TTS Moduł 6

W Wykładzie opiszemy elementy mikrofalowe i optyczne, z którymi mamy do czynienie przy projektowaniu i tworzeniu mikrofalowych i optofalowych torów transmisyjnych i pomiarowych. Ich znajomość jest potrzebna przy projektowaniu rozmaitych urządzeń, takich jak nadajniki i odbiorniki w łączach do transmisji danych. Wykład jest opisem działania elementów, bez głębszego wnikania w matematyczny formalizm tego opisu; wiedza tego wykładu ma charakter encyklopedyczny i powinna być łatwo przyswajalna.

---

Kolejne tematy pokazują Czytelnikowi wielką rozmaitość i pomysłowość rozwiązań bardzo zróżnicowanych zadań. Omówione zostaną w kolejności grupy elementów realizujących nastepujące funkcje: połączenie składników torów transmisyjnych podział i sumowanie mocy zmiana amplitudy i fazy sygnałów (tłumiki, regulatory fazy) filtrowanie sygnału Opisane elementy odgrywają wielką rolę w technice transmisji sygnałów dzięki licznym i bardzo rozmaitym zastosowaniom.

---

Funkcje pełnione przez elementy aktywne wzmacnianie sygnałów, wytwarzanie sygnału (generacja), przetwarzanie sygnału (modulacja, mieszanie, detekcja). W strukturach i układach elementów aktywnych spotkamy diody i tranzystory mikrofalowe, umożliwiające realizację opisywanych zadań. Elementy, które opiszemy w tym wykładzie realizują proste i oczywiste funkcje: transmisja mocy z punktu do punktu, podział i sumowanie mocy mikrofalowych, zmiana amplitudy i fazy sygnału, elementy układów: rezystory, kondensatory, filtrowanie sygnałów mikrofalowych i optycznych. Są to elementy pasywne, najczęściej nie wykorzystują układów pólprzewodnikowych, choć ma to miejsce coraz częściej.

---

Większość kabli współosiowych konstruowana jest w taki sposób, aby ich impedancja charakterystyczna wynosiła $Z_0=50\mathrm{\Omega }$. Wyjątkiem są kable telekomunikacyjne, które – ze względu na minimalizację strat – mają impedancję charakterystyczną $Z_0=75\mathrm{\Omega }$. Łączenie ze sobą rozmaitych przyrządów wymaga użycia kabli wyposażonych w jednakowe złącza. Przyrządy wyposażone są zwykle w gniazda wejściowe lub wyjściowe uznanych standardów, umożliwiających wyprowadzenie, albo doprowadzenie sygnałów. Najpopularniejszym jest złącze $N$. Jego prostota, uniwersalność i niezawodność spowodowały, że z biegiem lat złącze $N$ zostało uznane za najlepsze i jest powszechnie stosowane przez konstruktorów mikrofalowej aparatury pomiarowej. Średnica przewodu zewnętrznego linii powietrznej wynosi dla tego standardu 7 mm i dlatego jest rekomendowane do 18 GHz (pamiętamy, że w linii współosiowej można wzbudzić inne poza TEM mody, jeśli częstotliwość sygnału odpowiednio wzrośnie). Wygląd wtyków N i wymiary złącza pokazano na rysunku a). Aby powiększyć częstotliwościowy zakres pracy linii współosiowych opracowano w latach 60-tych złącze SMA, istotnie zminiaturyzowane w stosunku do złącza $N$. Opracowano je dla linii współosiowej o średnicy przewodu zewnętrznego 4,13 mm całkowicie wypełnionej teflonem. Złącza te mogą pracować do 25 GHz. Strukturę złącza SMA pokazano na rysunku b). Połączenie dwóch odcinków linii współosiowej złączem wprowadza niewielkie zaburzenie w propagacji fali. W miarę wzrostu częstotliwości zaburzenie to powoduje istotne odbicia. Odbicia te mogą utrudniać pomiary i być przyczyną błędów. Aby zmniejszyć nieciągłości wprowadzone przez złącze i zminimalizować odbicia opracowano specjalne konstrukcje precyzyjnych złączy APC-7 i APC-3,5 (Amphenol Precision Connector). Są to złącza z rodzaju ”sexless”, umożliwiające połączenie każdego z każdym. Złącze APC-7 opracowano dla średnicy przewodu powietrznego, zewnętrznego 7 mm; zalecane jest do 18 GHz. Złącze APC-3,5 opracowano dla średnicy przewodu powietrznego zewnętrznego 3,5 mm; zalecane jest do 40 GHz. Osobnym problemem jest technika łączenia falowodów. Konstruowane złącza falowodowe to połączenia precyzyjnie wykonanych kołnierzy, w które zaopatrzone są falowody. Kołnierze te skręcane są specjalnie skonstruowanymi śrubami. Przewidziane są także elementy centrujące. Przykład konstrukcji złącza falowodowego pokazano na rysunku c).

---

Połączenie dwóch różnych prowadnic strukturą, która nie wprowadza istotnych odbić jest problemem trudnym, rozwiązywanym w rozmaity sposób. Przykładem jest przejście z linii współosiowej do falowodu prostokątnego, pokazane na rysunku a). Przewód wewnętrzny linii współosiowej jest zakończony antenką pobudzającą falowód. Walec dielektryczny otaczający antenkę ma dobrane wymiary i przenikalność elektryczną dielektryka, aby uzyskać dobre dopasowanie w możliwie szerokim zakresie częstotliwości. Przejście z linii współosiowej na linię mikropaskową pokazano na rysunku b). Przewód wewnętrzny linii współosiowej przylutowany jest do paska linii mikropaskowej, o zmniejszonej szerokości. Mimo prostoty konstrukcji przejście zachowuje się bardzo dobrze w szerokim zakresie częstotliwości.

---

W wielu przypadkach należy połączyć ze sobą światłowody spawając je ze sobą albo bez spawania rdzeni i płaszczy. Stosujemy wtedy precyzyjne złącza mechaniczne, pokazane na rysunku obok. Istnieją także złącza mechaniczne, w których światłowody nie stykają się ze sobą. Przykłady takich złącz pokazano na kolejnym rysunki. Złącza mechaniczne zawsze wprowadzają niewielkie straty mocy optycznej, można je oszacować straty w zależności od rodzaju niedoskonałości połączenia.

---

Teoria obwodów o stałych skupionych opisuje zachowanie elementów i układów elektronicznych budując dla nich obwody zastępcze złożone z elementów $R$, $L$ i $C$. Teoria obwodów o stałych rozłożonych dodaje do arsenału elementów odcinek linii wraz ze zwarciem i rozwarciem. Z drugiej strony chcemy budować obwody pełniące określone funkcje, takie jak obwody dopasowujące, filtry, itp., z elementów, które zachowują się jak $R$, $L$ i $C$. Rezystor $R$ jest elementem, przez który pod napięciem $U$ płynie prąd $I$ w fazie z $U$. Stosunek $U/I$ określony jest prawem Ohma i jego wartość $R$ jest niezależna od $f$. Powstaje pytanie, jak zrealizować rezystor? Na rysunku a) pokazano rezystor utworzony przez nałożenie warstwy rezystywnej na walec ceramiczny. Tak powstały element zachowuje się jak rezystor w szerokim pasmie częstotliwości. Jednakże w ze wzrostem częstotliwości impedancja takiego elementu zmienia się i poprawne opisanie wartości tej impedancji wymaga użycie obwodu zastępczego z dodatkowymi elementami $L$ i $C$. Rezystor pokazany na rysunku b) powstał po nałożeniu warstwy rezystywnej na powierzchnię dysku ceramicznego. Tak skonstruowany rezystor łatwo wmontować do linii współosiowej między przewodem wewnętrznym i zewnętrznym. Na rysunku c) pokazano konstrukcję rezystora planarnego, utworzonego przez nałożenie/napylenie warstwy rezystywnej na dielektryk. Element taki można wmontować w strukturę linii mikropaskowej.

---

Indukcyjność jest elementem, przez który płynie prąd $I$ opóźniony o $90^{\circ }$ w stosunku do napięcia $U$, którego reaktancja jest proporcjonalna do częstotliwości $f$. Elementarną indukcyjność $L$ tworzy odcinek przewodu metalowego, pokazany na rysunku a). Wartość $L$ obliczamy z podanej zależności. Przewody miedziane, lub złote łączące elementy układów mogą być traktowane jako zwarcie tylko dla małych częstotliwości. Indukcyjność prostego przewodu jest niewielka. Strukturę cewki utworzonej przez wiele zwojów, często nawiniętych na rdzeniu z materiału ferrytowego pokazano na rysunku b). Obwód zastępczy takiego elementu jest złożony. Występujące pojemności międzyzwojowe reprezentowane są przez pojemność $C$. Obwód ten ma swoją częstotliwość rezonansową, powyżej której jego impedancja ma charakter pojemnościowy. W wielu przypadkach pojawia się konieczność zastosowania indukcyjności skupionej w układach planarnych. Indukcyjność zrealizowana w strukturze linii mikropaskowej pokazana jest na rysunku c).

---

Kondensator jest elementem, dla którego prąd $I$ wyprzedza napięcie $U$ o $90^{\circ }$, a jego reaktancja, ujemna co do znaku, jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości. Najprostszym kondensatorem jest kondensator warstwowy, utworzony przez umieszczenie dielektryka o grubości $h$ między płaskimi elektrodami metalowymi o powierzchni $S$ – rysunek a). Pojemność takiej struktury liczy się z dobrze znanego wzoru (4-2): Konstrukcje z rysunku b) to struktura międzypalczasta. Struktury takie pozwalają na realizację niewielkich pojemności. Dobór odpowiedniej pojemności realizuje się zmieniając liczbę „palców”, ich długość i odstęp między nimi.

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---