Устройства сверхвысоких частот и антенны. Назначение и задачи решаемые с помощью СВЧ устройств и антенн в радиотехнике

антеннах, их использование при создании СВЧ устройств и антенн;
знакомство с основными видами антенн и устройств СВЧ, обеспечивающих функционирование сложных радиотехнических систем, комплексов;
выработка практических навыков экспериментального исследования антенных устройств и трактов СВЧ, расчета и проектирования.

В результате изучения учебной дисциплины обучающийся должен:
Знать:
принципы функционирования устройств сверхвысоких частот и антенн, аналитические и численные методы их расчета;
Уметь:
оценивать параметры антенно-волноводных трактов радиотехнических систем;
Владеть:
методами исследования и проектирования радиотехнических устройств.

и преобразователи энергии СВЧ, ответвители, фильтры, вентили и т.д. Совокупность устройств СВЧ, сочлененных определенным образом, образует тракт СВЧ.

В соответствии с ГОСТ трактом передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Направление распространения определяется взаимным расположением источника электромагнитных колебаний и нагрузки в линии передачи. Источником электромагнитных колебаний может служить, например, генератор, подключенный к линии передачи, приемная антенна или устройство возбуждения линии передачи, отбирающее часть электромагнитной энергии от другой линии передачи или какого-либо устройства СВЧ. Нагрузкой линии передачи может служить устройство, преобразующее электромагнитную энергию (например, в тепло), излучающая (передающая) антенна, входные цепи приемника и т.п.

определяющая длины волн и частоты электромагнитных колебаний.
Диапазон СВЧ соответствует сантиметровым волнам. Однако на практике этим термином определяют диапазон с более широкими границами, который включает в себя волны от метровых до миллиметровых.

Линии передачи но типам используемых волн классифицируются на линии передачи с поперечной электромагнитной волной (T-волной), с магнитной волной (Н-волной), с электрической волной (Е-волной) и с гибридной волной.

Классификация линий передачи по видам весьма разнообразна. Линия передачи, конструкция которой не допускает упругого или пластичного изгиба, называется жесткой; в противном случае — гибкой. Волноводом называется линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электроматитной энергии. Если такой проводящий контур отсутствует, то линия передачи называется открытой.

- симметричной;
в - щелевой; г- копланарной

Полосковые линии применяются в диапазонах дециметровых, сантиметровых и длинноволновой части миллиметровых волн. Основной волной несимметричной и симметричной полосковых линий является Т-волна. В щелевой и копланарной линиях основной является Н-волна.

Различают три разновидности полосковых линий: жесткие воздушные, линии на основе фольгированных диэлектрических пластин, линии на основе диэлектрических пластин из керамики

в которых является Т-волна. Область применения таких линий охватывает волны длиной от 3...5 см до 10 м.

Коаксиальные волноводы: а - круглого сечения; б - прямоугольного сечения

Волноводы прямоугольного, круглого и более сложного поперечных сечений представляют собой металлические трубы соответствующих поперечных сечений. Основной волной в таких линиях передачи является низшая Н-волна.

иной длины. Если длина регулярной линии передачи существенно превышает длину волны в линии λл, то такая линия называется длинной. Характерной особенностью длинных линий является возможность существования в них двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн образуется подключенным к линии генератором электромагнитных колебаний и называется падающей. Другая волна образуется из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии, и называется отраженной.

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны.

двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии (Rн=W), а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю (Хн=0). Если сопротивление нагрузки удовлетворяет вышеназванным условиям, то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:
• увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
• увеличение электрической прочности линии;
• увеличение КПД линии;
• устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

четвертьволновый трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Четвертьволновой трансформатор. Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением Wтр=W, включенным в разрыв основной линии передачи.

Принцип работы такою согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид

трансформаторы и шлейфы являются узкополосными согласующими устройствами. К широкополосным согласующим устройствам относятся ступенчатые и плавные переходы, выполненные на основе волноводов, коаксиальных и полосковых линий.

и реактивные штыри

Диафрагмой называется тонкая металлическая перегородка, частично перекрывающая поперечное сечение волновода

Диафрагмы:
а - симметричная емкостная;
б - симметричная индуктивная;
в - резонансная

Реактивный штырь представляет собой металлический цилиндр небольшого диаметра, который размещен в поперечном сечении волновода параллельно или перпендикулярно силовым линиям электрического поля.

диэлектрические объемы, окруженные почти полностью замкнутыми металлическими оболочками. На миллиметровых волнах и в оптическом диапазоне применяются также открытые резонаторы, состоящие из двух отражающих зеркал, между которыми происходит электромагнитный колебательный процесс.

В резонаторе, как и в колебательном контуре, возбуждается ЭМП, которое существенно возрастает при определенных соотношениях его размеров и длины волны.
Как и в идеальном LC-контуре, в резонаторе без потерь возрастание амплитуды колебаний было бы безграничным. В реальном же резонаторе амплитуда установившихся колебаний определяется условиями возбуждения поля и добротностью резонатора.

устройствами, а для вывода энергии из линий – устройства связи с внешними нагрузками. Отметим, что в качестве и тех, и других устройств используют одни и те же элементы. Это достаточно малые элементы, содержащие или электрический или магнитный в виде малой рамки вибратор. Обычно такие вибраторы конструктивно объединяются с коаксиальной линией, применяемой или для подвода энергии к вибратору, или для отвода от него. Иногда в стенках волноводов прорезают отверстия.

Вибраторы: а – электрический; б – магнитный

канала передачи во вспомогательный. Направленный ответвитель представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой определённым образом, основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы 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. Математически свойства направленных ответвителей описываются с помощью S-матриц (матриц рассеяния).

Различают:
Волноводные НО
Волноводно-коаксиальные НО
Волноводно-полосковые НО
Коаксиальные НО
Полосковые НО
Шлейфные НО
НО на сосредоточенных элементах
Оптические (волоконно-оптические) направленные ответвители

приёма радиоволн (для формирования и приема электромагнитных сигналов).
Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник.
Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.
Любая антенна является обратимой и может быть использована как для передачи, так и для приема (свойство дуальности), при этом электрические характеристики антенны остаются неизменными.

его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами — отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы.

многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны, расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя.
В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решётка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.