Методичка: Устройства СВЧ и линии передачи

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ

И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра технической электродинамики и антенн

Учебно-методическое пособие

по изучению курса и выполнению курсовой работы по дисциплине

УСТРОЙСТВА СВЧ И ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Москва 2021

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Целью изучения студентами дисциплины “Устройства СВЧ и линии передачи” является овладение принципами проектирования, построения и эксплуатации линий связи и устройств СВЧ современных радиотехнических систем.

Устройства СВЧ и линии передачи (УСВЧиЛП) является одной из основных дисциплин базовой (общепрофессиональной) части учебного плана подготовки академического бакалавра по профилю Системы мобильной связи.

Входные знания, умения и компетенции, необходимые для изучения данной дисциплины, определяются следующими предшествующими дисциплинами: основы математического анализа, теория электрических цепей, основы теории электромагнитных полей и волн.

Овладение предметом изучения дисциплины УСВЧиЛП является обязательным условием для усвоения последующих дисциплин учебного плана: распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства, волоконно-оптические системы связи, радиопередающие устройства, сети и системы мобильной связи.

Дисциплина изучается в 5-м семестре, в нем предусмотрены: курсовая работа, лабораторный практикум и экзамен. Курсовая работа состоит из двух задач: задачи 1 и задачи 2. Защита курсовой работы производится перед экзаменом по курсу. Бюджет времени на изучение курса в часах:

Список литературы

Основная

1. Седов В.М., Гайнутдинов Т.А. Электромагнитные поля и волны.-Учебное пособие для вузов.-М.: Горячая линия-Телеком,2018.-284 с

2. Баранов С. А. Устройства СВЧ и антенны. Учебное пособие для вузов.-М.: Горячая линия - Телеком, 2018. - 344 с.

Дополнительная

3. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А. Д. Техническая электродинамика.-М.: Радио и связь, 2000.-536 с.

4. Воскресенский Д.И. и др. Устройства СВЧ и антенны.-М.: Радиотехника. 2006.-376 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ РАЗДЕЛОВ ПРОГРАММЫ КУРСА

1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

[1, гл. 8], [3, гл. 9]

Изучаемые вопросы

1. Понятие линии передачи. Типы регулярных линий передачи.

2. Связь между продольными и поперечными составляющими векторов электромагнитного поля.

3. Волновые уравнения для продольных составляющих векторов электромагнитного поля.

4. Классификация направляемых волн.

5. Параметры направляемых волн в линиях передачи: критическая частота, фазовая скорость, скорость распространения энергии, длина волны в линии передачи, характеристическое сопротивление среды.

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ С ТЕМ-ВОЛНОЙ

[1, разд.8.4, гл.10], [3,разд.9.4, 10.4-10.6]

Изучаемые вопросы

1. Основные параметры и общие методы нахождения структуры поля в линиях передачи с ТЕМ-волной.

2. Электромагнитные волны в коаксиальной линии: структура поля, волновое сопротивление, переносимая мощность, коэффициент ослабления, одноволновый режим работы.

3. Электромагнитные волны в двухпроводной и полосковой линии.

3 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ПОЛЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ

[1, гл.9], [3, разд. 10.1-10.3]

Изучаемые вопросы

1. Электромагнитные волны в прямоугольном металлическом волноводе: Е- волны, Н- волны, основная волна, одноволновый режим работы, поверхностные токи на стенках волновода, электрическая прочность, коэффициент ослабления.

2. Электромагнитные волны в круглом металлическом волноводе: Е-волны, Н- волны, основная волна, одноволновый режим работы, поверхностные токи на стенках волновода, электрическая прочность, коэффициент ослабления.

4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ЛИНИЯХ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ

[1, гл. 11], [3, разд. 10.7]

Изучаемые вопросы

1. Электромагнитные волны в планарном диэлектрическом волноводе.

2. Методика решения задачи о нахождении поля в волноводе для волн типа Е и Н.

3. Анализ дисперсионного уравнения. Условие распространения в волноводе только волны низшего типа.

4. Электромагнитные волны в круглом диэлектрическом волноводе.

5. Методика решения задачи о нахождении поля в волноводе.

6. Анализ дисперсионного уравнения. Типы волн в волноводе.

7. Нормированная частота. Параметры основной волны.

8. Одномодовый и многомодовый режимы работы в волноводе.

9. Использования волноводов для построения оптических кабелей связи.

5. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ

[1, гл.12], [2, гл.2 - 3], [3, разд. 12.1.1 - 12.2.4]

Изучаемые вопросы

1. Применение теории длинных линий к расчету режима в линиях передачи конечной длины.

2. Коэффициент отражения. Распределение напряжения и тока вдоль линии при различных нагрузках.

3. Коэффициент бегущей и стоячей волны.

4. Влияние режима работы линии передачи на ее энергетические характеристики.

5. Эквивалентное сопротивление линии.

6. Входное сопротивление реактивного шлейфа (короткозамкнутого и разомкнутого на конце отрезка линии).

7. Круговая диаграмма полных сопротивлений.

8. Узкополосное согласование реактивным шлейфом и четвертьволновым трансформатором (примеры согласования)..

9. Широкополосное согласование.

6 ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

[1, гл. 13], [3, гл.11]

Изучаемые вопросы

1. Основные параметры: резонансная частота, добротность.

2. Потери энергии в резонаторе. Собственная, внешняя и нагруженная добротности.

3. Резонаторы в виде отрезков регулярных линий передачи (прямоугольный, цилиндрический и другие).

4. Резонаторы оптического диапазона.

7 ЭЛЕМЕНТЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

[4, разд. 3.5 - 3.7, 4.4, гл. 7 - 9], [3, гл. 13 - 14]

Изучаемые вопросы

1. Соединения линий передачи: ВЧ разъемы контактного и дроссельного типов, повороты, изгибы, переходники, вращающиеся сочленения.

2. Элементы волноводного тракта.

3. Реактивные элементы (диафрагма, штырь), волноводные возбуждающие устройства (вибратор, рамка), аттенюаторы.

4. Волноводные тройники: Т - образные ( Е - тройник, Н - тройник), симметричные Y - тройники.

5. Мостовые схемы: двойной волноводный тройник, кольцевой мост и другие.

6. Поляризаторы.

7. Ферритовые устройства СВЧ: вентиль СВЧ, циркуляторы СВЧ.

8 ОСНОВЫ МАТРИЧНОЙ ТЕОРИИ УСТРОЙСТВ СВЧ

[2, гл.4], [4, гл.5], [3, разд. 12.3]

Изучаемые вопросы

1. Импедансные матрицы многополюсников СВЧ.

2. Волновые матрицы многополюсников СВЧ. Матрица рассеяния.

3. Матрица рассеяния двойного волноводного тройника (примеры расчета).

4. Матрицы рассеяния Е и Н тройников (примеры расчета).

ЗАДАЧА № 1

Рисунок 1

По прямоугольному волноводу, изображенному на рисунке 1, распространяется гармоническая электромагнитная волна. Стенки волновода являются идеально проводящими. Волновод заполнен однородным диэлектриком, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость . Потери в диэлектрике отсутствуют. Известны выражения для комплексных амплитуд некоторых проекций векторов поля (они указаны в таблице 1 для каждой последней цифры номера студенческого билета). Параметры волновода и данные для расчета приведены в таблице 2.

Требуется:

1) определить комплексные амплитуды всех остальных, не заданных в таблице 1 проекций векторов поля;

2) определить диапазон частот, в котором рассматриваемое поле представляет собой волну, бегущую вдоль оси z;

3) записать выражение для мгновенных значений всех проекций векторов поля и по ним построить графики зависимостей этих проекций от координаты z (при х =) в два момента времени t = 0 и t = в интервале 0 ? z ? Л, где Л - длина волны в волноводе на частоте f;

4) проверить выполнение граничных условий для векторов поля на всех стенках волновода;

5) определить максимальное значение амплитуды плотности поверхностного тока на всех стенках волновода (расчёт провести раздельно для продольного и поперечного токов);

6) вычислить мощность, переносимую волной заданного типа по волноводу;

7) рассчитать и построить частотные зависимости ;

8) изобразить линии векторов а также токов на всех стенках волновода для заданного типа волны;

Таблица 1

Таблица 2

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ № 1

Для выполнения всех пунктов задания следует проработать разделы 9.1 - 9.3 и 10.1 в [3] или 8.2, 8.3 и 9.1 в [1].

Для выполнения пункта 1 надо использовать либо первое уравнение Максвелла для монохроматического поля, либо второе, а затем, применив следующее представление для вектора rot

rot=

перейти от векторного уравнения к трём скалярным. Первое уравнение надо решать для вариантов 1- 3 в таблице 1, второе - для вариантов 4- 6.

Для остальных вариантов в этой таблице надо использовать соотношения (9.5) в [3], которые получаются из совместного решения первого и второго уравнений Максвелла для монохроматического поля.

Результатом такого решения являются соотношения вида:

,

),

),

).

Эти соотношения и надо использовать для решения пункта 1.

В результате решения пункта 1 становятся известными все проекции у векторов и , что позволяет сделать вывод о типе волны, распространяющейся по данному волноводу.

Требуемый для определения в пункте 2 диапазон частот находится из условия, что величина коэффициента фазы в представляет собой действительное положительное число.

;

где: ; =.

Что возможно, когда или и .

Чтобы записать мгновенные значения для всех проекций векторов поля, что требуется в задании пункта 3, надо использовать соотношение

A(t) = Re(),

где - комплексная амплитуда какой-либо проекции вектора например .

При построении графиков следует обратить особое внимание на их оформление. По вертикальной оси можно использовать только основные размерности и .

В пункте 4 надо проверить, что на всех стенках волновода равняются нулю касательные проекции вектораи нормальные вектора

Для выполнения пункта 5 сначала надо определить комплексные амплитуды плотности поверхностных токов на стенках волновода, причём раздельно для продольного и для поперечного токов

=

где - проекции орта внешней нормали к стенке волновода.

Например, внешняя нормаль для стенки х = 0 имеет проекции:

Далее в пункте 5 анализируются выражения для на предмет их максимумов, т.е. определяются максимальные значения этих плотностей токов и координаты тех точек, в которых это имеет место.

Для выполнения пункта 6 надо вычислить интеграл вида:

Заметим, что поперечные проекции поля в этих формулах были определены ранее в пункте 1.

Для построения графиков в пункте 7 следует использовать формулы 10.19 в [3].

Чтобы построить линии векторов токов на стенках волновода, следует изучить их для различных типов волн (они приведены в разделе 10.1 [3] и 9.1 [1] ). Заметим, что для удобства изображения линий токов на всех стенках волновода его следует развернуть, т.е. сделать плоским.