24. Призначення, будова і робота магнетронного генератора

Магнетрон - потужний генератор високочастотних електромагнітних хвиль мікрохвильового діапазону. Магнетрони використовуються як в радіолокації, так і в побутових приладах на зразок мікрохвильової печі.

М агнетрон є електровакуумною лампою спеціальної конструкції, в якій електрони рухаються у додатковому магнітному полі. Катод магнетрона виготовлений у вигляді центральної нитки в порожнистій камері, зовнішня стінка якої виконує роль анода. Випромінені гарячим катодом електрони летять до анода через проміжок потужного магнітного поля, створеного постійним магнітом. Магнітне поле змушує електрони рухатися по спіралі, проходячи повз стінки камери. На ободі камери магнетрона періодично розташовані циліндричні порожнини-резонатори електромагнітного поля. Високочастотне поле в резонаторах збуджується електронним струмом. Воно ж впливає на потік електронів, змушуючи його збиватися в пучності, що додатково підсилює створене в порожнинах-резонаторах поле. За допомогою металевого хвилеводу частина цього поля передається до антени, звідки випромінюється в простір. Для виведення НВЧ енергії використовується, як правило, дротова петля, закріплена в одному з резонаторів, або отвір з резонатора назовні циліндра. Частота електромагнітної хвилі визначається розміром та формою резонаторів. Застосування: Радари (В радарних пристроях хвилевід приєднаний до антени, яка може являти собою як хвилевід, так і конічний рупорний опромінювач в парі з параболічним відбивачем. Магнетрон керується дуже короткими високоінтенсивними імпульсами прикладеної напруги, в результаті чого в простір випромінюється короткий імпульс мікрохвильової енергії. Невелика порція цієї енергії відбивається від об'єкта радіолокації назад до антени, потрапляє у хвилевід, який направляє її до чутливого приймача.) Нагрівання ( Магнетрон, який містить кожна мікрохвильова піч, перетворює електричну енергію у над-високочастотне електричне поле частотою 2450 мегагерц (МГц) або 2,45 гігагерц (ГГц), яке і взаємодіє з молекулами води в їжі. Мікрохвилі «бомблять» молекули води в їжі, змушуючи їх обертатися з частотою в мільйони разів в секунду, створюючи молекулярне тертя, яке і нагріває їжу. Нагрівання їжі надвисокочастотним полем руйнує молекули речовин їжі, розриваючи або деформуючи їх в той самий спосіб, що і нагрівання будь-яким іншим способом.) Освітлення (В сірчаних лампах мікрохвилі нагрівають сірку. Плазма сірки випромінює потужне світло у спектрі, близькому до сонячного світла, майже без інфрачервоної і ультрафіолетової складових. Такі лампи в даний час використовуються дуже рідко у зв'язку з високою складностю конструкції в порівнянні з традиційними методами освітлення.)

25. Призначення, будова і робота підсилювача потужності нвч

Винахід відноситься до електронної техніці НВЧ, а саме до підсилювачів потужності НВЧ на напівпровідникових приладах і, насамперед, застосовуваним у міліметровому діапазоні довжин хвиль. Підсилювач потужності НВЧ характеризується величиною: - вихідний потужності, - коефіцієнта підсилення, - коефіцієнтів відбиття потужності на вході і виході, - безповоротних втрат потужності, в тому числі втрат потужності, розсіяної в навколишній простір. - температури перегріву напівпровідникового приладу, яка в робочому стані не повинна перевищувати допустиму величину. А також надійністю роботи. В міліметровому діапазоні довжин хвиль широко використовуються підсилювачі потужності НВЧ на напівпровідникових приладах у волноводном виконанні. Перевагою таких підсилювачів є ефективний відвід тепла від напівпровідникових приладів. Відомий підсилювач потужності НВЧ, що складається з прямокутного хвилеводу, один кінець якого призначений для входу сигналу НВЧ, інший - для виходу, всередині хвилеводу на одній з широких стінок розташований підсилювач на напівпровідниковому приладі. Може бути призначений для роботи на літаючих об'єктах у складі передавачів НВЧ-потужності радіотехнічних систем, що використовують доплеровскую обробку сигналу та інших передавальних пристроях.

№26:Антенно-фидерное устройство

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплекс.

АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику. Состав: АФС(антенно-фидерная система), ПРМ(приемник), ПРД (передатчик), С(синхронизатор), УИ(Устройство индикации) Антенно-фидерная система(АФС) предназначена для передачи сформи­рованных в передатчике колебаний в антенну, в принятых отраженных сиг­налов - в приемное устройство. В состав АФС входят системы: волноводная, антенная и цепи развязки. Приемное устройство предназначено для усиления преобразования и де­тектирования принятых СВЧ колебаний в видеоимпульсы. Оно включает сам приемник и устройства обработки и выделения сигналов на фоне различных помех. Устройство индикации предназначено для отображения информации о радиолокационных целях. Для одновременного запуска передающего и индикаторного устройств служит синхронизатор.

Антенны Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фи́дер — электрическая цепь (линия передачи) и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику. Под вспомогательными устройствами понимают соединители, вентили, фазовращатели и т. д.

Конструкция Конструкция фидера определяется частотой источника. Обычно используется следующее разделение:

• до 3 МГц — экранированные и неэкранированные проводные линии, например, витые пары;

• от 3 МГц до 3 ГГц — коаксиальные кабели;

• от 3 ГГц до 300 ГГц — металлические и диэлектрические радиоволноводы;

• свыше 300 ГГц — квазиоптические линии.

№27:Волновод

Волново́д — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу.

По природе распространяющихся волн различают электромагнитные и акустические волноводы. Частным случаем первых являются оптоволоконные линии передачи. Наиболее часто под термином «волновод» подразумеваются металлические трубки, предназначенные для передачи энергии электромагнитных волн диапазонов СВЧ и КВЧ. Такой волново́д — линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн в качестве основной линии передачи энергии от передатчика к антенне РЛС и от антенны к приемному устройству применяется волноводная линия. По сравнению с коаксиальной линией волновод имеет меньшее затухание и позволяет передавать большую мощность. Основным недостатком волновода является его критичность по отношению к длине волны и связанная с этим громоздкость волноводной линии при работе на более длинных волнах. По этой причине волноводные линии применяются в судовых РЛС, работающих на волнах, не превышающих 10 см.

Наибольшее применение на практике находят волноводы прямоугольного сечения с использованием простейшей поперечно-электрической волны типа ТЕ_1,0 или Н_1,0 (рис.7.2).

 

Волноводы прямоугольного сечения проще в изготовлении, легче возбуждаются от генератора СВЧ или другого источника колебаний и имеют ряд других преимуществ. Применение волны типа ТЕ_1,0 позволяет получить наибольшее значение критической длины волны в волноводе при данных его размерах, обеспечить минимальное затухание энергии по сравнению с другими типами волн. В связи с тем, что при волне типа ТЕ_1,0 электрическая составляющая поля строго ориентирована между широкими стенками волновода, эта волна дает наиболее устойчивую поляризацию, которая не изменяется при изгибах, поворотах и других деформациях волноводной линии. Поскольку критическая длина волны прямоугольного волновода зависит от размеров его широкой стенки l_КР = 2а, то размер а можно выбрать так, чтобы не возбуждать волны высшего порядка. Исходя из того, что рабочая длина волны должна быть меньше l < l_КР, существует следующий оптимум в соотношении   .

Размер b узкой стенки волновода на критическую длину волны не влияет, а зависит от величины передаваемой мощности. Эта мощность определяется допустимым напряжением между широкими стенками волновода. Если принять для нормальных условий эксплуатации пробивное напряжение равным 30 кВ/см, то размер b c учетом четырехкратного запаса на повышение надежности

 ,

где Р – передаваемая мощность, МВт;

l_В – длина волны в волноводе;

 .

№28:Фазовращатель. Фазовращатель — элемент СВЧ-тракта, предназначенный для изменения фазы отраженной или проходящей волны. Используются, в том числе, и в фазированных антенных решетках. Классификация По типу волн

• Отражательные

• Проходные

По физическому принципу

• Механические

• Электрические

• Электромеханические

По изменению фазы

• С плавным изменением

• С дискретным изменением

По способу включения в тракт

• Коаксиальные

• Волноводные

• Полосковые Основные характеристики:

• Максимальный управляемый фазовый сдвиг

• Рабочий диапазон частот

• Вносимые потери

• Максимальный КСВн

• Максимальный уровень мощности

• Время переключения

Управление фазой сигнала в тракте СВЧ производится с помощью двух- или четырехполюсных устройств с переменными параметрами, изменяющимися под воздействием электрического или магнитного поля. Такие устройства называют фазовращателями (ФВ) и широко применяют в фазированных антенных решетках, радиопередающих и радиоприемных устройствах СВЧ, аппаратуре для физических исследований и контрольно-измерительной аппаратуре различного назначения. Фазовращатели наиболее широко применяются в ФАР РЛС. Фазированная антенная решётка (ФАР) — совокупность расположенных в определённом порядке антенн, изменение амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на которых позволяет получить заданную суммарную диаграмму направленности. Относительные фазы сигналов излучающих элементов изменяются комплексно так, что эффективное излучение антенны усиливается в определённом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Управление фазами (фазирование) позволяет радару с применяемой ФАР:

1)формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) антенны (например, остронаправленную ДН типа луч);

2)изменять направление луча неподвижной антенны, осуществляя быстрое (в ряде случаев практически безынерционное) сканирование — «качание» луча;

3)управлять в определённых пределах формой ДН — изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). Современные ФАР состоят из нескольких тысяч или даже десятков тысяч элементов, каждый из которых содержит фазовращатель. Поэтому характеристики и стоимость РЛС в значительной степени зависят от параметров и стоимости фазовращателей.

29. ПОЛУВОЛНОВОЙ ВИБРАТОР (полуволновой ди-поль) - простейшая приёмная и передающая антенна ,гл. обр. в области коротких волни ультракоротких волн. Представляет собой проводящий стержень, длина к-рого близка к половине длины волны излучаемых или принимаемых колебаний. Для связи с генератором или приёмником в ср. части стержня делается разрыв, к к-рому подключается фидер .П. в. можно упрощённо рассматривать как четвертьволновый отрезок разомкнутой двухпроводной линии, проводники к-рой разделены на угол   (см. Линии передачи ).При этом в идеальном П. в. (без потерь) ток распределён по длине по закону   где  - длина П. в., а - ток в пучности (в месте подключения питающей линии). Эл--магн. поле в ближней зоне П. в. распределено так, что преимуществ.излучение пли приём имеет место в плоскости ху (перпендикулярной оси П. в. и проходящей через его центр О). Линии элек-трич. поля располагаются в плоскостях, пересекающихся по оси , а линии магн. поля образуют окружности с центрами на оси , лежащие в перпендикулярных плоскостях. Диаграмма направленности П. в. представляет собой поверхность тела вращения относительно и описывается в любом аксиальном сечении выражением где - угол между плоскостью преимуществ. излучения и лучом из центра П. в. Сопротивление излучения П. в. равно  73 Ом. Потери, связанные с проводимостью, в П. в. обычно пренебрежимо малы, так что согласованный с фидером П. в. излучает практически всю подводимую энергию, и его кпд весьма высок (более 90%). П. в. применяется обычно как активный диполь, образующий в разд. сочетаниях с системой пассивных диполей мн. типы антенн с направленным излучением. и. 

 Простая телевизионная антенна: 1 — полуволновой вибратор; 2 — фидер; 3 — подставка. Пунктиромпоказано распределение тока I вдоль вибратора; λ — длина рабочей волны.

30. Директорная антенна — многовибраторная. Она состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Все вибраторы расположены параллельно друг другу в одной плоскости и укреплены на металлической стреле (рис. 3.54). Активнымназывается вибратор, подключенный с помощью фидера к генератору высокой частоты. Пассивным называется вибратор, в котором протекает ток под действием поля активного вибратора, непосредственно к генератору высокой частоты пассивный вибратор не подключается. Пассивные вибраторы принято называть директорами и рефлекторами. Директорная антенна обычно имеет один рефлектор и 5-7 директоров. Рефлектор расположен позади активного вибратора на расстоянии в четверть волны. Директоры расположены впереди активного вибратора на расстояниях 0,34 - 0,35 l один от другого. Ближайший активному вибратору директор расположен от него на таком же расстоянии. Длина рефлектора l_p = 0,51 - 0,52 l, длина директора l_д = 0,38 - 0,44 l, а длина активного вибратора равна 0,47 - 0,48 l. В качестве рефлектора может быть использована металлическая поверхность или металлическая сетка.

Достоинства директорной антенны: Директорная антенна проста по конструкции и питанию. При небольшом числе (например 5) директоров удается получить довольно острую характеристику направленности. Эти качества обусловили применение директорной антенны в метровом диапазоне.

Недостатки директорной антенны: Во-первых, сложна первоначальная настройка на заданную волну (подбор длин вибраторов и расстояний между ними). Во-вторых, характеристика директорной антенны чувствительна к частоте питающего генератора. При изменении частоты питающего генератора на 6-7% директорная антенна перестает работать – она оказывается расстроенной и рассогласованной.

Характеристика направленности директорной антенны без учета влияния земли показана на рис. 3.55. Она имеет один главный и несколько боковых лепестков. Главный максимум излучения получается в результате сложения волн, излучаемых всеми вибраторами в данном направлении. От активного вибратора к директору Д₁ распространяются две синфазные волны. На эти волны непосредственно у директора Д₁ накладывается третья синфазная волна, у директора Д₂ - четвертая и т. д.

Угол излучения директорной антенны зависит от числа директоров: чем их больше, тем меньше угол излучения. С увеличением числа директоров уменьшение угла излучения, создаваемое каждым последующим директором, становится все меньше и меньше. Поэтому число директоров обычно не бывает больше 18. Для получения острых характеристик направленности целесообразно применять несколько директорных антенн работающих синфазно.

В направлении рефлектора антенна почти не излучает. Это объясняется тем, что волны, излучаемые всеми вибраторами в этом направлении, почти полностью взаимно компенсируются. Следовательно, задний максимум излучения имеет небольшую величину. Малую величину имеют и боковые максимумы излучения, получающиеся вследствие большого числа вибраторов.