УСВЧ FINAL. Линии передачи определение регулярные, нерегулярные, однородные, неоднородные. Открытые, закрытые их достоинства и недостатки, применения. Примеры
 Скачать 10.27 Mb.
|
|
30.Волновая матрица рассеяния: физический смысл элементов, испытательные режимы. В технике СВЧ матрица рассеяния связывает линейной зависимостью падающую и отраженную волны на входах многополюсника  Uотр1=S11*Uпад1+S12*Uпад2 Uотр2=S21*Uпад1+S22*Uпад2 Испытательные режимы:
S11=Uотр1/Uпад1 S21=Uотр2/Uпад1
S12=Uотр1/Uпад2 S22=Uотр2/Uпад2 Таким образом, S11 есть коэффициент отражения от первого входа многополюсника, при условии, что во всех других плечах отсутствуют падающие волны. Реально это достигается, если к первому плечу подключить генератор и измерить коэффициент отражения, при условии, что остальные плечи нагружены на согласованные нагрузки, равные волновым сопротивлениям соответствующих линий. Соответственно, S21 есть волновой коэффициент передачи по напряжению из первого плеча во второе при тех же условиях эксперимента. Очевидно, это справедливо и для других плеч. Таким образом, Sii есть коэффициент отражения по напряжению от i-ого плеча, при согласованных остальных, Sik – волновой коэффициент передачи по напряжению из k-ого плеча в i-ое, при согласовании всех свободных плеч. Коэффициенты матрицы [S] имеют чёткий физический смысл, а их экспериментальное определение вполне возможно. Это является основным положительным качеством матриц рассеяния. Билет №31. Матрицы сопротивлений и проводимостей. Физический смысл элементов, испытательные режимы. Матрица сопротивлений – применяемая для описания устройств СВЧ, связывающая линейной зависимостью напряжения и токи в клеммных плоскостях эквивалентного многополюсника. Главная диагональ – сопротивления плеч, остальные – сопротивления между плечами.    Билет №32. Идеальные и реальные матрицы. Матрица рассеяния идеального вентиля, физический смысл элементов. Идеальные и реальные матрицы относятся к матрицам, описывающие цепи с конкретными свойствами. Идеальные матрицы – это матрицы, с помощью которых формируются технические задания. Они фиксируют желаемое поведение данного узла исходя из задачи, которую он выполняет в тракте. Реальная матрица – это матрица реального устройства, полученная путем анализа или экспериментального исследования. Вентиль является четырехполюсником, поэтому описывается матрицей рассеяния вида:  Для идеального вентиля S11=S22, S12=0, S21=1. На практике для характеристики качества вентилей используются следующие параметры: КСВ,  - прямые потери,  - обратные потери.Билет №33. Фундаментальные свойства матриц: взаимность, симметрия, недиссипативность, понятия, математические формулировки. Пусть задана квадратная матрица А, то матрица С* называется взаимной к матрице А, если в её К-ой строке стоят алгебраические дополнения элементов К-ого столбца матрицы А:   Основное свойство: A*C=C*A=E, где E-единичная матрица. Симметричной называют квадратную матрицу, элементы которой симметричны относительно главной диагонали. Взаимному многополюснику соответствует симметричная нормированная матрица рассеяния S, для взаимного многополюсника должно выполняться соотношения Yki=Yik. Из соотношений между нормированными матрицами S и Y: S=(E-Y)(E+Y)^(-1) следует, что Sik=Ski. Нормированная матрица симметрична относительно главной диагонали. Внутри многополюсника передача энергия между i-ым и k-ым входами не зависит от направления передачи энергии. Взаимность многополюсника определяется по отсутствию внутри его невзаимных элементов: диодов, транзисторов, намагниченных ферритов и плазмы и обычно легко определяется самим типом многополюсника. Недиссипативномумногополюснику соответствует унитарная нормированная матрица рассеяния S. Недиссипативным (реактивным) многополюсником называется многополюсник, внутри которого отсутствуют потери энергии. Симметричными называются многополюсники, для которых возможнаперенумерация портов, не приводящих к изменению матриц параметров S,Y,Z. Различают электрическую и геометрическую симметрии. Билет №34. Недиссипативный четырехполюсник: матрицы сопротивлений и рассеяния. Реактивный многополюсник. Недиссипативным (реактивным) многополюсником называется многополюсник, внутри которого отсутствует потеря энергии. Для недиссипативного многополюсника закон сохранения энергии может быть записан:  Т.е. суммы мощностей всех падающих и отраженных волн должны быть равны    Следовательно,   Билет №35. Циркулятор: понятие, матрицы рассеяния, устройство, назначение и применения. Циркулятор – многополюсное устройство для направленной передачи энергии электромагнитных колебаний: энергия, подведенная к одному из плеч, передается в другое плечо в соответствии с порядком их чередования. Циркуляторы применяются в качестве развязывающих устройств и обладают следующими свойствами: сигнал, подведенный к плечу 1, выходит из плеча 2, а сигнал, введенный в плечо 2, выходит из плеча 3. Существует несколько конструкция циркуляторов: ферритовые циркуляторы не требуют источника питания и работают на более высоких мощностях, чем активные. Так же выше их рабочий частотный диапазон. Ферритовые X и Y-циркуляторы используют в антенно-фидерных трактах для переключения антенны или модуля сложной фазированной антенной решетки из режима передачи в режим приема. Ферритовый Y-циркулятор, в котором одно из плеч содержит поглощающую нагрузку, представляет собой разновидность электрического вентиля. Образуя из нескольких Y-циркуляторов последовательные соединения можно получать циркуляторы с любым заданным числом плеч, такие системы в сочетании с полосно-пропускающими электрическими фильтрами позволяют реализовать устройства для сложения или разделения сигналов с различными несущими частотами с использованием при этом минимального числа фильтров.  Билет №36. Направленный ответвитель: понятие, матрицы рассеяния, устройство, назначение и применения.  НО-устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основого канала передачи во вспомогательный. НО представляет собой два (или более) отрезка ЛП, связанных между собой определенным образом, основная линия называется первичной, вспомогательная – вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии должен быть заглушен согласованной нагрузкой, со второго (рабочего) плеча снимается ответвленный сигнал; в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответить – падающую или отраженную, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим. Математически свойства НО описывается с помощью матриц рассеяния. Параметры:
НО применяются при измерении S-параметров СВЧ-устройств в составе панорамных приборов для измерения КСВН. Обеспечивают высокую точность измерений в широком диапазоне частот благодаря высокой направленности. Характеризуются малыми потерями мощности в первичном канале Билет №37. Измерение параметров материалов на СВЧ: резонаторный метод. Каждый материал обладает уникальным набором электрических характеристик, зависящих от его диэлектрических свойств. Точные измерения этих свойств могут обеспечить ученых и инженеров ценной информацией, позволяющей должным образом включить материал в его предполагаемую область применения для повышения надежности конструкций или для наблюдения за процессом производства с целью улучшения контроля качества. Измерение диэлектрических свойств материалов может дать информацию о параметрах, являющихся критическими при проектировании во многих приложениях электроники. Например, потери в изоляции кабеля, импеданс подложки или частота диэлектрического резонатора могут зависеть от их диэлектрических свойств. Эта информация также полезна для улучшения свойств ферритов, поглотителей, а также схем компоновки. Знание диэлектрических свойств материалов также дает преимущества в более современных приложениях из областей промышленной микроволновой обработки продуктов питания, резины, пластика и керамики. Резонаторный метод применяют в диапазоне частот от 5 до 20 ГГц, хотя область частот может быть расширена до 50 ГГц. Этот метод отличается высокой точностью измерений, но применение несколько затруднительно из-за жестких требований, предъявляемых к точности выполнения образцов диэлектриков. Для измерения диэлектрика резонаторным методом используются различные объемные резонаторы: цилиндрические с волной H, прямоугольные, предельные цилиндрические и радиальные, открытые. Выбор типа резонатора и его конструкция определяется типом измеряемого материала и рядом других условий. При измерении параметров резонаторным методом, исследуемые образцы помещают внутри резонатора и измеряют изменение параметров резонатора. Меняем фазовую скорость – меняется частота. Волна задерживается, меняется частота, происходит смещение резонансной частоты. Билет №38. Измерение параметров материалов на СВЧ: измерение ёмкости. Материал классифицируется как “диэлектрик”, если он способен запасать энергию при приложении внешнего электрического поля. Если источник постоянного напряжения включен параллельно обкладкам плоского конденсатора, больше заряда накапливается, когда между обкладками помещен диэлектрик, чем в случае отсутствия материала (вакуума) между обкладками. Диэлектрический материал увеличивает емкость конденсатора, нейтрализуя заряды на его электродах, которые в обычном случае вносили бы вклад во внешнее поле. Емкость при наличии диэлектрического материала зависит от диэлектрической проницаемости. Если источник постоянного напряжения V включен параллельно обкладкам плоского конденсатора, больше заряда накапливается, когда между обкладкамиприсутствует диэлектрический материал, по сравнению со случаем отсутствия диэлектрика (вакуум) между обкладками. Лучше всего для измерения ёмкости подходит конденсатор с планарной конструкцией. Измерения производятся на частотах 25 Гц – 1 ГГц. Используется прибор – имметанс (измерение полное сопротивление и проводимость). Погрешность измерения 1% для эпсилон, 5% для tgD. Билет №39. Измерение параметров материалов на СВЧ: метод на отражение Разомкнутый коаксиальный пробник является срезом линии передачи. Свойства материала измеряются погружением пробника в жидкость или касанием пробником плоской поверхности твердого (или порошкового) материала. Структура полей на конце пробника искажается как только они входят в контакт с испытуемым материалом (рисунок 13). Отраженный сигнал (S11) может быть измерен и связан с ε r*. Типичная измерительная система, использующая метод коаксиального пробника, состоит из анализатора цепей или импеданса, коаксиального пробника и программного обеспечения. И программное обеспечение, и пробник включены в комплект пробников для измерения свойств диэлектриков. Особенности метода • Широкополосный • Простой и удобный (неразрушающий) • Ограниченные точность измерения ε r и разрешение измерения tgδ при низких потерях • Наилучший для жидкостей или полутвердых материалов Допущения о свойствах материала • “Полубесконечная” толщина • Немагнитный • Изотропный и однородный • Плоская поверхность • Отсутствие воздушных зазоров Билет №40. Метод на прохождение и отражение. Методы с использованием линии передачи включают размещение материала внутри части закрытой линии передачи. Обычно линия передачи является отрезком прямоугольного волновода или воздушной коаксиальной линии. ε r* и μr* вычисляются из результатов измерений отраженного сигнала (S11) и прошедшего сигнала (S21). Допущения о свойствах материала • Образец заполняет сечение устройства подключения • Отсутствие воздушных зазоров на стенках устройства подключения • Гладкие и плоские поверхности, расположение перпендикулярно продольной оси • Однородность Свойства метода • Широкополосность – нижнее значение ограничено практической длиной образца • Ограниченное разрешение при низких потерях (зависит от длины образца) • Измерение магнитных материалов • Возможность измерения анизотропных материалов в волноводе Билет №41. Бесконтактный метод. Методы измерений в свободном пространстве используют антенны для фокусировки энергии СВЧ излучения в или сквозь слой материала без необходимости использования устройства подключения. Этот метод является бесконтактным и может применяться для материалов, которые необходимо испытывать при высоких температурах и неблагоприятных условиях окружающей среды. Примерная измерительная система, использующая метод свободного пространства, состоит из векторного анализатора цепей, “устройства подключения” (антенны, тоннели, арки и т.д.), программного обеспечения (например, 85071) и компьютера (не нужен, если используется анализатор цепей семейства PNA). Калибровка анализатора цепей для измерений в свободном пространстве достаточно сложна. Стандарты калибровки в свободном пространстве доставляют определенные проблемы из-за отсутствия соединителей. Калибровка может быть простой, как калибровка по отклику, или сложной, как полная двухпортовая калибровка, в зависимости от удобства и желаемой точности. В свободном пространстве легко осуществить высокотемпературные измерения, поскольку всегда отсутствует прикасание или контакт с образцом. Образец может нагреваться при помещении в печь, имеющую “окна” из изоляционного материала, который прозрачен для СВЧ излучения. Допущения о свойствах материала • Большие, плоские образцы с параллельными сторонами • Однородность Свойства метода • Бесконтактный, неразрушающий • Высокочастотный – нижнее значение ограничено практической длиной образца • Пригоден при высоких температурах • Возможно изменение поляризации антенны для измерения свойств анизотропных материалов • Возможность измерений магнитных материалов Билет №42. Сравнение методов измерения параметров материалов на СВЧ Точность измерения параметров диэлектриков различными методами. Ошибки в опредлении свойств диэлектриков любым способом складываются из трех составляющих: 1) ошибка за счёт неточности расчётных формул, обусловленная несоответствием физических процессов, происходящих в реальной системе, процессами в принятой модели, 2) ошибка, обусловленная отклонением формы образца от требуемой, неточностью в измерении его размеров, 3)ошибка, вызванная неточностью настройки схемы, недостаточной конечной чувствительностью и точностью индикаторных свойств и т.п. Для каждой группы методов преобладающий характер имеет одна из этих ошибок, в результате предельные точности измерения, достигнутые разными методами, отличаются друг от друга. Произведенный обзор методов измерения параметров диэлектриков на СВЧ показывает, что выбор того или иного метода зависит от структуры материала (однородные, слоистые, неоднородные), геометрии образцов, требуемой точности измерения, типа имитаций внешних воздействий (высокотемпературный односторонний нагрев, радиационное облучение, периодическое погружение материала в ванну с солевым раствором и т.д.)  |