Файл: Понятие антенна. Обобщенная конструкция антенны. Основные уравнения эмп. Классификация антенн в зависимости от длины волны.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 97
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
S] - симметричной, т.е. выполняется равенство S12=S21
2. Свойство симметрии: если S11=S22 и S12=S21, то коэффициенты отражения от обоих сечений одинаковы, а четырехполюсник является симметричным.
3. Свойство реактивности: Если все элементы матрицы [Z] чисто мнимые, например Z11 = jX11 (или Y11 = jB11), то 4-полюсник называется реактивным.
При отсутствии потерь в узле суммарная мощность отраженных волн равна суммарной мощности падающих волн, а матрица рассеяния удовлетворяет условию унитарности, унитарность матрицы рассеяния является формулировкой закона сохранения энергии для пассивных узлов без потерь.
40. Метод нагруженного многополюсника.
Все входы устройства должны быть задействованы: на некоторые подключаются генераторы, на остальные – нагрузки. Задача анализа заключается в получении коэффициентов отражения и передачи на входах, а иногда и коэффициентов передачи мощности в нагрузки. Если коэффициенты отражения на выходах генераторов можно получить традиционной рекомпозицией с нагрузками, которая при этом не будет оптимальной при любом методе объединения, то две другие важнейшие величины оказываются внутри устройства, что делает их недоступными. Для получения характеристик нагруженного многополюсника были разработаны методы, позволяющие вычислять все параметры системы по известной матрице рассеяния устройства. Для анализа нагруженного многополюсника предлагается специальная дополнительная матрица, порядок которой больше порядка S-матрицы устройства на число свободных входов. Очевидны неудобства данного метода, связанные с увеличением порядка матрицы.
Существует наиболее удобный метод анализа. В этом методе составляется D-матрица, которая имеет тот же порядок, что и S-матрица нагруженного многополюсника. Пусть имеется многополюсник с известной S-матрицей, каждый вход которой нагружен с известным коэффициентом отражения Гi. Вычисление коэффициентов отражения на входах и коэффициентов передачи с одного входа на другой также не представляет большой сложности, поскольку порядок матрицы не повышается. С помощью свойств матричных операций можно понижать порядок D-матриц. В случае согласования входов многополюсника с генераторами или нагрузками порядок определителя D-матрицы можно сразу понизить на число входов, согласованных с генераторами или нагрузками. Кроме того, существуют свойства разложения и сокращения D-матриц, которые также позволяют понизить порядок определителя. Таким образом, использование математического аппарата D-матриц – самый простой и удобный метод определения характеристик нагруженного многополюсника.
41. Методы анализа СВЧ-устройств (декомпозиция, рекомпозиция)
Наиболее универсальным методом расчета электрических характеристик многополюсных устройств СВЧ является расчленение (декомпозиция) сложного устройства на ряд более простых устройств, допускающих независимый анализ и характеризуемых теми или иными матрицами параметров. Эти простые устройства называют базовыми элементами: резисторы (поглотители мощности); конденсаторы (накопители энергии электрического поля); индуктивные катушки (накопители энергии магнитного поля).
Традиционный подход к декомпозиции СВЧ-устройств предусматривает замену каждого выделенного базового СВЧ-элемента некоторой схемой замещения, состоящей из сосредоточенных элементов L, С и R, а также из регулярных отрезков линии передачи. Преимуществами такого подхода являются универсальность, схожесть с теорией НЧ-цепей, а также наглядность представлений о функционировании сложных СВЧ-устройств, достигаемая путем разумной идеализации эквивалентных схем. Недостатками традиционного подхода являются потеря точности при использовании упрощенных схем замещения и трудности в количественной оценке погрешностей расчета.
Следует различать два уровня декомпозиции: 1) представление укрупненных базовых элементов СВЧ в виде схем замещения из отрезков линий передачи и элементов L, С и R, 2) расчленение тракта СВЧ на укрупненные базовые элементы и использование алгоритмов объединения многополюсников.
Рекомпозиция- объединение 5-матриц базовых элементов для вычисления итоговой матрицы рассеяния устройства.
Способ рекомпозиции заключается в однократном преобразовании обобщенной матрицы, составленной из Я-матриц базовых элементов с учетом матрицы соединений. Основным недостатком данного способа является необходимость наличия в памяти компьютера перед началом преобразований матриц всех базовых элементов и значительный размер обобщенной матрицы, большая часть которой равна нулю.
42. Матрицы рассеяния простых СВЧ-устройств. Фазовращатели.
Расчет СВЧ цепей, состоящих из отрезков линий передачи, разветвлений и неоднородностей, может быть существенно упрощен при использовании волновых матриц рассеяния [S]. Элементами матрицы [S] являются комплексные коэффициенты отражения и передачи волн напряжения между соответствующими зажимами многополюсника
Матрица рассеяния [S] определяет соотношения между отраженными и падающими нормированными волнами. При последовательном соединении элементов в цепи удобно применять матрицу сопротивлений, при параллельном соединении – матрицу проводимостей. При каскадном соединении, которое почти всегда применяется в СВЧ цепях более удобно использовать матрицу рассеяния.
Фазовращатель- устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг, т.е.предназначены для плавного или дискретного изменения фазы электромагнитной волны. Фазовращатели широко применяются в разнообразных устройствах техники СВЧ: радиоприемниках, измерительных установках, антенных системах, антенных решетках для формирования требуемой диаграммы направленности, направленных ответвителях с регулируемой связью, согласующих устройствах. Различают механические и электрические фазовращатели. Работа фазовращателя базируется на изменении электрической длины отрезка линии передачи путем изменения геометрической длины, критической длины волны, или эффективной диэлектрической проницаемостью среды, которая заполняет линию
43. Направленные ответвители. Мостовые устройства СВЧ.
Направленный ответвитель — устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. НО представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой определённым образом, основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушён согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвлённый сигнал, в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить — падающую или отражённую, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим.
Радиочастотные направленные ответвители являются обратимыми, то есть при подаче мощности на связанную линию устройство работает как направленный инжектор (сумматор) мощности в основную линию.
Направленные ответвители широко применяются в радиоэлектронике, в качестве самостоятельных устройств в кабельных и волноводных линиях, в СВЧ ваттметрах, приборах для измерения КСВ, коэффициента передачи, установках для поверки аттенюаторов и измерения ослаблений.
Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением 3 дБ. Таким образом, мост делит мощность поровну между плечами.
Различают следующие мостовые устройства СВЧ: волноводно-щелевые мосты в Н- и Е-плоскостях; кольцевой мост; двойной Т-мост; свернутый двойной Т-мост. Мосты СВЧ, являясь частным случаем направленных ответвителей, на эквивалентной схеме отображаются в виде восьмиполюсника. Волноводно-щелевой мост в Н-плоскости представляет собой два прямоугольных волновода, часто общей узкой стенки которых длиной l вырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения А. Размер А этого волновода выбирается таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волны Н10 и Н20, т.е. л < A < 3л/2. При возбуждении плеча 1 волной Н10 в широком волноводе возбуждаются волны Н10 и Н20.
44. Электронные приборы СВЧ. Основные особенности. Применение и классификация.
Приборы и устройства СВЧ предназначены для усиления, генерации и умножения частоты электромагнитных колебаний СВЧ- диапазона.
Использование обычных электронных ламп (диодов, триодов, пентодов и др.) в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн ограничивается главным образом инерцией электронов и влиянием распределенных реактивностей: междуэлектродных емкостей и индуктивностей вводов. Основные особенности электронных приборов СВЧ диапазона связаны с устранением влияния перечисленных факторов.
-Первая особенность этих электронных приборов заключается в том, что сам прибор составляет единое целое с колебательной системой. Поэтому изучение принципа действия электронных приборов СВЧ, их параметров и характеристик невозможно в отрыве от колебательных систем, которые отличаются от резонансных систем, используемых в диапазоне длинных и средних волн.
-Вторая особенность электронных приборов СВЧ состоит в том, что время пролета электронов от катода к электроду, собирающему отработанные электроны, используется для формирования электронного потока, а также для передачи энергии от электронов высокочастотному электрическому полю. Иначе говоря, принцип работы приборов СВЧ основан на полезном использовании времени движения электронов, которое может быть равно единицам и даже десяткам периодов рабочей частоты.
СВЧ-устройства широко применяются в технике военного и гражданского назначения, в системах радиолокации и радионавигации используются генераторные, усилительные, полосовые и преобразующие СВЧ-устройства. В антенно-фидерных трактах этих систем применяют фазовращающие, защитные и коммутационные устройства. Также используют аттенюаторы, ферритовые вентили, циркуляторы и другие СВЧ-устройства. Кроме того, СВЧ устройства применяются в системах связи, телекоммуникаций, радиоуправления и радиоэлектронной борьбы.
45. Клистроны. Физические процессы. Отражательные клистроны. Основные параметры. Область применения.
2. Свойство симметрии: если S11=S22 и S12=S21, то коэффициенты отражения от обоих сечений одинаковы, а четырехполюсник является симметричным.
3. Свойство реактивности: Если все элементы матрицы [Z] чисто мнимые, например Z11 = jX11 (или Y11 = jB11), то 4-полюсник называется реактивным.
При отсутствии потерь в узле суммарная мощность отраженных волн равна суммарной мощности падающих волн, а матрица рассеяния удовлетворяет условию унитарности, унитарность матрицы рассеяния является формулировкой закона сохранения энергии для пассивных узлов без потерь.
40. Метод нагруженного многополюсника.
Все входы устройства должны быть задействованы: на некоторые подключаются генераторы, на остальные – нагрузки. Задача анализа заключается в получении коэффициентов отражения и передачи на входах, а иногда и коэффициентов передачи мощности в нагрузки. Если коэффициенты отражения на выходах генераторов можно получить традиционной рекомпозицией с нагрузками, которая при этом не будет оптимальной при любом методе объединения, то две другие важнейшие величины оказываются внутри устройства, что делает их недоступными. Для получения характеристик нагруженного многополюсника были разработаны методы, позволяющие вычислять все параметры системы по известной матрице рассеяния устройства. Для анализа нагруженного многополюсника предлагается специальная дополнительная матрица, порядок которой больше порядка S-матрицы устройства на число свободных входов. Очевидны неудобства данного метода, связанные с увеличением порядка матрицы.
Существует наиболее удобный метод анализа. В этом методе составляется D-матрица, которая имеет тот же порядок, что и S-матрица нагруженного многополюсника. Пусть имеется многополюсник с известной S-матрицей, каждый вход которой нагружен с известным коэффициентом отражения Гi. Вычисление коэффициентов отражения на входах и коэффициентов передачи с одного входа на другой также не представляет большой сложности, поскольку порядок матрицы не повышается. С помощью свойств матричных операций можно понижать порядок D-матриц. В случае согласования входов многополюсника с генераторами или нагрузками порядок определителя D-матрицы можно сразу понизить на число входов, согласованных с генераторами или нагрузками. Кроме того, существуют свойства разложения и сокращения D-матриц, которые также позволяют понизить порядок определителя. Таким образом, использование математического аппарата D-матриц – самый простой и удобный метод определения характеристик нагруженного многополюсника.
41. Методы анализа СВЧ-устройств (декомпозиция, рекомпозиция)
Наиболее универсальным методом расчета электрических характеристик многополюсных устройств СВЧ является расчленение (декомпозиция) сложного устройства на ряд более простых устройств, допускающих независимый анализ и характеризуемых теми или иными матрицами параметров. Эти простые устройства называют базовыми элементами: резисторы (поглотители мощности); конденсаторы (накопители энергии электрического поля); индуктивные катушки (накопители энергии магнитного поля).
Традиционный подход к декомпозиции СВЧ-устройств предусматривает замену каждого выделенного базового СВЧ-элемента некоторой схемой замещения, состоящей из сосредоточенных элементов L, С и R, а также из регулярных отрезков линии передачи. Преимуществами такого подхода являются универсальность, схожесть с теорией НЧ-цепей, а также наглядность представлений о функционировании сложных СВЧ-устройств, достигаемая путем разумной идеализации эквивалентных схем. Недостатками традиционного подхода являются потеря точности при использовании упрощенных схем замещения и трудности в количественной оценке погрешностей расчета.
Следует различать два уровня декомпозиции: 1) представление укрупненных базовых элементов СВЧ в виде схем замещения из отрезков линий передачи и элементов L, С и R, 2) расчленение тракта СВЧ на укрупненные базовые элементы и использование алгоритмов объединения многополюсников.
Рекомпозиция- объединение 5-матриц базовых элементов для вычисления итоговой матрицы рассеяния устройства.
Способ рекомпозиции заключается в однократном преобразовании обобщенной матрицы, составленной из Я-матриц базовых элементов с учетом матрицы соединений. Основным недостатком данного способа является необходимость наличия в памяти компьютера перед началом преобразований матриц всех базовых элементов и значительный размер обобщенной матрицы, большая часть которой равна нулю.
42. Матрицы рассеяния простых СВЧ-устройств. Фазовращатели.
Расчет СВЧ цепей, состоящих из отрезков линий передачи, разветвлений и неоднородностей, может быть существенно упрощен при использовании волновых матриц рассеяния [S]. Элементами матрицы [S] являются комплексные коэффициенты отражения и передачи волн напряжения между соответствующими зажимами многополюсника
Матрица рассеяния [S] определяет соотношения между отраженными и падающими нормированными волнами. При последовательном соединении элементов в цепи удобно применять матрицу сопротивлений, при параллельном соединении – матрицу проводимостей. При каскадном соединении, которое почти всегда применяется в СВЧ цепях более удобно использовать матрицу рассеяния.
Фазовращатель- устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг, т.е.предназначены для плавного или дискретного изменения фазы электромагнитной волны. Фазовращатели широко применяются в разнообразных устройствах техники СВЧ: радиоприемниках, измерительных установках, антенных системах, антенных решетках для формирования требуемой диаграммы направленности, направленных ответвителях с регулируемой связью, согласующих устройствах. Различают механические и электрические фазовращатели. Работа фазовращателя базируется на изменении электрической длины отрезка линии передачи путем изменения геометрической длины, критической длины волны, или эффективной диэлектрической проницаемостью среды, которая заполняет линию
| Основные требования к фазовращателям: регулируемое изменение фазы | | |
| | электромагнитной волны (как правило, от 0 до 180°); незначительная величина | |
| | вносимого ослабления; для фазовращателей, работающих в условиях высоких | |
| | уровней мощности, достаточная электрическая прочность. | |
43. Направленные ответвители. Мостовые устройства СВЧ.
Направленный ответвитель — устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. НО представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой определённым образом, основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушён согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвлённый сигнал, в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить — падающую или отражённую, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим.
Радиочастотные направленные ответвители являются обратимыми, то есть при подаче мощности на связанную линию устройство работает как направленный инжектор (сумматор) мощности в основную линию.
Направленные ответвители широко применяются в радиоэлектронике, в качестве самостоятельных устройств в кабельных и волноводных линиях, в СВЧ ваттметрах, приборах для измерения КСВ, коэффициента передачи, установках для поверки аттенюаторов и измерения ослаблений.
Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением 3 дБ. Таким образом, мост делит мощность поровну между плечами.
Различают следующие мостовые устройства СВЧ: волноводно-щелевые мосты в Н- и Е-плоскостях; кольцевой мост; двойной Т-мост; свернутый двойной Т-мост. Мосты СВЧ, являясь частным случаем направленных ответвителей, на эквивалентной схеме отображаются в виде восьмиполюсника. Волноводно-щелевой мост в Н-плоскости представляет собой два прямоугольных волновода, часто общей узкой стенки которых длиной l вырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения А. Размер А этого волновода выбирается таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волны Н10 и Н20, т.е. л < A < 3л/2. При возбуждении плеча 1 волной Н10 в широком волноводе возбуждаются волны Н10 и Н20.
44. Электронные приборы СВЧ. Основные особенности. Применение и классификация.
Приборы и устройства СВЧ предназначены для усиления, генерации и умножения частоты электромагнитных колебаний СВЧ- диапазона.
Использование обычных электронных ламп (диодов, триодов, пентодов и др.) в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн ограничивается главным образом инерцией электронов и влиянием распределенных реактивностей: междуэлектродных емкостей и индуктивностей вводов. Основные особенности электронных приборов СВЧ диапазона связаны с устранением влияния перечисленных факторов.
-Первая особенность этих электронных приборов заключается в том, что сам прибор составляет единое целое с колебательной системой. Поэтому изучение принципа действия электронных приборов СВЧ, их параметров и характеристик невозможно в отрыве от колебательных систем, которые отличаются от резонансных систем, используемых в диапазоне длинных и средних волн.
-Вторая особенность электронных приборов СВЧ состоит в том, что время пролета электронов от катода к электроду, собирающему отработанные электроны, используется для формирования электронного потока, а также для передачи энергии от электронов высокочастотному электрическому полю. Иначе говоря, принцип работы приборов СВЧ основан на полезном использовании времени движения электронов, которое может быть равно единицам и даже десяткам периодов рабочей частоты.
СВЧ-устройства широко применяются в технике военного и гражданского назначения, в системах радиолокации и радионавигации используются генераторные, усилительные, полосовые и преобразующие СВЧ-устройства. В антенно-фидерных трактах этих систем применяют фазовращающие, защитные и коммутационные устройства. Также используют аттенюаторы, ферритовые вентили, циркуляторы и другие СВЧ-устройства. Кроме того, СВЧ устройства применяются в системах связи, телекоммуникаций, радиоуправления и радиоэлектронной борьбы.
45. Клистроны. Физические процессы. Отражательные клистроны. Основные параметры. Область применения.