УСВЧ FINAL. Линии передачи определение регулярные, нерегулярные, однородные, неоднородные. Открытые, закрытые их достоинства и недостатки, применения. Примеры
 Скачать 10.27 Mb.
|
|
Билет №43. Принцип расчёта направленного ответвителя на ступенчатых линиях передачи Направленным ответвителем называют взаимное реактивное 8-полюсное устройство, осуществляющее отбор некоторой части ВЧ-сигнала, распространяющегося в основном (первичном) канале устройства, в одно из плеч вспомогательного (вторичного) канала, при этом другое плечо остается невозбужденным. Ступенчатые НО на основе МПЛ получили название НО классов Iи IIсоответственно
Структура НО класса Iобразована каскадным соединением m-отрезков распределенно связанных однородных ЛП одинаковой длины  , с монотонно изменяющейся электромагнитной связью для несимметричной структуры:  . Волновая матрица передачи ступенчатой ЛП 
Например, требуется рассчитать несимметричный НО с чебышевской АЧХ в рабочем диапазоне частот 0,3…3 ГГц, Со – номинальное переходное ослабление = 20 дБ, ∆С12 – максимальное отколонение от номинала = 0,5 дБ. На полосковой ЛП с заданной ε. РЕШЕНИЕ: 1)определяем коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот ǽ = f2/f1. По таблицам находим нужное количество ступеней при заданных Со и ∆С12 и вычисленном ǽ. 2)определяем геометрические размеры НО: максимальная длина волны в ЛП - Лmax = λmax/sqrt(εr), общая длина НО, длина ступеней, коэффициент связи. 3) определяем по таблице геометрические размеры w и s полосковых ЛП. Билет №44. Принцип расчёта трансформатора сопротивлений на ступенчатых линиях передачи. ТС – устройство, соединяющее две ЛП и служащее для согласования их волновых сопротивлений. Ступенчатые трансформаторы образуются каскадным соединением отрезков однородных одиночных ЛП, называемых его ступенями или звеньями. Ступенчатые трансформаторы сопротивлений 1 класса характеризуются одинаковыми длинами звеньев, имеющих разные волновые сопротивления. Ступенчатые трансформаторы применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдутся хотя бы 2 ступеньки, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания. Структура трансформатора определяется числом ступенек, их длиной, и отношением волновых сопротивлений двух соседних ступеней. Свойства трансформатора описываются его частотной характеристикой (зависимостью переходного ослабления от частоты). Определение структуры трансформатора по заданным полосе частот и допустимому рассогласованию является задачей синтеза согласующего устройства. ТС II класса длины звеньев разные, а волновые сопротивление принимают только два значения, которые чередуются, в частности они равны волновым сопротивлениям согласуемых ЛП. Билет №45. Принцип расчёта трансформатора сопротивлений на плавных линиях передачи Плавные переходы используются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Могут использоваться как предельный случай ступенчатого перехода. Частотные характеристики плавных переходов непериодические. Наиболее часто на практике используется экспоненциальный переход. Плавный переход является нерегулярной двухпроводной линией передачи, в которой погонные параметры и волновое сопротивление являются функцией продольной координаты. Эффективность согласования зависит от скорости изменения волнового сопротивления вдоль линии. Чем медленнее изменяется W, тем шире полоса согласования и больше длина перехода. Недостатком плавных переходов является их большая длина при значительных перепадах волнового сопротивления. Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. Например, требуется рассчитать плавный трансформатор, соединяющий СПЛ с w/b=7 мм b t/b = 0,2 мм с линией того же типа, но при w/b=0,2 мм и t/b=0,2. Граничная длина волны полосы согласования Л = 200мм, уровень согласования |Г|max/0,5lnR = 0,005. Решение: 1)по таблицам находим значения ρ(0) – волновое сопротивление в начале координат и ρ(l), вычисляем перепад волновых сопротивлений R = ρ(l)/ ρ(0). 2)максимальное значение коэффициента отражения |Г|max = 0,005*0,5lnR. 3)при |Г|max/0,5lnR = 0,005 длина трансформатора l = Л. 4) зависимость ρ(x)/ρ(0) находим по формулам из учебника. Билет №46. Принцип расчёта направленного ответвителя на связанных плавных линиях передачи. В плавных НЛП исключаются электрические неоднородности, свойственные ступенчатым НПЛ, где они возникают вследствие скачкообразного изменения конфигурации связанных линий. Поэтому в НО на плавных НПЛ высокая направленность и малый перепад переходного ослабления достигаются в значительно более широкой полосе частот, чем в ступенчатых НО. Ответвители на плавных НЛП, как и ступенчатые НО, разделяются на симметричные относительно поперечной плоскости и несимметричные. Несимметричный НО содержит скачкообразное изменение коэффициента связи на правом конце отрезка НПЛ. Оно реализуется скачкообразным изменением геометрических размеров. Компенсировать возникающую неоднородность в сверхширокой полосе частот практически очень трудно, тем более, что имеет место скачкообразный переход от максимальной в пределах всего отрезках НПЛ связи к нулевой.Симметричный НО не содержит скачкообразные неоднородности: коэффициенты связи на правом и левом концах отрезка НЛП плавно приближаются к нулевому значению. Дополнительное достоинство симметричного НО – постоянство фазового сдвига между напряжениями в выходных плечах (у несимметричного НО фазовый сдвиг – функция частоты). Несимметричный НО на плавных НЛП по свойствам близок к многоступенчатому несимметричному НО. При расчёте АЧХ полагают количество ступеней равно бесконечности, а длина каждой ступени равна нулю. Матрица  где T1, T2 – матрицы скачков волнового сопротивления, Tнл – матрица отрезка неоднородной линии. В общем случае для оптимизации симметричного НО, как и несимметричного, используется аппроксимация многоступенчатой структурой, её огибающая учитывает форму каждой ступени, а частотные характеристики сравниваемых структур близки друг к другу. Например, требуется рассчитать симметричный НО на плавных НЛП с чебышевской АЧХ с: Со – номинальное переходное ослабление = 15 дБ, ∆С12 – максимальное отколонение от номинала < или = 0,5 дБ, рабочий диапазон частот 1…18 ГГц. На СПЛ с заданной ε, b – расстояние между экранами и ρ0 – волновое сопротивление подводящих ЛП. Решение: 1)находим коэффициент перекрытия рабочей полос частот . Далее по таблицам определяем количество варьируемых параметров. 2) находим λmax = c/fmin 3) определяем длину области связи НО по соотношению l/Лмах, где Лмах = λmax/sqrt(εr). Полученную длину делим на 100 равных частей, исходя из данных таблиц учебника. По приведенным в таблице значениям Ci рассчитываем геометрические размеры внутренних проводников. По таблицам находим размеры w и s. Билет №47. Принцип расчёта делителя мощности ступенчатых линий передачи. Двухканальным делителем мощности называют взаимное шестиполюсное устройство, делящее мощность СВЧ, поступающую в плечо 3, между двумя выходными плечами 1 и 2. Волновые сопротивления подводящих ЛП в общем случае разные. Матрица S:  .Из вида матрицы видно, что все плечи идеального делителя мощности согласованы (S11=S22=S33=0), а плечи 1,2 развязаны (S12=S21=0). Шлейфные ДМ выполняют на основе шлейфных НО с подключением к 4 порту согласованной нагрузки. Они дешевы в изготовлении, но узкополосны. Большое распространение получили ДМ, основанные на основе НО на связанных ЛП с распределенной электромагнитной связью (подключение к 4 порту СН).Использование ступенчатых ЛП классов I, IIи неоднородных связанных ЛП с плавным изменением коэффициента связи позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот ДМ. Из-за трудности точного исполнения малых зазоров между проводниками реализация связанных ЛП с сильной связью (в случаях, когда коэффициент деления мощности равен 1). В должной мере ДМ можно реализовать только при высокой точности изготовления их основных элементов – связанных и многосвязанных ЛП. Кроме того сложны операции изготовления перемычек, соединяющих различные проводники ЛП. Например, требуется рассчитать ДМ, обеспечивающий в полосе частот 1…4 ГГц равное деление мощности между двумя каналами с развязкой не менее 20 дБ и КСВН входных плеч н более 1,3. Волновые сопр = 50 Ом. Решение: 1)исходя из ǽ - перекрытие частот, мнимального значения развязки С12 min<20дБ и максимально допустимых значений КСВН плеч в таблице находим варинат ДМ с минмальным числом ступеней 2) вычисляем значения ненормированных сопротивлений (данные из таблицы * 50) 3)вычисляем геометрическую длину l отрезков ЛП l=λср/4*sqrt(εr) 4)с помощью программного обеспечения CST или QUCS рассчитываем ширины полосков. Билет №48. Принцип расчёта делителя мощности плавных линиях передач с распределённым резистивным слоем Использование плавных неоднородных линий с Т-волнами вместо ступенчатых НЛП позволяет при разработке ДМ, с одной стороны, достичь более высоких электрических параметров (за счет исключения неоднородностей), а с другой – расширить рабочие диапазоны частот. Основные параметры аналогичны параметрам ступенчатого ДМ. Пример расчета: На основе табличных данных и предъявленных условий, нужно выбрать вариант оптимальных параметров ДМ, удовлетворяющих электрическим параметрам сдвигу фаз θ на длине l делителя на частоте, соответствующей низкочастотной границе рабочего диапазона частот, V – параметр, определяющий закон изменения волнового сопротивления плавных ЛП. R1…R3 – параметры определяющие нормированную функцию погонного сопротивления развязки ДМ. Разбиваем нормированную длину ДМ на достаточно большое число точек zi, вычисляем значения волновых сопротивлений плавных ЛП и погонного сопротивления развязки. Данные берут из таблицы. Далее используя табличные данные вычисляем нормированные значения ширины проводников wi/h. Потом по ним вычисляем коэффициенты укорочения длины волны ki в m точках по длине ЛП. Далее вычисляем коэффициент укорочения длины плавных ЛП K. Исходя из заданного значения нижней границы рабочего диапазона частот, выбранного θ, найденного K, вычисляем общую длину плавных ЛП, образующих ДМ. Билет №49.Принцип расчёта направленного моста на волноводных линиях передачи. Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением 3 дБ. Волноводно-щелевой мост в H-плоскости представляет собой два прямоугольных волновода, часто общую узкую стенку которых длиной l вырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения axb. Размер a этого волновода выбирается таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волны H10 и H20, т.е. ��  0 0 –j 1 1 –j 0 0 -j 1 0 0 Билет №50. Принцип расчёта коаксиальной согласованной нагрузки на плавных линиях передачи Плавную НЛП с потерями можно рассматривать как предельный случай ступенчатой НЛП (m→∞) Поверхностные нагрузки на основе плавных НЛП более широкополосны, чем ступенчатые. Условие, при выполнении которого нагрузка на плавной НЛП является идеально согласованной: Dpo(z)/dz= R1(z)+G1(z)(po(z))2, Где R1(z) и G1(z) погонные сопротивление и проводимость  волновое сопротивление отрезка ЛПL1(z) и C1(z)-погонные индуктивность и емкость Для поверхностной нагрузки G1(z)=0, R1(z)=R/lp=const Решение имеет вид p0(z)=[R(lpz)]/lp, где R-сопротивление СВЧ-резистора, равное волновому сопротивлению р0 подводящей линии. Конечным результатом расчетов является D-диаметр внешнего проводника подводящей линии  Оптимальные параметры объемных нагрузок можно определить как и для поверхностных используя условие согласования, в результате  . Комбинированные нагрузки сочетают в себе положительные свойства обьемных и поверхностных нагрузок. В качестве модели нагрузки используется интегральное уравнение НЛП с потерями:  ,Где R-коэффициент отражения от нагрузки, R0-коэффициент отражения от технологической ступеньки,  , р(х)-волновое сопротивлениеБилет №51. Принцип расчёта коаксиальной согласованной нагрузки на ступенчатых линиях передачи. В коаксиальном тракте простейшей согласованной нагрузкой является сосредоточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. Однако хорошее согласование в этом случае осуществляется, если размер резистора во много раз меньше длины волны. Но на сантиметровых волнах размеры резистора становятся соизмеримыми с длиной волны, что приводит к ухудшению качества согласования и зависимости его от частоты. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона часто выполняются в виде отрезков нерегулярных линий с потерями. Хорошее согласование достигается при размере поглощающего элемента больше длины волны l>��. В большей мере распространены коаксиальные нагрузки, в которых центральный проводник выполнен в виде керамического цилиндра, покрытого металлооксидной или углеродистой проводящей пленкой. Толщина пленки выбирается малой по сравнению с глубиной проникновения поля, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зависит от частоты. Наружная оболочка коаксиала имеет вид экрана нерегулярной формы, концентрирующего поле в области расположения поглотителя. Экран имеет ступенчатую форму. Установлено, что оптимальное качество согласования имеет место в диапазоне длин волн ��>6l. При выполнении расчета удобно использовать эвристический алгоритм безусловной минимизации функции максимума. Характерным для ступенчатых нагрузок является монотонное убывание волновых сопротивлений отрезков волновых сопротивлений отрезков однородных ЛП в направлении распространения ЭМ волны. Длины отрезков возрастают в направлении распространения ЭМ волны. Включение длин отрезков ЛП в число варьируемых параметров приводит к улучшению качества согласования. Пример расчета. Исходя из заданного требования к значению мощности рассеяния, из таблиц выбирают СВЧ-резистор. Исходя из требуемого КСВН и диапазона частот, выбираем тип нагрузки (1..m – ступенчатую). Определяем волновые сопротивления однородных отрезков ЛП путем умножения их нормированных значений на волновое сопротивление подводящей ЛП. Вычисляем значения внутренних диаметров Di. Определяем геометрические длины отрезков однородных ЛП li. Билет №52. Принцип расчёта фильтров СВЧ. Фильтрами СВЧ называют пассивные четырехполюсники, осуществляющие передачу колебаний СВЧ в согласованную нагрузку в соответствии с заданной частотной характеристикой. Виды: ФНЧ, ФВЧ, ППФ, ПЗФ. Основные параметры:
Расчёт фильтров:
        Билет №53. Мультиплексоры. Основные принципы построения схем. Примеры. Мультиплексоры – устройства, которые осуществляют частотно-селективную коммутацию между одним входом и несколькими выходами.  Схема мультиплексора на направленных фильтрах  Схема мультиплексора на гибридных направленных фильтрах  Схема мультиплексора на циркуляторах  Схема мультиплексора на общем волноводе |