B V M T

1. B V M T část 2. Mikrovlnná technika 1

2. Mikrovlnná technika se zabývá technikou používanou v oblasti kmitočtů 300 MHz až 300 GHz, tj. v oblasti vlnových délek zpracovávaných signálů od 1 m do 1 mm. MikrovlnymicrowavesMikrowellentěchnika svěrchvysokych častot (SVČ) 2

3. Mikrovlnná a navazující kmitočtová pásma podle Radiokomunikačního řádu UTI rozměry zařízení << délka vlny signálu rozměry zařízení >> délka vlny signálu 3

4. 4

5. Dílčí mikrovlnná kmitočtová pásma pro komunikační systémy 5

6. 6

7. l l d d =  =2f·—– = 2·—– =  = 2f·—– = 2·—– vf vf g g > lg i1= I·sint  i2= I·sin(t +)= = I·sin(t +) S2 S1 i d celková délka vedení (celková velikost zařízení) = l  Obvody se soustředěnými parametry 0 l<< g  Obvody s rozloženými parametry 0 7

8. Obvody se soustředěnými parametry:jejich velikost (= geometrické rozměry) je mnohem menší než délka vlny g zpracovávaného signálu. Pro l << g je celková změna fáze v takovém obvodu nulová a obvod představuje tzv. kvazistacionární systém, jehož geometrické rozměry lze pokládat za nulové, příp. rychlost šíření signálu v obvodu za nekonečně vysokou. Obvody s rozloženými (nesoustředěnými, rozprostřenými) parametrymají rozměry srovnatelné s použitou vlnovou délkou a často jsou i větší. Při lg nelze rozměrové relace již zanedbat a okamžitá hodnota signálu závisí nejen na čase, ale i na prosto-rových souřadnicích. Tyto obvody nelze nikdy charakterizovat jedi-ným parametrem a pokud lze vůbec použít klasické parametry (odpor, indukčnost, kapacita), pak tyto parametry nejsou soustře-děny v jednom místě, ale jsou spojitě rozloženy po celém objemu obvodu. Tyto obvody jsou typické právě pro pásma mikrovln. 8

9. Oba druhy obvodů se zejména v pás-mech VKV a UKV velmi často prolínají a vzájemně kombinují. Jako obvod s rozloženými parametry se mohou chovat (i na nízkých kmitočtech řádů MHz) spoje v mikroelektronických polovodičových strukturách: polovodič s vysokou permitivitou r a specifickým od-porem  značně zvyšuje měrnou kapa-citu a měrný odpor spoje výrazně klesá rychlost vlny vf (až o několik řádů) výrazně se zkrátí délka vlny g signá-lu ve spojilg i pro krátké spoje. Problém v moderních počítačích s vysokými pracovními kmitočty. 9

10. 490 μm 600 μm 150 μm V souvislosti s rozvojem mikrovlnných integrovaných obvodů byly rovněž vyvinuty prvky se soustředěnými parametry, které lze použít až do oblasti mm vln (do kmitočtu cca 20 GHz). Hybridní integrovaný širokopásmový zesilovač 45 - 860 MHz s využitím prvků se soustředěnými parametry Monolitický integrovaný nízkošumový zesilovač 5,8 GHz s využitím prvků se soustředěnými parametry 10

11. Důvody aplikací mikrovlnné techniky Zájem o výzkum a vývoj aplikací mikrovlnné techniky je vyvolán tím, že jejich fyzikálně-technický princip umožňuje výhodně: • Využívat nová, zatím méně obsazená kmitočtová pásma (kmitočtové spektrum je často přirovnáváno k jisté formě pří-rodního bohatství: jeho využití je třeba rozšiřovat, ale zároveň je nutno s ním dobře hospodařit). • Realizovat obvody s velkou šířkou přenášeného pásma (řádově stovky MHz až desítky GHz), což v rádiové komunikaci znamená větší objem a kvalitu přenášených dat a informací a také možnost dosáhnout značné rychlosti jejich přenosu. To je důležité jak pro klasické komunikační obvody, tak zejména pro rychlé počítačové sítě s nejvýkonnějšími počítači. 11

12. Realizovat miniaturní systémy pomocí obvodů s rozložený-mi parametry, neboť rozměry jednotlivých mikrovlnných prvků a obvodů jsou v přímé relaci s vlnovou délkou. • Využívat antény o velmi malých rozměrech při dosažení a zachování jejich vysoké směrovosti (směrovost antény je funkcí poměru jejích rozměrů a délky vyzařované vlny). • Využívat přímočarého šíření mikrovlnné energie – nedochá-zí k odrazu signálu ionosférou. Toho lze využít pro pozemní a družicové komunikační služby a také pro realizaci radarových systémů. • Využívat mikrovlnná zařízení v různých aplikacích, např. pro vědecký výzkum, pro dálkové snímání objektů, lékařskou diagnostiku a léčbu, úpravy potravin apod. Řada těchto metod je založena na tom, že vlastní rezonance atomů a molekul leží v horní části mikrovlnného spektra. 12

13. Oblasti využití mikrovlnné techniky • Komunikační technika(téměř 90 % všech světo-vých elektronických komunikačních systémů je v sou-časnosti realizováno právě v mikrovlnných pásmech). Výhody:  antény malých rozměrů (m, dm, cm) s vysokou směrovostí,  přímočaré šíření elmag. vln, dobré podmínky šíření v zem- ské atmosféře,  poměrně vysoká odolnost proti rušení a odposlechu,  vysoká datová přenosová rychlost, velká šířka přenášené- ho pásma 13

14. Mobilní a bezdrátové radiotelefonní spoje (GSM, PCN, DECT, UMTS a další) frekvence 14

15. Bezdrátové profesionální sítě a spoje mezi počí-tačovými sítěmi WLAN (WirelessLocalAreaNetwork), systém Bluetooth, WiFi apod. 15

16. Soukromé a profesionální satelitní spoje VSAT (Very Small Apperture Terminal) 16

17. Profesionální kosmické spoje Země–satelit (rozhlas, TV, data), radiokomunikační družice 17

18. Pozemní radioreléové (směrové) spoje 18

19. Civilní a vojenské radiolokační systémy (PAR, SAR, MLS apod.) , meteorologické radary 19

20. Civilní a vojenské mikrovlnné navigační systémy (GPS, NAVSTAR, GLONASS apod.) 20

21. Mikrovlnné řídicí, komunikační a navigační dopravní systémy (Dopplerovské měřiče rychlosti, antikolizní radar apod.) 21

22. ohřívací prostor vazební otvor tvarovač pole vlnovod dveře vazební sonda magnetron průhledné okno ventilátor chlazení napájecí zdroj skleněná deska s potravinou • Mikrovlnný ohřev (v domácnosti, průmyslový ohřev, v lékařství apod.) dutinový rezonátor 22

23. magnetron f = 2,4 GHz magnetron f = 2,4 GHz posuvný pás ohřívaný materiál dřevěná deska absorpční zátěž 23

24. Mikrovlnná spotřební a zábavní elektronika (TV a rozhlasový satelitní příjem apod.) 24

25. Průmyslové, zemědělské, lékařské, geofyzi-kální a vědecké aplikace mikrovln • měření elektrických a magnetických vlastností materiálů • měření vlhkosti materiálů • mikrovlnná spektroskopie • ovlivňování biologických produktů a živých tkání • mikrovlnná hypertermie • mikrovlnná radiometrie • mikrovlnná radioastronomie a průzkum vesmíru • . . . . 25

26. Typy mikrovlnných vedení Základním prvkem mikrovlnných obvodů je tzv. vedení, jehož typickým znakem je, že jeho délka je srovnatelná a často mnohem větší než vlnová délka přenášeného signálu (tzv. dlouhé vedení). Vedení (v užším slova smyslu) je přenosové zařízení, jehož příčné rozměry jsou mnohonásobně menší než délka použité vlny a elektromagnetické pole má v příčné rovině stacionární charakter. Vlnovod je přenosové zařízení, které má i příčné rozměry srovnatelné s délkou vlny signálu. Jeho charakteristickým znakem je, že se v něm může šířit vlna jen o kmitočtu vyšším než určitý, tzv. mezní (kritický) kmitočet. Rozložení pole ve vlnovodu má vlnový charakter nejen v podélném, ale i v příčném směru. 26

27. Podélněhomogenní vedení (vlnovod) má po celé své délce konstantní příčné geometrické rozměry a materiálové pro-středí, jímž je vyplněno, je po celé délce stejnorodé (homogenní). Příčněhomogenní vedení (vlnovod) je takové, jehož mate-riálové prostředí je stejnorodé v příčné rovině (v příčném průřezu) vedení. Podélněnehomogenní vedení nemá podél celé své délky stejné příčné geometrické rozměry, příp. se v podélném směru mění parametry prostředí vyplňujícího vedení. Příčně nehomogenní vedení obsahuje v příčném průřezu několik různých materiálových prostředí s různými parametrya . 27

28. Měrný útlum [dB/m] Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Maximální přenášený výkon Otevřené dvojvodičové vedení (dvojlinka) 0 až 100 MHz 0,01 až 1 do 109 W 1 Základní typy mikrovlnných vedení, jejich konstrukce a hlavní parametry 28

29. Měrný útlum [dB/m] Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Maximální přenášený výkon Koaxiální (souosé) vedení 0 až 26 GHz (špičkově až do 40 GHz) 0,1 až 10 do 107 W 2 Mikropáskové vedení (microstrip) 100 MHz až 26 GHz (ve speciálních konfiguracích až do 60 GHz) 0,1 až 20 do 100 W 3 dielektrikum kovové pásky 29

30. Měrný útlum [dB/m] Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Maximální přenášený výkon Dutý kovový vlnovod obdélníkový průřez 1 až 150 GHz 0,01 až 10 10 MW při 1 GHz, 30 W při 100 GHz 4 průřez  kruhový průřez průřez H 30

31. Měrný útlum [dB/m] Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Maximální přenášený výkon Dielektrický vlnovod 0,1 až 50 GHz až 10 dB/m kW 5 r Světlovod 200000 až 600000 GHz 1 až 10 dB/km 100 mW 6 r pláště r jádra 31

32. Mikrovlnná vedení se užívají dvojím způsobem: • K přenosu mikrovlnných signálů (i na větší vzdálenosti): dvoj-vodičová, koaxiální a vlnovodová vedení, prakticky nikdy mikropásková vedení. • Ke konstruování mikrovlnných obvodů a obvodových bloků s rozloženými i se soustředěnými parametry: koaxiální, vlnovo-dové i mikropáskové struktury. 32

33. ladicí kapacitní kolíky Mikrovlnné kmitočtové filtry koaxiální vlnovodové 33

34. k anténě f W od magnetronu k přijímači f W V GŠ P Vlnovodová konstrukce vstupu radiolokačního vysílače - přijímače 34

35. Mikropáskový tranzistorový čtyřnásobič kmitočtu 35

36. Technologie mikrovlnných integrovaných obvodů hybridní integrace monolitická integrace 36