анодом и катодом, называется пространством взаимодействия . Электрическое поле присутствует радиально, в то время как магнитное поле находится аксиально в магнетроне резонатора. Это магнитное поле создается постоянным магнитом, который расположен так, что магнитные линии параллельны катоду и перпендикулярны электрическому полю, присутствующему между анодом и катодом.

На следующих рисунках показаны конструктивные детали магнетрона резонатора и магнитные линии магнитного потока, присутствующие в осевом направлении.

Эта полость Магнетрон имеет 8 полостей, тесно связанных друг с другом. Магнетрон с N-резонатором имеет N$N$ режимов работы. Эти операции зависят от частоты и фазы колебаний. Полный фазовый сдвиг вокруг кольца резонаторов этой полости должен составлять 2n pi$2n \ pi$, где n$n$ — целое число.

Если  phiv$\ phi_v$ представляет относительное изменение фазы электрического поля переменного тока в соседних полостях, то

 phiv= frac2 pinN

$$\ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N}$$

Где n=0, pm1, pm2, pm( fracN2−1), pm fracN2$n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2}$

Это означает, что  fracN2$\ frac {N} {2}$ мода резонанса может существовать, если N$N$ является четным числом.

Если,

n= fracN2 quadthen quad phiv= pi

$$n = \ frac {N} {2} \ quad then \ quad \ phi_v = \ pi$$

Этот режим резонанса называется  pi−mode$\ pi-mode$.

n=0 quadthen quad phiv=0

$$n = 0 \ quad then \ quad \ phi_v = 0$$

Это называется нулевой модой , потому что между анодом и катодом не будет ВЧ электрического поля. Это также называется краевым полем, и эта мода не используется в магнетронах.

Эксплуатация полости Магнетрон

Когда полость Klystron находится в работе, у нас есть разные случаи для рассмотрения. Давайте рассмотрим их подробно.

Случай 1

Если магнитное поле отсутствует, т.е. B = 0, то поведение электронов можно наблюдать на следующем рисунке. Рассмотрим пример, когда электрон a непосредственно направляется на анод под действием радиальной электрической силы.

Дело 2

Если происходит увеличение магнитного поля, боковая сила действует на электроны. Это можно наблюдать на следующем рисунке, рассматривая электрон b, который идет по криволинейной траектории, в то время как обе силы действуют на него.

Радиус этого пути рассчитывается как

R= fracmveB

$$R = \ frac {mv} {eB}$$

Он изменяется пропорционально скорости электрона и обратно пропорционален напряженности магнитного поля.

Дело 3

Если магнитное поле B еще больше увеличивается, электрон следует по пути, такому как электрон с , просто задев поверхность анода и обнулив ток анода. Это называется « Критическое магнитное поле » (Bc)$(B_c)$, которое является отсеченным магнитным полем. Обратитесь к следующему рисунку для лучшего понимания.

Дело 4

Если магнитное поле сделано больше, чем критическое поле,

B>Bc

$$B&amp;gt; B_c$$

Затем электроны следуют пути как электрон d , где электрон прыгает обратно к катоду, не переходя к аноду. Это вызывает « обратный нагрев » катода. Обратитесь к следующему рисунку.

Это достигается отключением электропитания после начала колебаний. Если это будет продолжаться, это повлияет на эффективность излучения катода.

Работа резонатора магнетрона с активным радиочастотным полем

До сих пор мы обсуждали работу резонатора магнетрона, где РЧ-поле отсутствует в полостях магнетрона (статический случай). Давайте теперь обсудим его работу, когда у нас есть активное поле RF.

Как и в ЛБВ, предположим, что присутствуют начальные радиочастотные колебания из-за некоторого переходного процесса шума. Колебания поддерживаются работой устройства. В этом процессе испускаются три вида электронов, действия которых понимаются как электроны a , b и c в трех разных случаях.

Случай 1

Когда присутствуют колебания, электрон a замедляет передачу энергии колебаться. Такие электроны, которые передают свою энергию колебаниям, называются предпочтительными электронами . Эти электроны ответственны за эффект группировки .

Дело 2

В этом случае другой электрон, скажем, b , получает энергию от колебаний и увеличивает свою скорость. Как и когда это будет сделано,

• Это изгибается более резко.
• Он проводит мало времени в пространстве взаимодействия.
• Возвращается к катоду.

Эти электроны называются нежелательными электронами . Они не участвуют в эффекте группировки. Кроме того, эти электроны вредны, поскольку они вызывают «обратный нагрев».

Дело 3

В этом случае электрон с , который испускается чуть позже, движется быстрее. Он пытается догнать электрон а . Следующий испущенный электрон d пытается шагнуть с a . В результате предпочтительные электроны a , c и d образуют электронные сгустки или электронные облака. Называется это «Фазовый фокусирующий эффект».

Весь этот процесс лучше понять, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке A показаны движения электронов в разных случаях, а на рисунке B показаны сформированные электронные облака. Эти электронные облака возникают во время работы устройства. Заряды, присутствующие на внутренней поверхности этих анодных сегментов, следуют колебаниям в полостях. Это создает электрическое поле, вращающееся по часовой стрелке, которое можно увидеть во время практического эксперимента.

В то время как электрическое поле вращается, линии магнитного потока формируются параллельно катоду, под воздействием которого электронные сгустки образуются с четырьмя спицами, направленными через равные промежутки времени к ближайшему положительному сегменту анода по спиральным траекториям.

Измерительные приборы

Среди микроволновых измерительных приборов видное место занимает установка микроволновой скамьи, которая состоит из микроволновых приборов. Вся эта установка, с небольшими изменениями, способна измерять множество значений, таких как длина волны наведения, длина волны в свободном пространстве, длина волны отсечки, импеданс, частота, КСВН, характеристики клистрона, характеристики диода Ганна, измерения мощности и т. Д.

Выход, производимый микроволнами, при определении мощности, как правило, имеет небольшое значение. Они меняются в зависимости от положения в линии передачи. Должно быть оборудование для измерения микроволновой мощности, которое в общем случае будет представлять собой микроволновую настольную установку.

Микроволновая Скамья Общая Установка Измерения

Эта установка представляет собой комбинацию различных частей, которые можно наблюдать в деталях. Следующий рисунок четко объясняет настройку.

Генератор сигналов

Как следует из названия, он генерирует микроволновый сигнал, порядка нескольких милливатт. При этом используется метод модуляции скорости для перевода непрерывного волнового пучка в милливаттную мощность.

Примером этого генератора СВЧ-сигналов может служить генератор на диоде Ганна или трубка с рефлекторным клистроном.

Точность Аттенюатор

Это аттенюатор, который выбирает желаемую частоту и ограничивает выходной сигнал в диапазоне от 0 до 50 дБ. Это переменная и может быть скорректирована в соответствии с требованием.

Переменный Аттенюатор

Этот аттенюатор устанавливает величину ослабления. Это может быть понято как точная настройка значений, когда показания сверяются со значениями Precision Attenuator.

изолятор

Это удаляет сигнал, который не требуется для достижения крепления детектора. Изолятор позволяет сигналу проходить через волновод только в одном направлении.

Частотомер

Это устройство, которое измеряет частоту сигнала. С помощью этого измерителя частоты сигнал можно настроить на его резонансную частоту. Это также дает возможность соединить сигнал с волноводом.

Детектор кристаллов

Зонд для детектора кристаллов и крепление для детектора кристаллов указаны на рисунке выше, где детектор соединен через зонд с креплением. Это используется для демодуляции сигналов.

Индикатор стоячей волны

Вольтметр стоячей волны обеспечивает считывание коэффициента стоячей волны в дБ. Волновод прорезан некоторым зазором, чтобы отрегулировать тактовые такты сигнала. Сигналы, передаваемые по волноводу, передаются по кабелю BNC на VSWR или CRO для измерения его характеристик.

Микроволновая печь, установленная в режиме реального времени, будет выглядеть следующим образом:

Теперь давайте взглянем на важную часть этой микроволновой скамьи — щелевую линию.

Шлицевая линия

В микроволновой линии передачи или волноводе электромагнитное поле рассматривается как сумма падающей волны от генератора и отраженной волны к генератору. Отражения указывают на несоответствие или разрыв. Величина и фаза отраженной волны зависит от амплитуды и фазы отражающего импеданса.

Полученные стоячие волны измеряются, чтобы узнать недостатки линии электропередачи, что необходимо для знания несоответствия импеданса для эффективной передачи. Эта щелевая линия помогает в измерении коэффициента стоячей волны микроволнового устройства.

строительство

Линия с прорезями состоит из секции с прорезями линии передачи, где должно быть выполнено измерение. Он имеет перемещающуюся каретку для зонда, позволяющую соединять зонд в случае необходимости, и средство для присоединения и обнаружения прибора.

В волноводе прорезь выполнена в центре широкой стороны, в осевом направлении. Подвижный зонд, соединенный с детектором кристаллов, вставлен в щель волновода.

операция

Выход детектора кристалла пропорционален квадрату приложенного входного напряжения. Подвижный зонд обеспечивает удобное и точное измерение на своем месте. Но когда зонд движется вперед, его выходной сигнал пропорционален схеме стоячей волны, которая формируется внутри волновода. Для получения точных результатов здесь используется переменный аттенюатор.

Выход КСВН может быть получен путем

VSWR= sqrt fracVmaxVmin

$$VSWR = \ sqrt {\ frac {V_ {max}} {V_ {min}}}$$

Где V$V$ — выходное напряжение.

На следующем рисунке показаны различные части линии с прорезями, помеченные.

Детали, обозначенные на рисунке выше, указывают на следующее.

• Launcher — приглашает сигнал.
• Меньший участок волновода.
• Изолятор — предотвращает отражения от источника.
• Вращающийся переменный аттенюатор — для точной регулировки.
• Щелевой участок — для измерения сигнала.
• Регулировка глубины зонда.
• Настройки настройки — для получения точности.
• Детектор кристаллов — обнаруживает сигнал.
• Согласованная нагрузка — поглощает выходную мощность.
• Короткое замыкание — положение для замены нагрузкой.
• Поворотная ручка — для регулировки во время измерения.
• Датчик Вернье — для точных результатов.

Чтобы получить низкочастотный модулированный сигнал на осциллографе, используется щелевая линия с перестраиваемым детектором. Тележка со щелевой линией и перестраиваемым детектором может использоваться для измерения следующего.

• VSWR (коэффициент стоячей волны напряжения)
• Модель стоячей волны
• полное сопротивление
• Коэффициент отражения
• Обратные потери
• Частота используемого генератора

Перестраиваемый детектор

Настраиваемый детектор представляет собой крепление для детектора, которое используется для обнаружения низкочастотных прямоугольных СВЧ-сигналов с модуляцией. Следующий рисунок дает представление о настраиваемом креплении детектора.

Следующее изображение представляет практическое применение этого устройства. Он заканчивается в конце и имеет отверстие на другом конце так же, как и выше.

Для обеспечения соответствия между микроволновой системой передачи и креплением детектора часто используется перестраиваемая заглушка. Существует три разных типа настраиваемых заглушек.

• Перестраиваемый волноводный детектор
• Перестраиваемый коаксиальный детектор
• Перестраиваемый зонд детектор

Также есть фиксированные заглушки типа —

• Фиксированный широкополосный настроенный зонд
• Фиксированное волноводное согласование крепления детектора

Крепление детектора — это последняя ступень на микроволновой скамье, которая заканчивается в конце.

Микроволновая техника — измерения

В области микроволновой техники, как уже говорилось в первой главе, встречается множество применений. Следовательно, при использовании различных приложений мы часто сталкиваемся с необходимостью измерения различных значений, таких как мощность, затухание, фазовый сдвиг, VSWR, импеданс и т. Д. Для эффективного использования.

В этой главе давайте рассмотрим различные методы измерения.

Измерение мощности

Измеренная мощность микроволнового излучения — это средняя мощность в любой точке волновода. Измерение мощности может быть трех типов.

• Измерение малой мощности (от 0,01 до 10 мВт)

  Пример — Болометрическая техника

• Измерение средней мощности (от 10 мВт до 1 Вт)

  Пример — Калориметрическая техника

• Измерение высокой мощности (> 10 Вт)

  Пример — калориметр ваттметр

Измерение малой мощности (от 0,01 до 10 мВт)

Пример — Болометрическая техника

Измерение средней мощности (от 10 мВт до 1 Вт)

Пример — Калориметрическая техника

Измерение высокой мощности (> 10 Вт)

Пример — калориметр ваттметр

Давайте рассмотрим их подробно.

Измерение малой мощности

Измерение мощности микроволнового излучения от 0,01 до 10 мВт можно понимать как измерение малой мощности.

Болометр — это устройство, которое используется для измерения мощности микроволнового излучения. Элемент, используемый в болометре, может иметь положительный или отрицательный температурный коэффициент. Например, барратер имеет положительный температурный коэффициент, сопротивление которого увеличивается с увеличением температуры. Термистор имеет отрицательный температурный коэффициент, сопротивление которого уменьшается с увеличением температуры.

Любой из них может быть использован в болометре, но изменение сопротивления пропорционально микроволновой мощности, применяемой для измерения. Этот болометр используется в перемычке, так что любой вызванный дисбаланс влияет на выход. Типичный пример мостовой схемы с использованием болометра показан на следующем рисунке.

Миллиамперметр здесь дает значение тока, протекающего. Батарея является переменной, которая изменяется для получения баланса, когда дисбаланс вызван поведением болометра. Эта настройка, выполняемая в напряжении батареи постоянного тока, пропорциональна мощности СВЧ. Мощность обработки этой цепи ограничена.

Измерение средней мощности

Измерение мощности микроволнового излучения от 10 мВт до 1 Вт можно понимать как измерение средней мощности.

Используется специальная нагрузка, которая обычно поддерживает определенную величину удельной теплоемкости. Измеряемая мощность подается на его вход, что пропорционально изменяет выходную температуру нагрузки, которую она уже поддерживает. Разница в повышении температуры, указывает входную мощность СВЧ на нагрузку.

Метод балансировки моста используется здесь, чтобы получить результат. Для измерения мощности используется метод теплопередачи, который является калориметрическим методом.

Измерение высокой мощности

Измерение мощности микроволнового излучения от 10 до 50 кВт можно понимать как измерение высокой мощности.

Высокая СВЧ-мощность обычно измеряется калориметрическими ваттметрами, которые могут быть сухими и проточными. Сухой тип назван так, как он использует коаксиальный кабель, который заполнен диэлектриком с высокими потерями гистерезиса, тогда как тип потока назван так, как он использует воду или масло или некоторую жидкость, которая является хорошим поглотителем микроволн.

Изменение температуры жидкости до и после ввода нагрузки принимается за калибровку значений. Ограничения в этом методе такие, как определение расхода, калибровка и тепловая инерция и т. Д.

Измерение затухания

На практике микроволновые компоненты и устройства часто обеспечивают некоторое ослабление. Величина предлагаемого ослабления может быть измерена двумя способами. Это — метод отношения мощностей и метод RF замены.

Затухание — это отношение входной мощности к выходной мощности, которое обычно выражается в децибелах.

AttenuationindBs=10log fracPinPout

$$Attenuation \: in \: dBs = 10 \: log \ frac {P_ {in}} {P_ {out}}$$

Где Pin$P_ {in}$ = входная мощность и Pout$P_ {out}$ = выходная мощность

Коэффициент мощности

В этом методе измерение затухания происходит в два этапа.

• Шаг 1 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется без устройства, для которого необходимо рассчитать затухание.

• Шаг 2 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется с помощью устройства, затухание которого необходимо рассчитать.

Шаг 1 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется без устройства, для которого необходимо рассчитать затухание.

Шаг 2 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется с помощью устройства, затухание которого необходимо рассчитать.

Соотношение этих мощностей при сравнении дает величину затухания.

На следующих рисунках показаны две установки, которые это объясняют.

Недостаток — измерения мощности и затухания могут быть неточными, когда входная мощность мала, а затухание в сети велико.

Метод замещения РФ

В этом методе измерение затухания происходит в три этапа.

• Шаг 1 — Выходная мощность всего микроволнового стенда измеряется с помощью сети, для которой необходимо рассчитать затухание.

• Шаг 2 — Выходная мощность всей микроволновой скамьи измеряется путем замены сети на точно откалиброванный аттенюатор.

• Шаг 3 — Теперь этот аттенюатор настроен для получения той же мощности, что измерена в сети.

Шаг 1 — Выходная мощность всего микроволнового стенда измеряется с помощью сети, для которой необходимо рассчитать затухание.

Шаг 2 — Выходная мощность всей микроволновой скамьи измеряется путем замены сети на точно откалиброванный аттенюатор.

Шаг 3 — Теперь этот аттенюатор настроен для получения той же мощности, что измерена в сети.

На следующих рисунках показаны две установки, которые это объясняют.

Отрегулированное значение на аттенюаторе дает затухание в сети напрямую. Недостаток в вышеупомянутом способе здесь исключается, и, следовательно, это лучшая процедура для измерения затухания.

Измерение сдвига фаз

В практических условиях работы может происходить изменение фазы сигнала от фактического сигнала. Чтобы измерить такой сдвиг фазы, мы используем метод сравнения, с помощью которого мы можем откалибровать сдвиг фазы.

Настройка для расчета сдвига фазы показана на следующем рисунке.

Здесь, после того как микроволновый источник генерирует сигнал, он пропускается через тройник H-плоскости, из которого один порт подключен к сети, фазовый сдвиг которой должен быть измерен, а другой порт подключен к регулируемому точному фазовращателю.

Демодулированный выход представляет собой синусоидальную волну с частотой 1 кГц, которая наблюдается в подключенном CRO. Этот фазовращатель регулируется таким образом, чтобы его синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц также соответствовал вышеуказанному. После того, как согласование выполнено путем наблюдения в CRO двойного режима, этот точный фазовращатель дает нам показание фазового сдвига. Это ясно понимается на следующем рисунке.

Эта процедура наиболее часто используется при измерении фазового сдвига. Теперь давайте посмотрим, как рассчитать КСВН.

Измерение КСВН

В любом практическом применении в СВЧ-диапазоне любые рассогласования импеданса приводят к образованию стоячих волн. Сила этих стоячих волн измеряется с помощью коэффициента стоячей волны напряжения (VSWR$VSWR$). Отношение максимального к минимальному напряжению дает значение VSWR$VSWR$, которое обозначается как S$S$.

S= fracVmaxVmin= frac1+ rho1− rho

$$S = \ frac {V_ {max}} {V_ {min}} = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho}$$

Где  rho=отражениекоэффициент= fracPотраженныйPинцидент$\ rho = отражение \: коэффициент = \ frac {P_ {отраженный}} {P_ {инцидент}}$

Измерение VSWR$VSWR$ может быть выполнено двумя способами: измерения Low VSWR$VSWR$ и High VSWR$VSWR$.

Измерение низкого КСВН (S <10)

Измерение низкого значения VSWR$VSWR$ можно выполнить, отрегулировав аттенюатор, чтобы получить показания на милливольтметре постоянного тока, который является измерителем VSWR. Показания могут быть получены путем регулировки линии с прорезями и аттенюатора таким образом, чтобы милливольтметр постоянного тока показывал показания полной шкалы, а также минимальные показания.

Теперь эти два показания рассчитаны для определения VSWR$VSWR$ сети.

Измерение высокого КСВН (S> 10)

Измерение высокого значения VSWR$VSWR$, значение которого больше 10, может быть измерено методом, называемым методом двойного минимума . В этом методе считываются показания с минимальным значением, а также считываются показания в половине минимального значения в гребне до и после гребня. Это можно понять по следующему рисунку.

Теперь VSWR$VSWR$ можно рассчитать с помощью отношения, заданного как —

VSWR= frac lambdag pi(d2−d1)

$$VSWR = \ frac {\ lambda_ {g}} {\ pi (d_2-d_1)}$$

Где  lambdagistheguidedдлинаволны$\ lambda_g \: is \: the \: guided \: длина волны$

 lambdag= frac lambda0 sqrt1−( frac lambda0 lambdac)2 quadwhere lambda0=c/f

$$\ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {\ sqrt {1 - (\ frac {\ lambda_0} {\ lambda_c}) ^ 2}} \ quad where \: \ lambda_0 \: = {c} / {f}$$

Поскольку здесь рассматриваются две минимальные точки, это называется методом двойного минимума. Теперь давайте узнаем об измерении импеданса.

Измерение импеданса

Помимо Magic Tee у нас есть два разных метода: один использует щелевую линию, а другой использует рефлектометр.

Импеданс с использованием щелевой линии

В этом методе импеданс измеряется с использованием отрезанной линии и нагрузки ZL$Z_L$, и с помощью этого можно определить Vmax$V_ {max}$ и Vmin$V_ {min}$. В этом методе измерение импеданса происходит в два этапа.

• Шаг 1 — Определение Vmin с использованием load ZL$Z_L$.

• Шаг 2 — Определение Vmin путем короткого замыкания нагрузки.

Шаг 1 — Определение Vmin с использованием load ZL$Z_L$.

Шаг 2 — Определение Vmin путем короткого замыкания нагрузки.

Это показано на следующих рисунках.

Когда мы пытаемся получить значения Vmax$V_ {max}$ и Vmin$V_ {min}$, используя нагрузку, мы получаем определенные значения. Однако, если то же самое делается путем короткого замыкания нагрузки, минимум сдвигается либо вправо, либо влево. Если это смещение влево, это означает, что нагрузка является индуктивной, а если это смещение вправо, это означает, что нагрузка носит емкостный характер. На следующем рисунке это объясняется.

Записывая данные, неизвестный импеданс рассчитывается. Коэффициент импеданса и отражения  rho$\ rho$ можно получить как по величине, так и по фазе.

Импеданс с помощью рефлектометра

В отличие от щелевой линии, рефлектометр помогает определить только величину импеданса, а не фазовый угол. В этом методе принимаются два направленных ответвителя, которые идентичны, но различаются по направлению.

Эти два ответвителя используются для выборки падающей мощности Pi$P_i$ и отраженной мощности Pr$P_r$ от нагрузки. Рефлектометр подключен, как показано на следующем рисунке. Он используется для получения величины коэффициента отражения  rho$\ rho$, из которого можно получить импеданс.

Из показаний рефлектометра мы имеем

 rho= sqrt fracPrPi

$$\ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}}$$

Из значения  rho$\ rho$ VSWR$VSWR$, т. Е. S$S$ и импеданс, можно рассчитать как

S= frac1+ rho1− rho quadи quad fracz−zgz+zg= rho

$$S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} \ quad и \ quad \ frac {z-z_g} {z + z_g} = \ rho$$

Где zg$z_g$ — это волновое сопротивление, а z$z$ — неизвестное сопротивление.

Несмотря на то, что здесь наблюдаются параметры прямой и обратной волны, помехи не будут возникать из-за направленности ответвителей. Аттенюатор помогает поддерживать низкую потребляемую мощность.

Измерение добротности резонатора резонатора

Хотя существует три метода, таких как метод передачи, метод импеданса и метод переходного затухания или метод затухания для измерения добротности резонатора резонатора, наиболее простым и наиболее часто используемым методом является метод передачи . Итак, давайте посмотрим на его настройку измерения.

В этом методе резонатор резонатора действует как устройство, которое передает. Выходной сигнал представлен в виде функции частоты, которая приводит к резонансной кривой, как показано на следующем рисунке.

Из вышеприведенной настройки частота сигнала микроволнового источника изменяется, сохраняя уровень сигнала постоянным, а затем измеряется выходная мощность. Резонатор резонатора настроен на эту частоту, и уровень сигнала и выходная мощность снова записываются, чтобы заметить разницу.

Когда график выводится, получается резонансная кривая, из которой можно заметить значения (2 Delta)$(2 \ Delta)$ Half Power Bandwidth (HPBW).

2 Delta= pm frac1QL

$$2 \ Delta = \ pm \ frac {1} {Q_L}$$

Где QL$Q_L$ — загруженное значение

или quadQL= pm frac12 Delta= pm fracw2(w−w0)

$$или \ quad Q_L = \ pm \ frac {1} {2 \ Delta} = \ pm \ frac {w} {2 (w-w_0)}$$

Если связью между микроволновым источником и полостью, а также связью между детектором и полостью пренебрегают, то

QL=Q0(беззагрузкиQ)

$$Q_L = Q_0 \: (без загрузки \: Q)$$

недостаток

Основным недостатком этой системы является то, что точность в системах с очень высоким Q немного плоха из-за узкой полосы действия.

Мы рассмотрели много типов методов измерения различных параметров. Теперь давайте попробуем решить несколько примеров проблем с ними.

Микроволновая инженерия — пример проблемы

В этой главе давайте повеселимся, решив несколько численных задач, связанных с микроволнами.

Проблема 1

Система передачи, использующая волновод в режиме TE10$TE_ {10}$ с размерами a=5см,b=3см$a = 5 см, b = 3 см$, работает на частоте 10 ГГц . Расстояние, измеренное между двумя точками минимальной мощности, составляет 1 мм на линии с прорезями. Рассчитайте VSWR системы .

Решение

Учитывая, что $ f = 10 ГГц; а = 5 см; б = 3см $

Для волновода TE10$TE_ {10}$ mode,

 lambdac=2a=2 times5=10см

$$\ lambda_c = 2a = 2 \ times 5 = 10 см$$

 lambda0= fraccf= frac3 times101010 times109=3см

$$\ lambda_0 = \ frac {c} {f} = \ frac {3 \ times10 ^ {10}} {10 \ times10 ^ 9} = 3 см$$

d2−d1=1мм=10−1см

$$d_2-d_1 = 1 мм = 10 ^ {- 1} см$$

Мы знаем

 lambdag= frac lambda01−( lambda0/ lambdac)2= frac3 sqrt1−(3/10)2=3.144см

$$\ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {1 - ({\ lambda_0} / {\ lambda_c}) ^ 2} = \ frac {3} {\ sqrt {1 - ({3} / {10}) ^ 2}} = 3.144см$$

Для метода двойного минимума VSWR определяется как

VSWR= frac lambdag pi(d2−d1)= frac3.144 pi(1 times10−1)=10.003=10

$$VSWR = \ frac {\ lambda_g} {\ pi (d_2-d_1)} = \ frac {3.144} {\ pi (1 \ times10 ^ {- 1})} = 10.003 = 10$$

Следовательно, значение VSWR для данной системы передачи равно 10.

Проблема 2

В установке для измерения импеданса рефлектометра, каков коэффициент отражения, когда выходы двух ответвителей составляют 2 мВт и 0,5 мВт соответственно?

Решение

При условии

 fracPi100=2мВт quadи quad fracPr100=0,5мВт

$$\ frac {P_i} {100} = 2 мВт \ quad и \ quad \ frac {P_r} {100} = 0,5 мВт$$

Pi=2 times100mw=200mw

$$P_i = 2 \ times 100mw = 200mw$$

Pr=0,5 умножитьна100мВт=50мВт

$$P_r = 0,5 \ умножить на 100 мВт = 50 мВт$$

 rho= sqrt fracPrPi= sqrt frac50mw200mw= sqrt0.25=0.5

$$\ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} = \ sqrt {\ frac {50mw} {200mw}} = \ sqrt {0.25} = 0.5$$

Следовательно, коэффициент отражения  rho$\ rho$ данной установки равен 0,5.

Проблема 3

Если в волноводе используются два идентичных ответвителя для отбора мощности падающего излучения, равной 3 мВт, и отраженной мощности, равной 0,25 мВт , то найдите значение VSWR$VSWR$.

Решение

Мы знаем это

 rho= sqrt fracPrPi= sqrt frac0.253= sqrt0.0833=0.288

$$\ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} = \ sqrt {\ frac {0.25} {3}} = \ sqrt {0.0833} = 0.288$$

VSWR=S= frac1+ rho1− rho= frac1+0.2881−0.288= frac1.2880.712=1.80

$$VSWR = S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} = \ frac {1 + 0.288} {1-0.288} = \ frac {1.288} {0.712} = 1.80$$

Следовательно, значение VSWR$VSWR$ для вышеуказанной системы составляет 1,80.

Проблема 4

Два идентичных направленных ответвителя 30 дБ используются для измерения падающей и отраженной мощности в волноводе. Значение КСВН равно 6, а выходная мощность падающей дискретизации ответвителя равна 5 МВт . Какова величина отраженной мощности?

Решение

Мы знаем это

VSWR=S= frac1+ rho1− rho=6

$$VSWR = S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} = 6$$

(1+ rho)=6(1− rho)=6−6 rho

$$(1+ \ rho) = 6 (1- \ rho) = 6 - 6 \ rho$$

7 rho=5

$$7 \ rho = 5$$

 rho= frac57=0.174

$$\ rho = \ frac {5} {7} = 0.174$$

Чтобы получить значение отраженной мощности, мы имеем

 rho= sqrt fracPr/103Pi/103= sqrt fracPrPi

$$\ rho = \ sqrt {\ frac {{P_r} / {10 ^ 3}} {{P_i} / {10 ^ 3}}} = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}}$$

или quad rho2= fracPrPi

$$или \ quad \ rho ^ 2 = \ frac {P_r} {P_i}$$

Pr= rho2.Pi=(0,714)2,5=0,510 times5=2,55

$$P_r = \ rho ^ 2.P_i = (0,714) ^ 2,5 = 0,510 \ times 5 = 2,55$$

Следовательно, отраженная мощность в этом волноводе составляет 2,55 мВт.