А. Н. Туполева Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций Седельников Ю. Е., Стахова Н. Е. Устройства свч и антенны Методические указания

Министерство образования и науки РФ Казанский государственный технический университет им. А.Н.ТуполеваИнститут радиоэлектроники и телекоммуникацийСедельников Ю.Е., Стахова Н.Е.Устройства СВЧ и антенны Методические указания к самостоятельному изучению курса для студентов специальности 210302 «Радиотехника» (заочная форма обучения) ЧАСТЬ 1. Теоретический курс и контрольная работа2007Содержание Стр. Введение ……………………………………………………………….. 3 1.Теоретический курс……………………………. 4 1.1. Перечень литературы по теоретическому курсу………. 1.2..Наименования тем, их содержание и рекомендуемые источники …………………………………………………… 4 1..3. Кон1трольные вопросы по теоретическому курсу…………... 2. Контрольная работа ……………………………………………… 2.1. Литература к контрольной работе…………………………… 2.2. Задания по контрольной работе ………………………………. 2.3. Указания к выполнению контрольной работы ……………… Приложение 1. Образец титульного листа ……………………… Приложение 2. Справочные материалы………………………… ВведениеОсновной целью курса является подготовка будущего специалиста к активному овладению современными методами анализа и проектирования различных антенн и устройств СВЧ. Основой этой подготовки служит акцент на фундаментальность подготовки в области базовых положений современной теории и практики, а также на те методические основы анализа, которые позволяют наиболее эффективно использовать современные средства вычислительной техники. В результате изучения курса студент, согласно Государственному стандарту на специальность 210302 «Радиотехника», должен изучить принципы функционирования устройств СВЧ и антенн; аналитические и численные методы их расчета, сочетание методов электродинамики и теории цепей СВЧ, типовые узлы и элементы устройств СВЧ и антенн, их электрические модели и конструкции; методы экспериментальных исследований их характеристик; автоматизированное проектирование устройств СВЧ и антенн; проблемы электромагнитной совместимости. Курс основан на знании студентами разделов математики, физики, основ теории цепей, электродинамики и распространения радиоволн в объеме, предусмотренном учебным планом подготовки по данной специальности. Дисциплины «Устройства СВЧ и антенны включает в себя самостоятельное изучение теоретического курса, выполнения контрольной работы, лабораторных работ и курсового проекта. Методические указания по изучению дисциплины «Устройства СВЧ и антенны» состоят из трех частей:Часть 1. Теоретический курс и контрольная работа.Часть 2. Лабораторный практикум.Часть 3. Курсовой проект. В предлагаемых методических указаниях (Часть 1) представлены: - содержание тем, предлагаемых к самостоятельному изучению, - контрольная работа (задания, указания к выполнению), - рекомендуемая литература, - справочные материалы необходимые для выполнения контрольной работы. На изучение дисциплины учебным планом отведено 170 часов. Теоретический курс включает 16 часов лекций и самостоятельную проработку материала (154 часа) в объеме программы курса. Контрольная работа заключается в выполнении расчетов параметров элементов устройств СВЧ в соответствии с индивидуальным заданием. Целью является приобретение практических навыков расчетов, а также закрепление материала теоретического курса. Теоретический курс1.1. Перечень литературы по теоретическому курсуОсновная литература Максимов В.М. Устройства СВЧ: основы теории и элементы тракта. М: САЙНС-ПРЕСС, 2002.-74с. Авксентьев А.А., Воробьев Н.Г., Морозов Г.А., Стахова Н.Е., Устройства СВЧ для радиоэлектронных систем (Учебное пособие) Изд-во КГТУ, г.Казань. 2004. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. Учебное пособие. - М.: Высшая школа ,1981-380с. Антенны и устройства СВЧ \под ред.Д.И. Воскресенского, М.:.Радио и связь,1981 – 432с. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств.М.: Связь, 1972 – 352 с.^ 1.2. Наименование тем, их содержание и рекомендуемые источники. Наименование темы, ее содержание литература 1 2 Введение Назначение антенн и устройств СВЧ в радиотехнических системах. Антенна как устройство преобразования направляемых волн в свободно распространяющиеся в пространстве. Особенности антенн и устройств СВЧ, определяемые соизмеримостью геометрических размеров и длины волны. Исторические аспекты развития теории и техники антенн и устройств СВЧ. [3] стр.12-16, ^ Тема1. Электромагнитные волны в линиях передачи .Волны в однородной бесконечной линии передачи. Типы волн, параметры, характеризующие процесс распространения волн. Одномодовый и многомодовый режимы распространения волн. Основные типы линий передачи различных частотных диапазонов волн: полые волноводы, коаксиальные, полосковые. Волноведущие структуры КВЧ и оптического диапазонов.^ Волны в однородной нагруженной линии передачи. Отражение энергии от концевой нагрузки. Коэффициент отражения, коэффициент стоячей волны, входное сопротивление и их преобразования (трансформация) в линии передачи. [3] стр.17-36 [3] стр. 36-42 1 2 Продолжение Темы 1.Нерегулярная линия передачи. Отражение и прохождение электромагнитной волной участка линии передачи с нерегулярностью. Типы нерегулярностей. Эквивалентная схема короткого отрезка линии передачи СВЧ. Свойства коротких отрезков линии передачи (четвертьволновый трансформатор, полуволновый фазосдвигатель, реактивные шлейфы). Переходы между линиями передачи.^ Согласование нагрузок. Понятие согласования. Согласование при помощи вводимых нерегулярностей. Согласующий трансформатор. Понятие узкополосного и широкополосного согласования. Факт ограничения полосы частот согласования свойствами нагрузки. [3] стр.40– 42.[3] стр.43-47, 144-150 ^ Тема 2 Четырехполюсники и многополюсники СВЧОбратимые четырехполюсники СВЧ Понятие четырехполюсника СВЧ. Его параметры. Волновые матрицы четырехполюсника. Матрица рассеяния и её физический смысл. Каскадное соединение четырехполюсников и его матрица рассеяния. Фильтры СВЧ. Классификация фильтров. Принцип действия. Примеры реализации фильтров. [3], стр.97-105[3] стр.115-117, 122-144 1 2 Продолжение Темы 2Обратимые многополюсники СВЧ Понятие многополюсника СВЧ. Матрица рассеяния и ее физический смысл. Соединение многополюсников, принципы расчета сложных многополюсных соединений. Примеры многополюсников СВЧ: направленные ответвители, делители мощности СВЧ. [3] стр. 70-73, 104-113, 113-115, 115-118 [1] стр.26-32, 36-46 ^ Тема 3. Невзаимные, нелинейные и управляемые четырехполюсники и многополюсники СВЧНевзаимные многополюсники СВЧ Понятие вентиля и циркулятора и их свойства. Примеры реализации и использования циркуляторов и вентилей. Нелинейные двухполюсники и четырехполюсники СВЧ: назначение, выполняемые функции. Примеры реализации детекторов, смесителей и ограничителей мощности.^ Управляемые устройства СВЧ Понятие управляемых аттенюатора и фазовращателя СВЧ. Аттенюаторы и фазовращатели с механическим и электронным управлением. Примеры реализации.^ Нелинейные устройства СВЧ. Назначение и принцип действия детекторов, смесителей и ограничителей мощности СВЧ [3] стр. 166-180[1] стр.61-70[3] стр.150-156, 157-166 1 2 ^ Тема 4. Направленные антенныОсновные характеристики и параметры антенн Классификация антенн. Слабонаправленные и остронаправленные антенны. Диаграмма направленности (ДН) и ее параметры. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны.^ Принципы создания направленного излучения антенн Поле излучения как интерференция полей, излученных элементами антенны. Интерференция в дальней зоне и в зоне Френеля. Условная граница дальней зоны. Понятие апертуры антенна. Связь поля в апертуре антенны с ДН в дальней зоне.^ Общиие закономерности влияния вида аплитудно-фазового распределения поля в апертуре антенны на ДН. Синфазная апертура. Направление максимального излучения. Влияние характера амплитудного распределения на параметры ДН непрерывной антенны: ширину луча и параметры боковых лепестков. Антенны с линейным фазовым распределением. Направление максимума излучения. Общий характер зависимости параметров антенны от направления максимального излучения. Понятие фазовых ошибок и общий характер их влияния на основные параметры антенны. [3] стр. 181-183, 191-205[3] стр. 184 – 190, 316-318[3] стр.283– 292 1 2 Продолжение Темы 4Системы дискретных источников. Понятие антенной решетки. Основные типы. Эквидистантная антенная решетка. Диаграмма направленности антенной решетки. Общий характер влияния амплитудно-фазового распределения на диаграмму направленности и ее параметры. Влияние шага решетки. Понятие вторичных максимумов и условия их отсутствия..^ Энергетические параметры антенн Связь значений КНД с диаграммой направленности и ее параметрами. Приближенные соотношения. Требования к параметрам бокового излучения в антеннах с высокой направленностью. Связь апертурного распределения, размеров апертуры и значения КНД. Понятие апертурного КИП. ^ Предельные соотношения в апертурной теории антенн Связь ширины луча и электрической длины антенны. Минимальное значение ширины луча в синфазной антенне. Связь ширины луча и параметров бокового излучения. Понятие оптимальной Дольф-Чебышевской антенны. Предельное значение КИП и КНД в синфазной антенне. Принципиальное ограничение достижимого коэффициента усиления погрешностями изготовления антенны и потерями в распределительном устройстве антенны. [3] стр.273-280, [3] стр. 280-282 298-302, 318-320 1 2 ^ Тема 5. Антенны в режиме приемаОсновные характеристики и параметры антенн в режиме приема. Связь с характеристиками и параметрами антенн в режиме передачи. Понятие эффективной поверхности антенны, связь со значением коэффициента усиления антенны в режиме передачи. Передача мощности между двумя антеннами. Понятие шумовой температуры приемной антенны. Связь с основными характеристиками антенны: КНД ,КПД, параметрами ДН. Шумовая добротность приемной антенны. [3] стр. 205-222 ^ Тема 6. Основные типы антеннОсновные типы остронаправленных антенн СВЧ Рупорные антенны. Принцип действия, общий характер зависимости параметров антенн от геометрических размеров. Некоторые разновидности рупорных антенн. Зеркальные антенны: принцип действия, общий характер зависимости параметров антенн от геометрических размеров зеркала и параметров облучателя. Основные разновидности зеркальных антенн. Линзовые антенны. Принцип действия, основные разновидности. [3] стр.360– 364,[3] стр.371– 394.[3 стр. 365-371 1 2 Продолжение Темы 6.Слабонаправленные антенны Вибраторные антенны. Понятие симметричного вибратора. Зависимость ДН и входного сопротивления вибраторной антенны от геометрических размеров вибратора. Симметрирование вибраторной антенны и простейшие симметрирующие устройства. Понятие электрически короткой антенны. Короткая вибраторная антенна и ее параметры. Согласование коротких антенн и диапазонные свойства. Несимметричный вибратор типа штырь над плоскостью и его свойства. Щелевые антенны. Принцип действия и основные свойства. Связь с параметрами вибраторных антенн. Односторонние и двухсторонние щелевые антенны. Возбуждение щелей линиями передачи.^ Антенные решетки Решётки вибраторных антенн. Понятие взаимной связи антенн и его описание. Необходимость учета взаимовлияния излучателей в антенной решетке. Вибраторные антенны с пассивными элементами. Антенна типа «волновой канал». Антенные решетки с управляемой диаграммой направленности. Принцип действия фазированной антенной решетки. [3] стр. 100 – 113.[3] стр. 243 –246[3] стр. 308 – 310.[3] стр. 394-414 [4] стр.13-20 1 2 ^ Тема 7. Экспериментальное исследование антенн и устройств СВЧМетоды измерений параметров антенн и устройств СВЧ Методы измерения диаграммы направленности и коэффициента усиления антенны. Автоматизация антенных измерений. Измерение параметров СВЧ-устройств. Автоматизация измерений КСВ и коэффициентов передачи. [5] стр.187-197, ^ Тема 8. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ и антенн. Особенности проектирования устройств СВЧ и антенн. САПР устройств СВЧ –Microwave Office, Ansoft Serenade. САПР антенн – Microwave Studio, FEKO. Сквозное проектирование устройств СВЧ и антенн. Интеграция с CAD|CAM системами. www.eltm.ruwww.mician.com www.cst.dewww.mwoffice.com ^ Тема 9. Воздействие электромагнитных излучений на технические средства и биологические объекты. Понятие электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. Нормирование электромагнитных излучений. [5] стр.239 – 242. ^ 1.3. Контрольные вопросы по теоретическому курсу.Тема 1 Какими параметрами характеризуется распространение электромагнитной волны в линии передачи? Что такое основной тип волны? Какой тип волны является основным для прямоугольного волновода? Какой тип волны является основным для коаксиального волновода? Какой тип волны является основным для полосковых волноводов? Что характеризует коэффициент отражения в линии передачи? При каких условиях в линии передачи существует режим стоячих волн? При каких условиях в линии передачи существует режим бегущих волн? При каких условиях в линии передачи существует режим смешанных волн? Как изменяется коэффициент отражения в линии передачи без потерь при изменении расстояния от концевой нагрузки? Как связаны между собой коэффициент отражения и величина входного сопротивления? Что означает понятие «согласование нагрузки»? Является ли согласование активной нагрузки при помощи четвертьволнового трансформатора широкополосным? Возможно ли согласование активной нагрузки в произвольно широкой полосе частот? Возможно ли согласование комплексной нагрузки в произвольно широкой полосе частот? Что означает понятие «нерегулярность в линии передачи»?Тема 2. Что такое «четырехполюсник СВЧ»? Что такое «многополюсник СВЧ»? Какими параметрами описываются свойства четырехполюсников СВЧ? Связь между какими величинами выражает матрица рассеяния? Каким образом? В чем состоит физический смысл диагональных коэффициентов матрицы рассеяния? В чем состоит физический смысл недиагональных элементов матрицы рассеяния? Какие функции выполняют фильтры СВЧ? Какие существуют типы фильтров? Какие функции выполняют делители мощности СВЧ? Что такое направленный ответвитель СВЧ?Тема 3. Какие из устройств СВЧ называются нелинейными? Какие из устройств СВЧ называются невзаимными? Какие из устройств СВЧ называются управляемыми? Что такое «вентиль СВЧ»? Что такое «циркулятор СВЧ»? В чем состоят функции аттенюатора СВЧ? В чем состоят функции фазовращателя СВЧ? Какие свойства ферритов положены в основу построения невзаимных устройств СВЧ? Какие свойства ферритов используются при построении управляемых фазовращателей СВЧ? Какие свойства полупроводниковых диодов используются при построении управляемых фазовращателей? Что такое p-i-n диод и в чем состоят его основные свойства?Тема 4. В чем состоит физический смысл амплитудной диаграммы направленности антенны? В чем состоит физический смысл фазовой диаграммы направленности антенны? Как связаны между собой амплитудная диаграмма направленности и диаграмма направленности по мощности7 Почему диаграмму направленности антенны часто представляют в логарифмическом масштабе ( в децибелах)? Что такое «ширина ДН антенны»? Что такое «уровень боковых лепестков»? Почему эту величину обычно выражают в децибелах? Какие свойства ДН антенны определяет коэффициент направленного действия? Как связан КНД с диаграммой направленности? В чем состоят основные отличия электромагнитного поля в дальней зоне и зоне Френеля? Какими факторами определяется значение условной границы дальней зоны протяженной антенны? Что такое «апертура антенны»? Каким образом связаны между собой распределение излучающих токов в апертуре и диаграмма направленности непрерывной антенны? В каком направлении максимальна интенсивность излученного поля синфазной апертуры? В каком направлении ориентирован максимум ДН антенн с линейным фазовым распределением? Как зависит ширина ДН синфазной апертуры от вида амплитудного распределения? Как зависит уровень боковых лепестков ДН синфазной апертуры от вида амплитудного распределения? Каким образом изменяются ширина ДН и уровень боковых лепестков при отклонении луча от нормали в антеннах с линейным фазовым распределением? Что такое «антенная решетка»? Что такое эквидистантная антенная решетка? Шаг решетки? Что такое «вторичные максимумы ДН антенной решетки»? При каких условиях они отсутствуют? Как изменяется КНД антенны при уменьшении ширины ДН и постоянстве параметров боковых лепестков? Что такое «апертурный коэффициент использования поверхности»? При каких условиях КИП имеет максимальное значение? Каким образом КНД антенны зависит от ее геометрических размеров и длины волны? Каким образом связаны между собой значения КНД и коэффициента усиления антенны? Какими факторами ограничено минимально возможное значение ширины ДН синфазной антенны? Какими факторами ограничено максимально возможное значение КНД синфазной апертуры? Почему максимально возможное значение коэффициента усиления антенны ограничено потерями в распределительном устройстве?Тема 5. Как связаны между собой диаграммы направленности при приеме и передаче? Какой физический смысл имеет амплитудная ДН в режиме приема? Какой физический смысл имеет фазовая ДН в режиме приема? Что такое «эффективная площадь приемной антенны»? Что такое « действующая длина приемной антенны»? Как связаны между собой значения коэффициента усиления и эффективной площади приемной антенны? При каких условиях имеет место максимальная передача электромагнитной энергии между передающей и приемной антеннами, расположенными в дальней зоне? Какую роль играют поляризационные свойства антенн при передаче энергии между передающей и приемной антеннами? Какие свойства приемной антенны определяет величина ее шумовой температуры? Какими факторами определяется значение шумовой температуры приемной антенны?Тема 6. Каким образом зависят ширина ДН и КНД рупорной антенны от ее геометрических размеров? В чем состоит принцип действия зеркальной антенны? Почему в однозеркальных антеннах зеркало имеет параболический профиль? Что такое «двухзеркальная антенна»? В чем состоит ее принцип действия? В чем состоят основные преимущества двухзеркальных антенн перед однозеркальными? Что собой представляет зеркальная антенн с вынесенным облучателем? В чем состоят основные преимущества таких антенн? В чем состоит принцип действия линзовых антенн? Почему чаще используются вибраторные антенны с длиной около половины длины волны? Какой вид имеет ДН полуволнового вибратора в плоскости вибратора? В перпендикулярной плоскости? С какой целью производится симметрирование вибраторных антенн? Что представляет собой антенна «четвертьволновый штырь над плоскостью»? Какой вид имеет ее ДН в плоскости экрана? Что такое «резонансная длина вибраторной антенны»? Чему равна эта величина для симметричного и несимметричного вибраторов? Какой характер имеют активная и реактивная части входного сопротивления коротких вибраторных антенн? Какими факторами ограничены возможности использования электрически коротких антенн? В чем состоит явление взаимной связи элементов в антенной решетке? В чем состоит принцип действия антенны типа «волновой канал»? Что такое фазированная антенная решетка (ФАР)? В чем состоит ее принцип действия?Тема 7 Какими факторами определяется минимальное расстояние между приемной и передающей антеннами при измерении ДН? В чем состоит принцип измерения коэффициента усиления антенны? В чем состоит принцип измерения диаграммы направленности антенны? Каким образом можно определить экспериментально значения коэффициентов матрицы рассеяния многополюсника СВЧ? Каким образом в автоматизированных измерителях КСВ и ослаблений производится измерение указанных параметров в полосе частот?Тема 8. 8.1. Возможности САПР устройств СВЧ и антенн.Тема 9. 9.1.Как проявляется воздействие электромагнитных излучений на технические средства в зависимости от их интенсивности? 9.2. В чем состоит понятие электромагнитной совместимости радиосредств при излучении и приеме помех антеннами? 9.3 В чем состоит воздействие поля излучения антенн на биологические объекты? 9.4. Существуют ли нормативные требования, ограничивающие допустимые уровни электромагнитных излучений радиочастотного диапазона?ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Образец титульного листаКазанский государственный технический университет им. А.Н.ТуполеваИнститут радиоэлектроники и телекоммуникацийКафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем^ КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТАПо дисциплине « Устройства сверхвысоких частот и антенны»Выполнил: студент гр. 5471Ф.И.О.Консультант:2008 г.ПРИЛОЖЕНИЕ 2Материалы, используемые при проектировании устройств СВЧ.Конструкционные материалы Таблица П 1. Названиеметалла УдельнаяпроводимостьСм/м Активная составляющая поверхностногосопротивления, Ом Серебро 6,25 * 10 7 4,40 / 10 -3 Медь 5,72 * 10 7 4,45 / 10 -3 Золото 4,10 * 10 7 5,17 / 10 -3 Алюминий 3,57 * 10 7 5,90 / 10 -3 Латунь (1.572.62) * 10 7 8,70 / 10 -3 Диэлектрики Таблица П.2. Диэлектрик Относительнаядиэлектрическая проницаемость Тангенс угла диэлектрических потерь Электрическая прочностькВ/мм Толщинаплат,мм Полиэтилен 2,32,4 (4-5) * 104 40 - Полистирол 2.5-2.6 (3-4) * 104 20 - Фторопласт 1,92,2 (2-3) * 104 40 - Пенопласт 1,11,25 (1-3) * 104 - - Подложки для микрополосковых линий Сапфирит 9,39,7 1 * 104 40-50 1,0; 1,5 Поликор 9,8 (0,2-0,5) * 104 50 1,0; 1,5 Фольгированные диэлектрики Таблица П3 марка диэлектрика Относительнаядиэлектрическая проницаемость Тангенс угла диэлектрических потерь Толщинаплат,мм ФФ-4 2,5 7 * 10 - 4 1,5; 2,0; 2,5 ФАФ-4 2,5 8 * 10 - 4 1,0; 1,5; 2,0 ПТ-3 2,74 11 * 10 - 4 3,0 ПТ-5 5,0 11 * 10 - 4 2,0; 2,5 ПТ-7 7,0 15 * 10 - 4 4,0; 5,0; 10,0 ПТ-10 10,0 20 * 10 - 4 15,0 ФЛАН-5 5,0 15 * 10 - 4 1,0; 2,0; 2,5 ФЛАН-10 10,0 15 * 10 - 4 1,0; 2,0; 2,5 ПФП 2,35 5 * 10 - 4 1,5; 2,5; 3,0 Стандартные волноводыТаблица П.4. Марка волновода(международный стандарт) Диапазон рабочих длин волн, см Внутренние размеры, мм Толщина стенок (мм) МЭК-18 13,63-20,70 129,54 х 64,77 2,03 МЭК-22 11,45-17,45 109,22 х 54,61 2,03 МЭК-26 9,1-13,83 86,36 х 43,18 2,03 МЭК-32 7,60-11,55 72,14 х 34,04 2,03 МЭК-40 6,13-9,32 58,17 х 29,083 1,63 МЭК-48 5,01-7,62 47,55 х 22,149 1,63 МЭК-58 4,26-6,47 40,39 х 20,193 1,63 МЭК-70 3,67-5,58 34,85 х 15,799 1,63 МЭК-81 3,00-4,56 28,499 х 12,624 1,63 МЭК-100 2,50-3,66 22,860 х 10,160 1,27 МЭК-120 2,00-3,05 19,050 х 9,525 1,27 МЭК-140 1,67-2,52 15,799 х 7,899 1,02 МЭК-180 1,36-2,07 12,954 х 6,477 1,02 МЭК-220 1,125-1,70 10,688 х 4,318 1,02 МЭК-260 0,91-1,38 8,636 х 4,318 1,02 МЭК-320 0,75-1,135 7,112 х 3,556 1,02 МЭК-400 0,60-0,910 5,690 х 2,845 1,02