1. Zakres częstotliwości stosowanych w technice mikrofalowej i pasma szczególnie wykorzystywane. Zakresy najbardziej eksploatowane to, zakresy HF, VHF i UHF, które są eksploatowane przez stacje radiowe, TV, radary, systemy telekomunikacyjne, telemetryczne. 2. Charakterystyczne cechy urządzeń i systemów pracujących w zakresie częstotliwości mikrofalowych: a) specyfika obwodów i układów mikrofalowych, b) cechy charakterystyczne i rodzaje anten / układów antenowych w zakresie mikrofal, c) szerokość pasma pracy i wynikające stąd potencjalne możliwości szerokopasmowej lub / i wielokanałowej transmisji, d) tłumienie mikrofal wprowadzane przez atmosferę Antena urządzenie służące do zamiany fal elektromagnetycznych na sygnał elektryczny i odwrotnie. Jest elementem składowym każdego systemu radiokomunikacji. W ognisku anteny, jeżeli takowe posiada, umieszczane są detektory promieniowania radiowego, np. mikrofal. Ze względu na polaryzację fale stosowane w radiolokacji i radioastronomii można podzielić na: liniową (pionowa, pozioma, nachylona pod określonym kątem) eliptyczną lub kołowa o lewoskrętną o prawoskrętną Szczególnym przypadkiem polaryzacji eliptycznej jest polaryzacja kołowa. W takim przypadku współczynnik osiowy wynosi 0 db. Ze względu na sposób wykonania anteny dzieli się na: dipolowe kolinerane
mikropaskowe szczelinowe reflektorowe Niektóre typy anten: antena aperturowa antena dipolowa antena dookólna antena falowodowa antena ferrytowa antena izotropowa antena kierunkowa antena logarytmicznie periodyczna antena panelowa antena prętowa antena paraboliczna antena reflektorowa antena rombowa antena satelitarna (paraboliczna i offsetowa) antena sektorowa antena śrubowa (inaczej: helikalna, helix, heliax) antena tubowa antena Yagi-Uda (w skrócie: antena Yagi) Antena dipolowa - to najstarsza, lecz wciąż najbardziej popularna antena. Słowo dipol pochodzi z języka greckiego i oznacza układ dwubiegunowy. Antena dipolowa składa się przeważnie z dwóch symetrycznych ramion zasilanych za pomocą symetrycznej linii transmisyjnej. Tego typu antena jest tzw. anteną symetryczną, ponieważ prądy płynące w obu ramionach anteny są równe co do amplitudy i mają przeciwne zwroty. Można spotkać również anteny dipolowe: o niesymetrycznych ramionach oraz anteny zasilane bocznikowo, optymalizowane, czy załamane. Anteny dipolowe ze względu na słabe parametry (wąskie pasmo pracy, mały zysk kierunkowy) występują rzadziej jako samodzielne, pojedyncze anteny, częściej stosuje się je jako elementy składowe bardziej skomplikowanych i rozbudowanych układów antenowych. Rodzaje anten dipolowych Dipol prosty Dipol pętlowy Dipol prosty zasilany bocznikowo Dipol szerokopasmowy Dipol załamany Dipol optymalizowany Zysk energetyczny anteny jest to stosunek gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę w danym kierunku U(Θ,φ) do gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę wzorcową, najczęściej antenę izotropową, zakładając, że do obu anten została doprowadzona taka sama moc. W przeciwieństwie do zysku kierunkowego, który zależy jedynie od charakterystyki promieniowania anteny, uwzględnia również jej sprawność. [1] Najczęściej zysk energetyczny anteny podawany jest w odniesieniu do anteny izotropowej i wyrażany jest w jednostkach dbi. Czasem też podawany jest w stosunku do anteny dipolowej i wyrażany jest w jednostkach dbd. Zysk energetyczny anteny jest zależny od jej kierunkowości i strat energetycznych anteny wynikającej z materiału, z którego jest wykonana. Zysk kierunkowy anteny - wyrażony w mierze decybelowej stosunek mocy promieniowania anteny P a w określonym kierunku do mocy promieniowania identycznie zasilanej hipotetycznej anteny izotropowej (bezkierunkowej) P i.
Charakterystyka promieniowania ukazuje w sposób graficzny na wykresie trójwymiarowym zdolność wypromieniowywania energii przez antenę w różnych kierunkach, definiowana jako rozkład pola EM na powierzchni kuli posiadającej bardzo duży promień, równy strefie promieniowania. Środek tej kuli znajduje się w tym samym miejscu co środek anteny. Dlatego też charakterystyka promieniowania nie zależy od oddalenia od anteny tylko od kątów i. Na poniższych rysunkach pokazano położenie kątów i na przykładzie dipola idealnego. Charakterystyką w płaszczyźnie nazywamy charakterystykę w płaszczyźnie wektora, czyli (zależy ona od ), natomiast charakterystyką w płaszczyźnie nazywamy charakterystykę zdjętą w płaszczyźnie wektora zawierającej środek anteny (zależy ona od ). Charakterystyka promieniowania odzwierciedla przede wszystkim amplitudę natężenia pola elektrycznego w [V/m]. Aby móc porównywać charakterystyki promieniowania anten stosuje się unormowaną charakterystykę promieniowania definiowaną wzorem: Czasami można spotkać się z przedstawieniem charakterystyki promieniowania za pomocą powierzchniowej gęstości mocy definiowanej zależnością: Kąt połowy mocy (ang. Half Power Beam Width HPBW)- zwany również szerokością wiązki głównej, kąt zawarty pomiędzy punktami wiązki głównej promieniowania anteny, dla których natężenie pola elektromagnetycznego spada do poziomu -3 db (0,707) względem wartości maksymalnej, stanowiącej wartość odniesienia. Kat połowy mocy można określać zarówno dla płaszczyzny wertykalnej jak i horyzontalnej. Im mniejszy kąt połowy mocy, tym bardziej skupiona na kierunku głównego promieniowania jest moc anteny - zwiększa się jej kierunkowość. Zależność tłumienia fal elektromagnetycznych przez atmosferę normalną Ziemi w zakresie częstotliwości mikrofalowych. 3. Przykłady zastosowań techniki mikrofalowej w telekomunikacji, nauce, medycynie, przemyśle i urządzeniach powszechnego użytku. - w paśmie UHF, L oraz LS realizowana jest telefonia bezprzewodowa 900 MHz i 1800 MHz (DECT Digital European Cordless Telephone/Telecommunications) Telefonia ruchoma 900 MHz (GSM Global System for Mobile Communication) 1800 MHz (PCN - Personal Communications Network). - systemy radarowe (w tym lotnicze, morskie, naziemne), wysokościomierze i systemy naprowadzające, systemy do obserwacji Ziemi z powietrza - radiometryczne odbiorniki fal milimetrowych obserwacja i uzyskiwania obrazu Ziemi z powietrza - systemy telewizji satelitarnej, - prędkościomierze, detektory ruchu, - w zakresie częstotliwości powyżej 2 GHz realizowane są systemy komunikacyjne od punktu do punktu" przeznaczone do telefonii dalekiego zasięgu,
przesyłania sygnałów telewizyjnych, obsługi i kontroli transmisyjnych systemów energetycznych wielkiej mocy, kontroli dróg i linii kolejowych, ropociągów, telemetrii, komunikacji Ziemia-Kosmos-Ziemia - BIOMEDYCZNE ZASTOSOWANIA - diatermia, hipertermia różnicowa, ogrzewanie krwi przy transfuzjach, rozmrażanie zamrożonych głęboko organów ludzkich przy operacjach przeszczepiania Niektóre inne zastosowania mikrofal: Zastosowania w medycynie termografia mikrofalowa, hipertermia różnicowa i diatermia, spektroskopia mikrofalowa Wytwarzanie i wykorzystanie plazmy mikrofalowej Liniowe i synchroniczne akceleratory elektronów Spektrometria mikrofalowa i jej zastosowania Elektronika gigabitowa Radary samochodowe antykolizyjne System automatycznej identyfikacji i rejestracji wagonów kolejowych Urządzenia powszechnego użytku zdalne otwieranie drzwi, do strzeżenia obiektów Grzejnictwo mikrofalowe dużej mocy obróbka termiczna artykułów żywnościowych (rozmrażanie i grzanie), liofilizacja i sterylizacja Suszenie tynków i niszczenie szkodników w drewnie w obiektach zabytkowych Kontrola procesów przemysłowych, np. grubości blach w trakcie walcowania, wilgotności papieru, tytoniu, zboża. 4. Charakterystyka ogólna źródeł mocy mikrofalowej - przykłady różnych technik generacji lub/i wzmacniania mocy mikrofalowej, zasada działania lamp mikrofalowych, elementy półprzewodnikowe wykorzystywane w technice mikrofalowej do generacji i wzmacniania, wzmacniacze tranzystorowe z sumowaniem mocy. 5. Zasada działania klistronu i lampy z falą bieżącą. Charakterystyczne cechy i parametry. Lampa mikrofalowa pracuje w zakresie bardzo wysokich częstotliwości (mikrofal). W lampach mikrofalowych na elektrony emitowane z katody oddziałuje bezpośrednio pole elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości. Pole elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości może być wytwarzane przez samą lampę w lampach generacyjnych (np. magnetronie czy klistronie refleksowym), lub być wprowadzane z zewnątrz (np. w zwykłym klistronie lub lampie z falą bieżącą). Magnetron Magnetron jest jedną z lamp należących do rodziny próżniowych, mikrofalowych lamp generacyjnych i wzmacniających, wykorzystujących zjawisko fizyczne polegające na tym, że gdy elektron porusza się w polu magnetycznym o liniach sił prostopadłych do wektora prędkości elektronu, to pole to wytwarza siłę skierowaną prostopadle do tego wektora, co w efekcie odchyla tor ruchu elektronu. Czym większa jest prędkość elektronu, tym większa siła i w rezultacie większa krzywizna toru. Ponieważ linie sił pola elektrycznego, koniecznego do wywołania ruchu elektronów są prostopadłe do linii sił pola magnetycznego, to lampy należące do wyżej wspomnianej rodziny nazywane są lampami o polach skrzyżowanych. Katoda jest ogrzewana elektrycznie (żarzona) do temperatury, w której zaczyna emitować elektrony tworzące wokół niej gęstą chmurę. Umieszczony na zewnątrz lampy magnes stały wytwarza wewnątrz lampy silne pole magnetyczne, którego linie sił są równoległe do osi obu elektrod. Aby zmusić magnetron do generowania fal elektromagnetycznych, należy do katody i anody podłączyć źródło wysokiego napięcia stałego, przy czym katoda powinna mieć potencjał elektryczny ujemny, anoda zaś dodatni. Powstałe w ten sposób pole elektryczne ma linie sił skierowane promieniście od anody do katody. Przyciągane przez dodatni potencjał elektrony przyspieszają w kierunku anody, ale w miarę jak ich prędkość rośnie, pole magnetyczne wytwarza narastającą siłę zmuszającą elektrony do poruszania się po zakrzywionych torach przebiegających blisko rezonatorów wnękowych. Aby wyprowadzić wytworzoną przez magnetron energię na zewnątrz lampy, do jednej z wnęk wprowadza się niewielką elektrodę, przekazującą energię do falowodu. Częstotliwość generowanych drgań można zmieniać w ograniczonym zakresie wsuwając do rezonatorów metalowe trzpienie, tzw. strojniki. Klistron Strumień elektronów przebywa w klistronie drogę na tyle długą, że prędkość pojedynczych elektronów może być na przemian zwiększana i zmniejszana przez pole elektromagnetyczne rezonatorów wnękowych otaczających wiązkę. To przyspieszanie i spowalnianie elektronów powoduje, że grupują się one w paczki. Zmiany stopnia zgrupowania powodują modulację wiązki. Modulacja jest wywoływana na początku drogi elektronów przez pierwszy rezonator wnękowy i zwiększa się w miarę jak elektrony przechodzą przez kolejne rezonatory. Proces ten pokazuje rysunek przedstawiający klistron dwuwnękowy.
Mówiąc w uproszczeniu, pierwszy rezonator sprzężony ze źródłem sygnału, (czyli rezonator wejściowy) wytwarza zmienne pole elektryczne, które na przemian spowalnia i przyspiesza elektrony. Mając różne prędkości, elektrony grupują się w paczki. Te paczki pobudzają do drgań drugi rezonator (wyjściowy) i wzmacniają w nim oscylacje w takt zmian oscylacji w rezonatorze wejściowym. Z rezonatora wyjściowego odprowadzany jest na zewnątrz wzmocniony sygnał. W praktycznych rozwiązaniach dla zwiększenia sprawności energetycznej, w klistronach umieszcza się kilka rezonatorów grupujących elektrony, tak zmodyfikowane klistrony noszą nazwę klistronów wielownękowych. Klistrony dwu i wielownękowe są mikrofalowymi lampami wzmacniającymi, ale przez zapewnienie zewnętrznego sprzężenia zwrotnego mogą generować energię elektromagnetyczną dużej mocy. Klistronem, który sam w sobie jest generatorem, jest jednownękowa lampa zwana klistronem refleksowym, jest to jednak lampa małej mocy, dlatego zakres jej zastosowań w radiolokacji jest ograniczony. Amplitron Amplitron jest lampą mikrofalową o polach skrzyżowanych, służącą do wzmacniania sygnałów ultrawielkiej częstotliwości dużej mocy. Wokół katody emitującej elektrony umieszczona jest anoda złożona z szeregu przegród. Przegrody te wychwytują elektrony docierające do anody, a jednocześnie tworzą linię opóźniającą sprzężoną z wejściem i wyjściem lampy. Przy dołączonym napięciu anodowym i obecności pola magnetycznego, emitowane elektrony poruszają się, podobnie jak w magnetronie, po spiralnych torach ze zwiększającą się prędkością. Gdy prędkość elektronów zrówna się z prędkością fali wzmacnianego sygnału w linii opóźniającej, na skutek wzajemnego oddziaływania następuje przekazywanie energii kinetycznej elektronów do fali i wzrost jej energii. Spowolnione elektrony kończą swój bieg na anodzie. Lampa o fali bieżącej (LFB) LFB jest mikrofalową lampą wzmacniającą małej i średniej mocy, należącą do klasy elementów z wiązką liniową (podobnie jak klistron). Dla LFB charakterystyczny jest obwód wytwarzający pole elektryczne działające na całej długości wiązki elektronowej i służący również do odbierania energii z wiązki zgrupowanych elektronów, dzięki czemu uzyskuje się potrzebne wzmocnienie i moc wyjściową sygnału. W LFB, w przeciwieństwie do klistronu, nie stosuje się pól rezonansowych, lecz ciągłe działanie ogniskujące wzdłuż wiązki za pomocą stałego pola magnetycznego, którego źródłem są magnesy stałe lub elektromagnesy. Podstawowa konstrukcja LFB zawiera działo elektronowe, spiralę z pojedynczego drutu, wejściowe i wyjściowe elementy sprzęgające oraz kolektor wszystkie te elementy zamknięte są w szklanej lub metalowej obudowie i całość otoczona jest magnesem ogniskującym (solenoid). Działo elektronowe wytwarza zogniskowany strumień elektronów, które poruszają się w kierunku kolektora wewnątrz spirali utworzonej przez równomiernie nawinięty przewodnik. Sprzęgające uzwojenia wejściowe i wyjściowe umieszczone są odpowiednio po obu końcach spirali. Kolektor o dodatnim potencjale nadaje wiązce ostateczne przyspieszenie oraz wychwytuje elektrony. Działanie wzmacniające LFB odbywa się w czasie, gdy elektrony przelatują wewnątrz spirali i są grupowane, co jest wynikiem naprzemiennego ich przyspieszania i hamowania przez wejściową falę ultrawielkiej częstotliwości. Ponieważ to oddziaływanie ma charakter ciągły i addytywny (sumujący), amplituda sygnału narasta wzdłuż spirali. Spirala działa tu jak linia opóźniająca o odpowiednio dobranej średnicy i liczbie zwojów
na jednostkę długości tak, że fala poruszająca się wzdłuż uzwojenia z prędkością światła ma wypadkową prędkość wzdłuż osi spirali około 10 razy mniejszą, współmierną z prędkością elektronów. Wzdłużne pole elektryczne spirali, wywołane wzmacnianym sygnałem, w pewnych punktach powoduje hamowanie elektronów w wiązce, w innych zaś ich przyspieszanie, co w efekcie powoduje grupowanie elektronów w paczki. Ponieważ elektrony jednocześnie są przyciągane do dodatniego kolektora, to po zgrupowaniu się w paczki, znajdując się w polu hamującym spirali, przekazują swoją energię uzyskaną ze źródła zasilającego obwód katoda kolektor, fali wzmacnianego sygnału. Wspomniane wyżej zewnętrzne magnesy wytwarzają stałe pole magnetyczne, którego linie sił będąc równoległymi do osi lampy, zapobiegają rozogniskowaniu się wiązki elektronów w czasie ich długiej drogi między katodą i kolektorem. Elementy półprzewodnikowe - Diody Gunna są to dwuelektrodowe bezzłączowe przyrządy półprzewodnikowe, wytwarzane najczęściej z arsenku galu, niekiedy fosforku indu, w których powstają oscylacje prądu wielkiej częstotliwości pod wpływem polaryzacji odpowiednio dużym napięciem stałym (zjawisko Gunna). Rozróżnia się kilka rodzajów (modów) pracy diody Gunna, przy czym największą sprawność osiąga się w modzie LSA (ang. Limited Space-charge Accumulation) diody LSA. Diody mikrofalowe (diody przeznaczone do pracy w zakresie mikrofal) są montowane w obudowach (oprawkach) o specjalnej konstrukcji, cechującej się b. małą indukcyjnością i pojemnością oraz umożliwiającej umieszczenie ich w torze mikrofalowym. 6. Podział linii transmisyjnych i falowodów (prowadnic falowych) ze względu na rodzaje rozchodzących się fal (rodzaje pola). Przykłady prowadnic falowych i ogólna ich charakterystyka. TEM (Transverse ElectroMagnetic) - mody dla których wielkość pól elektrycznego i magnetycznego wzdłuż kierunku rozchodzenia jest zerowa. Falowodem mikrofalowym nazywamy zazwyczaj rodzaj linii transmisyjnej, która składa się z jednego przewodnika. Rodzaje falowodów: Podstawowe struktury: Falowód prostokątny Falowód cylindryczny Falowód eliptyczny Oprócz tego istnieje wiele ich modyfikacji, przykładowo: Falowód grzbietowy Linia płetwowa (ang. finline) Falowody rowkowane Pomimo powyższej, dość ogólnej definicji falowodami nazywa się także niektóre struktury, które składają się z więcej niż jednego przewodnika lub nie zawierają go wcale. Przykłady: Linia koplanarna (ang. coplanar waveguide)
Falowód dielektryczny (na przykład światłowód) Powierzchnia pomiędzy dwoma dielektrykami (prowadzi tzw. fale powierzchniowe) Fale w prowadnicach falowych nie muszą być falami typu TEM, tzn. mogą one mieć składowe pól elektrycznego i magnetycznego wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali. Wprowadzić należy klasyfikację możliwych rodzajów fal nazywanych również modami. Przyjmijmy, że fala rozchodzi się zgodnie z kierunkiem osi z i wtedy wyróżnia się następujące typy fal: fala typu TEM (poprzeczna elektryczna-magnetyczna, z ang. Transverse Electric-Magnetic): pole elektryczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali (wektor natężenia pola elektrycznego ma co najwyżej dwie składowe), pole magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali(wektor natężenia pola magnetycznego ma co najwyżej dwie składowe); fala typu E (określana też TM poprzeczna magnetyczna, z ang. Transverse Magnetic): niezerowa składowa pola elektrycznego w kierunku rozchodzenia się fali (może mieć trzy składowe), pole magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali; fala typu H (określana też TE poprzeczna elektryczna, z ang. Transverse Electric): niezerowa składowa pola magnetycznego w kierunku rozchodzenia się fali (może mieć trzy składowe), pole elektryczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali; fala typu EH:,. Z powyższego wykazu wynika, że tylko pierwszy z wymienionych typów fal jest falą poprzeczną. Prowadnice falowe, w których mogą rozchodzić się rodzaje TEM nazywamy liniami TEM lub prowadnicami TEM. Struktura prowadnicy TEM musi zawierać co najmniej dwa przewody. Przykładem linii TEM jest linia współosiowa, tzw. kabel koncentryczny. Fale E i H rozchodzą się w falowodach. Falowody stosuje się do prowadzenia fali elektro-magnetycznej z mniejszymi stratami niż w linii TEM (np. w transponderach satelitów telekomunikacyjnych) lub do przesyłania dużych mocy, których przesłanie nie jest możliwe linią współosiową (np. w radarach). Fale typu EH występują między innymi w falowodach dielektrycznych i światłowodach. 7. Parametry linii transmisyjnej - impedancja charakterystyczna i stała propagacji i ich interpretacja fizyczna, fala stojąca w odcinku linii dowolnie obciążonej od strony wejścia i wyjścia, definicje współczynnika fali stojącej, unormowanych fal mocy i współczynnika odbicia, związek pomiędzy współczynnikiem odbicia i impedancją w danym przekroju linii, transformacja współczynnika odbicia i impedancji wzdłuż linii, odcinek linii zwartej rozwartej na końcu jako element o regulowanej reaktancji. 1) impedancja charakterystyczna: gdzie: R - rezystancja jednostki długości linii, L - indukcyjność jednostki długości linii, G - konduktancja jednostki długości linii, C - pojemność jednostki długości, j - jednostka urojona, ω - pulsacja.
Impedancja falowa próżni jest równa: Jest to jednak wielkość teoretyczna. W rzeczywistych liniach o skończonej długości lub niejednorodności parametrów w różnych miejscach linii dochodzi do odbić, które zmieniają warunki pomiaru. Praktycznie wartość impedancji wyznacza się przez pomiar pośredni, mierząc impedancję wejściową i impedancję wyjściową. Pierwiastek z iloczynu tych wartości jest równy impedancji falowej linii. Fizycznie, rozumiemy przez to impedancję jaką "widzi" fala padająca w kierunku swojego toru. W teorii: 1. impedancja wejściowa linii długiej zwartej na końcu dąży do impedancji falowej 2. impedancja wejściowa linii długiej obciążonej dwójnikiem o wartości impedancji falowej eliminuje falę odbitą, oraz dla każdej częstotliwości - dąży do impedancji falowej. Impedancja linii jest parametrem odpowiadającym za odbicia sygnału na granicy różnych linii. W przypadku połączenia dwóch linii o impedancjach Z 1 i Z 2, gdy przejście między liniami jest znacznie mniejsze od długości rozchodzącej się w linii fali, współczynnik odbicia fali jest równy: 2) współczynnik propagacji (tamowność falowa): 3) fala stojąca Napięciowy współczynnik odbicia Γ: Wtedy współczynnik fali stojącej wynosi: 4) Linia rozwarta na końcu
5) Linia zwarta na końcu 8. Wykres Smitha - konstrukcja wykresu, możliwość obserwacji zmian współczynnika odbicia i impedancji przy przesuwaniu się w kierunku do generatora i do odbiornika. Przykłady (przykład) projektowania obwodów dopasowujących z wykorzystaniem wykresu Smitha. Każdy punkt wykresu Smitha odpowiada określonej liczbie zespolonej interpretowanej fizycznie jako impedancja. Jest to w istocie kołowy diagram powstający w wyniku homograficznego przekształcenia siatki prostych wzajemnie prostopadłych (lub inaczej: równoległych do osi rzeczywistej i równoległych do osi urojonej) na płaszczyźnie zespolonej Z w układ wzajemnie ortogonalnych okręgów na płaszczyźnie zespolonej W. Wykres Smitha jest dogodnym narzędziem do analizy własności transformacyjnych dowolnej linii długiej, a w szczególności do obliczania jej impedancji wejściowej w dowolnym punkcie przy określonej impedancji końcowej (i dopasowanym generatorze na początku linii). Z tego powodu jest on swego rodzaju graficzną reprezentacją (nomogramem) zależności na impedancję wejściową linii długiej: gdzie Z 0 ozn.impedancję charakterystyczną linii długiej, zaś impedancję wejściową linii odległą o l od impedancji końcowej Z K ; j jest jednostką urojoną. Okręgi styczne do obwodu wykresu nazywane są okręgami stałej rezystancji, zaś ortogonalne do nich okręgami stałej admitancji. Okręgi współśrodkowe (zwykle nie zaznaczane na wykresie) są interpretowane jako okręgi stałego modułu współczynnika odbicia. Zaznaczoną na wykresie impedancję końcową (lub początkową) linii można przetransformować (czyli przenieść po okręgu stałego modułu współczynnika odbicia Γ ) w dowolny punkt linii długiej odległy o l od impedancji końcowej (lub punktu o danej impedancji wejściowej) w stronę generatora lub obciążenia. Wystarczy w tym celu pamiętać, że pełny obrót po kole stałego Γ odpowiada odległości l równej połowie długości fali. Ruch zgodny ze wskazówkami zegara odpowiada przemieszczaniu się w stronę generatora. Aby skorzystać z wykresu Smitha często konieczne jest przeprowadzenie normalizacji liczby zespolonej. W przypadku rozważań impedancyjnych, normalizacji dokonuje się dzieląc daną impedancję przez impedancję charakterystyczną linii. Impedancję znormalizowaną można następnie nanieść na wykres znajduje się ona w miejscu przecięcia się odpowiedniego koła stałej rezystancji z odpowiednim kołem stałej reaktancji (np. impedancja 1 j2 znajdzie się na przecięciu koła stałej rezystancji r=1 z kołem stałej reaktancji jx = 2).
Przykład projektowania obwodu dopasowującego z wykorzystaniem wykresu Smitha. Przez włączenie w tor linii transmisyjnej odpowiednio zaprojektowanego obwodu, możliwe jest dopasowanie impedancji obciążenia do impedancji charakterystycznej linii (do impedancji wewnętrznej generatora) i tym samym uzyskanie energetycznego dopasowania obciążenia do źródła sygnału. Dowolną impedancję obciążenia można dopasować do admitancji charakterystycznej linii przez umieszczenie strojnika równoległego w takim punkcie linii, w którym unormowana admitancja przyjmuje wartość y = 1 +jb. Wymaganą długość l 1 odcinka transformującego linii transmisyjnej można także wyznaczyć graficznie za pomocą wykresu Smitha. Po naniesieniu na wykres Smitha unormowanej admitancji y (punkt A), należy przesunąć ten punkt po okręgu Γ = const (na którym leży ten punkt), w stronę do generatora", aż do przecięcia się okręgu Γ = const z okręgiem g = 1 (punkt B 1 lub B 2 ). Długość odcinka l 1 obliczamy z zależności Wyznaczenie l2 za pomocą wykresu Smitha. Procedura ta odpowiada przesuwaniu się, po okręgu odpowiadającym linii zwartej ( Γ = 1), od zwarcia (punkt C, y = ), w stronę generatora, aż do punktu przecięcia się okręgu Γ = 1 z okręgiem -b (punkt D). Konstrukcja wykresu Smitha : Należy przeanalizować równanie : gdzie : jest współczynnikiem odbicia w płaszczyźnie obciążenia linii transmisyjnej. Ponieważ impedancja obciążenia ZL może być w ogólności zespolona, współczynnik odbicia w płaszczyźnie z = 0 leżącej w odległości l przed obciążeniem można zapisać równaniem Wówczas unormowana zespolona impedancja: Po wyznaczeniu części rzeczywistej r i części urojonej x impedancji z we otrzymuje się: Równania te można także zapisać w postaci: Wykres Smitha jest obrazem tych równań narysowanym w układzie współrzędnych prostokątnych o osiach u oraz v.
9. Opis falowy obwodów mikrofalowych: macierze rozproszenia i transmisji falowych, definicje Parametrów rozproszenia układu N-wrotowego i ich interpretacja fizyczna, właściwości macierzy rozproszenia układu symetrycznego, spełniającego zasadę wzajemności, oraz bezstratnego. Tłumienie wprowadzane przez dwuwrotnik jako suma tłumienia wywołanego odbiciem mocy od wej_cia i tłumienia wywołanego stratami mocy na ciepło Joule a (w układzie biernym - ze stratami) lub wzmocnienia mocy uzyskiwanego w wyniku przetwarzania energii prądu stałego w energię mikrofalową (w układzie aktywnym - wzmacniającym) (podać zależność i uzasadnić). (b) = (S) (a), (S) macierz rozproszenia Fale rozproszone b ki, k = 1,...,N mierzone są w warunkach zamknięcia wszystkich wrót dopasowanymi obciążeniami, dla których a k = 0, k i. Macierz rozproszenia N-wrotnika i jej własności: - układy spełniające zasadę wzajemności S ij = S ji - symetryczne S ii = S jj - bezstratne (tzw. warunki unitarności macierzy ) S -1 = S * t Moc doprowadzana do N-wrotnika przez i-te wrota: a i 2 Moc wyprowadzana z N-wrotnika przez i-te wrota: b i 2 Moc doprowadzona do N-wrotnika przez i-te wrota: a i 2 - b i 2 Całkowita moc doprowadzona do N-wrotnika: N-wrotnik jest pasywny i bezstratny (P = 0), jeżeli S * t S = U, U-macierz jednostkowa Całkowite tłumienie wprowadzane przez dwuwrotnik jest sumą tłumienia wywołanego odbiciem mocy od jego wejścia i tłumienia wewnętrznego, wywołanego jego elementami stratnymi (rozproszeniem części mocy wewnątrz układu, spowodowanym wydzieleniem się ciepła Joule a).
Interpretacje fizyczne: Niezależnie od wartości obciążenia Z L generatora, wysyła on do obciążenia moc równą \a t \ 2. Jeśli obciążenie nie jest dopasowane, tzn. gdy nie jest spełniony warunek Z L = Z część padającej na obciążenie mocy odbija się z powrotem do generatora. Ta odbita moc jest równa b i 2, a tym samym moc czynna wydzielająca się w obciążeniu jest równa a i 2 - b i 2. Z mocą padającą i z mocą odbitą są związane odpowiednio, padająca fala mocy a i i odbita fala mocy b i Gdy operuje się prądami i napięciami w obwodzie, rozpatruje się także ich iloraz, czyli impedancję. Podobnie w przypadku padających i odbitych fal mocy rozważa się ich iloraz bi s = a który nazywany jest współczynnikiem odbicia fal mocy. Kwadrat modułu współczynnika odbicia fal mocy s 2 jest współczynnikiem odbicia mocy. i Stwierdzamy, że S ii jest współczynnikiem odbicia fal mocy w i-tych wrotach obwodu, gdy wszystkie pozostałe wrota są obciążone dopasowanymi obciążeniami (Z Li = Z i ). S ji jest współczynnikiem transmisji fal mocy między wrotami i jako wejściem oraz wrotami j jako wyjściem w obwodzie, w którym wszystkie wrota są obciążone dopasowanymi impedancjami (Z Li = Z i ). jest skutecznym wzmocnieniem mocy między wrotami i oraz wrotami j, które zamknięte są dopasowanym obciążeniem. 10. Podstawowe elementy mikrofalowe w technice falowodowej - zwieracz regulowany, obciążenie dopasowane, tłumik regulowany zgrubnie i precyzyjnie, izolator i cyrkulator ferrytowy, rozgałęzienie magiczne T, falowodowy sprzęgacz kierunkowy. Konstrukcje i własności układów idealnych, opisanych parametrami rozproszenia. Izolator ferrytowy: Zadaniem tego elementu jest odizolowanie generatorów mikrofalowych od warunków obciążenia falowodu. Izolator powinien przepuszczać fale bieżąca bez strat mocy, oraz maksymalnie tłumic fale powracająca. Stosuje sie izolatory wykorzystujące zjawisko Faradaya polegające na skręceniu płaszczyzny polaryzacji fali w podłużnym polu magnetycznym oraz izolatory ferrytowe. Stosowany w naszym układzie izolator posiada wewnątrz z odpowiednio wyprofilowana wkładkę ferrytowa tłumiąca fale powracająca (20 35 db) przy tłumieniu fali bieżącej mniejszym od 1 db. Tłumik regulowany: Regulowany tłumik obrotowy posiada dwa szerokopasmowe przejścia z falowodu prostokątnego na cylindryczny oraz trzy elementy falowodu cylindrycznego na fale typu TE 11. Wewnątrz sekcji falowodu cylindrycznego znajdują sie dielektryczne płytki pochłaniające. Przy stycznym ustawieniu płytki względem pola elektrycznego nastąpi całkowite wytłumienie fali. Przy nachyleniu płytki w obszarze środkowym o kąt θ tłumienie osiągnie wartość A = -40 lg(sinθ) [db] Tłumienie nie zależy od częstotliwości, a jedynie od kata skręcenia sekcji falowodu cylindrycznego z wkładka absorpcyjna. Na bębnie znajduje sie podziałka z naniesionymi wartościami tłumienia. Zwieracz regulowany: Zwykle na końcu linii mikrofalowej umieszcza sie zwieracze regulowane zapewniające mały opór zwarcia przy zamianach długości zwieracza. Są to zwieracze bezkontaktowe z podwójnym transformatorem ćwierćfalowym. Prezentowany zwieracz posiada wgłębienie w wewnętrznej stronie tłoczka. Zwieracz wyposażony jest zwykle w śrubę mikrometryczna umożliwiającą płynne przesuwanie tłoczka.
Magiczne T : Jest 4-wrotowym, symetrycznym rozgałęzieniem falowodowym E-H, bezstratnym, którego właściwości ogólnie przedstawiając (dotyczy to również takich 4-wrotników jak sprzęgacze falowodowe, rozgałęzienia pierścieniowe i sprzęgacze gałęziowe) - są następujące: - Wszystkie wrota mogą być jednocześnie dopasowane; - Przy pobudzeniu dowolnego wrota spośród 4-ch wrót, moc jest rozgałęziana jedynie do dwóch, pozostałe trzecie jest idealnie izolowane; - Sygnały wyprowadzone przesunięte są w fazie o 0 lub 180, zależnie od wrót pobudzanych. Rozgałęzienie magiczne T ma te właściwość, że energia mikrofalowa doprowadzona do wrót wejściowych toru głównego (1) jest rozdzielana po połowie do ramion E i H rozgałęzienia. Zakończenie tych ramion zwieraczami powoduje całkowite odbicie energii mikrofalowej, a odpowiednim ustaleniem położenia zwieraczy można doprowadzić do tego, by fale sumujące sie w ramieniu wyjściowym (2) były przesunięte w fazie o 180 0, co jest sygnalizowane minimalnym sygnałem detektora dołączonego do wrót wyjściowych rozgałęzienia. Sprzęgacz kierunkowy: Tutaj odsyłam do zagadnień nr 11, 12 w których opisany został sprzęgacz kierunkowy Cyrkulator ferrytowy: Jest to rozgałęzienie falowodowe z wkładką ferrytową o trzech lub czterech wrotach wyjściowych. Sygnał doprowadzony do pierwszych wrót może być odebrany tylko przez drugie wrota, podczas gdy sygnał z wrót drugich przechodzi tylko do trzecich, a z trzecich z powrotem do pierwszych (w trójwrotniku). Zasada działania cyrkulatora polega na skręceniu przebiegu linii sił pola magnetycznego przez wewnętrzne wkładki ferrytowe Charakteryzuje się macierzą rozproszenia (w przypadku idealnym): W praktyce oznacza to, iż sygnał (fala elektromagnetyczna) wprowadzony do pierwszych wrót jest wypromieniowywana drugimi, wprowadzony do drugich - trzecimi, zaś do trzecich - pierwszymi. Do ich budowy wykorzystuje się magnesowany ferryt i zjawisko rotacji Faradaya. Układ stosowany jest np. w antenach radarowych do odzielenia sygnalu nadajnika i odbiornika.