Falowodowe magiczne T Gałęziowy sprzęgacz hybrydowy przedstawiony na rys jest jedną z najprostszych form rozgałęzienia hybrydowego 90.

Transkrypt

1 11. Rozgałęzienia i sprzęgacze w technice linii paskowych i mikropaskowych: rozgałęzienie pierścieniowe (sprzęęgacz 3 db/0 i 180 ), sprzęgacze kierunkowe 3 db/90 gałęziowy i o liniach sprzężonych, dzielnik/sumator mocy Wilkinsona. Struktury, właciwości, parametry rozproszenia układów idealnych, możliwości poszerzenia pasma pracy. Sprzęgacz kierunkowy jest czterowrotnikiem składającym się najczęściej z dwóch linii transmisyjnych sprzężonych ze sobą w taki sposób, że moc fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w jednej linii jest częściowo przekazywana do drugiej linii przy zachowaniu pewnych szczególnych właściwości kierunkowych. Sprzęgacze kierunkowe (3 db sprzęgacze kierunkowe). W elementach tych moc sygnału w.cz. doprowadzana do wrót wejściowych jest dzielona po połowie między dwa wrota wyjściowe. Przesunięcie fazy między sygnałami wyjściowymi, w zależności od typu sprzęgacza, jest równe 90 lub 180. Rozgałęzienia hybrydowe są bardzo szeroko stosowane w mikrofalowych dyskryminatorach częstotliwości, we wzmacniaczach i mieszaczach zrównoważonych oraz w regulowanych przesuwnikach fazy i tłumikach mocy. Dwa najważniejsze parametry określające właściwości sprzęgacza kierunkowego są to sprzężenie i kierunkowość. Sprzężenie sprzęgacza definiuje zależność gdzie Pj jest mocą sygnału wejściowego doprowadzonego do wrót 1, a P3 i P4 mocami wyjściowymi we wrotach 3 i 4, w warunkach, gdy wrota 2, 3 i 4 są obciążone dopasowanymi impedancjami. Specjalną klasę sprzęgaczy kierunkowych stanowią 3 db rozgałęzienia i pierścienie hybrydowe, w których dokonuje się jednakowy podział mocy między wrota wyjściowe. Falowodowe magiczne T Gałęziowy sprzęgacz hybrydowy przedstawiony na rys jest jedną z najprostszych form rozgałęzienia hybrydowego 90. Rysunek 6.28 przedstawia realizację hybrydowego rozgałęzienia 3 db/180

2 Dzielnik Wilkinsona jest trójwrotnikiem służącym do dzielenia mocy na równe części, choć w specjalnych konstrukcjach podział mocy może być dokonany w innych proporcjach. Dzielnik jest elementem pasywnym, odwracalnym, ale nie bezstratnym rysunek b). Właściwości dzielnika Wilkinsona są mastępujące: -wszystkie wrota dzielnika są dopasowane. -moc doprowadzona do wrót 1 dzieli się równo i po połowie między wrota 2 i 3, -wrota 2 i 3 są izolowane, a moc doprowadzona do wrót 2 w połowie wypłynie wrotami 1, a w połowie zostanie wydzielona w rezystorze. Dzielnik Wilkinsona wykonywany jest najczęściej z użyciem linii mikropaskowej. Na rysunku c) pokazano wyniki symulacji komputerowe, z której wynika, że w swej najprostszej postaci dzielnik pracuje dobrze w wąskim pasmie częstotliwości. 12. Przykłady zastosowań rozgałęzień i sprzęgaczy kierunkowych (3 db/0 i 180 oraz 3 db/90 ) w układach mikrofalowych: przełączniku mocy, regulowanym prądowo tłumiku mikrofalowym, modulatorze amplitudy, modulatorze fazy, diplekserze mocy, diplekserze częstotliwoci oraz wzmiacniaczu zrównoważonym. Zastosowania 3 db sprzęgaczy kierunkowych i rozgałęzień hybrydowych - realizacja mieszaczy zrównoważonych, wzmacniaczy zrównoważonych, przesuwników fazy i tłumików, dyskryminatorów częstotliwości i fazy, modulatorów amplitudy i fazy, filtrów, obwodów dopasowujących. Dwa przykłady zastosowań 3 db rozgałęzień hybrydowych: -Regulowany przesuwnik fazy uzyskuje się przez zamknięcie wrót wyjściowych 3 db/90 rozgałęzienia hybrydowego przełączanymi współbieżnie zwarciami.

3 -Regulowany tłumik Układ analizowany może być wykorzystany jako regulowany tłumik lub jako zwrotnica" dzieląca moc sygnału wejściowego padającego na wrota WE między wrota wyjściowe WY1 i WY Rezonatory i wnęki rezonansowe - przykłady i zastosowania. Struktury filtrów mikrofalowych Rezonatory są stosowane jako elementy rezonansowe oscylatorów, jako elementy filtrów w.cz. Pasmowoprzepustowych i pasmowozaporowych, jako elementy mierników częstotliwości, dyskryminatorów częstotliwości. Najprostszą postać rezonatorów w.cz. stanowią odcinki linii transmisyjnych (falowodów metalowych prostokątnych, kołowych, linii koncentrycznych, linii paskowych, itd.), zwarte lub rozwarte na końcach. Jako układy sprzęgające rezonator z obwodem zewnętrznym służą otwory, antenki, pętle, itd. Układy te umożliwiają doprowadzenie i odprowadzenie energii elektromagnetycznej z rezonatora. Gdy ściankami rezonatora są metalowe powierzchnie, wówczas nazywany jest on rezonatorem wnękowym. Gdy rezonator stanowi kształtka materiału dielektrycznego, o dużej przenikalności elektrycznej er i małych stratach, w postaci prostopadłościanu lub walca, rezonator taki jest nazywany rezonatorem dielektrycznym. Pole elektromagnetyczne wewnątrz rezonatorów określone jest równaniami Maxwella z odpowiednimi warunkami brzegowymi, narzuconymi przez ścianki rezonatora. W przeciwieństwie do obwodów rezonansowych LC o parametrach skupionych, stosowanych na małych częstotliwościach, układy rezonansowe realizowane na dużych częstotliwościach są układami o parametrach rozłożonych, posiadających wiele dyskretnych częstotliwości rezonansowych.

4 REZONATORY WNĘKOWE Metalowy rezonator prostopadłośdenny Rezonator prostopadłościenny jest metalową, prostopadłościenną wnęką o bokach a, b i l. Rezonator taki można także traktować jako zwarty na obu końcach odcinek falowodu prostokątnego. Pole elektromagnetyczne wewnątrz wnęki prostopadłościennej można zatem rozważać jako rodzaje TEmn i TMmn falowodu prostokątnego, zamkniętego" metalowymi ściankami. Metalowy rezonator cylindryczny Podobnie jak w przypadku metalowego rezonatora prostopadłościennego, wnękowy rezonator cylindryczny można rozpatrywać jako zamknięty metalowymi ściankami odcinek falowodu kołowego. Pole elektromagnetyczne wewnątrz wnęki można rozważać jako rodzaje TEmn lub TMmn w falowodzie kołowym zamkniętym metalowymi ścianami Rezonator współosiowy REZONATORY DIELEKTRYCZNE Rezonator dielektryczny jest próbką ceramiczną o dużej wartości względnej przenikalności elektrycznej. Rezonatory dielektryczne posiadają najczęściej kształt walcowy. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnej metalowej wnę ki rezonansowej, w rezonatorze dielektrycznym może istnieć nieskończona ilość rezonansowych rodzajów pola elektromagnetycznego. W pierwszym przybliżeniu rezonator dielektryczny można rozpatrywać jako wnękę o ściankach magnetycznych, ponieważ powierzchnię graniczną między powietrzem, a materiałem dielektrycznym o dużej wartości przenikalności elektrycznej można traktować jako ściankę magnetyczną (na ściance magnetycznej składowa styczna pola magnetycznego jest równa zeru). Założenie to pozwala obliczyć częstotliwości rezonansowe poszczególnych rodzajów rezonansowych rezonatora. W celu ulepszenia takiego modelu rezonatora dielektrycznego konieczne jest uwzględnienie zanikającego pola elektromagnetycznego poza obszarem próbki materiału dielektrycznego rezonatora REZONATORY WYKONANE Z LINII MIKROPASKOWYCH Rezonatory mikrofalowe wykonane z linii mikropaskowych mają najczęściej postać odcinka linii o długości połowy fali.

5 Struktury filtrów mikrofalowych

6 14. Mikrofalowe wzmacniacze i oscylatory tranzystorowe, podstawowe zagadnienia projektowe, przykładowe rozwiązania. WZMACNIACZE TRANZYSTOROWE Do realizacji wzmacniaczy w zakresie wielkich częstotliwości są stosowane tranzystory bipolarne oraz tranzystory polowe MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) i HEMT (High Electron Mobility Transistor). Obecnie tranzystory MESFET i HEMT mogą pracować na znacznie większych częstotliwościach, z większą sprawnością i z mniejszym współczynnikiem szumów. Tranzystory HEMT z bramką o długości 0,2 urn charakteryzują się następującymi parametrami: ft - 80 GHz (ft częstotliwość przy której wzmocnienie prądowe jest równe jeden), fma = 110 GHz (fmax = częstotliwość przy której wzmocnienie mocy jest równe jeden) oraz F = 1,6 db na częstotliwości 60 GHz. Tranzystory HEMT z bramką o długości 0,1 urn posiadają ft = 165 GHz oraz F = 0,8 db na 63 GHz.

7 Współczynnik szumów wzmacniacza Obok stabilności i wzmocnienia, innym bardzo ważnym parametrem jest współczynnik szumów. Zwłaszcza w zastosowaniach odbiorczych, bardzo często wymaga się, aby współczynnik szumów wzmacniacza w.cz. był jak najmniejszy, ponieważ, zgodnie z rozważaniami przedstawionymi w rozdz. 5, pierwszy stopień odbiornika w.cz. ma dominujący wpływ na właściwości szumowe całego systemu. Jak pokazuje to równanie (5.50), minimalny współczynnik szumów wzmacniacza tranzystorowego jest uzyskiwany przy określonym współczynniku odbicia generatora sygnału F. Ogólnie, nie jest możliwe uzyskanie jednocześnie minimalnego współczynnika szumów i maksymalnego skutecznego wzmocnienia mocy, ponieważ wartość optymalnego współczynnika odbicia Tsopt generatora sygnału, przy którym F = Fmin, nie jest równa wartości rs m a x, przy której uzyskuje się maksymalne skuteczne wzmocnienie mocy. Przestrajanie oscylatorów w.cz. Oscylatory o stałej częstotliwości są stosowane jako źródła sygnału pompy mieszaczy w systemach komunikacyjnych i radarowych. W zastosowaniach tych stabilność częstotliwości oraz czystość widma AM i FM posiadają zasadnicze znaczenie w określeniu pasma częstotliwości pośredniej odbiornika radiokomunikacyjnego, a w przypadku np. radaru Dopplera, decydują o dokładności pomiaru prędkości obiektów ruchomych. Oscylatory przestrajane znajdują zastosowania w przyrządach pomiarowych, a także systemach komunikacyjnych i systemach radarowych. Przestarajanie oscylatorów w.cz. realizowane jest na drodze mechanicznej lub elektrycznej. W pierwszym przypadku zmiana częstotliwości oscylacji uzyskiwana jest przez mechaniczną zmianę parametrów geometrycznych rezonatora. Przestrajanie mechaniczne częstotliwości oscylatora jest procesem powolnym, statycznym. Szybkie przestrajanie oscylatorów realizowane jest przez sprzężenie elementu o zmiennej reaktancji z obwodem rezonansowym oscylatora. Najczęściej jest to półprzewodnikowa dioda waraktorowa GaAs lub Si, o schemacie zastępczym przedstawionym na rys. 9.23, której pojemność złączowa C- zależy od zaporowego napięcia polaryzacji wg zależności Technika ta umożliwia przestrajania oscylatora tranzystorowego w paśmie o szerokości nie przekraczającej oktawy.