zhovnir

ж1. Конструктивні особливості, принципи функціонування та застосування поглиначів, відгалужувачів, фазообертачів та циркуляторів електромагнітних хвиль надвисоких частот.

Поглинач - це електронний пристрій, який зменшує амплітуду або потужність сигналу без суттєвого викривлення його форми. Існує 2 різновиди поглиначів СВЧ: 1. Поляризаційний - являє собою відрізок хвилеводу круглого перетину з вміщеній всередині поглинає пластиною, положення якої щодо напрямку поляризації сигналу можна змінювати. 2. Поглинаючий - заснований на затуханні електромагнітних хвиль у поглинаючих матеріалах. Конструктивна особливість поглиначів – наявність системи охолодження. Схематично поглинач зображують за допомогою схеми чотириполюсника опорів (Т, Г, П та ін.), математично таку схему описують за допомогою матриці опорів.

Рис 1. Структура і зовнішній вигляд

поглинача ( согласованої загрузки).

Відгалужувач - пристрій для відгалуження частини електромагнітної енергії з основного каналу передачі у допоміжний. Спрямований відгалужувач (СВ) являє собою два (іноді більше) відрізка ліній передачі, пов'язаних між собою певним чином, основна лінія називається первинною, допоміжна - вторинною. Для нормальної роботи СВ один з кінців вторинної лінії (неробочий плече) має бути заглушений узгодженим навантаженням, з другого (робочого плеча) знімається відгалуженний сигнал, залежно від того, яку хвилю в первинній лінії треба відгалузити - падаючу або відбиту, вибирається, яке плече вторинної лінії буде робочим. Математично властивості спрямованих відгалужувачів описуються за допомогою S-матриць (матриць розсіяння). Широко застосовуються в різних галузях радіоелектроніки, як у якості

самостійних пристроїв в кабельних і хвилеводних лініях, так і в якості елементів радіоелектронної апаратури. Як самостійні пристрої CВ використовуються для розгалуження сигналу з лінії (наприклад, телевізійні розгалужувачі) і для контролю параметрів сигналу в лінії і її узгодження. Як елементи апаратури використовуються в основному в радіовимірювальних приладах - НВЧ ватметри, приладах для вимірювання КСВ, коефіцієнта передачі, установках для перевірки атенюаторів і вимірювання послаблень, а також в інших випадках. Розрізняють хвилеводні , Хвилеводно-коаксіальні , Хвилеводно-полоскові, коаксіальні , полоскові, Відгалужувачі на зосереджених елементах.

Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или проходящей волны на требуемую величину. Различные конструкции таких устройств широко используются в трактах СВЧ, особенно в трактах фазированных АР. Различают отражательные и проходящие фазовращатели СВЧ. Отражательные фазовращатели отображаются на эквивалентной схеме как двухполюсники, а проходные – как четырехполюсники. Существуют фазовращатели механические, электрические и электромеханические. Различают также фазовращатели с плавным и дискретным изменениями фазы.

Простейший отражательный механический фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи с короткозамыкающим поршнем. Такое устройство характеризуется матрицей рассеяния, вырождающейся в одно число – коэффициент отражения от входа фазовращателя.

При изменении положения поршня в линии изменяется и фаза коэффициента отражения. Дискретный отражательный фазовращатель строится на основе полупроводниковых

выключателей. Волноводный вариант такого фазовращателя показан на рис. 3.24, где 1 – прямоугольный волновод; 2 – диафрагма; 3 – n-i-p-i-n-диод.

3

1

2

Рис. 3.24 Отражательный фазовращатель

Расстояние l между диафрагмами выбирается в зависимости от требуемого дискрета изменения фазы Δφ:

Δφ = – 2kzl,

где kz – продольная постоянная распространения волны в волноводе. Наличие двойки обусловлено двойным прохождением волной расстояния l. Например, l = λв/8 при Δφ = – π/2.

Простейший фазовращатель проходного типа представляет собой отрезок линии передачи длиной l, который имеет матрицу рассеяния вида:

Входы фазовращателя согласованы, т.е. диагональные элементы его матрицы рассеяния равны нулю. Потери, вносимые такими фазовращателями, минимальны, т.е. модуль коэффициентов передачи матрицы рассеяния равен единице. Величина фазового сдвига, вносимого простейшим фазовращателем, опредеделяется соотношением:

φ = – kzl.

Отсюда следует, что φ зависит от длины линии l и постоянной распространения kz. Изменяя одну из этих величин, можно изменять фазу φ. Общее выражение для kz имеет вид:

kz (2 / )1 ( / кр )2 2 (2 / кр )2 .

Видно, что величина kz может изменяться за счет изменения параметров среды ε или μ, заполняющей линию передачи, или за счет изменения размеров поперечного сечения линии, при котором изменяется λкр.

Простейшим механическим проходным фазовращателем с изменяющееся длиной является тромбонный фазовращатель, показанный на рис. 3.25.

l

Рис. 3.25 Волноводный тромбонный фазовращатель

Циркулятор – багатополюсник , зображений на рис , що має такі відмінні властивості: При подачі сигналу в плече 1 енергія передається тільки в плече 2 і не відгалужується в інші плечі

(3,4). Якщо на вхід 2 поступає ЕМ енергія, то вона не потрапляє в плечі 1 і 4, а передається в плече 3, і Т.Д. Ідеальний циркуля тор повинен мати не дисипативні властивості, тобто передача сигналу має проходити без втрат. Отримати такі властивості можна лише за допомогою невзаємних елементів, що входять до складу контуру. На рис.8.53 зображено 2 спрощені схеми фазових циркуля торів, використовуючих невзаємний фазовий зсув в прямокутному хвилеводі, що має намагнічений ферит. В склад кожного циркуля тора входить 2 мости між якими в найпростішому випадку розміщена 1 феритова пластина, що знаходиться в області кругової поляризації ВЧ МП. Існують також інші циркулятори, наприклад на ефекті Фарадея.

Циркулятори використовуються в відбивних підсилювачах. Підсилений сигнал , відбитий від підсилювача відділяється від падаючої хвилі і направляється в загрузку. Також використовуються в якості антенного перемикача.

Ж-2. Конструктивні особливості, принципи функціонування та застосування вимірювальних ліній, детекторних та термісторних голівок.

Вимірювальна лінія - пристрій для дослідження розподілу електричного поля вздовж НВЧ-лінії передач. Являє собою відрізок коаксіальної лінії або хвилеводу з переміщається уздовж нього індикатором, що відзначає вузли (пучності) електричного поля.

Лінія складається з трьох основних вузлів: відрізка передавальної лінії з поздовжньою вузькою щілиною, зондової головки і каретки з механізмом для переміщення зондової головки уздовж лінії. зондовая голівка є резонатор, порушуваний зондом - тонким дротом, зануреної через щілину у внутрішню порожнину хвилеводу. Глибину занурення зонда в лінії регулюють спеціальним гвинтом, розташованим зверху зондової головки. Усередині резонатора поміщений напівпровідниковий детектор, пов'язаний з індикаторним приладом. При переміщенні зонда уздовж лінії, усередині якої є електромагнітне поле, в зонді наводиться електрорушійна сила, пропорційна напруженості поля в перерізі розташування зонда. Ця ЕРС збуджує резонатор, створюючи в ньому електромагнітні коливання. Для зменшення спотворює дії зонда на електромагнітне поле в лінії і підвищення чутливості лінії об'ємний резонатор зондової головки налаштовують в резонанс з частотою електромагнітних коливань.

За допомогою вимірювальної лінії досліджується розподіл напруженості електромагнітного поля в тракті, з якого визначаються коефіцієнт стоячої хвилі як відношення амплітуд хвилі в

подводимой мощности, т. е. от нагревания полупроводника. Устройство типового бусинкового термистора для диапазона сверхвысоких частот показано но рис. 8.30. В качестве полупроподника используется смесь окислов металлов, например, магния, меди, никеля, кобальта, цинка и ванадия. Диаметр бусинки обычно выбирается порядка десятых долей миллиметра с тем, чтобы обеспечить эквивалентность теплового эффекта от постоянного и высокочастотного токов. Типичнаястатическая вольтамперная характерлетлка термистора показана на рис. 8.31.

Основное назначение бусинкового термивтора - измерение малой мощности СВЧ. Термистор включается в высовочастотные тракт таким образом, чтобы обеспечить поглощение в бусинкетермистора всей высокочастотной мощности, поступающей в тракт. Элементы высокочастотного тракта, в которые включается термисторы, называются термисторными головками. Примеры устройства настраивамой волвоводной и ненастраиваемой коаксиальной термисторных головок показаны на рис.8.32 и 8.33. Принципиально термисторные головки сходны с детекторными головками. Однако требования, предъявляемые к термисторным головкам, значительно жестче, по-скольку требуется измерять не относительную, а абсолютную величину мощности высокочастотных колебаний. Значительное рассогласонание термисторной roловки также может принести к погрешностям при измерении мощности. Наконец к термисторным головкам часто предъявляются требования широкополосности при фиксированной настройке. Внешней цепью термистора является мостовая схема, одним из плеч которой является сам термистор.

3.Рівняння руху електрона в е/м полі, час та кут прольоту електрона. Конвекційний та наведений струми. Теорема Шоклі-Рамо.

(все чтонашелболем-менее по толку)

, m=const – для НВЧ

Швидкість електрона в кожній точці визначається значенням напруженості електричного поля в цій точці:

Якщо електрон рухається в полі НВЧ, то потрібно враховувати зміну електричного і магнітного полів:

в ел. полі:

Рівняння руху ():

Час прольонту: Кут прольоту: , -зміна фази напруги

Магнітне поле не впливає на швидкість заряду, а лишу змінює його напрям руху. Сила, з якою діє магнітне поле на електрон:

Теорема Шоклі-Рамо

Нехай у просторі є n провідників, форма і взаємне розташування яких відомо і які вважаються заземленими. Нехай між ними рухається точковий зарядeзі швидкістю, малою у порівнянні зі швидкістю світла, так що можна знехтувати часом розповсюдження хвиль крізь с- му і розраховувати поле в кожній точці на основі чисто ел-статичних міркувань.

Тоді, позначивши як qkмиттєве значення заряду, наведеного на k-му провіднику зарядом е в момент часу t, знайдемо для току іk , підтікаючого ззовні до цього провідника в результаті руху

При русі від одного електрода до іншого, заряди наводять поверхневий заряд на цих електродах. При чому, на початку прольоту поверхневий заряд буде наводитися на К, по мірі приближення зарядів на А, заряди будуть перетікати з К на А, створюючи наведений струм.По суті, це струм що з’єднує електроди

;

4Ж.Струми провідності та зміщення, конвекційний, наведений і повний струми в приладах НВЧ.

Струм провідності – це упорядкований рух носіїв заряду в провідному середовищі. Струм

провідності визначається електричним зарядом усіх частинок, які проходять крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Струм зміщення – це особливий вид струму, який не пов'язаний з рухом носіїв заряду, а пропорційний швидкості зміни електромагнітного поля у вакуумі; струм зміщення має змінне магнітне поле; струм зміщення дорівнює струму провідності в зовнішньому колі.

Струм зміщення у вакуумі не виділяє джоулевої теплоти.

Отже згідно теорії Максвела: в просторі, охопленому змінним електричним полем,виникає струм зміщення, який складається із струму зміщення у вакуумі та поляризаційного струму зміщення. Змінні струми провідності, які існують в незамкнених контурах, завжди замикаються струмами зміщення. (наприклад, струм черезконденсатор)

Струм зміщенняпов'язанийзізміною в часіелектричного поля накордоніпровідник - діелектрик і маєособливості:

. Амплітуда струму зсуву та йогонаправленнязбігаються по фазі з такими струму провідності.

. За значеннямвінзавждидорівнює струму провідності.

Приватнимвипадком струму зміщення є струм поляризації. Ток поляризації --це ток зсуву не увакуумі, а в матеріальнійдіелектричноїсередовищі.

Сума струмівзміщення і поляризації становить повний струм зміщення. Конвекційнимназивається струм, створенийелектричними зарядами, щорухаються разом з тілом, на якомувонимістяться. Тобто конвекці йнийструм — електричний струм,

зумовленийрухомнаелектризованихтіл (наприклад, мікрочастинок пилу, диму тощо).

При русі від одного електрода до іншого, заряди наводять поверхневий заряд на цих електродах. При чому, на початку прольоту поверхневий заряд буде наводитися на К, по мірі приближення зарядів на А, заряди будуть перетікати з К на А,

створюючи наведений струм.По суті, це струм що з’єднує електроди

;

5 Електростатичний та динамічний методи модуляції електронного пучка

Модуля ция (лат.modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).

особенности динамического управления электронным потоком состоят в модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности и передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе. При этом время пролета имеет решающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.

Динамическое управление преобразованием энергии электронного пучка в энергию СВЧ поля обязательно включает в себя, три процесса:

-модуляцию электронов по скорости полем входного сигнала; -пространственную группировку электронов в пучке, обеспечивающую положительный энергообмен с СВЧ полем выходного сигнала;

-отбор энергии от неоднородного по плотности пучка и формирование СВЧ поля выходного сигнала.

Эти три процесса могут протекать в раздельных элементах объема прибора и в указанной временной последовательности (клистрон), или в одном к том же элементе объема и налагаясь друг на друга во времени (лампы бегущей волны).

Ж 6. Принципи побудови та застосування НВЧ-систем побутового та медичного призначення. Захист персоналу при експлуатації НВЧ-систем.

В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Зная, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света с, равной 300 000 км/с, нетрудно подсчитать, чему равна длина волны L микроволнового излучения данной частоты:

L = c/f = 12,25 см.

Всостав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Чтобы нагреть пищу с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд,

ана другом - отрицательный. К счастью, подобных молекул в пище предостаточно - это молекулы и жиров и сахаров, но главное, что диполем является молекула воды - самого распространенного в природе вещества.

Вотсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически (рис. 15,а).

Вэлектрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, "плюсом" в одну сторону, "минусом" в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180о

А теперь вспомним, что частота микроволн 2450 Мгц. Один герц - это одно колебание в секунду, мегагерц - один миллион колебаний в секунду. За один период волны поле меняет свое направление дважды: был "плюс", стал "минус", и снова вернулся исходный «плюс». Значит, поле, в котором находятся наши молекулы, меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду! Под действием микроволнового излучения молекулы кувыркаются с бешеной частотой и в буквальном смысле трутся одна о другую при переворотах (рис. 15,в). Выделяющееся при этом тепло и служит причиной разогрева пищи.

Вмедицині використовують КВЧ терапію. Метод КВЧ-терапіїгрунтований на

властивостях живого організму виробляти власні акустоелектричні коливання на клітинному рівні з частотами, що відповідають міліметровому діапазону довжин хвиль у вільному просторі для відновлення порушеного гомеостазу. Внаслідок патології або інших яких-небудь порушень організму амплітуда клітинних коливань хворої людини недостатня і саме цей недолік енергії заповнюється зовнішньою дією. Нині метод КВЧ-терапії застосовується в медичній практиці з метою активації саногенезу при лікуванні різних захворювань, а також для прискорення зростання і збільшення біомаси фотосинтезуючих організмів.

Сфера медичного застосування методу КВЧ-терапії дуже широка: рефлексотерапія,

стоматологія, гінекологія, дерматологія, урологія, неврологія, хірургія, проктологія і багато що ін.

Защита персонала от опасного воздействия СВЧ-облучения, так же как и от других видов далеко распространяющихся излучений, обеспечивается путем проведения ряда мероприятий: уменьшение излучения, исходящего от источника; экранирование источника излучения и рабочего места; поглощение электромагнитной энергии; применение средств индивидуальной защиты. Средства неразрушающего контроля качества, как правило, имеют маломощные источники СВЧ-излучения и вопросы обеспечения безопасной работы персонала решаются сравнительно просто. При этом надо следить, чтобы максимум излучаемой СВЧ-

энергии был направлен в область, где невозможно нахождение людей. Уменьшение мощности