Základní pasivní mikrovlnné obvody

1. Základní pasivní mikrovlnné obvody 1

2. g /4 a b x t l odporová vrstva dielektrická deska Mikrovlnné vlnovodové zeslabovače (atenuátory) Odporové (absorpční) zeslabovače V těchto zeslabovačích vzniká útlum absorpcí elmag. vlny a její přeměnou v teplo ve ztrátovém dielektriku, ve špatně vodivých stěnách vlnovodu nebo v odporových deskách vložených dovnitř vlnovodu. • Zeslabovač s příčně posuv-nou odporo-vou deskou 2

3. dielektrická deska s odporovou vrstvou b l a [dB] kde R = 1/t je tzv. čtvercový plošný odpor absorpční vrstvy a Z0TE10 je charakteristická impedance vlnovodu pro vid TE10. Obvyklá velikost plošného odporu R činí 100 až 800 . • Nožový atenuátor se používá především na milimetrových vlnách. 3

4.  3 1  2 2 1 3 • Otočný odporový zeslabovač vyniká snadnou obsluhou, vysokou přesností a malou kmitočtovou závislostí útlumu. 4

5. Neproměnné odporové zeslabovače –útlumová vložka je nepohyblivá a může být rozměrná s dobrým odvodem tepla. Kromě neproměnného deskového zeslabovače se užívá i konstrukce, v níž ztrátové dielektrikum vyplňuje celý objem části vlnovodu. U jiné varianty výkonového zeslabovače je vlnovod rozšířen v hranolové pouzdro, které je až po normální průřez vlnovodu vyplněno útlumovou hmotou; útlum ztrátami pak nastává v těchto „stěnách“ vlnovodu. 5

6. Bezodrazové koncovky Bezodrazová koncovka (přizpůsobená zátěž, zakončovací odpor) absorbuje celý výkon postupné vlny. Zároveň musí být sama koncovka co nejlépe impedančně přizpůsobena. 6

7. Mikrovlnné posouvače fáze Posouvač fáze (fázovač) je dvojbran sloužící ke změně fá-zového úhlu  postupné vlny na vedení. Při průchodu vlny úsekem vlnovodu délky l vznikne fázový posuv Zde λg je délka vlny ve vlnovodu a záporné znaménko vy-jadřuje, že výstupní vlna je za vstupní vlnou fázově zpožděna. Odtud plynou možnosti konstrukce fázovačů: • změnou délky vlnovodu nebo vedení l, • změnouvlnové délkyλg změnou průřezu vlnovodu, • změnouλgvložením dielektrických částí dovnitř vlnovodu. 7

8. l a a Fázovač se změnou průřezu–změnou rozměru a se mění mezní vlnová délka vidu TE10 a tím i délka vlny g . Změna fázového úhlu (fázový zdvih) je 8

9. a r b d dielektrická deska Fázovače s pohyblivými dielektrickými částmi–princi-pem je zmenšení fázové rychlosti postupné vlny jejím průcho-dem dielektrickým materiálem s relativní permitivitou r > 1. • Fázovač s příčným posuvem dielektrické desky Na stejném principu pracuje i nožový fázovač, u něhož se dielektrická deska zasouvádo vlnovodu podélnou štěrbinou. 9

10. 45°  1 2 3 4 5 • Otočný fázovač 10

11. Směrové vazební členy (směrové odbočnice) Jejich úkolem je odbočit část přenášeného signálu z hlavní vlnovodové trasy do vedlejší větve, kde tento odbočený signál dále zpracováváme. Požadujeme přitom, aby toto odbočení nevneslo do hlavního vlnovodu žádné přídavné odrazy a aby změny pracovních poměrů ve vedlejší větvi neovlivňovaly hlavní větev mikrovlnné aparatury. Věta o existenci ideální směrové odbočnice: Každý bezeztrátový, reciproční a totálně přizpůsobený čtyřbran je ideální směrovou odbočnicí. 11

12. P14 P13 [dB] P1 P12 P24 P23 [dB] P21 P2 [dB] Základní parametrysměrových odbočnic Vazební útlum (coupling)C Průchozí (vložný) útlum (insertion loss)IL Izolace (isolation)I 12

13. P14 P13 [dB] P1 P12 P24 P23 P21 P2 [dB] Směrovost (directivity)D vy-jadřuje míru rozdělení vstup-ního signálu mezi brány 3 a 4 U ideální odbočnice je D =  . I = C + D [dB] Zpětný útlum (return loss)RL charakterizuje odrazy vln na vstupních branách SO 13

14. 3 D 1 2 4  Hlavní typy vlnovodových směrových odbočnic • Betheova směrová odbočnice Odbočnice s jediným malým vazebním otvorem– vazba obou vlnovodů se musí realizovat jak elektrickou, tak i magnetickou složkou elektromagnetického pole ve vlnovodu. Elektrickávazbame-zi vlnovody nezávisí na úhlu ψ, magne-tická vazba je úměr-ná hodnotě cosψ. Při je brána 4 dokonale izolována. Při ψ= 90° ztrácí odbočnice své směrové vlastnosti a brány 3 a 4 jsou stejně buzeny. Při ψ= 0° má odbočnice směrové vlastnosti jen při λ0 = 1,41·a. 14

15. Odbočnice s několika vazebními otvory– směrové vlast-nosti jsou důsledkem skládání vzájemně fázově posunutých vln při šíření mezi vazebními otvory, jimiž jsou vázány oba vlnovody. • Odbočnice se dvěma otvory vzdálenými o λg/4 Vlnovody jsou vázány dvěma kruhovými vazebními otvory uprostřed společné stěny. Vlny prozářené vazebními otvory z hlavního do vedlejšího vlnovodu se v něm setkávají v jednom směru se stejnou fází a sečítají se (rameno je vybuzeno), v opačném směru se setkávají s opačnou fází a vzájemně se ruší (rameno se nevybudí). Základní nevýhodou tohoto jednoduchého principu je značná kmitočtová závislost směrovosti odbočnice. 15

16. 3 4 2 1 3 4 1 2 • Odbočnice se dvěma otvory vzdálenými o λg/4 s opač-nou fází Vhodnýmumístěnímva-zebních otvorů se napětí v místě štěrbin kromě fá-zového posunu o β·d liší ještě o 180°(jsou v protifázi). U14 = 0 Směrovost odbočnice nezávisí na kmitočtu a je nekonečně velká. 16

17. Ribletova odbočnice Schwingerova odbočnice Morenova odbočnice Morenova odbočnice 17

18. vazební štěrbina • Odbočnice s jedním velkým vazebním otvorem, příp. odbočnice s mnoha vazebními otvory U těchto odbočnic lze realizovat jak slabou, tak i silnou vazbu, vysokou směrovost (větší než 35 dB) a současně velkou šířku pásma (až jednu oktávu). Mnohoštěrbinové vlnovodové od-bočnice proto patří k nejdokonalejším a nejužívanějším typům zejména v mikrovlnné měřicí technice. 18

19. Vlnovodové reaktančníčleny Jejich úkolem je vytvořit ve vlnovodu bezeztrátový prvek požadovaného reaktančního charakteru, tj. prvek chovající se jako induktor, kapacitor či zkrat. Reaktanční elementy se ve vlnovodové technice realizují • posuvnými zkratovacími písty, • tlumivkami, • vlnovodovými clonami a kolíky (šrouby). Reaktanční členy se uplatňují v konstrukci bezeztrátových impedančních transformátorů a především kmitočtových filtrů. 19

20. Vlnovodové písty a tlumivky Vlnovodové písty slouží k vytvoření zkratu (nulové impe-dance) v určitém průřezu vlnovodu. Měřítkem kvality pístu je hodnota vstupního poměru stojatých vln v pracovním pásmu kmitočtů, která u pevných vlnovodových či koaxiálních zkra-tů bývá až 500, u posuvných pístů nemá klesnout pod 150. Posuvným zkratovacím pístem můžeme realizovat i neko-nečně velkou impedanci jeho posunutím o g/4 vůči původní poloze. Typické konstrukce vlnovodových pístů jsou bezkontaktní a využívají několikanásobné čtvrtvlnné (inverzní) transfor-mace impedance v úsecích vlnovodu s různými velikostmi charakteristické impedance. 20

21. ZK • Tlumivkový píst Při Z01 <<Z02 je ZVST 0. • Žlábkový píst 21

22. Rotační píst v obdélníkovém vlnovodu Pro správnou činnost musí být co nejostřeji splněny nerovnosti Z01<<Z02>>Z03<<Z04. 22

23. Vlnovodové clony Induktivní clona defor-muje především magne-tické pole ve vlnovodu. Jsou to tenké kovové přepážky, které částečné přehrazují příčný průřez vlnovodu. V obdélníkových vlnovodech se nejčastěji užívají symetrické induktivní, kapacitní a rezonanční clony. Kapacitní clona zvyšuje koncentraci elektrického pole v daném místě. 23

24. Rezonanční clona (rezo-nanční okno) je tvořena ko-vovou přepážkou s obdélní-kovým, příp. kruhovým otvo-rem. Její rozměry lze navrh-nout tak, že na daném kmi-točtu clona neovlivňuje pře-nos dominantního vidu TE10 vlnovodem. 24

25. Vlnovodové kolíky Induktivní kolík spojuje širší stěny obdélníkového vlnovodu ve směru elektric-kých siločar dominantního vidu a realizuje tak vodivou spojku pro příčné vodivé proudy. jsou kolíky (šrouby) zasunuté do vlnovodu ve směru elek-trických či magnetických siločar. Ve vlnovodu plní podobnou roli jako kovové clony. Kapacitní reaktance jsou způsobeny nenulovou tloušťkou kolíku a jsou tím menší, čím je kolík tenčí. Výhody: • jednoduchá konstrukce, • snadná montáž do obdélníkového vlnovodu • prakticky nezmenšují maximální přenášený výkon. 25

26. Při hloubce zasunutí se sériový rezonanční obvod dostává do rezonance a vlnovod je v daném průřezu pro daný kmitočet prakticky zkratován. Kapacitní kolík je zasunut do vlnovodu ve směru siločar elektrického pole dominant-ního vidu. Vodivá část kolíku představuje induktivní složku impedance, rozptylové elek-trické pole jeho konce vůči dolní stěně vlnovodu vytváří kapacitu. Kapacitní charakter má rovněž impedance kolíku spojujícího obě boční užší stěny obdélníkového vlnovo- du kolmo k siločarám elektrického pole. 26

27. Vlnovodové filtry Kmitočtové filtry vytvořené z dutých kovových vlnovodů se v mikrovlnné technice používají pro nejnáročnější účely a pro nejvyšší kmitočtová pásma. Na rozdíl od koaxiálních či mikropáskových filtrů je lze použít k vytváření vysoce selektivních filtračních soustav při vysoké hodnotě přenášeného výkonu. V konstrukci vlnovodových filtrů se velmi často využívají transformační vlastnosti čtvrtvlnných úseků vedení (vlno-vodu). V teorii filtrů se čtvrtvlnný úsek vlnovodu nazývá impedančním invertorem. 27

28. Pásmová propust Paralelní rezonanční obvody jsou realizovány půlvlnnými vlnovo-dovými rezonátory omezenými induktivními clonami a dolaďované kapacitními šrouby. Sériový rezonanční obvod je tvořen stejným rezonátorem inverzně transformovaným dvěma čtvrtvlnnými vazebními úseky vlnovodu. 28

29. Pásmová zádrž Pásmovou zádrž tvoří půlvlnné rezonátory připojené vazebními otvory k obdélníkovému vlnovodu ve vzdálenostech 3g/4. Rezo-nátory jsou kvádrové nebo válcové. Vliv vazebních otvorů na impedanci základního vlnovodu se kompenzuje výstupky na protější stěně vlnovodu. 29

30. k anténě W f od magnetronu k přijímači f W V GŠ P Vlnovodová konstrukce vstupu radiolokačního vysílače - přijímače 30