28.Принцип декомпозиции анализа сложных устройств. Примеры.

Наиболее универсальным методом расчета электрических характеристик многополюсных устройств СВЧ является расчленение (декомпозиция) сложного устройства на ряд более простых, допускающих независимый анализ и характеризуемых теми или иными матрицами параметров. Такие устройства называют базовыми элементами. Если характеристики базовых элементов подвергнуты предварительному изучению и установлены номиналы величин, определяющие матрицу параметров каждого базового элемента, то анализ эл.характеристик сложной системы СВЧ сводится к проводимому по алгоритмам расчету матриц параметров для объединения двух и более базовых элементов. Простейшими базовыми элементами являются:

• Резисторы

• Конденсаторы

• Катушки

При переходе к свч частотам выделение базовых элементов становится не столь однозначным.

Традиционный подход к декомпозиции СВЧ-устройств предусматривает замену каждого выделенного базового СВЧ-элемента некоторой схемой замещения.

Электродинамические расчеты ряда базовых элементов проделывают заблаговременно, а результаты представляют в виде приближенных формул и справочных таблиц, определяющих связь полиномов элементов схемы замещения с геометрическими размерами базового элемента, длиной волны и с параметрами магнитодиэлектриков.

Преимущества такого подхода – универсалиность, схожесть с теорией НЛ-цепей, а так же наглядность представлений о функционировании сложных СВЧ-устройств.

Недостатки-потеря точности при использовании упрощенных схем замещения и трудности в количественной оценке погрешностей расчета.

29.Многополюсники свч: плоскости отсчета фаз, волновой и классический подходы описания, нормировка токов и напряжений, падающие и отраженные волны.

Устройство имеющее несколько входов в виде поперечных сечений подходящих к нему ЛП.

Сечения входов называются – плоскостями отсчета фаз.

Матрицы многополюсника определяют связь между электрическими режимами его входов. Режимы в плоскостях отсчета фаз могут быть как в терминах напряжений падающих и отраженных волн – это волновой подход, так и в терминах напряжений и токов – классический подход.

Различные типы СВЧ устройств можно описать с помощью падающих и отраженных волн, которые распространяются в подключенных к ним ЛП. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей s-параметров.

Свойства многополюсников описываются с помощью N-уравнений, связывающих комплексные амплитуды падающих и отраженных волн.

Где a₁-a_{N –} комплексные амплитуды волн входящих в многополюсник ( падающие)

B1 – bn – амплитуды выходящих (отраженные)

Skk (k=1,2…) – коэффициент отражения по соответствующим входам многополюсника при подключении соответствующих нагрузок, по всем остальным входам.

30.Волновая матрица рассеяния: физический смысл элементов, испытательные режимы.

В технике СВЧ матрица рассеяния связывает линейной зависимостью падающую и отраженную волны на входах многополюсника

Uотр1=S11*Uпад1+S12*Uпад2

Uотр2=S21*Uпад1+S22*Uпад2

Испытательные режимы:

1. Uпад2 =0

S11=Uотр1/Uпад1

S21=Uотр2/Uпад1

2. Uпад1=0

S12=Uотр1/Uпад2

S22=Uотр2/Uпад2

Таким образом, S11 есть коэффициент отражения от первого входа многополюсника, при условии, что во всех других плечах отсутствуют падающие волны. Реально это достигается, если к первому плечу подключить генератор и измерить коэффициент отражения, при условии, что остальные плечи нагружены на согласованные нагрузки, равные волновым сопротивлениям соответствующих линий.

Соответственно, S21 есть волновой коэффициент передачи по напряжению из первого плеча во второе при тех же условиях эксперимента. Очевидно, это справедливо и для других плеч. Таким образом, Sii есть коэффициент отражения по напряжению от i-ого плеча, при согласованных остальных, Sik – волновой коэффициент передачи по напряжению из k-ого плеча в i-ое, при согласовании всех свободных плеч.

Коэффициенты матрицы [S] имеют чёткий физический смысл, а их экспериментальное определение вполне возможно. Это является основным положительным качеством матриц рассеяния.

Билет №31. Матрицы сопротивлений и проводимостей. Физический смысл элементов, испытательные режимы.

Матрица сопротивлений – применяемая для описания устройств СВЧ, связывающая линейной зависимостью напряжения и токи в клеммных плоскостях эквивалентного многополюсника.

Главная диагональ – сопротивления плеч, остальные – сопротивления между плечами.

Билет №32. Идеальные и реальные матрицы. Матрица рассеяния идеального вентиля, физический смысл элементов.

Идеальные и реальные матрицы относятся к матрицам, описывающие цепи с конкретными свойствами. Идеальные матрицы – это матрицы, с помощью которых формируются технические задания. Они фиксируют желаемое поведение данного узла исходя из задачи, которую он выполняет в тракте. Реальная матрица – это матрица реального устройства, полученная путем анализа или экспериментального исследования. Вентиль является четырехполюсником, поэтому описывается матрицей рассеяния вида:

Для идеального вентиля S11=S22,S12=0,S21=1. На практике для характеристики качества вентилей используются следующие параметры: КСВ,- прямые потери,- обратные потери.

Билет №33. Фундаментальные свойства матриц: взаимность, симметрия, недиссипативность, понятия, математические формулировки.

Пусть задана квадратная матрица А, то матрица С* называется взаимной к матрице А, если в её К-ой строке стоят алгебраические дополнения элементов К-ого столбца матрицы А:

Основное свойство: A*C=C*A=E, гдеE-единичная матрица. Симметричной называют квадратную матрицу, элементы которой симметричны относительно главной диагонали. Взаимному многополюснику соответствует симметричная нормированная матрица рассеянияS, для взаимного многополюсника должно выполняться соотношенияYki=Yik. Из соотношений между нормированными матрицамиSиY:S=(E-Y)(E+Y)^(-1) следует, чтоSik=Ski. Нормированная матрица симметрична относительно главной диагонали. Внутри многополюсника передача энергия междуi-ым иk-ым входами не зависит от направления передачи энергии. Взаимность многополюсника определяется по отсутствию внутри его невзаимных элементов: диодов, транзисторов, намагниченных ферритов и плазмы и обычно легко определяется самим типом многополюсника. Недиссипативномумногополюснику соответствует унитарная нормированная матрица рассеянияS. Недиссипативным (реактивным) многополюсником называется многополюсник, внутри которого отсутствуют потери энергии. Симметричными называются многополюсники, для которых возможнаперенумерация портов, не приводящих к изменению матриц параметровS,Y,Z. Различают электрическую и геометрическую симметрии.

Билет №34. Недиссипативный четырехполюсник: матрицы сопротивлений и рассеяния. Реактивный многополюсник.

Недиссипативным (реактивным) многополюсником называется многополюсник, внутри которого отсутствует потеря энергии. Для недиссипативного многополюсника закон сохранения энергии может быть записан:

Т.е. суммы мощностей всех падающих и отраженных волн должны быть равны

Следовательно,

Билет №35. Циркулятор: понятие, матрицы рассеяния, устройство, назначение и применения.

Циркулятор – многополюсное устройство для направленной передачи энергии электромагнитных колебаний: энергия, подведенная к одному из плеч, передается в другое плечо в соответствии с порядком их чередования. Циркуляторы применяются в качестве развязывающих устройств и обладают следующими свойствами: сигнал, подведенный к плечу 1, выходит из плеча 2, а сигнал, введенный в плечо 2, выходит из плеча 3.

Существует несколько конструкция циркуляторов: ферритовые циркуляторы не требуют источника питания и работают на более высоких мощностях, чем активные. Так же выше их рабочий частотный диапазон. Ферритовые XиY-циркуляторы используют в антенно-фидерных трактах для переключения антенны или модуля сложной фазированной антенной решетки из режима передачи в режим приема. ФерритовыйY-циркулятор, в котором одно из плеч содержит поглощающую нагрузку, представляет собой разновидность электрического вентиля. Образуя из несколькихY-циркуляторов последовательные соединения можно получать циркуляторы с любым заданным числом плеч, такие системы в сочетании с полосно-пропускающими электрическими фильтрами позволяют реализовать устройства для сложения или разделения сигналов с различными несущими частотами с использованием при этом минимального числа фильтров.

Билет №36. Направленный ответвитель: понятие, матрицы рассеяния, устройство, назначение и применения.

НО-устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основого канала передачи во вспомогательный. НО представляет собой два (или более) отрезка ЛП, связанных между собой определенным образом, основная линия называется первичной, вспомогательная – вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии должен быть заглушен согласованной нагрузкой, со второго (рабочего) плеча снимается ответвленный сигнал; в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответить – падающую или отраженную, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим. Математически свойства НО описывается с помощью матриц рассеяния.

Параметры:

1. Переходное ослабление – отношение мощностей на входе первичной линии и связанным с ней вторичным.

2. Рабочее затухание – отношение мощностей на входе и выходе

3. Развязка – отношение мощностей на входе первичной и на развязанном выходе вторичной

4. Неравномерность деления – разность между переходным ослаблением и затуханием в первичной линии

5. Направленность – отношение мощностей на входе и выходе во вторичной линии

6. Коэффициент деления по напряжению и мощности

7. Коэффициент стоячей волны по напряжению

НО применяются при измерении S-параметров СВЧ-устройств в составе панорамных приборов для измерения КСВН. Обеспечивают высокую точность измерений в широком диапазоне частот благодаря высокой направленности. Характеризуются малыми потерями мощности в первичном канале

Билет №37. Измерение параметров материалов на СВЧ: резонаторный метод.

Каждый материал обладает уникальным набором электрических характеристик, зависящих от его диэлектрических свойств. Точные измерения этих свойств могут обеспечить ученых и инженеров ценной информацией, позволяющей должным образом включить материал в его предполагаемую область применения для повышения надежности конструкций или для наблюдения за процессом производства с целью улучшения контроля качества.

Измерение диэлектрических свойств материалов может дать информацию о параметрах, являющихся критическими при проектировании во многих приложениях электроники. Например, потери в изоляции кабеля, импеданс подложки или частота диэлектрического резонатора могут зависеть от их диэлектрических свойств. Эта информация также полезна для улучшения свойств ферритов, поглотителей, а также схем компоновки. Знание диэлектрических свойств материалов также дает преимущества в более современных приложениях из областей промышленной микроволновой обработки продуктов питания, резины, пластика и керамики.

Резонаторный метод применяют в диапазоне частот от 5 до 20 ГГц, хотя область частот может быть расширена до 50 ГГц. Этот метод отличается высокой точностью измерений, но применение несколько затруднительно из-за жестких требований, предъявляемых к точности выполнения образцов диэлектриков. Для измерения диэлектрика резонаторным методом используются различные объемные резонаторы: цилиндрические с волной H, прямоугольные, предельные цилиндрические и радиальные, открытые. Выбор типа резонатора и его конструкция определяется типом измеряемого материала и рядом других условий. При измерении параметров резонаторным методом, исследуемые образцы помещают внутри резонатора и измеряют изменение параметров резонатора.

Меняем фазовую скорость – меняется частота. Волна задерживается, меняется частота, происходит смещение резонансной частоты.

Билет №38. Измерение параметров материалов на СВЧ: измерение ёмкости.

Материал классифицируется как “диэлектрик”, если он способен запасать энергию при приложении внешнего электрического поля. Если источник постоянного напряжения включен параллельно обкладкам плоского

конденсатора, больше заряда накапливается, когда между обкладками помещен диэлектрик, чем в случае отсутствия материала (вакуума) между обкладками. Диэлектрический материал увеличивает емкость конденсатора, нейтрализуя заряды на его электродах, которые в обычном случае вносили бы вклад во внешнее поле. Емкость при наличии диэлектрического материала зависит от диэлектрической проницаемости. Если источник постоянного напряжения V включен параллельно обкладкам плоского конденсатора, больше заряда накапливается, когда между обкладкамиприсутствует диэлектрический материал, по сравнению со случаем отсутствия диэлектрика (вакуум) между обкладками.

Лучше всего для измерения ёмкости подходит конденсатор с планарной конструкцией. Измерения производятся на частотах 25 Гц – 1 ГГц. Используется прибор – имметанс (измерение полное сопротивление и проводимость). Погрешность измерения 1% для эпсилон, 5% для tgD.

Билет №39. Измерение параметров материалов на СВЧ: метод на отражение

Разомкнутый коаксиальный пробник является срезом линии передачи. Свойства материала измеряются погружением пробника в жидкость или касанием пробником плоской поверхности твердого (или порошкового) материала. Структура полей на конце пробника искажается как только они входят в контакт с испытуемым материалом (рисунок 13). Отраженный сигнал (S11) может быть измерен и связан с ε r*.

Типичная измерительная система, использующая метод коаксиального пробника, состоит из анализатора цепей или импеданса, коаксиального пробника и программного обеспечения. И программное обеспечение, и пробник включены в комплект пробников для измерения свойств диэлектриков.

Особенности метода

• Широкополосный

• Простой и удобный (неразрушающий)

• Ограниченные точность измерения ε r и разрешение измерения tgδ

при низких потерях

• Наилучший для жидкостей или полутвердых материалов

Допущения о свойствах материала

• “Полубесконечная” толщина

• Немагнитный

• Изотропный и однородный

• Плоская поверхность

• Отсутствие воздушных зазоров

Билет №40. Метод на прохождение и отражение.

Методы с использованием линии передачи включают размещение материала внутри части закрытой линии передачи. Обычно линия передачи является отрезком прямоугольного волновода или воздушной коаксиальной линии. ε r* и μr* вычисляются из результатов измерений отраженного сигнала (S11) и прошедшего сигнала (S21).

Допущения о свойствах материала

• Образец заполняет сечение устройства подключения

• Отсутствие воздушных зазоров на стенках устройства подключения

• Гладкие и плоские поверхности, расположение

перпендикулярно продольной оси

• Однородность

Свойства метода

• Широкополосность – нижнее значение ограничено

практической длиной образца

• Ограниченное разрешение при низких потерях (зависит от

длины образца)

• Измерение магнитных материалов

• Возможность измерения анизотропных материалов в

волноводе

Билет №41. Бесконтактный метод.

Методы измерений в свободном пространстве используют антенны для фокусировки энергии СВЧ излучения в или сквозь слой материала без необходимости использования устройства подключения. Этот метод является бесконтактным и может применяться для материалов, которые необходимо испытывать при высоких температурах и неблагоприятных условиях окружающей среды. Примерная измерительная система, использующая метод свободного пространства, состоит из векторного анализатора цепей, “устройства подключения” (антенны, тоннели, арки и т.д.), программного обеспечения (например, 85071) и компьютера (не нужен, если используется анализатор цепей семейства PNA). Калибровка анализатора цепей для измерений в свободном пространстве достаточно сложна. Стандарты калибровки в свободном пространстве доставляют определенные проблемы из-за отсутствия соединителей. Калибровка может быть простой, как калибровка по отклику, или сложной, как полная двухпортовая калибровка, в зависимости от удобства и желаемой точности. В свободном пространстве легко осуществить высокотемпературные измерения, поскольку всегда отсутствует прикасание или контакт с образцом. Образец может нагреваться при помещении в печь, имеющую “окна” из изоляционного материала, который прозрачен для СВЧ излучения.

Допущения о свойствах материала

• Большие, плоские образцы с параллельными сторонами

• Однородность

Свойства метода

• Бесконтактный, неразрушающий

• Высокочастотный – нижнее значение ограничено

практической длиной образца

• Пригоден при высоких температурах

• Возможно изменение поляризации антенны для

измерения свойств анизотропных материалов

• Возможность измерений магнитных материалов

Билет №42. Сравнение методов измерения параметров материалов на СВЧ

Точность измерения параметров диэлектриков различными методами. Ошибки в опредлении свойств диэлектриков любым способом складываются из трех составляющих: 1) ошибка за счёт неточности расчётных формул, обусловленная несоответствием физических процессов, происходящих в реальной системе, процессами в принятой модели, 2) ошибка, обусловленная отклонением формы образца от требуемой, неточностью в измерении его размеров, 3)ошибка, вызванная неточностью настройки схемы, недостаточной конечной чувствительностью и точностью индикаторных свойств и т.п. Для каждой группы методов преобладающий характер имеет одна из этих ошибок, в результате предельные точности измерения, достигнутые разными методами, отличаются друг от друга. Произведенный обзор методов измерения параметров диэлектриков на СВЧ показывает, что выбор того или иного метода зависит от структуры материала (однородные, слоистые, неоднородные), геометрии образцов, требуемой точности измерения, типа имитаций внешних воздействий (высокотемпературный односторонний нагрев, радиационное облучение, периодическое погружение материала в ванну с солевым раствором и т.д.)

Билет №43. Принцип расчёта направленного ответвителя на ступенчатых линиях передачи

Направленным ответвителем называют взаимное реактивное 8-полюсное устройство, осуществляющее отбор некоторой части ВЧ-сигнала, распространяющегося в основном (первичном) канале устройства, в одно из плеч вспомогательного (вторичного) канала, при этом другое плечо остается невозбужденным. Ступенчатые НО на основе МПЛ получили название НО классов IиIIсоответственно

• Направленные ответвители класса I

Структура НО класса Iобразована каскадным соединениемm-отрезков распределенно связанных однородных ЛП одинаковой длины, с монотонно изменяющейся электромагнитной связью для несимметричной структуры:. Волновая матрица передачи ступенчатой ЛП

• Структура НО класса IIобразована каскадным соединением нечетного числа чередующихся отрезков распределенно связанных и несвязанных ЛП с монотонно изменяющимися длинами; коэффициенты связи в отрезках связанных ЛП предполагаются равными друг другу. Волновая матрица передачи ступенчатой ЛПЗадачи оптимизации НО классаIIв отличие от НОIкласса решаются только численно.

Например, требуется рассчитать несимметричный НО с чебышевской АЧХ в рабочем диапазоне частот 0,3…3 ГГц, Со – номинальное переходное ослабление = 20 дБ, ∆С12 – максимальное отколонение от номинала = 0,5 дБ. На полосковой ЛП с заданной ε.

РЕШЕНИЕ: 1)определяем коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот ǽ =f2/f1. По таблицам находим нужное количество ступеней при заданных Со и ∆С12 и вычисленном ǽ. 2)определяем геометрические размеры НО: максимальная длина волны в ЛП - Лmax= λmax/sqrt(εr), общая длина НО, длина ступеней, коэффициент связи. 3) определяем по таблице геометрические размерыwиsполосковых ЛП.

Билет №44. Принцип расчёта трансформатора сопротивлений на ступенчатых линиях передачи.

ТС – устройство, соединяющее две ЛП и служащее для согласования их волновых сопротивлений. Ступенчатые трансформаторы образуются каскадным соединением отрезков однородных одиночных ЛП, называемых его ступенями или звеньями. Ступенчатые трансформаторы сопротивлений 1 класса характеризуются одинаковыми длинами звеньев, имеющих разные волновые сопротивления. Ступенчатые трансформаторы применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдутся хотя бы 2 ступеньки, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания. Структура трансформатора определяется числом ступенек, их длиной, и отношением волновых сопротивлений двух соседних ступеней. Свойства трансформатора описываются его частотной характеристикой (зависимостью переходного ослабления от частоты). Определение структуры трансформатора по заданным полосе частот и допустимому рассогласованию является задачей синтеза согласующего устройства. ТС IIкласса длины звеньев разные, а волновые сопротивление принимают только два значения, которые чередуются, в частности они равны волновым сопротивлениям согласуемых ЛП.

Билет №45. Принцип расчёта трансформатора сопротивлений на плавных линиях передачи

Плавные переходы используются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Могут использоваться как предельный случай ступенчатого перехода. Частотные характеристики плавных переходов непериодические. Наиболее часто на практике используется экспоненциальный переход. Плавный переход является нерегулярной двухпроводной линией передачи, в которой погонные параметры и волновое сопротивление являются функцией продольной координаты. Эффективность согласования зависит от скорости изменения волнового сопротивления вдоль линии. Чем медленнее изменяется W, тем шире полоса согласования и больше длина перехода. Недостатком плавных переходов является их большая длина при значительных перепадах волнового сопротивления. Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире.

Например, требуется рассчитать плавный трансформатор, соединяющий СПЛ сw/b=7 ммbt/b= 0,2 мм с линией того же типа, но приw/b=0,2 мм иt/b=0,2. Граничная длина волны полосы согласования Л = 200мм, уровень согласования |Г|max/0,5lnR= 0,005.

Решение: 1)по таблицам находим значенияρ(0) – волновое сопротивление в начале координат иρ(l), вычисляем перепад волновых сопротивленийR=ρ(l)/ρ(0). 2)максимальное значение коэффициента отражения |Г|max= 0,005*0,5lnR. 3)при |Г|max/0,5lnR= 0,005 длина трансформатораl= Л. 4) зависимостьρ(x)/ρ(0) находим по формулам из учебника.

Билет №46. Принцип расчёта направленного ответвителя на связанных плавных линиях передачи.

В плавных НЛП исключаются электрические неоднородности, свойственные ступенчатым НПЛ, где они возникают вследствие скачкообразного изменения конфигурации связанных линий. Поэтому в НО на плавных НПЛ высокая направленность и малый перепад переходного ослабления достигаются в значительно более широкой полосе частот, чем в ступенчатых НО. Ответвители на плавных НЛП, как и ступенчатые НО, разделяются на симметричные относительно поперечной плоскости и несимметричные. Несимметричный НО содержит скачкообразное изменение коэффициента связи на правом конце отрезка НПЛ. Оно реализуется скачкообразным изменением геометрических размеров. Компенсировать возникающую неоднородность в сверхширокой полосе частот практически очень трудно, тем более, что имеет место скачкообразный переход от максимальной в пределах всего отрезках НПЛ связи к нулевой.Симметричный НО не содержит скачкообразные неоднородности: коэффициенты связи на правом и левом концах отрезка НЛП плавно приближаются к нулевому значению. Дополнительное достоинство симметричного НО – постоянство фазового сдвига между напряжениями в выходных плечах (у несимметричного НО фазовый сдвиг – функция частоты).

Несимметричный НО на плавных НЛП по свойствам близок к многоступенчатому несимметричному НО. При расчёте АЧХ полагают количество ступеней равно бесконечности, а длина каждой ступени равна нулю. Матрица гдеT1,T2 – матрицы скачков волнового сопротивления,Tнл – матрица отрезка неоднородной линии.

В общем случае для оптимизации симметричного НО, как и несимметричного, используется аппроксимация многоступенчатой структурой, её огибающая учитывает форму каждой ступени, а частотные характеристики сравниваемых структур близки друг к другу.

Например, требуется рассчитать симметричный НО на плавных НЛП с чебышевской АЧХ с: Со – номинальное переходное ослабление = 15 дБ, ∆С12 – максимальное отколонение от номинала < или = 0,5 дБ, рабочий диапазон частот 1…18 ГГц. На СПЛ с заданной ε,b– расстояние между экранами иρ0 – волновое сопротивление подводящих ЛП.

Решение: 1)находим коэффициент перекрытия рабочей полос частот . Далее по таблицам определяем количество варьируемых параметров. 2) находим λmax=c/fmin3) определяем длину области связи НО по соотношениюl/Лмах, где Лмах = λmax/sqrt(εr). Полученную длину делим на 100 равных частей, исходя из данных таблиц учебника. По приведенным в таблице значениямCiрассчитываем геометрические размеры внутренних проводников. По таблицам находим размерыw иs.

Билет №47. Принцип расчёта делителя мощности ступенчатых линий передачи.

Двухканальным делителем мощности называют взаимное шестиполюсное устройство, делящее мощность СВЧ, поступающую в плечо 3, между двумя выходными плечами 1 и 2. Волновые сопротивления подводящих ЛП в общем случае разные. Матрица S:.

Из вида матрицы видно, что все плечи идеального делителя мощности согласованы (S11=S22=S33=0), а плечи 1,2 развязаны (S12=S21=0).

Шлейфные ДМ выполняют на основе шлейфных НО с подключением к 4 порту согласованной нагрузки. Они дешевы в изготовлении, но узкополосны. Большое распространение получили ДМ, основанные на основе НО на связанных ЛП с распределенной электромагнитной связью (подключение к 4 порту СН).Использование ступенчатых ЛП классов I,IIи неоднородных связанных ЛП с плавным изменением коэффициента связи позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот ДМ. Из-за трудности точного исполнения малых зазоров между проводниками реализация связанных ЛП с сильной связью (в случаях, когда коэффициент деления мощности равен 1). В должной мере ДМ можно реализовать только при высокой точности изготовления их основных элементов – связанных и многосвязанных ЛП. Кроме того сложны операции изготовления перемычек, соединяющих различные проводники ЛП.

Например, требуется рассчитать ДМ, обеспечивающий в полосе частот 1…4 ГГц равное деление мощности между двумя каналами с развязкой не менее 20 дБ и КСВН входных плеч н более 1,3. Волновые сопр = 50 Ом.

Решение: 1)исходя из ǽ - перекрытие частот, мнимального значения развязки С12min<20дБ и максимально допустимых значений КСВН плеч в таблице находим варинат ДМ с минмальным числом ступеней 2) вычисляем значения ненормированных сопротивлений (данные из таблицы * 50) 3)вычисляем геометрическую длинуlотрезков ЛПl=λср/4*sqrt(εr) 4)с помощью программного обеспеченияCSTилиQUCSрассчитываем ширины полосков.

Билет №48. Принцип расчёта делителя мощности плавных линиях передач с распределённым резистивным слоем

Использование плавных неоднородных линий с Т-волнами вместо ступенчатых НЛП позволяет при разработке ДМ, с одной стороны, достичь более высоких электрических параметров (за счет исключения неоднородностей), а с другой – расширить рабочие диапазоны частот. Основные параметры аналогичны параметрам ступенчатого ДМ.

Пример расчета: На основе табличных данных и предъявленных условий, нужно выбрать вариант оптимальных параметров ДМ, удовлетворяющих электрическим параметрам сдвигу фаз θ на длинеlделителя на частоте, соответствующей низкочастотной границе рабочего диапазона частот,V– параметр, определяющий закон изменения волнового сопротивления плавных ЛП.R1…R3 – параметры определяющие нормированную функцию погонного сопротивления развязки ДМ.

Разбиваем нормированную длину ДМ на достаточно большое число точек zi, вычисляем значения волновых сопротивлений плавных ЛП и погонного сопротивления развязки. Данные берут из таблицы.

Далее используя табличные данные вычисляем нормированные значения ширины проводников wi/h. Потом по ним вычисляем коэффициенты укорочения длины волныkiвmточках по длине ЛП. Далее вычисляем коэффициент укорочения длины плавных ЛПK. Исходя из заданного значения нижней границы рабочего диапазона частот, выбранного θ, найденногоK, вычисляем общую длину плавных ЛП, образующих ДМ.

Билет №49.Принцип расчёта направленного моста на волноводных линиях передачи.

Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением 3 дБ. Волноводно-щелевой мост в H-плоскости представляет собой два прямоугольных волновода, часто общую узкую стенку которых длинойlвырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сеченияaxb. Размерaэтого волновода выбирается таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волныH10 иH20, т.е.𝜆<a<3𝜆/2. При возбуждении плеча 1 волнойH10 в широком волноводе возбуждаются волныH10 иH20. Для того, чтобы мощность поделилась поровну между плечами 3 и 4, необходимо так выбрать длинуl, чтобы𝛟=pi/2+pi*n,n=0,1,2… Таким образом, наименьшая длина моста определяется из условия𝛟=pi/2 иl=(pi/2)(kiH10-kiH20)

0 0 –j1

1 –j0 0

-j1 0 0

Билет №50. Принцип расчёта коаксиальной согласованной нагрузки на плавных линиях передачи

Плавную НЛП с потерями можно рассматривать как предельный случай ступенчатой НЛП (m→∞)

Поверхностные нагрузки на основе плавных НЛП более широкополосны, чем ступенчатые.

Условие, при выполнении которого нагрузка на плавной НЛП является идеально согласованной:

Dp^o(z)/dz=‑R1(z)+G1(z)(p^o(z))²,

Где R1(z) и G1(z)‑погонные сопротивление и проводимость

волновое сопротивление отрезка ЛП

L1(z) и C1(z)-погонные индуктивность и емкость

Для поверхностной нагрузки G1(z)=0, R1(z)=R/l_p=const

Решение имеет вид p⁰(z)=[R(l_pz)]/l_p, где R-сопротивление СВЧ-резистора, равное волновому сопротивлению р⁰ подводящей линии.

Конечным результатом расчетов является D-диаметр внешнего проводника подводящей линии

Оптимальные параметры объемных нагрузок можно определить как и для поверхностных используя условие согласования, в результате .

Комбинированные нагрузки сочетают в себе положительные свойства обьемных и поверхностных нагрузок. В качестве модели нагрузки используется интегральное уравнение НЛП с потерями:

,

Где R-коэффициент отражения от нагрузки, R0-коэффициент отражения от технологической ступеньки, , р(х)-волновое сопротивление

Билет №51. Принцип расчёта коаксиальной согласованной нагрузки на ступенчатых линиях передачи.

В коаксиальном тракте простейшей согласованной нагрузкой является сосредоточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. Однако хорошее согласование в этом случае осуществляется, если размер резистора во много раз меньше длины волны. Но на сантиметровых волнах размеры резистора становятся соизмеримыми с длиной волны, что приводит к ухудшению качества согласования и зависимости его от частоты. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона часто выполняются в виде отрезков нерегулярных линий с потерями. Хорошее согласование достигается при размере поглощающего элемента больше длины волны l>𝜆. В большей мере распространены коаксиальные нагрузки, в которых центральный проводник выполнен в виде керамического цилиндра, покрытого металлооксидной или углеродистой проводящей пленкой. Толщина пленки выбирается малой по сравнению с глубиной проникновения поля, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зависит от частоты. Наружная оболочка коаксиала имеет вид экрана нерегулярной формы, концентрирующего поле в области расположения поглотителя. Экран имеет ступенчатую форму. Установлено, что оптимальное качество согласования имеет место в диапазоне длин волн𝜆>6l.

При выполнении расчета удобно использовать эвристический алгоритм безусловной минимизации функции максимума. Характерным для ступенчатых нагрузок является монотонное убывание волновых сопротивлений отрезков волновых сопротивлений отрезков однородных ЛП в направлении распространения ЭМ волны. Длины отрезков возрастают в направлении распространения ЭМ волны. Включение длин отрезков ЛП в число варьируемых параметров приводит к улучшению качества согласования.

Пример расчета. Исходя из заданного требования к значению мощности рассеяния, из таблиц выбирают СВЧ-резистор. Исходя из требуемого КСВН и диапазона частот, выбираем тип нагрузки (1..m– ступенчатую). Определяем волновые сопротивления однородных отрезков ЛП путем умножения их нормированных значений на волновое сопротивление подводящей ЛП. Вычисляем значения внутренних диаметровDi. Определяем геометрические длины отрезков однородных ЛПli.

Билет №52. Принцип расчёта фильтров СВЧ.

Фильтрами СВЧ называют пассивные четырехполюсники, осуществляющие передачу колебаний СВЧ в согласованную нагрузку в соответствии с заданной частотной характеристикой. Виды: ФНЧ, ФВЧ, ППФ, ПЗФ.

Основные параметры:

• Центральная частота

• Относительная ширина полосы пропускания

• Переходное ослабление в полосе пропускания

• Уровень заграждения в полосе заграждения

• КСВН

Расчёт фильтров:

• Определение типа фильтров

• Выбор аналитического выражения (апроксимация)

• Задание параметров

• Построение прототипа на сосредоточенных параметрах

• Переход к распределенным параметрам

Билет №53. Мультиплексоры. Основные принципы построения схем. Примеры.

Мультиплексоры – устройства, которые осуществляют частотно-селективную коммутацию между одним входом и несколькими выходами.

Схема мультиплексора на направленных фильтрах

Схема мультиплексора на гибридных направленных фильтрах

Схема мультиплексора на циркуляторах

Схема мультиплексора на общем волноводе

Билет№54. Скалярные анализаторы параметров цепей.

В основе принципа работы прибора серии P2Mлежит измерение мощности СВЧ сигнала с помощью широкополосного амплитудного детектора. Для измерения мощности, отраженной от исследуемого устройства, используется резистивная мостовая схема, которая позволяет разделить падающую и отраженную мощности в широком частотном диапазоне. Одной из особенностей работы прибора серииP2Mявляется наличие стабилизации зондирующего сигнала системной ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) по частоте и системойAPMпо амплитуде. Стабильность параметров зондирующего сигнала позволяет не использовать опорный сигнал при проведении измерения. Наличие системы АРМ позволяет перейти от сканирования по частоте к сканированию по мощности зондирующего сигнала. В данном режиме существует возможность измерения модуля коэффициента передачи и отражения в зависимости от входной мощности, а так же измерения точки сжатия по заданному уровню. Использование широкополосных измерительных аксессуаров позволяет производить измерение устройств с преобразованием по частоте, таких как смесители, делители и умножители частоты. Расширенные возможности системы синхронизации позволяют синхронизировать процесс измерения параметров исследуемого устройства с сигналом управления импульсным модулятором или включением питания устройства для измерения параметров устройств, работающих в импульсном режиме. Высокая стабильность частоты и мощности, низкий уровень гармонических и негармонических составляющих, низкий уровень фазового шума позволяют использовать прибор в качестве генератора сигнала.

Билет №55. Векторные анализаторы параметров цепей

Векторный анализатор цепей является эффективным измерительным прибором, обеспечивающим высокую точность измерений. Это инструмент для выполнения самых сложных измерений в лабораториях и на производстве, включая измерения линейных характеристик ВЧ-компонентов и устройств. Современные анализаторы цепей осуществляют проверку целостности сигнала, измеряют амплитуду, фазу и сопротивление проверяемого устройства.

Анализатор сравнивает падающий сигнал или с сигналом, прошедшим через проверяемое устройство, или с сигналом, отраженным от входа данного устройства. Анализатор цепей является калиброванной закрытой системой по принципу «воздействие–отклик», в связи с чем измерение ВЧ-характеристик производится с исключительной точностью.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА ЦЕПЕЙ Согласно теории анализа цепей цепь – это группа электрических компонентов, соединенных между собой. С помощью анализатора цепей возможно определить значение несовпадения сопротивлений двух ВЧ-компонентов для увеличения эффективности использования мощности и сохранения целостности сигнала. Каждый раз, когда ВЧ-сигнал с выхода одного из компонентов поступает на вход другого, часть этого сигнала отражается, а часть передается. Информация об амплитуде и фазе падающей, отраженной и переданной волн дает возможность измерения характеристик отражения и передачи проверяемого устройства. Анализатор цепей формирует синусоидальный сигнал, обычно это диапазон частот. Характеристики проверяемого устройства зависят от падающего, отраженного и переданного сигналов, которые подаются на вход тракта передачи, отражаются на источник сигнала (в связи с рассогласованием сопротивлений) и передаются на конечное устройство. Отклик проверяемого устройства на падающий сигнал зависит от свойств устройства, как и от любого рассогласования волнового сопротивления системы. Если у проверяемого устройства и измерительного прибора немного отличаются волновые сопротивления, это приводит к рассогласованию и создает дополнительные нежелательные искажения. Основная цепь при использовании анализатора – разработать такую методику измерения, которая точно измеряет отклики проверяемого устройства, в то время как погрешности минимизируются или устраняются. 

Билет №56. Измерение параметров СВЧ устройств на коаксиальном тракте. (векторные и скалярные анализаторы цепей + временное измерение)

Билет №57. Измерение параметров СВЧ устройств на пластине.

Измерения позволяют проверить, удовлетворяют ли изготовленные компоненты и устройства поставленным требованиям. Для эффективного проектирования СВЧ МИС (малые интегральные схемы – до 100 элементов на кристалле) требуются точные модели элементов МИС, создание подобных моделей основывается на всесторонних и высокоточных измерениях характеристик элементов МИС. При измерении МИС используется – измерительный станок, зондовая станция. Функции – удержание интегральной схемы и обеспечение надёжного электрического контакта. Измерительный станок представляет собой металлический корпус с коаксиальными разъемами, подводящими линиями и пр. элементами.

Недостатки метода:

• Необходимо знать характеристики самого устройства без учёта влияния корпуса (можно использовать процедуру деимбединга (?вынимание из корпуса), но вносятся дополнительные ошибки и погрешности)

• Необходимость отбраковки устройств до сборки в корпус (корпусирование – дорогостоящий процесс, выход годных устройств часто низкий)

• Автоматизация процесса измерений (автоматические измерения на подожке существенно снижают конечную стоимость продукта)

Преимущества метода:

• Более точные измерения, обадают хорошей повторяемостью, так как вносятся меньшие систематические ошибки

• Более простая процедура калибровки, которая может быть автоматизирована при помощи калибровочных стандартов, выполненных непосредственно на подложке

• Позволяют расположить плоскости отчёта как на концах зондов, так и на некоторой дистанции от МИС, в последнем случае могут быть исключены переходные эффекты

• Позволяют выполнить быстрое, неразрушающее тестирование и отбор МИС до операций нарезки и помещения в корпус

Можно выделить 2 типа зондов:

1. Воздушный компланарный зонд (ACP) – в качестве диэлектрика в переходе из коаксиального тракта в компланарный используется воздух; контакты зонда изготавливают либо из сплаваBeCuдля золотых контактных площадок, либо из вольфрама для алюминиевых; корпус зонда выполнен из поглощающего материала (выдерживает высокую мощность до 15 Вт, измерения до 200 гр. С, максимальный ток до 5 А).

2. Тонкопленочный зонд – соединения и контакты зонда выполняются литографическим способом на многослойной тонкопленочной подложке из полиимида. Первый слой металлизации выполняет роль земляной плоскости. Сигнальный проводник выполняется во втором слое. Для соединения с контактами используются сквозные отверстия.

3. Зонд серии InfinityотCascadeMicrotech(ультранизкое контактное сопротивление – 30мОм, маленькая площадь контакта – 12 мкм х 12мкм, превосходные характеристики на СВЧ)

Билет №58. Калибровка скалярного анализатора цепей.

Для уменьшения рассогласования между выходом генераторно-измерительного СВЧ-блока и исследуемым устройством, уменьшения влияния нестабильности выходной мощности на результаты измерений применяется режим “A/R” и “B/R”. Калибровка в этом случае исключает неравномерность трактов передачи и неидентичность частотных характеристик. Виды калибровок:на сквозное соединение, на КЗ и ХХ. При наличии на частотной характеристике значительных провалов и выбросов, необходимо проверить надежность сочленений. Если значительные провалы остались, то необходимо выключить Р2М на несколько минут и перезапустить программное обеспечение.

Билет №59. Калибровка векторного анализатора цепей.

При тестировании исследуемых устройств с целью высокоточного измерения их параметров рассеяния (S-параметров) при помощью ВАЦ очень важно минимизировать систематическую погрешность измерений. С возрастанием частоты зондирующего сигнала ухудшаются свойства тракта распространения. Это проявляется возрастанием КСВН аксессуаров, увеличением частотной неравномерности передачи элементов тракта, появлением различных паразитных проникновений сигналов. Все перечисленные явления вносят вклад в систематическую погрешность измерений. Для определения составляющих (факторов) систематической погрешности используется процедура калибровки ВАЦ. Для исключения погрешности применяется математическая коррекция результатов измерений. Существуют следующие виды калибровок двухпортовых ВАЦ: 1) нормировка для измерения коэффициента отражения (КО); 2)нормировка для измерения коэффициента передачи (КП); 3)однопортовая векторная калибровка; 4)двухпортовая калибровка в одном направлении; 5)полная двухпортовая калибровка. Все эти методы калибровки предполагают измерение комплексных частотных характеристик различных одно- или двухпортовых устройств.

Билет №60. Факторы, влияющие на точность измерения. Примеры.

Случайные ошибки: тепловой дрейф(понижение температуры), повторяемость(грязь на материалах, жировой слой, механические повреждения, схема конструкции устройства), шум. Необходимо использовать специальные платы и разъемы, которые устойчивы к внешним воздействиям. Систематические ошибки: линейные и нелинейные воздействия.

Билет№61. Измерения во временной области. Анализ сигналов.

1. Наблюдения за дефектами линии передачи 2)неразрушающий контроль 3)измерение сигнала передачи с тройной задержкойв фильтрах на ПАВ 4)разделение эхо сигналов от желательного сигнала в случае многолучевого распространения 5)перемещение опорной плоскости через неизвестные неоднородности 6) Оптимизация калибровки, используя изменения во временной области

Билет №62. Общие подходы к оптимальному проектированию СВЧ-устройств.

Общая структура процесса проектирования конструкции (топологии) интегральных схем и устройств СВЧ по заданным частотным зависимостям S-параметров и/илидругим рабочим характеристикам состоит из: 1)проектирования и 2)выполнение точного анализа конструкции или проверочных измерений макета (эксперимента). Одной из основных трудностей, возникающих при решении задачи синтеза устройства СВЧ, является создание его математической модели. Синтез должен опираться на 2 математические модели – основную и вспомогательную(уточненную).

Билет№63 Электродинамическое моделирование устройств СВЧ. Возможности программного обеспечения. Основные методы расчета.

Главным преимуществом вычислительных технологий компании CST является использование аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA). При моделировании 3D структур, содержащих поверхности сложной кривизны, использование классической прямоугольной сетки разбиения приводит к необходимости использовать слишком мелкую сетку и неоправданно большое число ячеек. Использование тетраэдральной сетки частично решает проблему и позволяет снизить требования к вычислительным ресурсам. Технология PBA использует преимущества обоих перечисленных подходов, но обеспечивает беспрецедентный прирост производительности без потери точности вычислений.