& Εφαρμογές. (εργαστήριο) Μικροκύματα

Transcript

1 Μικροκύματα & Εφαρμογές (εργαστήριο) ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται παρουσίαση των κυριότερων μικροκυματικών στοιχείων, που συνήθως χρησιμοποιούνται σε μικροκυματικές εφαρμογές στην περιοχή της ζώνης συχνοτήτων Χ (X-band) με εύρος 8-12 GHz.

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΜΕΝΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΜΕΤΑΚΙΝΟΥΜΕΝΟ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑ ΑΠΟΜΟΝΩΤΗΣ ΦΕΡΡΙΤΗ ΕΞΑΣΘΕΝΗΤΗΣ ΣΤΡΟΦΕΑΣ ΦΑΣΗΣ ΣΥΧΝΟΜΕΤΡΟ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΣ ΦΩΡΑΤΗΣ ΕΝΔΕΙΚΤΗΣ ΣΤΑΣΙΜΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΣ ΜΕ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΤΙΚΟΥΣ ΚΟΧΛΙΕΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΣ ΣΥΖΕΥΚΤΗΣ ΜΑΓΙΚΟ Τ 1/3/2019 2

3 ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ Δίοδος IMPATT Κλύστρον Ανακλάσεως Μάγνητρον μεαντηχεία Ταλαντωτής GUN 1/3/2019 3

4 ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Το Θερμίστορ είναι ένα στοιχείο που η αντίσταση του είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Αν το Θερμίστορ τοποθετηθεί μέσα στη διαδρομή ενός μικροκυματικού σήματος, θα απορροφήσει ενέργεια από το σήμα και θα αυξήσει τη θερμοκρασία του. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση της αντίστασης του Θερμίστορ. Οι μεταβολές της αντίστασης του θερμίστορ μπορούν να μετρηθούν με γέφυρα Wheatstone. Η ισχύς του μικροκυματικού σήματος μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια τοποθετώντας το Θερμίστορ μέσα σε κυματοδηγό και συνοδεύοντας το με κατάλληλο όργανο μέτρησης. Το θερμίστορ 1/3/2019 4

5 ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΜΕΝΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Διάφοροι τύποι προσαρμοσμένου φορτίου Χρησιμοποιείται για την ολική (στην ιδανική περίπτωση) απορρόφηση της προσπίπτουσας ισχύος ενός κύματος. Στους κυματοδηγούς υλοποιείται με την τοποθέτηση απορροφητικών υλικών σφηνοειδούς μορφής (για τη μεγιστοποίηση της απορρόφησης) πριν από ένα βραχυκυκλωμένο τοίχωμα, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Η διαμήκης διάσταση της σφήνας πρέπει να είναι μερικά μήκη κύματος μέσα στον κυματοδηγό, ώστε η ανάκλαση να είναι μικρότερη του 5%. 1/3/2019 5

6 ΜΕΤΑΚΙΝΟΥΜΕΝΟ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑ Πρόκειται για το φορτίο, του οποίου η ισοδύναμη αντίσταση είναι μηδέν. Η υλοποίησή του γίνεται με ένα τμήμα κυματοδηγού, μέσα στον οποίο βρίσκεται αγώγιμο έμβολο κάθετα τοποθετημένο στη διαμήκη διάσταση του κυματοδηγού και το οποίο υποκαθιστά το βραχυκύκλωμα. Το έμβολο μπορεί να μετακινείται κατά μήκος του κυματοδηγού. Μετακινούμενο βραχυκύκλωμα 1/3/2019 6

7 ΑΠΟΜΟΝΩΤΗΣ ΦΕΡΡΙΤΗ Πρόκειται για ένα δίθυρο στοιχείο, μη αμφίδρομο, το οποίο συνήθως τοποθετείται αμέσως μετά την πηγή, με σκοπό να επιτρέπει τη μετάδοση κύματος από την πηγή προς το φορτίο και να αποτρέπει κάθε ανακλώμενο κύμα από το φορτίο να εισέλθει στην πηγή. Ο συντελεστής εξασθένησης κατά την αντίστροφη φορά κυμαίνεται από 10 έως 40 db. Ο μη αμφίδρομος χαρακτήρας του στοιχείου βασίζεται στην ανισοτροπία του φερριτικού υλικού. Η μήτρα σκέδασης του απομονωτή στην ιδανική περίπτωση είναι: S S Βέβαια στην πράξη η μήτρα σκέδασης είναι: 0 S 21 S 12 0 με S 21 1 και S Η ποσότητα 20log S 12 λέγεται συντελεστής απομόνωσης. Απομονωτής φερρίτη 1/3/2019 7

8 ΕΞΑΣΘΕΝΗΤΗΣ Πρόκειται για ένα δίθυρο στοιχείο, αμφίδρομο, το οποίο ελαττώνει την ισχύ του κύματος που οδεύει από την είσοδο στην έξοδο κατά ένα ποσοστό, το οποίο μπορεί να είναι σταθερό (σταθερός εξασθενητής) ή μεταβλητό (μεταβλητός). Πολλές φορές σε εκπαιδευτικές εργαστηριακές ένας εξασθενητής μεγάλης εξασθένησης (>20 db) μπορεί να τοποθετηθεί αντί για έναν απομονωτή αμέσως μετά την πηγή. Όμως στην περίπτωση αυτή έχουμε σημαντική εξασθένηση και του προσπίπτοντος κύματος προς το φορτίο. Εξασθενητής με δυνατότητα μετακίνησης παράλληλα στη μεγάλη διάσταση Η μήτρα σκέδασης ενός εξασθενητή δίνεται από τη σχέση: 0 a S a 0 όπου α είναι ο συντελεστής εξασθένησης και συνήθως δίνεται η ποσότητα 20log a (db). Εξασθενητής με δυνατότητα μετακίνησης κάθετα στη μεγάλη διάσταση 1/3/2019 8

9 ΣΤΡΟΦΕΑΣ ΦΑΣΗΣ Πρόκειται για ένα δίθυρο στοιχείο, το οποίο μπορεί να μεταβάλλει τη φάση του κύματος εξόδου ως προς αυτήν του κύματος εισόδου με μηχανικό τρόπο. Η κατασκευή του μοιάζει με αυτή του εξασθενητή με τη διαφορά ότι στο εσωτερικό του εισάγεται διηλεκτρικό φύλλο και όχι μεταλλικό, ώστε να μην παρουσιάζει εξασθένηση. Η μεταβολή της θέσης του φύλλου έχει σαν αποτέλεσμα τη μεταβολή της σταθεράς φάσης μέσα στον κυματοδηγό και επομένως της φάσης. Στη γενική περίπτωση ο στροφέας είναι αμφίδρομο στοιχείο χωρίς απώλειες και η μήτρα σκέδασης είναι: S 0 e i L 10 i10l e 0 όπου L είναι το μήκος του στοιχείου στον άξονα διάδοσης. 1/3/2019 9

10 ΣΥΧΝΟΜΕΤΡΟ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της συχνότητας λειτουργίας και αποτελείται από μια κοιλότητα τοποθετημένη πάνω σε ένα κυματοδηγό με τον οποίο επικοινωνεί μέσω μίας οπής, όπως φαίνεται στο Σχήμα. Η κοιλότητα έχει μεταβλητό μήκος L, δηλαδή έχει μεταβλητή συχνότητα συντονισμού. Όταν η συχνότητα συντονισμού της κοιλότητας είναι διαφορετική από τη συχνότητα λειτουργίας του ρυθμού ΤΕ 10 που διαδίδεται μέσα στον κυματοδηγό, τότε η ισχύς εξόδου (P out ) είναι περίπου ίση με την ισχύ εισόδου (P in ). Όμως όταν οι δύο αυτές συχνότητες είναι ίσες, τότε ένα μέρος της ισχύος (της τάξης του 30-40%) απορροφάται από την κοιλότητα και αυτό οδηγεί σε μείωση της ισχύος εξόδου. Στην πράξη ο κατασκευαστής του συχνομέτρου παρέχει πίνακα τιμών που συνδέει το μήκος κοιλότητας και τη συχνότητα συντονισμού. Συχνόμετρο απορρόφησης 1/3/

11 ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΣ ΦΩΡΑΤΗΣ Είναι το στοιχείο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση ενός μεγέθους που είναι ανάλογο της μεταδιδόμενης ισχύος. Δηλαδή, δεν μετρά απευθείας την ισχύ του κύματος. Πρόκειται για μια δίοδο ημιαγωγού τοποθετημένη στο εσωτερικό κυματοδηγού, του οποίου η μία πλευρά είναι βραχυκυκλωμένη σε απόσταση λ g /4 από τη δίοδο, όπως στο σχήμα. Η ένταση του ρεύματος στη δίοδο είναι ανάλογη της τάσης και συνήθως η εξάρτηση είναι είτε γραμμική (ανάλογη του πεδίου του κύματος) είτε τετραγωνική (ανάλογη της ισχύος του κύματος). Το όργανο αυτό στη συνέχεια συνδέεται με ομοαξονικό καλώδιο με τον παλμογράφο. Η ένδειξη του παλμογράφου είναι η τάση που αναπτύσσεται στην αντίσταση 50 Ω του ομοαξονικού καλωδίου, η οποία οφείλεται στο ρεύμα της διόδου, το οποίο με τη σειρά του είναι ανάλογο με το πεδίο ή την ισχύ του κύματος στο εσωτερικό του κυματοδηγού. Όμως μπορούν να υπολογιστούν ποσότητες που συνδέουν λόγους ισχύος, π.χ. συντελεστής ανάκλασης, λόγος στασίμων κυμάτων, κλπ. Κρυσταλλικός φωρατής 1/3/

12 ΕΝΔΕΙΚΤΗΣ ΣΤΑΣΙΜΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Για τη μέτρηση του μήκους κύματος μέσα στον κυματοδηγό είναι απαραίτητο αυτός να βρίσκεται σε μονορυθμική λειτουργία και να υπάρχουν σε αυτόν στάσιμα κύματα, όπως αυτά δίνονται στο Σχήμα Αν η απόσταση δύο διαδοχικών ελαχίστων είναι Δz, τότε ισχύει: π sin βδz 0 βz π z β 10 λ g 10 Υπενθυμίζεται ότι το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο (λ 0 ), το μήκος κύματος μέσα στον κυματοδηγό (λ g10 ) και το μήκος κύματος (λ 10 ) που αντιστοιχεί στη συχνότητα αποκοπής (f 10 ) συνδέονται μέσω της σχέσης: 2 Μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος του κυματοδηγού για τις περιπτώσεις μεγαλύτερων και μικρότερων ανακλάσεων π 2πf 2πfm λ gm c c λgm λ0 λm 1/3/

13 ΕΝΔΕΙΚΤΗΣ ΣΤΑΣΙΜΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Επομένως, γνωρίζοντας το μήκος κύματος αποκοπής για το ρυθμό ΤΕ 10 (λ 10 = 2α) και το λ g10, μπορούμε να βρούμε το λ 0 και στη συνέχεια τη συχνότητα λειτουργίας. Το όργανο με το οποίο είναι δυνατή η μελέτη του στάσιμου κύματος μέσα στον κυματοδηγό και ο υπολογισμός του μήκους κύματος διάδοσης μέσα στον κυματοδηγό δίνεται στο Σχήμα και ονομάζεται ενδείκτης στασίμων κυμάτων. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται ότι το όργανο μέτρησης (παλμογράφος), δηλαδή το κύμα έχει αποδιαμορφωθεί πριν οδηγηθεί σε αυτόν (δηλαδή έχει χρησιμοποιηθεί ένας κρυσταλλικός φωρατής), ενώ φαίνεται και το υποδεκάμετρο στο πλαϊνό τοίχωμα του κυματοδηγού, με το οποίο μετράμε τις αποστάσεις. Τέλος, στο δεξιό μέρος του ίδιου σχήματος φαίνονται οι προσαρμοστικοί κοχλίες, οι οποίοι μεταβάλλουν τη χαρακτηριστική αντίσταση στην έξοδο του ενδείκτη (παίζουν αντίστοιχο ρόλο με αυτό του ροοστάτη στα ηλεκτρικά κυκλώματα μικρής συχνότητας). Η περιγραφή αυτών δίνεται στην επόμενη παράγραφο. Ενδείκτης στασίμων κυμάτων 1/3/

14 ΕΝΔΕΙΚΤΗΣ ΣΤΑΣΙΜΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Όπως φαίνεται και στο Σχήμα στο πάνω τοίχωμα του κυματοδηγού υπάρχει μια σχισμή, η οποία δεν επηρεάζει καθόλου τη λειτουργία του κυματοδηγού, επειδή είναι διαμήκης και δεν κόβει ρευματικές γραμμές για την περίπτωση διάδοσης του ρυθμού ΤΕ 10 μέσα στον κυματοδηγό. Για την ελαχιστοποίηση των παραμορφώσεων η βύθιση της βελόνας πρέπει να είναι μικρή, ώστε να μην παραμορφώνονται τα χαρακτηριστικά διάδοσης του κύματος μέσα στον κυματοδηγό και να διατηρείται μικρή η ολίσθηση κατά μήκος της γραμμής. Το υψίσυχνο ηλεκτρικό πεδίο που επάγεται στη βελόνα ανορθώνεται στον κρυσταλλικό φωρατή και το ρεύμα εξόδου του φωρατή (που είναι ανάλογο της ισχύος του κύματος) οδηγείται στον παλμογράφο. Προφανώς, όταν η βελόνα έχει δυνατότητες μεταβλητού μήκους διείσδυσης μέσα στον κυματοδηγό και μεταβλητής θέσης κατά μήκος αυτού, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μεταβλητό φορτίο. Στην περίπτωση αυτή η διάταξη λέγεται προσαρμοστικό φορτίο και χρησιμοποιείται σε διατάξεις προσαρμογής για το μηδενισμό των ανακλάσεων. Ενδείκτης στασίμων κυμάτων 1/3/

15 ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΣ ΜΕ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΤΙΚΟΥΣ ΚΟΧΛΙΕΣ Πρόκειται για τμήμα κυματοδηγού με τρεις κατάλληλες οπές στην άνω πλευρά του, στις οποίες είναι τοποθετημένες κατάλληλες βίδες με δυνατότητα μετακίνησης προς το εσωτερικό του κυματοδηγού. Οι οπές βρίσκονται σε σταθερές θέσεις. Η χρησιμότητα του στοιχείου είναι η εξάλειψη ή τουλάχιστον η σημαντική μείωση των ανακλάσεων, όπου αυτές εμφανίζονται. Πολλές φορές, αντί για τρεις βίδες μπορεί να χρησιμοποιηθεί το στοιχείο που αναλύθηκε στην προηγούμενη παράγραφο και το οποίο αποτελείται από μια βελόνα με δυνατότητα μεταβλητής βύθισης μέσα στον κυματοδηγό καθώς και μετακίνησης κατά μήκος αυτού. 1/3/

16 ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΣ ΣΥΖΕΥΚΤΗΣ Το όργανο αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στις μικροκυματικές μετρήσεις και χρησιμοποιείται για την κατεύθυνση της ισχύος εισόδου προς συγκεκριμένες θύρες εξόδου. Πρόκειται για δύο κυματοδηγούς, οι οποίοι εφάπτονται και συνδέονται μέσω δύο οπών που απέχουν απόσταση L. Στο Σχήμα δίνεται μια διαμήκης διατομή αυτού. Όταν η απόσταση L ικανοποιεί τη σχέση: π λ 10 2β g 10L π L 2β 4 τότε τα κύματα στη θύρα Σ από την απευθείας διαδρομή και μετά από διαδρομή μήκους 2L αλληλοαναιρούνται, δηλαδή οι θύρες #1 και #4 (και αντίστοιχα οι #2 και #3) είναι ασύζευκτες μεταξύ τους. Επίσης, επειδή υπάρχει οριζόντια συμμετρία μεταξύ των δύο κυματοδηγών, η ισχύς που μπαίνει στη θύρα #1 βγαίνει κατά 50% από τη θύρα #2 και κατά 50% από τη #3. Αντίστοιχα, ισχύς που εισέρχεται στη θύρα #2 βγαίνει κατά 50% από τη θύρα #1 και κατά 50% από τη #4, κ.ο.κ. 10 Κατευθυντικός συζεύκτης 1/3/

17 ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΣ ΣΥΖΕΥΚΤΗΣ Η χρησιμότητα του οργάνου αυτού είναι στη δυνατότητα μέτρησης ανακλώμενου κύματος σε κάποιο σημείο μιας μικροκυματικής διάταξης. Ειδικότερα, ας θεωρήσουμε είσοδο τη θύρα #1 και έξοδο την #2, όπου θέλουμε να μετρήσουμε το συντελεστή ανάκλασης. Προσαρμόζοντας την #4 και μετρώντας την ισχύ στην #3, τότε η ισχύς είναι ίση με τη μισή της ισχύος εισόδου στην #1, δηλ. Q 3 = (P 1 /2). Αν στη συνέχεια προσαρμόσουμε την #3 και μετρήσουμε την ισχύ στην #4, αυτή είναι ίση με τη μισή της ισχύος εισόδου στην #2, δηλ. Q 4 = (P 2 /2). Όμως η προσπίπτουσα και η ανακλώμενη ισχύς στην #2 είναι Q 3 και 2Q 4, αντίστοιχα, και συνεπώς ο συντελεστής ανάκλασης στη #2 είναι: ρ 2 2 P P αν, 2 πρ, 2 2Q Q 3 4 1/3/

18 ΜΑΓΙΚΟ Τ Το Μαγικό Τ είναι ένα μικροκυματικό τετράθυρο, το οποίο έχει την εξής ιδιότητα: εισάγοντας δύο κύματα α 1 και α 2 στις θύρες #1 και #2, αντίστοιχα, τότε στην μία έξοδο παίρνουμε το άθροισμα αυτών και στην άλλη τη διαφορά τους. Η χρήση του είναι απαραίτητη για τη μέτρηση του συντελεστή μεταφοράς της μήτρας σκέδασης. Μαγικό Τ 1/3/

19 Μικροκύματα & Εφαρμογές (εργαστήριο)