วิศวกรรมไมโครเวฟ - คู่มือฉบับย่อ

Electromagnetic Spectrum ประกอบด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งช่วง รังสีคือพลังงานที่เดินทางและแพร่กระจายออกไปเมื่อมันแพร่กระจาย ประเภทของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงอยู่ในภาพหน้าจอต่อไปนี้

ตอนนี้เรามาดูคุณสมบัติของไมโครเวฟกัน

คุณสมบัติของไมโครเวฟ

คุณสมบัติหลักของไมโครเวฟมีดังนี้

• ไมโครเวฟเป็นคลื่นที่แผ่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า

• ไมโครเวฟไม่สะท้อนโดยไอโอโนสเฟียร์

• ไมโครเวฟเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสะท้อนโดยพื้นผิวที่นำไฟฟ้า

• ไมโครเวฟสามารถลดทอนได้อย่างง่ายดายในระยะทางสั้น ๆ

• กระแสไมโครเวฟสามารถไหลผ่านสายเคเบิลบาง ๆ

ข้อดีของไมโครเวฟ

ข้อดีของไมโครเวฟมีดังต่อไปนี้ -

• รองรับแบนด์วิธที่ใหญ่ขึ้นและส่งข้อมูลได้มากขึ้น ด้วยเหตุนี้ไมโครเวฟจึงใช้สำหรับการสื่อสารแบบจุดต่อจุด

• สามารถรับเสาอากาศได้มากขึ้น

• อัตราข้อมูลที่สูงขึ้นจะถูกส่งเนื่องจากแบนด์วิดธ์มากขึ้น

• ขนาดเสาอากาศจะลดลงเนื่องจากความถี่สูงขึ้น

• ใช้พลังงานต่ำเนื่องจากสัญญาณมีความถี่สูงขึ้น

• ผลของการซีดจางจะลดลงโดยใช้การขยายแนวสายตา

• ให้พื้นที่สะท้อนที่มีประสิทธิภาพในระบบเรดาร์

• การสื่อสารผ่านดาวเทียมและภาคพื้นดินที่มีความจุสูงเป็นไปได้

• สามารถพัฒนาส่วนประกอบไมโครเวฟขนาดเล็กราคาประหยัดได้

• การใช้คลื่นความถี่ที่มีประสิทธิภาพพร้อมการใช้งานที่หลากหลายในทุกช่วงความถี่ของการทำงานที่มีอยู่

ข้อเสียของไมโครเวฟ

ข้อเสียของไมโครเวฟมีดังต่อไปนี้ -

• ต้นทุนอุปกรณ์หรือค่าติดตั้งสูง
• พวกเขาแข็งแรงและใช้พื้นที่มากขึ้น
• อาจเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
• อาจเกิดความแปรปรวนของคุณสมบัติเป็นฉนวนกับอุณหภูมิได้
• ความไม่มีประสิทธิภาพของพลังงานไฟฟ้าโดยธรรมชาติ

การใช้ไมโครเวฟ

มีการใช้งานที่หลากหลายสำหรับไมโครเวฟซึ่งไม่สามารถใช้กับการแผ่รังสีอื่น ๆ ได้ พวกเขาคือ -

การสื่อสารไร้สาย

• สำหรับโทรศัพท์ทางไกล
• Bluetooth
• การดำเนินการ WIMAX
• การส่งสัญญาณกระจายเสียงกลางแจ้ง
• บริการเสริมการออกอากาศ
• หน่วยรถกระบะระยะไกล
• ลิงค์สตูดิโอ / เครื่องส่งสัญญาณ
• ดาวเทียมออกอากาศโดยตรง (DBS)
• ระบบการสื่อสารส่วนบุคคล (PCSs)
• เครือข่ายท้องถิ่นไร้สาย (WLAN)
• ระบบเซลลูลาร์วิดีโอ (CV)
• ระบบหลีกเลี่ยงการชนกันของรถยนต์

อิเล็กทรอนิกส์

• สวิตช์ที่ไม่กระวนกระวายใจอย่างรวดเร็ว
• ตัวเปลี่ยนเฟส
• การสร้าง HF
• การปรับแต่งองค์ประกอบ
• ระบบ ECM / ECCM (Electronic Counter Measure)
• กระจายระบบสเปกตรัม

ใช้ในเชิงพาณิชย์

• สัญญาณกันขโมย
• ที่เปิดประตูโรงรถ
• เครื่องตรวจจับความเร็วของตำรวจ
• การระบุโดยวิธีการไม่ติดต่อ
• โทรศัพท์มือถือวิทยุติดตามตัว LAN ไร้สาย
• โทรทัศน์ดาวเทียมวิทยุ XM
• เครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหว
• การสำรวจระยะไกล

การนำทาง

• ระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลก
• ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก (GPS)

ทหารและเรดาร์

• Radars เพื่อตรวจจับระยะและความเร็วของเป้าหมาย

• แอปพลิเคชั่น SONAR

• การควบคุมการจราจรทางอากาศ

• การพยากรณ์อากาศ

• การนำทางเรือ

• แอพพลิเคชั่นกวาดทุ่นระเบิด

• การบังคับใช้ขีด จำกัด ความเร็ว

• ทหารใช้ความถี่ไมโครเวฟสำหรับการสื่อสารและสำหรับการใช้งานดังกล่าวข้างต้น

การประยุกต์ใช้การวิจัย

• การสั่นพ้องของอะตอม
• เรโซแนนซ์ของนิวเคลียร์

ดาราศาสตร์วิทยุ

• ทำเครื่องหมายรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล
• การตรวจจับคลื่นพลังในจักรวาล
• การตรวจจับการแผ่รังสีจำนวนมากในจักรวาลและชั้นบรรยากาศของโลก

อุตสาหกรรมอาหาร

• เตาอบไมโครเวฟใช้สำหรับอุ่นและปรุงอาหาร
• การใช้งานด้านการแปรรูปอาหาร
• การใช้งานก่อนทำความร้อน
• Pre-cooking
• การย่างอาหารธัญพืช / ถั่ว
• การอบแห้งมันฝรั่งทอด
• การปรับระดับความชื้น
• ดูดซับโมเลกุลของน้ำ

ใช้ในอุตสาหกรรม

• ยางวัลคาไนซ์
• การประยุกต์ใช้เคมีวิเคราะห์
• กระบวนการอบแห้งและปฏิกิริยา
• การแปรรูปเซรามิก
• เมทริกซ์พอลิเมอร์
• การปรับเปลี่ยนพื้นผิว
• การแปรรูปไอเคมี
• การแปรรูปผง
• ยาฆ่าเชื้อ
• การสังเคราะห์ทางเคมี
• การแก้ไขของเสีย
• ระบบส่งกำลัง
• น่าเบื่ออุโมงค์
• ทำลายหิน / คอนกรีต
• ทำลายตะเข็บถ่านหิน
• การบ่มปูนซีเมนต์
• ไฟ RF
• เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น
• ระบบปฏิเสธที่ใช้งานอยู่

เทคนิคการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์

• การกัดไอออนปฏิกิริยา
• การสะสมไอสารเคมี

สเปกโทรสโกปี

• Electron Paramagnetic Resonance (EPR หรือ ESR) Spectroscopy
• เรียนรู้เกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ในสารเคมี
• เพื่อให้ทราบถึงอนุมูลอิสระในวัสดุ
• เคมีอิเล็กตรอน

การใช้งานทางการแพทย์

• ตรวจสอบการเต้นของหัวใจ
• การตรวจหาน้ำในปอด
• การตรวจหาเนื้องอก
• hyperthermia ในภูมิภาค
• แอปพลิเคชั่นบำบัด
• เครื่องทำความร้อนในพื้นที่
• Angioplasty
• การตรวจเอกซเรย์ไมโครเวฟ
• การถ่ายภาพด้วยไมโครเวฟ

สำหรับคลื่นใด ๆ ที่จะแพร่กระจายจำเป็นต้องมีสื่อ สายส่งซึ่งเป็นประเภทต่างๆใช้สำหรับการแพร่กระจายของไมโครเวฟ ให้เราเรียนรู้เกี่ยวกับพวกเขาในบทถัดไป

ก transmission lineเป็นตัวเชื่อมต่อที่ส่งพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง การศึกษาทฤษฎีสายส่งมีประโยชน์ในการใช้พลังงานและอุปกรณ์อย่างมีประสิทธิภาพ

โดยทั่วไปมีสายส่งสี่ประเภท -

• สายส่งแบบขนานสองสาย
• เส้นโคแอกเชียล
• สายส่งพื้นผิวชนิดสตริป
• Waveguides

ในขณะส่งหรือขณะรับการถ่ายเทพลังงานจะต้องทำได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องสิ้นเปลืองพลังงาน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้มีพารามิเตอร์ที่สำคัญบางประการที่ต้องพิจารณา

พารามิเตอร์หลักของสายส่ง

พารามิเตอร์ที่สำคัญของสายส่งคือความต้านทานความเหนี่ยวนำความจุและการนำไฟฟ้า

ความต้านทานและการเหนี่ยวนำรวมกันเรียกว่าสายส่ง impedance.

ความจุและการนำไฟฟ้ารวมกันเรียกว่า admittance.

ความต้านทาน

ความต้านทานที่นำเสนอโดยวัสดุที่ใช้ทำสายส่งจะมีจำนวนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสายที่สั้นกว่า เมื่อกระแสของสายเพิ่มขึ้นการสูญเสียโอห์มมิค $ \ left (I ^ {2} R \: loss \ right) $ ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

ความต้านทาน $R$ ของตัวนำความยาว "$l$" และหน้าตัด "$a$" แสดงเป็น

$$ R = \ rho \ frac {l} {a} $$

ที่ไหน

?? $ \ rho $ = ความต้านทานของวัสดุตัวนำซึ่งคงที่

อุณหภูมิและความถี่ของกระแสไฟฟ้าเป็นปัจจัยหลักที่มีผลต่อความต้านทานของเส้น ความต้านทานของตัวนำจะแปรผันตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ในขณะที่ถ้าความถี่ของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่มีต่อพื้นผิวของตัวนำก็จะเพิ่มขึ้นด้วย มิฉะนั้นความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าต่อศูนย์กลางของตัวนำจะเพิ่มขึ้น

ซึ่งหมายความว่ายิ่งกระแสไหลไปที่พื้นผิวของตัวนำกระแสไฟฟ้าก็จะไหลเข้าหาศูนย์กลางน้อยลงซึ่งเรียกว่า Skin Effect.

ตัวเหนี่ยวนำ

ในสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับกระแสไฟฟ้าจะไหลเป็นรูปไซน์ กระแสไฟฟ้านี้ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าซึ่งแตกต่างกันไปตามรูปไซน์ สิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันดีในนามกฎของฟาราเดย์ ฟิลด์จะแสดงในรูปต่อไปนี้

สนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันนี้จะเหนี่ยวนำ EMF บางส่วนเข้าสู่ตัวนำ ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำหรือ EMF จะไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสที่ไหลในตอนแรก EMF ที่ไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามจะแสดงโดยพารามิเตอร์ที่เรียกว่าInductanceซึ่งเป็นคุณสมบัติในการต่อต้านการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน

แสดงโดย "L". หน่วยวัดคือ"Henry(H)".

ความประพฤติ

จะมีกระแสรั่วไหลระหว่างสายส่งและสายดินและระหว่างตัวนำเฟสด้วย โดยทั่วไปกระแสไฟฟ้ารั่วจำนวนเล็กน้อยนี้จะไหลผ่านพื้นผิวของฉนวน ผกผันของกระแสไฟฟ้ารั่วนี้เรียกว่าConductance. แสดงโดย "G".

การไหลของกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับการเหนี่ยวนำและความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดทั้งสองนั้นสัมพันธ์กับความจุ ตัวเหนี่ยวนำเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กในขณะที่ความจุสัมพันธ์กับสนามไฟฟ้า

ความจุ

ความต่างศักย์ระหว่าง Phase conductorsก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำ ตัวนำทั้งสองก็เหมือนกับเพลตขนานและอากาศที่อยู่ระหว่างนั้นจะกลายเป็นอิเล็กทริก รูปแบบนี้ก่อให้เกิดผลของความจุระหว่างตัวนำ

ความต้านทานลักษณะ

หากพิจารณาสายส่งแบบไม่สูญเสียที่สม่ำเสมอสำหรับคลื่นที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวอัตราส่วนของแอมพลิจูดของแรงดันและกระแสตามแนวนั้นซึ่งไม่มีการสะท้อนกลับจะเรียกว่าเป็น Characteristic impedance.

แสดงด้วย $ Z_0 $

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {แรงดันไฟฟ้า \: \: wave \: \: value} {current \: \: wave \: \: value}} $$

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}} $$

สำหรับเส้นที่ไม่มีการสูญเสีย $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $

โดยที่ $ L $ & $ C $ คือการเหนี่ยวนำและความจุต่อหน่วยความยาว

การจับคู่ความต้านทาน

เพื่อให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานสูงสุดไปยังโหลดต้องทำการจับคู่อิมพีแดนซ์ เพื่อให้บรรลุการจับคู่อิมพีแดนซ์นี้จะต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขต่อไปนี้

ความต้านทานของโหลดควรเท่ากับของแหล่งที่มา

$$ R_L = R_S $$

รีแอคแตนซ์ของโหลดควรเท่ากับของแหล่งกำเนิด แต่ตรงข้ามกันในเครื่องหมาย

$$ X_L = -X_S $$

ซึ่งหมายความว่าถ้าแหล่งที่มาเป็นอุปนัยโหลดควรเป็นแบบ capacitive และในทางกลับกัน

การสะท้อนร่วมที่มีประสิทธิภาพ

พารามิเตอร์ที่แสดงปริมาณพลังงานที่สะท้อนกลับเนื่องจากความต้านทานไม่ตรงกันในสายส่งเรียกว่า Reflection coefficient. ระบุโดย $ \ rho $(rho).

สามารถกำหนดเป็น "อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าสะท้อนต่อแรงดันตกกระทบที่ขั้วโหลด"

$$ \ rho = \ frac {สะท้อน \: แรงดันไฟฟ้า} {เหตุการณ์ \: แรงดันไฟฟ้า} = \ frac {V_r} {V_i} \: ที่ \: load \: ขั้ว $$

หากอิมพีแดนซ์ระหว่างอุปกรณ์และสายส่งไม่ตรงกันพลังงานจะสะท้อนออกมา ยิ่งพลังงานได้รับการสะท้อนมากเท่าใดค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของ $ \ rho $ ก็จะยิ่งมากขึ้น

อัตราส่วนคลื่นแรงดันไฟฟ้า (VSWR)

คลื่นนิ่งจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นตกกระทบสะท้อนออกไป คลื่นนิ่งที่ก่อตัวขึ้นมีแรงดันไฟฟ้าบางส่วน ขนาดของคลื่นนิ่งสามารถวัดได้ในรูปของอัตราส่วนคลื่นนิ่ง

อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดต่อแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดในคลื่นนิ่งสามารถกำหนดเป็น Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) แสดงโดย "$ S $"

$$ S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ right |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty $$

VSWR อธิบายรูปแบบคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ในสายส่งเนื่องจากการเพิ่มเฟสและการลบของเหตุการณ์และคลื่นสะท้อน

ดังนั้นจึงสามารถเขียนเป็นไฟล์

$$ S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho} $$

ยิ่งค่าอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันมากเท่าใดแอมพลิจูดของคลื่นนิ่งก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้นหากอิมพีแดนซ์ถูกจับคู่อย่างสมบูรณ์

$$ V_ {max}: V_ {min} = 1: 1 $$

ดังนั้นค่าของ VSWR จึงเป็นเอกภาพซึ่งหมายความว่าการส่งผ่านนั้นสมบูรณ์แบบ

ประสิทธิภาพของสายส่ง

ประสิทธิภาพของสายส่งถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของกำลังขับต่อกำลังไฟฟ้าเข้า

$ \% \: efficiency \: of \: transmission \: line \: \ eta = \ frac {Power \: ส่ง \: at \: reception} {Power \: sent \: from \: the \: transmission \: end} \ คูณ 100 $

การควบคุมแรงดันไฟฟ้า

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าหมายถึงการเปลี่ยนแปลงขนาดของแรงดันไฟฟ้าระหว่างปลายส่งและรับของสายส่ง

$ \% \: แรงดัน \: ระเบียบ = \ frac {ส่ง \: end \: แรงดันไฟฟ้า - \: รับ \: end \: แรงดันไฟฟ้า} {ส่ง \: end \: แรงดันไฟฟ้า} \ คูณ 100 $

การสูญเสียเนื่องจากความต้านทานไม่ตรงกัน

สายส่งหากไม่สิ้นสุดด้วยโหลดที่ตรงกันจะเกิดการสูญเสีย การสูญเสียเหล่านี้มีหลายประเภทเช่นการสูญเสียการลดทอนการสูญเสียการสะท้อนการสูญเสียการส่งการสูญเสียการส่งคืนการสูญเสียการแทรก ฯลฯ

การสูญเสียการลดทอน

การสูญเสียที่เกิดขึ้นเนื่องจากการดูดซับสัญญาณในสายส่งเรียกว่าการสูญเสียการลดทอนซึ่งแสดงเป็น

$$ การลดทอน \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right] $$

ที่ไหน

• $ E_i $ = พลังงานอินพุต

• $ E_r $ = พลังงานที่สะท้อนจากโหลดไปยังอินพุต

• $ E_t $ = พลังงานที่ส่งไปยังโหลด

การสูญเสียการสะท้อน

การสูญเสียที่เกิดขึ้นเนื่องจากการสะท้อนของสัญญาณเนื่องจากความต้านทานไม่ตรงกันของสายส่งเรียกว่าการสูญเสียการสะท้อนซึ่งแสดงเป็น

$$ Reflection \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right] $$

ที่ไหน

• $ E_i $ = พลังงานอินพุต

• $ E_r $ = พลังงานสะท้อนจากโหลด

การสูญเสียการส่ง

การสูญเสียที่เกิดขึ้นขณะส่งผ่านสายส่งเรียกว่า Transmission loss ซึ่งแสดงเป็น

$$ Transmission \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$

ที่ไหน

• $ E_i $ = พลังงานอินพุต

• $ E_t $ = พลังงานที่ส่งผ่าน

การสูญเสียกลับ

การวัดกำลังที่สะท้อนจากสายส่งเรียกว่าการสูญเสียผลตอบแทนซึ่งแสดงเป็น

$$ Return \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r} $$

ที่ไหน

• $ E_i $ = พลังงานอินพุต

• $ E_r $ = พลังงานที่สะท้อนกลับ

การสูญเสียการแทรก

การสูญเสียที่เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทพลังงานโดยใช้สายส่งเมื่อเทียบกับการถ่ายเทพลังงานโดยไม่มีสายส่งเรียกว่าการสูญเสียการแทรกซึ่งแสดงเป็น

$$ Insertion \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$

ที่ไหน

• $ E_1 $ = พลังงานที่โหลดได้รับเมื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งที่มาโดยไม่มีสายส่ง

• $ E_2 $ = พลังงานที่โหลดได้รับเมื่อสายส่งเชื่อมต่อระหว่างโหลดและแหล่งที่มา

Stub Matching

หากอิมพีแดนซ์ของโหลดไม่ตรงกับอิมพีแดนซ์ต้นทางบางครั้งก็ใช้วิธีที่เรียกว่า "Stub Matching" เพื่อให้ได้การจับคู่

กระบวนการเชื่อมต่อส่วนของสายเปิดหรือลัดวงจรที่เรียกว่า stubs ในการปัดด้วยเส้นหลักในบางจุดหรือบางจุดสามารถเรียกได้ว่าเป็น Stub Matching.

ที่ความถี่ไมโครเวฟที่สูงขึ้นโดยทั่วไปจะใช้เทคนิคการจับคู่ต้นขั้วสองแบบ

การจับคู่ Stub เดียว

ในการจับคู่แบบ Single Stub จะมีการวางต้นขั้วที่มีความยาวคงที่ที่ระยะห่างจากโหลด ใช้สำหรับความถี่คงที่เท่านั้นเนื่องจากสำหรับการเปลี่ยนแปลงความถี่ใด ๆ จะต้องมีการเปลี่ยนตำแหน่งของต้นขั้วซึ่งไม่ได้ทำ วิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับสายโคแอกเชียล

การจับคู่ Stub คู่

ในการจับคู่สตั๊ดคู่ความยาวตัวแปรสองเส้นจะถูกกำหนดไว้ที่บางตำแหน่ง เมื่อโหลดเปลี่ยนไปจะมีการปรับเฉพาะความยาวของส่วนต่อเพื่อให้ได้การจับคู่ สิ่งนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการเป็นอุปกรณ์จับคู่ความถี่เดียว

ตัวเลขต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าการจับคู่ของต้นขั้วมีลักษณะอย่างไร

การจับคู่ต้นขั้วเดี่ยวและการจับคู่ต้นขั้วคู่ดังที่แสดงในรูปด้านบนจะกระทำในสายส่งเพื่อให้เกิดการจับคู่อิมพีแดนซ์

คลื่นมีทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ส่วนประกอบตามขวางทั้งหมดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกกำหนดจากส่วนประกอบตามแนวแกนของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในทิศทาง z สิ่งนี้อนุญาตให้สร้างโหมดเช่น TE, TM, TEM และ Hybrid ในไมโครเวฟ ให้เรามาดูประเภทของโหมดต่างๆ

ทิศทางขององค์ประกอบทางไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตามทิศทางตั้งฉากกันสามทิศทาง x, y และ z แสดงดังแสดงในรูปต่อไปนี้

ประเภทของโหมด

โหมดการแพร่กระจายของไมโครเวฟคือ -

TEM (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง)

ในโหมดนี้ทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กล้วนขวางทิศทางการแพร่กระจาย ไม่มีส่วนประกอบในทิศทาง $ 'Z' $

$$ E_z = 0 \: และ \: H_z = 0 $$

TE (คลื่นไฟฟ้าตามขวาง)

ในโหมดนี้สนามไฟฟ้าจะขวางทิศทางของการแพร่กระจายอย่างหมดจดในขณะที่สนามแม่เหล็กไม่อยู่

$$ E_z = 0 \: และ \: H_z \ ne 0 $$

TM (คลื่นแม่เหล็กตามขวาง)

ในโหมดนี้สนามแม่เหล็กจะเคลื่อนที่ตามทิศทางของการแพร่กระจายอย่างหมดจดในขณะที่สนามไฟฟ้าไม่ใช่

$$ E_z \ ne 0 \: และ \: H_z = 0 $$

เขา (คลื่นลูกผสม)

ในโหมดนี้ทั้งสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไม่ได้ขวางทิศทางของการแพร่กระจายอย่างหมดจด

$$ E_z \ ne 0 \: และ \: H_z \ ne 0 $$

โดยปกติแล้วสายตัวนำหลายเส้นสนับสนุนโหมด TEM ของการแพร่กระจายเนื่องจากทฤษฎีของสายส่งนั้นใช้ได้กับระบบตัวนำที่มีเส้นทางไปและกลับเท่านั้นกล่าวคือสายที่สามารถรองรับคลื่น TEM ได้

ท่อนำคลื่นเป็นสายตัวนำเดี่ยวที่อนุญาตโหมด TE และ TM แต่ไม่ใช่โหมด TEM คำแนะนำตัวนำแบบเปิดรองรับคลื่นลูกผสม ประเภทของสายส่งจะกล่าวถึงในบทถัดไป

สายส่งแบบเปิดแบบธรรมดาไม่เหมาะสำหรับการส่งผ่านไมโครเวฟเนื่องจากการสูญเสียรังสีจะสูง ที่ความถี่ไมโครเวฟสายส่งที่ใช้สามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทอย่างกว้าง ๆ พวกเขาคือ -

• สายตัวนำหลายเส้น
  • เส้นแกนร่วม
  • เส้นสตริป
  • เส้นไมโครสตริป
  • เส้นสล็อต
  • เส้น Coplanar เป็นต้น

• สายตัวนำเดี่ยว (ท่อนำคลื่น)
  • ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม
  • ท่อนำคลื่นแบบวงกลม
  • ท่อนำคลื่นรูปไข่
  • ท่อนำคลื่นแบบสันเดียว
  • ท่อนำคลื่นแบบสันคู่ ฯลฯ

• โครงสร้างขอบเขตเปิด
  • แท่งไฟฟ้า Di-electric
  • ท่อนำคลื่นแบบเปิด ฯลฯ

เส้นหลายตัวนำ

สายส่งที่มีมากกว่าหนึ่งตัวนำเรียกว่าสายแบบหลายตัวนำ

เส้นแกนร่วม

อันนี้ส่วนใหญ่จะใช้กับงานความถี่สูง

สายโคแอกเซียลประกอบด้วยตัวนำภายในที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน dแล้วมีวัสดุฉนวนทรงกระบอกศูนย์กลางอยู่รอบ ๆ สิ่งนี้ล้อมรอบด้วยตัวนำด้านนอกซึ่งเป็นทรงกระบอกศูนย์กลางที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในD. โครงสร้างนี้เป็นที่เข้าใจได้ดีโดยดูที่รูปต่อไปนี้

โหมดพื้นฐานและโหมดเด่นในสายเคเบิลแกนร่วมคือโหมด TEM ไม่มีความถี่ตัดในสายเคเบิลแกนร่วม มันผ่านทุกความถี่ อย่างไรก็ตามสำหรับความถี่ที่สูงขึ้นโหมด non-TEM ลำดับที่สูงกว่าจะเริ่มแพร่กระจายทำให้เกิดการลดทอนจำนวนมาก

เส้นสตริป

นี่คือสายส่งระนาบที่ใช้ที่ความถี่ตั้งแต่ 100MHz ถึง 100GHz

ก Strip line ประกอบด้วยแถบนำไฟฟ้าบางกลางที่มีความกว้าง ω ซึ่งมากกว่าความหนา t. วางอยู่ภายในพื้นผิวอิเล็กทริกการสูญเสียต่ำ (ε _r ) ที่มีความหนา b / 2 ระหว่างแผ่นกราวด์กว้างสองแผ่น ความกว้างของแผ่นพื้นมากกว่าระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกห้าเท่า

ความหนาของตัวนำกลางที่เป็นโลหะและความหนาของระนาบพื้นโลหะเหมือนกัน รูปต่อไปนี้แสดงมุมมองหน้าตัดของโครงสร้างเส้นสตริป

โหมดพื้นฐานและที่โดดเด่นในเส้น Strip คือโหมด TEM สำหรับb<λ/2จะไม่มีการขยายพันธุ์ในทิศทางตามขวาง อิมพีแดนซ์ของเส้นสตริปแปรผกผันกับอัตราส่วนของความกว้างω ของตัวนำภายในไปยังระยะทาง b ระหว่างระนาบพื้น

เส้นไมโครสตริป

เส้นแถบมีข้อเสียที่ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับการปรับและจูน หลีกเลี่ยงสิ่งนี้ในเส้นไมโครสตริปซึ่งช่วยให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์แอคทีฟหรือพาสซีฟได้และยังช่วยให้ทำการปรับแต่งเล็กน้อยหลังจากที่สร้างวงจรแล้ว

เส้นไมโครสตริปเป็นสายส่งแผ่นขนานที่ไม่สมมาตรโดยมีพื้นผิวที่เป็นไฟฟ้าซึ่งมีพื้นโลหะที่ด้านล่างและแถบนำไฟฟ้าบาง ๆ ที่ด้านบนมีความหนา 't'และความกว้าง'ω'. สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้โดยดูที่รูปต่อไปนี้ซึ่งแสดงเส้นไมโครสตริป

อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของไมโครสตริปคือฟังก์ชันของความกว้างของเส้นสตริป (ω), ความหนา (t) และระยะห่างระหว่างเส้นกับระนาบพื้น (h). เส้นไมโครสตริปมีหลายประเภทเช่นไมโครสตริปแบบฝังไมโครสตริปแบบกลับด้านไมโครสตริปและสายส่งไมโครสตริปแบบเจาะรู

นอกจากนี้ยังมีการใช้เส้น TEM อื่น ๆ เช่นเส้นสตริปขนานและแถบโคพลานาร์สำหรับวงจรรวมไมโครเวฟ

สายอื่น ๆ

ก Parallel Strip lineคล้ายกับสายส่งสองตัวนำ สามารถรองรับโหมดกึ่ง TEM ได้ รูปต่อไปนี้อธิบายสิ่งนี้

ก Coplanar strip lineถูกสร้างขึ้นโดยแถบนำไฟฟ้าสองแถบโดยมีหนึ่งแถบต่อสายดินทั้งสองแถบวางอยู่บนพื้นผิววัสดุพิมพ์เดียวกันเพื่อการเชื่อมต่อที่สะดวก รูปต่อไปนี้อธิบายสิ่งนี้

ก Slot line transmission lineประกอบด้วยช่องหรือช่องว่างในการเคลือบตัวนำบนพื้นผิวอิเล็กทริกและกระบวนการผลิตนี้จะเหมือนกับเส้นไมโครสตริป ต่อไปนี้คือการแสดงแผนภาพ

ท่อนำคลื่นโคพลานาร์ประกอบด้วยแถบฟิล์มโลหะบาง ๆ ซึ่งสะสมอยู่บนพื้นผิวของแผ่นอิเล็กทริก แผ่นนี้มีอิเล็กโทรดสองตัวที่อยู่ติดกันและขนานกับแถบบนพื้นผิวเดียวกัน รูปต่อไปนี้อธิบายสิ่งนี้

เส้นไมโครสตริปทั้งหมดนี้ใช้ในงานไมโครเวฟซึ่งการใช้สายส่งขนาดใหญ่และมีราคาแพงในการผลิตจะเป็นข้อเสีย

เปิดโครงสร้างขอบเขต

สิ่งเหล่านี้สามารถระบุได้ว่า Open Electromagnetic Waveguides. ท่อนำคลื่นที่ไม่ได้ปิดมิดชิดในการป้องกันโลหะถือได้ว่าเป็นท่อนำคลื่นแบบเปิด พื้นที่ว่างยังถือเป็นท่อนำคลื่นแบบเปิด

ท่อนำคลื่นแบบเปิดอาจถูกกำหนดให้เป็นอุปกรณ์ทางกายภาพใด ๆ ที่มีสมมาตรตามแนวยาวและหน้าตัดที่ไม่มีขอบเขตซึ่งสามารถนำทางคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ พวกมันมีสเปกตรัมซึ่งไม่ต่อเนื่องอีกต่อไป เส้นไมโครสตริปและใยแก้วนำแสงเป็นตัวอย่างของท่อนำคลื่นแบบเปิด

โดยทั่วไปหากความถี่ของสัญญาณหรือแถบสัญญาณเฉพาะสูงการใช้แบนด์วิดท์จะสูงเนื่องจากสัญญาณมีพื้นที่มากขึ้นสำหรับสัญญาณอื่น ๆ ในการสะสม อย่างไรก็ตามสัญญาณความถี่สูงไม่สามารถเดินทางเป็นระยะทางไกลได้โดยไม่ได้รับการลดทอน เราได้ศึกษาว่าสายส่งช่วยให้สัญญาณเดินทางได้ไกลขึ้น

ไมโครเวฟแพร่กระจายผ่านวงจรไมโครเวฟส่วนประกอบและอุปกรณ์ซึ่งทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของสายส่งไมโครเวฟเรียกอย่างกว้าง ๆ ว่า Waveguides

ท่อโลหะกลวงที่มีหน้าตัดสม่ำเสมอสำหรับส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยการสะท้อนต่อเนื่องจากผนังด้านในของท่อเรียกว่า a Waveguide.

รูปต่อไปนี้แสดงตัวอย่างของท่อนำคลื่น

โดยทั่วไปนิยมใช้ท่อนำคลื่นในการสื่อสารด้วยไมโครเวฟ ท่อนำคลื่นเป็นรูปแบบพิเศษของสายส่งซึ่งเป็นท่อโลหะกลวง ท่อนำคลื่นไม่มีตัวนำตรงกลางต่างจากสายส่ง

ลักษณะสำคัญของท่อนำคลื่นคือ -

• ผนังท่อให้การเหนี่ยวนำแบบกระจาย

• ช่องว่างระหว่างผนังท่อให้ความจุแบบกระจาย

• เหล่านี้มีขนาดใหญ่และมีราคาแพง

ข้อดีของท่อนำคลื่น

ต่อไปนี้เป็นข้อดีบางประการของ Waveguides

• ท่อนำคลื่นนั้นผลิตได้ง่าย

• สามารถรองรับพลังงานขนาดใหญ่มาก (เป็นกิโลวัตต์)

• การสูญเสียพลังงานมีน้อยมากในท่อนำคลื่น

• พวกเขาให้การสูญเสียต่ำมาก (ค่าการลดทอนอัลฟาต่ำ)

• เมื่อพลังงานไมโครเวฟเดินทางผ่านท่อนำคลื่นจะมีการสูญเสียต่ำกว่าสายโคแอกเชียล

ประเภทของท่อนำคลื่น

ท่อนำคลื่นมีห้าประเภท

• ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม
• ท่อนำคลื่นแบบวงกลม
• ท่อนำคลื่นรูปไข่
• ท่อนำคลื่นแบบสันเดียว
• ท่อนำคลื่นสองชั้น

ตัวเลขต่อไปนี้แสดงประเภทของท่อนำคลื่น

ประเภทของท่อนำคลื่นที่แสดงด้านบนกลวงตรงกลางและประกอบด้วยผนังทองแดง สิ่งเหล่านี้มีซับบาง ๆ ของ Au หรือ Ag บนพื้นผิวด้านใน

ตอนนี้ให้เราเปรียบเทียบสายส่งและท่อนำคลื่น

สายส่งกับท่อนำคลื่น

ความแตกต่างหลักระหว่างสายส่งและตัวนำคลื่นคือ -

• ก two conductor structure ที่สามารถรองรับคลื่น TEM คือสายส่ง

• ก one conductor structure ที่สามารถรองรับคลื่น TE หรือคลื่น TM ได้ แต่ไม่ใช่คลื่น TEM เรียกว่าเป็นท่อนำคลื่น

ตารางต่อไปนี้แสดงความแตกต่างระหว่างสายส่งและท่อนำคลื่น

สายส่ง	ท่อนำคลื่น
รองรับคลื่น TEM	ไม่สามารถรองรับคลื่น TEM
ทุกความถี่สามารถผ่านได้	เฉพาะความถี่ที่มากกว่าความถี่คัทออฟเท่านั้นที่สามารถผ่านได้
การส่งผ่านตัวนำสองตัว	การส่งผ่านตัวนำหนึ่งตัว
การสะท้อนกลับมีน้อยลง	คลื่นเดินทางผ่านการสะท้อนจากผนังของท่อนำคลื่น
มีลักษณะความต้านทาน	มีคลื่นอิมพีแดนซ์
การแพร่กระจายของคลื่นเป็นไปตาม "ทฤษฎีวงจร"	การแพร่กระจายของคลื่นเป็นไปตาม "ทฤษฎีสนาม"
มันมีตัวนำกลับสู่โลก	ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวนำส่งกลับเนื่องจากตัวของท่อนำคลื่นทำหน้าที่เป็นดิน
แบนด์วิดท์ไม่ จำกัด	แบนด์วิดท์มี จำกัด
คลื่นไม่กระจาย	คลื่นกระจาย

เฟสความเร็ว

Phase Velocity คืออัตราที่คลื่นเปลี่ยนเฟสเพื่อรับการเปลี่ยนเฟสของ 2πเรเดียน สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงความเร็วของส่วนประกอบคลื่นของคลื่นไซน์เมื่อมอดูเลต

ให้เราหาสมการสำหรับความเร็วเฟส

ตามคำจำกัดความอัตราการเปลี่ยนเฟสที่ 2π เรเดียนจะได้รับการพิจารณา

ซึ่งหมายความว่า, $λ$ / $T$ ด้วยเหตุนี้

$$ V = \ frac {\ lambda} {T} $$

ที่ไหน

$ λ $ = ความยาวคลื่นและ $ T $ = เวลา

$$ V = \ frac {\ lambda} {T} = \ lambda f $$

ตั้งแต่ $ f = \ frac {1} {T} $

ถ้าเราคูณตัวเศษและตัวส่วนด้วย 2π จากนั้นเรามี

$$ V = \ lambda f = \ frac {2 \ pi \ lambda f} {2 \ pi} $$

เรารู้ว่า $ \ omega = 2 \ pi f $ and $ \ beta = \ frac {2 \ pi} {f} $

สมการข้างต้นสามารถเขียนเป็น

$$ V = \ frac {2 \ pi f} {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} = \ frac {\ omega} {\ beta} $$

ดังนั้นสมการของความเร็วเฟสจึงแสดงเป็น

$$ V_p = \ frac {\ omega} {\ beta} $$

ความเร็วกลุ่ม

Group Velocity สามารถกำหนดเป็นอัตราที่คลื่นแพร่กระจายผ่านท่อนำคลื่น สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นอัตราที่ซองจดหมายมอดูเลตเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับผู้ขนส่งเพียงอย่างเดียว คลื่นมอดูเลตนี้เดินทางผ่านท่อนำคลื่น

สมการของความเร็วกลุ่มแสดงเป็น

$$ V_g = \ frac {d \ omega} {d \ beta} $$

ความเร็วของซองจดหมายแบบมอดูเลตมักจะช้ากว่าสัญญาณพาหะ

ในบทนี้เราจะพูดถึงส่วนประกอบไมโครเวฟเช่นทรานซิสเตอร์ไมโครเวฟและไดโอดประเภทต่างๆ

ทรานซิสเตอร์ไมโครเวฟ

มีความจำเป็นในการพัฒนาทรานซิสเตอร์พิเศษเพื่อให้ทนต่อความถี่ไมโครเวฟได้ ดังนั้นสำหรับการใช้งานไมโครเวฟsilicon n-p-n transistorsที่สามารถให้พลังงานเพียงพอที่ความถี่ไมโครเวฟได้รับการพัฒนา โดยทั่วไปจะมี 5 วัตต์ที่ความถี่ 3GHz โดยมีอัตราขยาย 5dB ภาพตัดขวางของทรานซิสเตอร์ดังกล่าวแสดงในรูปต่อไปนี้

การสร้างทรานซิสเตอร์ไมโครเวฟ

อัน n ชนิดชั้น epitaxial เติบโตบน n+สารตั้งต้นที่ประกอบขึ้นเป็นตัวสะสม เกี่ยวกับเรื่องนี้nภูมิภาคชั้น SiO2 เติบโตอย่างร้อนแรง กp-base และเจืออย่างมาก n-emittersกระจายเข้าสู่ฐาน ช่องเปิดทำด้วย Oxide สำหรับหน้าสัมผัส Ohmic การเชื่อมต่อทำแบบขนาน

ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวมีรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวที่แบ่งออกเป็นทั้งแบบผสมผสานซ้อนทับหรือเมทริกซ์ แบบฟอร์มเหล่านี้แสดงในรูปต่อไปนี้

ทรานซิสเตอร์กำลังใช้รูปทรงพื้นผิวทั้งสามแบบ

ทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็กใช้เรขาคณิตพื้นผิวแบบผสมผสาน โครงสร้างแบบผสมผสานเหมาะสำหรับการใช้งานสัญญาณขนาดเล็กในแถบ L, S และ C

เรขาคณิตเมทริกซ์บางครั้งเรียกว่าตาข่ายหรือตารางตัวปล่อย โครงสร้างโอเวอร์เลย์และเมทริกซ์มีประโยชน์ในฐานะอุปกรณ์ไฟฟ้าในภูมิภาค UHF และ VHF

การทำงานของทรานซิสเตอร์ไมโครเวฟ

ในทรานซิสเตอร์ไมโครเวฟในขั้นต้นทางแยกฐานตัวปล่อยและฐานตัวสะสมจะมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ ในการใช้สัญญาณไมโครเวฟทางแยกฐานตัวปล่อยจะกลายเป็นแบบเอนเอียงไปข้างหน้า ถ้ากp-n-pถือว่าทรานซิสเตอร์คือการประยุกต์ใช้จุดสูงสุดที่เป็นบวกของสัญญาณส่งต่ออคติของทางแยกฐานตัวปล่อยทำให้รูลอยไปยังฐานลบบาง ๆ หลุมต่อไปจะเร่งไปที่ขั้วลบของแรงดันไบอัสระหว่างตัวเก็บและขั้วฐาน โหลดที่เชื่อมต่อที่ตัวสะสมรับพัลส์ปัจจุบัน

อุปกรณ์โซลิดสเตท

การจำแนกประเภทของอุปกรณ์ไมโครเวฟโซลิดสเตทสามารถทำได้ -

• ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมทางไฟฟ้าของพวกเขา

  • ประเภทความต้านทานแบบไม่เป็นเชิงเส้น

    ตัวอย่าง - Varistors (ความต้านทานตัวแปร)

  • ประเภทรีแอคแตนซ์ที่ไม่ใช่เชิงเส้น

    ตัวอย่าง - Varactors (เครื่องปฏิกรณ์แบบแปรผัน)

  • ประเภทความต้านทานเชิงลบ

    ตัวอย่าง - Tunnel diode, Impatt diode, Gunn diode

  • ประเภทความต้านทานที่ควบคุมได้

    ตัวอย่าง - PIN diode

• ขึ้นอยู่กับการก่อสร้าง
  • จุดติดต่อไดโอด
  • ไดโอดกั้น Schottky
  • อุปกรณ์โลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS)
  • อุปกรณ์ฉนวนโลหะ

ประเภทของไดโอดที่เราได้กล่าวถึงในที่นี้มีประโยชน์มากมายเช่นการขยายการตรวจจับการสร้างกระแสไฟฟ้าการเปลี่ยนเฟสการแปลงลงการแปลงขึ้นการ จำกัด การมอดูเลตการสลับ ฯลฯ

ไดโอด Varactor

ความจุตัวแปรแรงดันไฟฟ้าของทางแยกแบบย้อนกลับสามารถเรียกได้ว่าเป็นไดโอด Varactor Varactor diode เป็นอุปกรณ์กึ่งตัวนำซึ่งความจุของทางแยกสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามฟังก์ชันของไบอัสย้อนกลับของไดโอด คุณลักษณะ CV ของไดโอด Varactor ทั่วไปและสัญลักษณ์แสดงในรูปต่อไปนี้

ความจุของทางแยกขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และการออกแบบทางแยก เรารู้ว่า,

$$ C_j \: \ alpha \: V_ {r} ^ {- n} $$

ที่ไหน

• $ C_j $ = ความจุของทางแยก

• $ V_r $ = แรงดันไบแอสย้อนกลับ

• $n$ = พารามิเตอร์ที่กำหนดประเภทของทางแยก

หากทางแยกมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับผู้ให้บริการมือถือจะหมดทางแยกส่งผลให้เกิดความจุบางส่วนโดยที่ไดโอดทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุโดยที่ทางแยกทำหน้าที่เป็นอิเล็กทริก ความจุจะลดลงตามการเพิ่มขึ้นของอคติย้อนกลับ

การห่อหุ้มไดโอดประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้าที่ต่ออยู่กับเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์และตะกั่วที่ติดอยู่กับกล่องเซรามิก รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าไดโอด Varactor ไมโครเวฟมีลักษณะอย่างไร

สิ่งเหล่านี้สามารถจัดการกับกำลังไฟฟ้าขนาดใหญ่และแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับขนาดใหญ่ เหล่านี้มีเสียงรบกวนต่ำ แม้ว่าความแปรผันของความจุในการเชื่อมต่อจะเป็นปัจจัยสำคัญในไดโอดนี้ แต่ความต้านทานแบบกาฝากความจุและการนำไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับไดโอดที่ใช้งานได้จริงทุกตัวซึ่งควรอยู่ในระดับต่ำ

การใช้งาน Varactor Diode

ไดโอด Varactor ใช้ในแอพพลิเคชั่นต่อไปนี้ -

• เพิ่มการแปลง
• เครื่องขยายเสียงพาราเมตริก
• การสร้างพัลส์
• การสร้างพัลส์
• การสลับวงจร
• การปรับสัญญาณไมโครเวฟ

Schottky Barrier Diode

นี่คือไดโอดธรรมดาที่แสดงอิมพีแดนซ์ที่ไม่ใช่เชิงเส้น ไดโอดเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตรวจจับและผสมไมโครเวฟ

การก่อสร้าง Schottky Barrier Diode

เม็ดกึ่งตัวนำติดตั้งอยู่บนฐานโลหะ ลวดสปริงเชื่อมต่อด้วยปลายแหลมกับเม็ดซิลิกอนนี้ สามารถติดตั้งเข้ากับสายโคแอกเซียลหรือท่อนำคลื่นได้อย่างง่ายดาย รูปต่อไปนี้ให้ภาพที่ชัดเจนของการก่อสร้าง

การทำงานของ Schottky Barrier Diode

ด้วยการสัมผัสระหว่างกึ่งตัวนำกับโลหะจะเกิดบริเวณพร่อง พื้นที่โลหะมีความกว้างของการพร่องน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกัน เมื่อมีการสัมผัสการไหลของอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นจากสารกึ่งตัวนำไปยังโลหะ การพร่องนี้สร้างประจุพื้นที่บวกในเซมิคอนดักเตอร์และสนามไฟฟ้าต่อต้านการไหลต่อไปซึ่งนำไปสู่การสร้างสิ่งกีดขวางที่ส่วนต่อประสาน

ในระหว่างความลำเอียงไปข้างหน้าความสูงของสิ่งกีดขวางจะลดลงและอิเล็กตรอนจะถูกฉีดเข้าไปในโลหะในขณะที่อคติย้อนกลับความสูงของสิ่งกีดขวางจะเพิ่มขึ้นและการฉีดอิเล็กตรอนจะหยุด

ข้อดีของ Schottky Barrier Diode

นี่คือข้อดีดังต่อไปนี้

• ราคาถูก
• Simplicity
• Reliable
• ตัวเลขเสียง 4 ถึง 5dB

การใช้ Schottky Barrier Diode

นี่คือแอปพลิเคชันต่อไปนี้

• เครื่องผสมเสียงรบกวนต่ำ
• เครื่องผสมที่สมดุลในเรดาร์คลื่นต่อเนื่อง
• เครื่องตรวจจับไมโครเวฟ

อุปกรณ์ Gunn Effect

JB Gunn ค้นพบความผันผวนของกระแสที่ไหลผ่านเป็นระยะ ๆ n-type GaAsตัวอย่างเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกินค่าวิกฤตบางอย่าง ในไดโอดเหล่านี้มีหุบเขาสองแห่งL & U valleysในแถบการนำไฟฟ้าและการถ่ายเทอิเล็กตรอนเกิดขึ้นระหว่างพวกเขาขึ้นอยู่กับสนามไฟฟ้าที่ใช้ เรียกว่าผลของการผกผันของประชากรจาก L-valley ตอนล่างไปจนถึง U-valley ตอนบนTransfer Electron Effect และด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าเป็น Transfer Electron Devices (TED)

การใช้งาน Gunn Diodes

Gunn ไดโอดถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในอุปกรณ์ต่อไปนี้ -

• เครื่องส่งเรดาร์
• ทรานสปอนเดอร์ในการควบคุมการจราจรทางอากาศ
• ระบบโทรมาตรอุตสาหกรรม
• ออสซิลเลเตอร์ไฟฟ้า
• วงจรลอจิก
• แอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นบรอดแบนด์

กระบวนการที่มีความล่าช้าระหว่างแรงดันและกระแสในหิมะถล่มร่วมกับเวลาในการขนส่งผ่านวัสดุกล่าวว่าเป็นความต้านทานเชิงลบ อุปกรณ์ที่ช่วยสร้างไดโอดแสดงคุณสมบัตินี้เรียกว่าเป็นAvalanche transit time devices.

ตัวอย่างของอุปกรณ์ที่อยู่ในประเภทนี้ ได้แก่ ไดโอด IMPATT, TRAPATT และ BARITT ให้เราดูรายละเอียดแต่ละรายการ

อิมแพทไดโอด

นี่คือไดโอดเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงซึ่งใช้ในงานไมโครเวฟความถี่สูง IMPATT แบบเต็มคือIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าเมื่อใช้กับไดโอด IMPATT จะส่งผลให้กระแสไฟฟ้าสูง ในที่สุดไดโอดธรรมดาก็จะสลายตามสิ่งนี้ อย่างไรก็ตามไดโอด IMPATT ได้รับการพัฒนาให้ทนทานต่อสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด การไล่ระดับสีที่มีศักยภาพสูงจะถูกนำไปใช้เพื่อแบ็คไบแอสไดโอดและด้วยเหตุนี้พาหะของชนกลุ่มน้อยจึงไหลข้ามทางแยก

การประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ RF หากวางทับบนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงความเร็วของรูและอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้มีรูและอิเล็กตรอนเพิ่มเติมโดยการเหวี่ยงออกจากโครงสร้างผลึกโดยอิมแพ็คอิออไนเซชัน หากฟิลด์ DC เดิมที่ใช้อยู่ที่เกณฑ์ของการพัฒนาสถานการณ์นี้จะนำไปสู่การคูณปัจจุบันของหิมะถล่มและกระบวนการนี้จะดำเนินต่อไป สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้จากรูปต่อไปนี้

เนื่องจากผลกระทบนี้พัลส์ปัจจุบันจึงมีการเลื่อนเฟส 90 ° อย่างไรก็ตามแทนที่จะอยู่ที่นั่นมันจะเคลื่อนไปทางแคโทดเนื่องจากใช้อคติย้อนกลับ เวลาที่พัลส์ถึงแคโทดขึ้นอยู่กับความหนาของn+ชั้นซึ่งปรับเพื่อให้กะระยะ 90 ° ตอนนี้ความต้านทานเชิงลบ RF แบบไดนามิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีอยู่จริง ดังนั้นไดโอด IMPATT จึงทำหน้าที่เป็นทั้งออสซิลเลเตอร์และเครื่องขยายเสียง

รูปต่อไปนี้แสดงรายละเอียดโครงสร้างของไดโอด IMPATT

ประสิทธิภาพของไดโอด IMPATT แสดงเป็น

$$ \ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right] $$

ที่ไหน

• $ P_ {ac} $ = ไฟ AC

• $ P_ {dc} $ = ไฟฟ้ากระแสตรง

• $ V_a \: \ & \: I_a $ = แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสไฟฟ้า

• $ V_d \: \ & \: I_d $ = แรงดันและกระแสไฟฟ้ากระแสตรง

ข้อเสีย

ต่อไปนี้เป็นข้อเสียของไดโอด IMPATT

• มีเสียงดังเนื่องจากหิมะถล่มเป็นกระบวนการที่มีเสียงดัง
• ช่วงการปรับจูนไม่ดีเท่ากันนไดโอด

การใช้งาน

ต่อไปนี้เป็นการใช้งานไดโอด IMPATT

• ไมโครเวฟออสซิลเลเตอร์
• เครื่องกำเนิดไมโครเวฟ
• ออสซิลเลเตอร์เอาต์พุตแบบมอดูเลต
• รับออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น
• การขยายความต้านทานเชิงลบ
• เครือข่ายสัญญาณเตือนการบุกรุก (Q IMPATT สูง)
• เรดาร์ตำรวจ (Q IMPATT สูง)
• เครื่องส่งไมโครเวฟพลังงานต่ำ (High Q IMPATT)
• เครื่องส่งสัญญาณโทรคมนาคม FM (Q IMPATT ต่ำ)
• เครื่องส่งเรดาร์ CW ​​Doppler (Q IMPATT ต่ำ)

TRAPATT ไดโอด

ไดโอด TRAPATT เต็มรูปแบบคือ TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. เครื่องกำเนิดไมโครเวฟซึ่งทำงานระหว่างหลายร้อย MHz ถึง GHz เหล่านี้เป็นไดโอดพลังงานสูงสุดโดยปกติn+- p-p+ หรือ p+-n-n+โครงสร้างที่มีพื้นที่พร่องแบบ n ความกว้างแตกต่างกันไปตั้งแต่ 2.5 ถึง 1.25 ม. รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงสิ่งนี้

อิเล็กตรอนและรูที่ติดอยู่ในพื้นที่สนามต่ำด้านหลังโซนถูกสร้างขึ้นเพื่อเติมเต็มพื้นที่พร่องในไดโอด สิ่งนี้ทำได้โดยพื้นที่หิมะถล่มในสนามสูงซึ่งแพร่กระจายผ่านไดโอด

รูปต่อไปนี้แสดงกราฟที่ AB แสดงการชาร์จ BC แสดงการก่อตัวของพลาสมา DE แสดงการสกัดพลาสม่า EF แสดงการสกัดที่เหลือและ FG แสดงการชาร์จ

ให้เราดูว่าเกิดอะไรขึ้นในแต่ละจุด

A:แรงดันไฟฟ้าที่จุด A ไม่เพียงพอสำหรับการพังทลายของหิมะถล่ม ที่ A ผู้ให้บริการประจุไฟฟ้าเนื่องจากการสร้างความร้อนส่งผลให้เกิดการชาร์จไดโอดเหมือนความจุเชิงเส้น

A-B:เมื่อถึงจุดนี้ขนาดของสนามไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เมื่อมีผู้ให้บริการจำนวนเพียงพอสนามไฟฟ้าจะถูกกดลงตลอดทั้งบริเวณการพร่องทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงจาก B ถึง C

C:ประจุนี้ช่วยให้หิมะถล่มดำเนินต่อไปและมีการสร้างพลาสมาของอิเล็กตรอนและรูที่หนาแน่นขึ้น สนามจะถูกกดทับลงไปอีกเพื่อไม่ให้อิเล็กตรอนหรือรูหลุดออกจากชั้นพร่องและดักจับพลาสม่าที่เหลืออยู่

D: แรงดันไฟฟ้าลดลงที่จุด D ต้องใช้เวลานานในการล้างพลาสมาเนื่องจากประจุพลาสมาทั้งหมดมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับประจุต่อหน่วยเวลาในกระแสไฟฟ้าภายนอก

E:ที่จุด E พลาสม่าจะถูกลบออก ประจุไฟฟ้าตกค้างของรูและอิเล็กตรอนยังคงอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของชั้นโก่ง

E to F: แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อนำประจุตกค้างออก

F: เมื่อถึงจุด F ค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่สร้างขึ้นภายในจะถูกลบออก

F to G: ไดโอดมีประจุเหมือนตัวเก็บประจุ

G:ที่จุด G กระแสไดโอดจะเป็นศูนย์เป็นเวลาครึ่งคาบ แรงดันไฟฟ้ายังคงที่ดังแสดงในกราฟด้านบน สถานะนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่ากระแสจะกลับมาและวงจรจะวนซ้ำ

ความเร็วโซนหิมะถล่ม $ V_s $ แสดงเป็น

$$ V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A} $$

ที่ไหน

• $J$ = ความหนาแน่นกระแส

• $q$= ประจุอิเล็กตรอน 1.6 x 10 ^-19

• $ N_A $ = ความเข้มข้นของยาสลบ

เขตหิมะถล่มจะกวาดไปทั่วไดโอดส่วนใหญ่อย่างรวดเร็วและเวลาขนส่งของสายการบินจะแสดงเป็น

$$ \ tau_s = \ frac {L} {V_s} $$

ที่ไหน

• $ V_s $ = ความเร็วดริฟท์ของผู้ให้บริการอิ่มตัว

• $ L $ = ความยาวของชิ้นงาน

เวลาขนส่งที่คำนวณได้ที่นี่คือเวลาระหว่างการฉีดและการเก็บรวบรวม การกระทำซ้ำ ๆ จะเพิ่มเอาต์พุตเพื่อทำให้เป็นเครื่องขยายเสียงในขณะที่ตัวกรองความถี่ต่ำของไมโครเวฟที่เชื่อมต่อแบบแบ่งกับวงจรสามารถทำให้มันทำงานเป็นออสซิลเลเตอร์ได้

การใช้งาน

มีหลายแอปพลิเคชันของไดโอดนี้

• เรดาร์ดอปเปลอร์พลังงานต่ำ
• ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นสำหรับเรดาร์
• ระบบเชื่อมต่อสัญญาณไมโครเวฟ
• เครื่องวัดระยะสูงวิทยุ
• เรดาร์อาร์เรย์แบบแบ่งขั้นตอน ฯลฯ

BARITT ไดโอด

รูปแบบเต็มของ BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งประดิษฐ์ล่าสุดในตระกูลนี้ แม้ว่าไดโอดเหล่านี้จะมีพื้นที่ดริฟท์ยาวเช่นไดโอด IMPATT แต่การฉีดพาหะในไดโอด BARITT นั้นเกิดจากการเชื่อมต่อแบบเอนเอียงไปข้างหน้า แต่ไม่ใช่จากพลาสม่าของพื้นที่หิมะถล่มเหมือนในพลาสมา

ในไดโอด IMPATT การฉีดพาหะค่อนข้างมีเสียงดังเนื่องจากไอออไนเซชันกระทบ ในไดโอด BARITT เพื่อหลีกเลี่ยงเสียงรบกวนการฉีดพาหะจะได้รับจากการเจาะผ่านบริเวณพร่อง ความต้านทานเชิงลบในไดโอด BARITT จะได้รับจากการลอยของรูที่ฉีดไปยังปลายตัวเก็บรวบรวมของไดโอดซึ่งทำจากวัสดุประเภท p

รูปต่อไปนี้แสดงรายละเอียดโครงสร้างของไดโอด BARITT

สำหรับ m-n-m BARITT ไดโอด Ps-Si สิ่งกีดขวาง Schottky สัมผัสกับโลหะด้วย n-type Si waferในระหว่าง. กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (สูงกว่า 30v) เกิดจากการฉีดรูเทอร์มิโอนิกลงในเซมิคอนดักเตอร์

แรงดันไฟฟ้าวิกฤต $ (Vc) $ ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของยาสลบ $ (N) $ ความยาวของเซมิคอนดักเตอร์ $ (L) $ และการอนุญาตไดอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ $ (\ epsilon S) $ แสดงเป็น

$$ V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S} $$

วงจรรวมไมโครเวฟเสาหิน (MMIC)

IC ไมโครเวฟเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับวงจรท่อนำคลื่นหรือโคแอกเซียลแบบเดิมเนื่องจากมีน้ำหนักเบามีขนาดเล็กมีความน่าเชื่อถือสูงและทำซ้ำได้ วัสดุพื้นฐานที่ใช้สำหรับวงจรรวมไมโครเวฟเสาหิน ได้แก่ -

• วัสดุพื้นผิว
• วัสดุตัวนำ
• ฟิล์มอิเล็กทริก
• ฟิล์มต้านทาน

สิ่งเหล่านี้ได้รับการคัดเลือกให้มีลักษณะที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพสูง พื้นผิวที่องค์ประกอบของวงจรถูกประดิษฐ์ขึ้นมีความสำคัญเนื่องจากค่าคงที่เป็นฉนวนของวัสดุควรสูงและมีค่าการกระจายตัวต่ำพร้อมกับคุณสมบัติในอุดมคติอื่น ๆ วัสดุพื้นผิวที่ใช้ ได้แก่ GaAs เฟอร์ไรต์ / โกเมนอลูมิเนียมเบริลเลียมแก้วและไหมทอง

วัสดุตัวนำได้รับการคัดเลือกให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานอุณหภูมิต่ำการยึดเกาะที่ดีกับพื้นผิวและการแกะสลักเป็นต้นอลูมิเนียมทองแดงทองและเงินส่วนใหญ่ใช้เป็นวัสดุตัวนำ วัสดุอิเล็กทริกและวัสดุต้านทานได้รับการคัดเลือกให้มีการสูญเสียต่ำและมีเสถียรภาพที่ดี

เทคโนโลยีการประดิษฐ์

ในวงจรรวมไฮบริดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และองค์ประกอบวงจรพาสซีฟจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวอิเล็กทริก วงจรพาสซีฟเป็นองค์ประกอบแบบกระจายหรือเป็นก้อนหรือทั้งสองอย่างรวมกัน

วงจรรวมไฮบริดมีสองประเภท

• IC แบบไฮบริด
• IC ไฮบริดขนาดเล็ก

ในทั้งสองกระบวนการข้างต้น Hybrid IC ใช้องค์ประกอบวงจรแบบกระจายที่ประดิษฐ์บน IC โดยใช้เทคนิคการเคลือบโลหะแบบชั้นเดียวในขณะที่ IC ไฮบริดขนาดเล็กใช้องค์ประกอบหลายระดับ

วงจรอะนาล็อกส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีการแยกเมโซเพื่อแยกพื้นที่ชนิดเอ็นที่ใช้งานสำหรับ FET และไดโอด วงจรระนาบถูกสร้างขึ้นโดยการฝังไอออนลงในพื้นผิวกึ่งฉนวนและเพื่อแยกส่วนที่ถูกปิดบัง

"Via hole"เทคโนโลยีนี้ใช้ในการเชื่อมต่อแหล่งที่มาด้วยอิเล็กโทรดต้นทางที่เชื่อมต่อกับกราวด์ใน GaAs FET ซึ่งแสดงในรูปต่อไปนี้

มีแอพพลิเคชั่น MMIC มากมาย

• การสื่อสารทางทหาร
• Radar
• ECM
• ระบบเสาอากาศแบบค่อยเป็นค่อยไป
• กระจายสเปกตรัมและระบบ TDMA

ประหยัดค่าใช้จ่ายและยังใช้ในแอพพลิเคชั่นสำหรับผู้บริโภคในประเทศจำนวนมากเช่น DTH โทรคมนาคมและเครื่องมือวัดเป็นต้น

เช่นเดียวกับระบบอื่น ๆ ระบบไมโครเวฟประกอบด้วยส่วนประกอบไมโครเวฟจำนวนมากโดยส่วนใหญ่มีแหล่งกำเนิดที่ปลายด้านหนึ่งและโหลดที่อีกด้านหนึ่งซึ่งทั้งหมดเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นหรือสายโคแอกเซียลหรือระบบสายส่ง

ต่อไปนี้เป็นคุณสมบัติของท่อนำคลื่น

• SNR สูง
• การลดทอนต่ำ
• ลดการสูญเสียการแทรก

ฟังก์ชัน Waveguide ไมโครเวฟ

พิจารณาท่อนำคลื่นที่มี 4 พอร์ต หากมีการใช้พลังงานกับพอร์ตหนึ่งพอร์ตจะผ่านพอร์ตทั้ง 3 พอร์ตในสัดส่วนที่บางพอร์ตอาจสะท้อนกลับจากพอร์ตเดียวกัน แนวคิดนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในรูปต่อไปนี้

พารามิเตอร์การกระจาย

สำหรับเครือข่ายสองพอร์ตดังที่แสดงในรูปต่อไปนี้หากมีการใช้พลังงานที่พอร์ตหนึ่งตามที่เราเพิ่งกล่าวไปพลังงานส่วนใหญ่จะหลบหนีจากพอร์ตอื่นในขณะที่บางส่วนสะท้อนกลับไปยังพอร์ตเดียวกัน ในรูปต่อไปนี้ถ้าV₁ หรือ V₂ ถูกนำไปใช้แล้ว I₁ หรือ I₂ กระแสตามลำดับ

หากแหล่งที่มาถูกนำไปใช้กับพอร์ตตรงข้ามจะต้องพิจารณาชุดค่าผสมอีกสองชุด ดังนั้นสำหรับเครือข่ายสองพอร์ตจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดชุดค่าผสม 2 × 2 = 4

คลื่นเดินทางที่มีอำนาจเกี่ยวข้องเมื่อกระจายออกไปตามพอร์ตทางแยกไมโครเวฟสามารถกำหนดได้โดย S-Parameters หรือ Scattering Parametersซึ่งแสดงในรูปแบบเมทริกซ์เรียกว่า "Scattering Matrix".

เมทริกซ์การกระจาย

มันเป็นเมทริกซ์สี่เหลี่ยมซึ่งให้การรวมกันของความสัมพันธ์ทางอำนาจระหว่างพอร์ตอินพุตและเอาต์พุตต่างๆของทางแยกไมโครเวฟ องค์ประกอบของเมทริกซ์นี้เรียกว่า"Scattering Coefficients" หรือ "Scattering (S) Parameters".

พิจารณารูปต่อไปนี้

ที่นี่แหล่งที่มาเชื่อมต่อผ่าน $ i ^ {th} $ line ในขณะที่ $ a_1 $ เป็นคลื่นที่เกิดขึ้นและ $ b_1 $ เป็นคลื่นสะท้อน

หากกำหนดความสัมพันธ์ระหว่าง $ b_1 $ ถึง $ a_1 $

$$ b_1 = (การสะท้อน \: \: สัมประสิทธิ์) a_1 = S_ {1i} a_1 $$

ที่ไหน

• $ S_ {1i} $ = ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของ $ 1 ^ {st} $ line (โดยที่ $ i $ คือพอร์ตอินพุตและ $ 1 $ คือพอร์ตเอาต์พุต)

• $ 1 $ = การสะท้อนจาก $ 1 ^ {st} $ line

• $ i $ = Source เชื่อมต่อที่ $ i ^ {th} $ line

หากอิมพีแดนซ์ตรงกันพลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังโหลด ไม่น่าเป็นไปได้หากความต้านทานของโหลดไม่ตรงกับความต้านทานลักษณะเฉพาะ จากนั้นการสะท้อนจะเกิดขึ้น นั่นหมายความว่าการสะท้อนจะเกิดขึ้นหาก

$$ Z_l \ neq Z_o $$

อย่างไรก็ตามหากสิ่งนี้ไม่ตรงกันสำหรับพอร์ตมากกว่าหนึ่งพอร์ตตัวอย่างเช่นพอร์ต $ 'n' $ ดังนั้น $ i = 1 $ ถึง $ n $ (เนื่องจาก $ i $ สามารถเป็นบรรทัดใดก็ได้ตั้งแต่ $ 1 $ ถึง $ n $)

ดังนั้นเราจึงมี

$$ b_1 = S_ {11} a_1 + S_ {12} a_2 + S_ {13} a_3 + ............... + S_ {1n} a_n $$

$$ b_2 = S_ {21} a_1 + S_ {22} a_2 + S_ {23} a_3 + ............... + S_ {2n} a_n $$

$$. $$

$$. $$

$$. $$

$$. $$

$$. $$

$$ b_n = S_ {n1} a_1 + S_ {n2} a_2 + S_ {n3} a_3 + ............... + S_ {nn} a_n $$

เมื่อสิ่งทั้งหมดนี้ถูกเก็บไว้ในรูปแบบเมทริกซ์

$$ \ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \\. \\. \\. \\ b_n \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13 } & ... & S_ {1n} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} & ... & S_ {2n} \\. &. &. & ... &. \\. &. &. & ... &. \\. &. &. & ... &. \\ S_ {n1} & S_ {n2} & S_ {n3} & ... & S_ {nn} \\ \ end {bmatrix} \ times \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \\. \ \. \\. \\ a_n \ end {bmatrix} $$

Column matrix $ [b] $ Scattering matrix $ [S] $Matrix $ [a] $

เมทริกซ์คอลัมน์ $ \ left [b \ right] $ สอดคล้องกับคลื่นสะท้อนหรือเอาต์พุตในขณะที่เมทริกซ์ $ \ left [a \ right] $ สอดคล้องกับคลื่นตกกระทบหรืออินพุต เมทริกซ์คอลัมน์กระจาย $ \ left [s \ right] $ ซึ่งอยู่ในลำดับ $ n \ times n $ มีค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนและสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน ดังนั้น,

$$ \ left [b \ right] = \ left [S \ right] \ left [a \ right] $$

คุณสมบัติของเมทริกซ์ [S]

เมทริกซ์การกระจายถูกระบุเป็นเมทริกซ์ $ [S] $ มีคุณสมบัติมาตรฐานบางประการสำหรับเมทริกซ์ $ [S] $ พวกเขาคือ -

• $ [S] $ เป็นเมทริกซ์กำลังสองเสมอ (nxn)

  $ [S] _ {n \ times n} $

• $ [S] $ คือเมทริกซ์สมมาตร

  กล่าวคือ $ S_ {ij} = S_ {ji} $

• $ [S] $ เป็นเมทริกซ์รวม

  กล่าวคือ $ [S] [S] ^ * = I $

• ผลรวมของผลคูณของแต่ละคำของแถวหรือคอลัมน์ใด ๆ คูณด้วยคอนจูเกตที่ซับซ้อนของเงื่อนไขที่เกี่ยวข้องของแถวหรือคอลัมน์อื่นใดเป็นศูนย์ กล่าวคือ

$$ \ sum_ {i = j} ^ {n} S_ {ik} S_ {ik} ^ {*} = 0 \: สำหรับ \: k \ neq j $$

$$ (k = 1,2,3, ... \: n) \: และ \: (j = 1,2,3, ... \: n) $$

• ถ้าระยะทางไฟฟ้าระหว่างพอร์ต $ k ^ {th} $ และทางแยกคือ $ \ beta _kI_k $ ดังนั้นสัมประสิทธิ์ของ $ S_ {ij} $ ที่เกี่ยวข้องกับ $ k $ จะคูณด้วยปัจจัย $ e ^ {- j \ beta kIk} $

ในสองสามบทถัดไปเราจะมาดูทางแยกไมโครเวฟทีแตกต่างกัน

ทางแยก E-Plane Tee เกิดขึ้นจากการติดท่อนำคลื่นธรรมดาเข้ากับมิติที่กว้างขึ้นของท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมซึ่งมีสองพอร์ตอยู่แล้ว แขนของท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมสร้างสองพอร์ตที่เรียกว่าcollinear ports กล่าวคือ Port1 และ Port2 ในขณะที่พอร์ตใหม่ Port3 เรียกว่า Side arm หรือ E-arm. เสื้อยืด E-plane ของเขาเรียกอีกอย่างว่าSeries Tee.

เนื่องจากแกนของแขนด้านข้างขนานกับสนามไฟฟ้าทางแยกนี้จึงเรียกว่า E-Plane Tee junction นี้เรียกอีกอย่างว่าVoltage หรือ Series junction. พอร์ต 1 และ 2 อยู่ห่างจากเฟส 180 °ซึ่งกันและกัน รายละเอียดหน้าตัดของ E-plane tee สามารถเข้าใจได้จากรูปต่อไปนี้

รูปต่อไปนี้แสดงการเชื่อมต่อที่ทำโดย sidearm กับท่อนำคลื่นสองทิศทางเพื่อสร้างพอร์ตขนาน

คุณสมบัติของเสื้อยืด E-Plane

คุณสมบัติของ E-Plane Tee สามารถกำหนดได้โดย $ [S] _ {3x3} $ matrix

เป็นเมทริกซ์ 3 × 3 เนื่องจากมี 3 อินพุตที่เป็นไปได้และ 3 เอาต์พุตที่เป็นไปได้

$ [S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} \\ S_ {31} & S_ {32 } & S_ {33} \ end {bmatrix} $ ........ Equation 1

ค่าสัมประสิทธิ์การกระจาย $ S_ {13} $ และ $ S_ {23} $ อยู่นอกเฟส 180 °ด้วยอินพุตที่พอร์ต 3

$ S_ {23} = -S_ {13} $........ Equation 2

พอร์ตจับคู่กับทางแยกได้อย่างสมบูรณ์แบบ

$ S_ {33} = 0 $........ Equation 3

จากคุณสมบัติสมมาตร

$ S_ {ij} = S_ {ji} $

$ S_ {12} = S_ {21} \: \: S_ {23} = S_ {32} \: \: S_ {13} = S_ {31} $........ Equation 4

เมื่อพิจารณาสมการ 3 และ 4 เมทริกซ์ $ [S] $ สามารถเขียนเป็น

$ [S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & -S_ {13} \\ S_ {13} & -S_ {13} & 0 \ end {bmatrix} $........ Equation 5

เราสามารถพูดได้ว่าเรามีสิ่งที่ไม่รู้จักสี่ตัวเมื่อพิจารณาจากคุณสมบัติสมมาตร

จากคุณสมบัติ Unitary

$$ [S] [S] \ ast = [I] $$

$$ \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & -S_ {13} \\ S_ {13} & -S_ {13} & 0 \ end {bmatrix} \: \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} & S_ {12} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} & S_ {22} ^ {*} & -S_ {13} ^ {*} \\ S_ {13} ^ {*} & -S_ {13} ^ {*} & 0 \ end {bmatrix} = \ begin { bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix} $$

การคูณที่เราได้รับ

(สังเกต R เป็นแถวและ C เป็นคอลัมน์)

$ R_1C_1: S_ {11} S_ {11} ^ {*} + S_ {12} S_ {12} ^ {*} + S_ {13} S_ {13} ^ {*} = 1 $

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 = 1 $........ Equation 6

$ R_2C_2: \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 7

$ R_3C_3: \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 8

$ R_3C_1: S_ {13} S_ {11} ^ {*} - S_ {13} S_ {12} ^ {*} = 1 $ ......... Equation 9

เราได้สมการที่ 6 และ 7

$ S_ {11} = S_ {22} $ ......... Equation 10

จากสมการ 8

เหลือ $ 2 | S_ {13} \ right | ^ 2 \ quad หรือ \ quad S_ {13} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $......... Equation 11

จากสมการ 9

$ S_ {13} \ left (S_ {11} ^ {*} - S_ {12} ^ {*} \ right) $

หรือ $ S_ {11} = S_ {12} = S_ {22} $ ......... Equation 12

โดยใช้สมการ 10, 11 และ 12 ในสมการ 6

เราได้รับ,

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ frac {1} {2} = 1 $

เหลือ $ 2 | S_ {11} \ right | ^ 2 = \ frac {1} {2} $

หรือ $ S_ {11} = \ frac {1} {2} $ ......... Equation 13

การแทนค่าจากสมการข้างต้นใน $ [S] $ matrix

เราได้รับ,

$$ \ left [S \ right] = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac { 1} {2} & \ frac {1} {2} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & - \ frac {1} { \ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix} $$

เรารู้ว่า $ [b] $ = $ [S] [a] $

$$ \ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2 }} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \ end {bmatrix} $$

นี่คือเมทริกซ์การกระจายของ E-Plane Tee ซึ่งอธิบายคุณสมบัติการกระเจิงของมัน

ทางแยก H-Plane Tee เกิดจากการติดท่อนำคลื่นธรรมดาเข้ากับท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าซึ่งมีสองพอร์ตอยู่แล้ว แขนของท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมสร้างสองพอร์ตที่เรียกว่าcollinear ports กล่าวคือ Port1 และ Port2 ในขณะที่พอร์ตใหม่ Port3 เรียกว่า Side arm หรือ H-arm. เสื้อยืด H-plane นี้เรียกอีกอย่างว่าShunt Tee.

เนื่องจากแกนของแขนด้านข้างขนานกับสนามแม่เหล็กทางแยกนี้จึงเรียกว่าทางแยก H-Plane Tee นี้เรียกอีกอย่างว่าCurrent junctionในขณะที่สนามแม่เหล็กแบ่งตัวออกเป็นแขน รายละเอียดหน้าตัดของทีระนาบ H สามารถเข้าใจได้จากรูปต่อไปนี้

รูปต่อไปนี้แสดงการเชื่อมต่อที่ทำโดย sidearm กับท่อนำคลื่นสองทิศทางเพื่อสร้างพอร์ตอนุกรม

คุณสมบัติของเสื้อยืด H-Plane

คุณสมบัติของ H-Plane Tee สามารถกำหนดได้โดยเมทริกซ์ $ \ left [S \ right] _ {3 \ times 3} $

เป็นเมทริกซ์ 3 × 3 เนื่องจากมี 3 อินพุตที่เป็นไปได้และ 3 เอาต์พุตที่เป็นไปได้

$ [S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} \\ S_ {31} & S_ {32 } & S_ {33} \ end {bmatrix} $ ........ Equation 1

ค่าสัมประสิทธิ์การกระเจิง $ S_ {13} $ และ $ S_ {23} $ เท่ากับที่นี่เนื่องจากทางแยกมีความสมมาตรในระนาบ

จากคุณสมบัติสมมาตร

$ S_ {ij} = S_ {ji} $

$ S_ {12} = S_ {21} \: \: S_ {23} = S_ {32} = S_ {13} \: \: S_ {13} = S_ {31} $

พอร์ตเข้ากันอย่างลงตัว

$ S_ {33} = 0 $

ตอนนี้เมทริกซ์ $ [S] $ สามารถเขียนเป็น

$ [S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} \\ S_ {13} & S_ {13 } & 0 \ end {bmatrix} $ ........ Equation 2

เราสามารถพูดได้ว่าเรามีสิ่งที่ไม่รู้จักสี่ตัวเมื่อพิจารณาจากคุณสมบัติสมมาตร

จากคุณสมบัติ Unitary

$$ [S] [S] \ ast = [I] $$

$$ \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 \ end {bmatrix} \: \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} & S_ {12} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} & S_ {22} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} \\ S_ {13} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} & 0 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix} $$

การคูณที่เราได้รับ

(สังเกต R เป็นแถวและ C เป็นคอลัมน์)

$ R_1C_1: S_ {11} S_ {11} ^ {*} + S_ {12} S_ {12} ^ {*} + S_ {13} S_ {13} ^ {*} = 1 $

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $........ Equation 3

$ R_2C_2: \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 4

$ R_3C_3: \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 5

$ R_3C_1: S_ {13} S_ {11} ^ {*} - S_ {13} S_ {12} ^ {*} = 0 $ ......... Equation 6

เหลือ $ 2 | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 \ quad หรือ \ quad S_ {13} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $......... Equation 7

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 = \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 $

$ S_ {11} = S_ {22} $ ......... Equation 8

จากสมการ 6, $ S_ {13} \ left (S_ {11} ^ {*} + S_ {12} ^ {*} \ right) = 0 $

ตั้งแต่นั้น$ S_ {13} \ neq 0, S_ {11} ^ {*} + S_ {12} ^ {*} = 0, \: หรือ \: S_ {11} ^ {*} = -S_ {12} ^ {*} $

หรือ$ S_ {11} = -S_ {12} \: \: หรือ \: \: S_ {12} = -S_ {11} $......... Equation 9

ใช้สิ่งเหล่านี้ในสมการ 3

ตั้งแต่นั้น$ S_ {13} \ neq 0, S_ {11} ^ {*} + S_ {12} ^ {*} = 0, \: หรือ \: S_ {11} ^ {*} = -S_ {12} ^ {*} $

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ frac {1} {2} = 1 \ quad หรือ \ quad 2 \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 = \ frac {1} {2} \ quad หรือ \ quad S_ {11} = \ frac {1} {2} $..... Equation 10

จากสมการ 8 และ 9

$ S_ {12} = - \ frac {1} {2} $......... Equation 11

$ S_ {22} = \ frac {1} {2} $......... Equation 12

แทนที่ด้วย $ S_ {13} $, $ S_ {11} $, $ S_ {12} $ และ $ S_ {22} $ จากสมการที่ 7 และ 10, 11 และ 12 ในสมการ 2

เราได้รับ,

$$ \ left [S \ right] = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & - \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ - \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & \ frac {1} { \ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix} $$

เรารู้ว่า $ [b] $ = $ [s] [a] $

$$ \ begin {bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} \ frac {1} {2} & - \ frac {1} {2} & \ frac {1} { \ sqrt {2}} \\ - \ frac {1} {2} & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt { 2}} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \ end {bmatrix} $$

นี่คือเมทริกซ์การกระจายของ H-Plane Tee ซึ่งอธิบายคุณสมบัติการกระเจิงของมัน

ทางแยก EH Plane Tee เกิดจากการต่อท่อนำคลื่นธรรมดาสองตัวขนานหนึ่งขนานกับอีกชุดหนึ่งเข้ากับท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมซึ่งมีสองพอร์ตอยู่แล้ว นี้เรียกอีกอย่างว่าMagic Tee, หรือ Hybrid หรือ 3dB coupler.

แขนของท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมสร้างสองพอร์ตที่เรียกว่า collinear ports เช่นพอร์ต 1 และพอร์ต 2 ในขณะที่พอร์ต 3 เรียกว่าเป็น H-Arm หรือ Sum port หรือ Parallel port. พอร์ต 4 เรียกว่าเป็นE-Arm หรือ Difference port หรือ Series port.

รายละเอียดหน้าตัดของ Magic Tee สามารถเข้าใจได้จากรูปต่อไปนี้

รูปต่อไปนี้แสดงการเชื่อมต่อโดยแขนด้านข้างกับท่อนำคลื่นสองทิศทางเพื่อสร้างทั้งพอร์ตขนานและพอร์ตอนุกรม

ลักษณะของ EH Plane Tee

• หากสัญญาณเฟสและขนาดเท่ากันถูกส่งไปยังพอร์ต 1 และพอร์ต 2 เอาต์พุตที่พอร์ต 4 จะเป็นศูนย์และเอาต์พุตที่พอร์ต 3 จะเป็นส่วนเสริมของทั้งพอร์ต 1 และ 2

• หากสัญญาณถูกส่งไปยังพอร์ต 4 (E-arm) พลังงานจะถูกแบ่งระหว่างพอร์ต 1 และ 2 เท่า ๆ กัน แต่อยู่ในเฟสตรงกันข้ามในขณะที่จะไม่มีเอาต์พุตที่พอร์ต 3 ดังนั้น $ S_ {34} $ = 0 .

• หากสัญญาณถูกป้อนที่พอร์ต 3 พลังงานจะถูกแบ่งระหว่างพอร์ต 1 และ 2 เท่า ๆ กันในขณะที่จะไม่มีเอาต์พุตที่พอร์ต 4 ดังนั้น $ S_ {43} $ = 0

• หากสัญญาณถูกป้อนที่พอร์ต collinear พอร์ตใดพอร์ตหนึ่งจะไม่มีเอาต์พุตที่พอร์ต collinear อื่นเนื่องจาก E-arm สร้างเฟสดีเลย์และ H-arm สร้างเฟสล่วงหน้า ดังนั้น $ S_ {12} $ = $ S_ {21} $ = 0

คุณสมบัติของ EH Plane Tee

คุณสมบัติของ EH Plane Tee สามารถกำหนดได้ด้วยเมทริกซ์ $ \ left [S \ right] _ {4 \ times 4} $

เป็นเมทริกซ์ 4 × 4 เนื่องจากมีอินพุตที่เป็นไปได้ 4 อินพุตและเอาต์พุต 4 เอาต์พุตที่เป็นไปได้

$ [S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} & S_ {14} \\ S_ {21} & S_ {22} & S_ {23} & S_ {24} \\ S_ {31} & S_ {32} & S_ {33} & S_ {34} \\ S_ {41} & S_ {42} & S_ {43} & S_ {44} \ end {bmatrix} $ ........ Equation 1

เนื่องจากมีส่วน H-Plane Tee

$ S_ {23} = S_ {13} $........ Equation 2

เนื่องจากมีส่วนเสื้อยืด E-Plane

$ S_ {24} = -S_ {14} $........ Equation 3

พอร์ต E-Arm และพอร์ต H-Arm ถูกแยกออกเพื่อให้อีกพอร์ตไม่ส่งเอาต์พุตหากมีการใช้อินพุตที่หนึ่งในนั้น ดังนั้นจึงสามารถระบุได้ว่า

$ S_ {34} = S_ {43} = 0 $........ Equation 4

จากคุณสมบัติสมมาตรเรามี

$ S_ {ij} = S_ {ji} $

$ S_ {12} = S_ {21}, S_ {13} = S_ {31}, S_ {14} = S_ {41} $

$ S_ {23} = S_ {32}, S_ {24} = S_ {42}, S_ {34} = S_ {43} $........ Equation 5

หากพอร์ต 3 และ 4 จับคู่กับทางแยกได้อย่างสมบูรณ์แล้ว

$ S_ {33} = S_ {44} = 0 $........ Equation 6

การแทนที่สมการข้างต้นทั้งหมดในสมการ 1 เพื่อให้ได้เมทริกซ์ $ [S] $

$ [S] = \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} & S_ {14} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} & -S_ {14 } \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 & 0 \\ S_ {14} & -S_ {14} & 0 & 0 \ end {bmatrix} $........ Equation 7

จากคุณสมบัติ Unitary $ [S] [S] ^ \ ast = [I] $

$ \ begin {bmatrix} S_ {11} & S_ {12} & S_ {13} & S_ {14} \\ S_ {12} & S_ {22} & S_ {13} & -S_ {14} \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 & 0 \\ S_ {14} & -S_ {14} & 0 & 0 \ end {bmatrix} \ begin {bmatrix} S_ {11} ^ {*} & S_ {12} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} & S_ {14} ^ {*} \\ S_ {12} ^ {*} & S_ {22} ^ {*} & S_ {13} ^ {*} & -S_ {14} ^ {*} \\ S_ {13} & S_ {13} & 0 & 0 \\ S_ {14} & -S_ {14} & 0 & 0 \ end {bmatrix} $

$ = \ start {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \ end {bmatrix} $

$ R_1C_1: \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 + \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 8

$ R_2C_2: \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {22} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 + \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 9

$ R_3C_3: \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {13} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 10

$ R_4C_4: \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {14} \ right | ^ 2 = 1 $......... Equation 11

จากสมการ 10 และ 11 เราได้

$ S_ {13} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $........ Equation 12

$ S_ {14} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $........ Equation 13

เมื่อเปรียบเทียบสมการ 8 และ 9 เรามี

$ S_ {11} = S_ {22} $ ......... Equation 14

ใช้ค่าเหล่านี้จากสมการ 12 และ 13 เราจะได้

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 + \ frac {1} {2} + \ frac {1} {2} = 1 $

$ \ left | S_ {11} \ right | ^ 2 + \ left | S_ {12} \ right | ^ 2 = 0 $

$ S_ {11} = S_ {22} = 0 $ ......... Equation 15

จากสมการที่ 9 เราจะได้$ S_ {22} = 0 $ ......... Equation 16

ตอนนี้เราเข้าใจแล้วว่าพอร์ต 1 และ 2 เข้ากันได้ดีกับทางแยก เนื่องจากนี่คือทางแยกพอร์ต 4 พอร์ตเมื่อใดก็ตามที่สองพอร์ตเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์พอร์ตอีกสองพอร์ตจึงเข้ากันได้ดีกับทางแยก

ทางแยกที่พอร์ตทั้งสี่เข้ากันอย่างลงตัวเรียกว่า Magic Tee Junction

โดยการแทนที่สมการจาก 12 ถึง 16 ในเมทริกซ์ $ [S] $ ของสมการที่ 7 เราจะได้เมทริกซ์การกระจายของ Magic Tee เป็น

$$ [S] = \ begin {bmatrix} 0 & 0 & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ 0 & 0 & \ frac {1} {2} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \ end {bmatrix} $$

เรารู้อยู่แล้ว $ [b] $ = $ [S] [a] $

เราได้รับการเขียนใหม่ข้างต้น

$$ \ begin {vmatrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \\ b_4 \ end {vmatrix} = \ begin {bmatrix} 0 & 0 & \ frac {1} {2} & \ frac {1} {\ sqrt {2} } \\ 0 & 0 & \ frac {1} {2} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} & - \ frac {1} {\ sqrt {2}} & 0 & 0 \ end {bmatrix} \ begin {vmatrix} a_1 \ \ a_2 \\ a_3 \\ a_4 \ end {vmatrix} $$

การใช้งาน EH Plane Tee

แอปพลิเคชั่นที่พบบ่อยที่สุดของ EH Plane Tee มีดังนี้ -

• จุดเชื่อมต่อเครื่องบิน EH ใช้ในการวัดอิมพีแดนซ์ - เครื่องตรวจจับ null เชื่อมต่อกับพอร์ต E-Arm ในขณะที่แหล่งไมโครเวฟเชื่อมต่อกับพอร์ต H-Arm พอร์ต collinear ร่วมกับพอร์ตเหล่านี้สร้างสะพานและการวัดอิมพีแดนซ์ทำได้โดยการปรับสมดุลของสะพาน

• EH Plane Tee ใช้เป็นตัวพลิกหน้า - ตัวพลิกหน้ากระดาษเป็นวงจรที่ทำงานเป็นทั้งตัวส่งและตัวรับโดยใช้เสาอากาศเดียวสำหรับทั้งสองวัตถุประสงค์ พอร์ต 1 และ 2 ใช้เป็นตัวรับและตัวส่งที่แยกออกจากกันดังนั้นจึงไม่รบกวน เสาอากาศเชื่อมต่อกับพอร์ต E-Arm โหลดที่ตรงกันเชื่อมต่อกับพอร์ต H-Arm ซึ่งไม่มีการสะท้อนกลับ ตอนนี้มีการส่งหรือการรับโดยไม่มีปัญหาใด ๆ

• EH Plane Tee ใช้เป็นมิกเซอร์ - พอร์ต E-Arm เชื่อมต่อกับเสาอากาศและพอร์ต H-Arm เชื่อมต่อกับออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น พอร์ต 2 มีโหลดที่ตรงกันซึ่งไม่มีการสะท้อนและพอร์ต 1 มีวงจรมิกเซอร์ซึ่งได้รับครึ่งหนึ่งของกำลังสัญญาณและครึ่งหนึ่งของกำลังออสซิลเลเตอร์เพื่อสร้างความถี่ IF

นอกเหนือจากแอพพลิเคชั่นข้างต้นแล้วทางแยก EH Plane Tee ยังใช้เป็นสะพานไมโครเวฟตัวจำแนกไมโครเวฟ ฯลฯ

อุปกรณ์ไมโครเวฟนี้ใช้เมื่อจำเป็นต้องรวมสัญญาณสองสัญญาณโดยไม่มีความแตกต่างของเฟสและเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณที่มีความแตกต่างของเส้นทาง

ทางแยก Tee สามพอร์ตปกติจะถูกนำมาและพอร์ตที่สี่จะถูกเพิ่มเข้าไปเพื่อให้เป็นทางแยกแบบแรตเทรซ พอร์ตทั้งหมดนี้เชื่อมต่อในรูปแบบวงแหวนเชิงมุมในช่วงเวลาที่เท่ากันโดยใช้อนุกรมหรือทางแยกแบบขนาน

เส้นรอบวงเฉลี่ยของการแข่งขันทั้งหมดคือ1.5λและแต่ละพอร์ตทั้งสี่จะถูกคั่นด้วยระยะทางλ / 4 รูปต่อไปนี้แสดงภาพของทางแยก Rat-race

ขอให้เราพิจารณาสองสามกรณีเพื่อทำความเข้าใจการทำงานของทางแยก Rat-race

กรณีที่ 1

หากใช้พลังงานอินพุตที่พอร์ต 1 จะแบ่งออกเป็นสองพอร์ตเท่า ๆ กัน แต่ในทิศทางตามเข็มนาฬิกาสำหรับพอร์ต 2 และทิศทางทวนเข็มนาฬิกาสำหรับพอร์ต 4 พอร์ต 3 ไม่มีเอาต์พุตอย่างแน่นอน

เหตุผลที่พอร์ต 2 และ 4 พลังรวมกันในเฟสในขณะที่พอร์ต 3 การยกเลิกเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของเส้นทางλ / 2

กรณีที่ 2

หากใช้กำลังไฟฟ้าเข้าที่พอร์ต 3 พลังงานจะถูกแบ่งเท่า ๆ กันระหว่างพอร์ต 2 และพอร์ต 4 แต่จะไม่มีเอาต์พุตที่พอร์ต 1

กรณีที่ 3

หากใช้สัญญาณสองสัญญาณที่ไม่เท่ากันที่พอร์ต 1 เองเอาต์พุตจะเป็นสัดส่วนกับผลรวมของสัญญาณอินพุตทั้งสองซึ่งแบ่งระหว่างพอร์ต 2 และ 4 ตอนนี้ที่พอร์ต 3 เอาต์พุตที่แตกต่างกันจะปรากฏขึ้น

Scattering Matrix สำหรับ Rat-race junction แสดงเป็น

$$ [S] = \ begin {bmatrix} 0 & S_ {12} & 0 & S_ {14} \\ S_ {21} & 0 & S_ {23} & 0 \\ 0 & S_ {32} & 0 & S_ {34} \ \ S_ {41} & 0 & S_ {43} & 0 \ end {bmatrix} $$

การใช้งาน

Rat-race Junction ใช้สำหรับรวมสัญญาณสองสัญญาณและแบ่งสัญญาณออกเป็นสองส่วน

ก Directional couplerเป็นอุปกรณ์ที่เก็บตัวอย่างพลังงานไมโครเวฟจำนวนเล็กน้อยเพื่อวัตถุประสงค์ในการวัด การวัดกำลัง ได้แก่ กำลังตกกระทบกำลังสะท้อนค่า VSWR เป็นต้น

Directional Coupler เป็นทางแยกท่อนำคลื่น 4 พอร์ตซึ่งประกอบด้วยท่อนำคลื่นหลักหลักและท่อนำคลื่นเสริมรอง รูปต่อไปนี้แสดงภาพของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทาง

Directional coupler ใช้เพื่อจับคู่กำลังไมโครเวฟซึ่งอาจเป็นแบบทิศทางเดียวหรือแบบสองทิศทาง

คุณสมบัติของ Directional Couplers

คุณสมบัติของข้อต่อทิศทางในอุดมคติมีดังนี้

• การสิ้นสุดทั้งหมดจะจับคู่กับพอร์ต

• เมื่อพลังงานเดินทางจากพอร์ต 1 ไปยังพอร์ต 2 บางส่วนจะเชื่อมต่อกับพอร์ต 4 แต่ไม่ใช่พอร์ต 3

• เนื่องจากเป็นตัวเชื่อมต่อแบบสองทิศทางเมื่อพลังงานเดินทางจากพอร์ต 2 ไปยังพอร์ต 1 บางส่วนจะเชื่อมต่อกับพอร์ต 3 แต่ไม่ใช่พอร์ต 4

• หากกระแสไฟเกิดขึ้นผ่านพอร์ต 3 ส่วนหนึ่งจะเชื่อมต่อกับพอร์ต 2 แต่ไม่ใช่พอร์ต 1

• หากกระแสไฟเกิดขึ้นผ่านพอร์ต 4 ส่วนหนึ่งจะต่อคู่กับพอร์ต 1 แต่ไม่ใช่พอร์ต 2

• พอร์ต 1 และ 3 แยกออกจากกันเช่นเดียวกับพอร์ต 2 และพอร์ต 4

ตามหลักการแล้วเอาต์พุตของพอร์ต 3 ควรเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติมีพลังเพียงเล็กน้อยที่เรียกว่าback power สังเกตได้ที่พอร์ต 3 รูปต่อไปนี้ระบุการไหลของพลังงานในตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทาง

ที่ไหน

• $ P_i $ = กำลังของเหตุการณ์ที่พอร์ต 1

• $ P_r $ = ได้รับพลังงานที่พอร์ต 2

• $ P_f $ = ส่งต่อกำลังคู่ที่พอร์ต 4

• $ P_b $ = กำลังสำรองที่พอร์ต 3

ต่อไปนี้เป็นพารามิเตอร์ที่ใช้กำหนดประสิทธิภาพของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทาง

ปัจจัยการมีเพศสัมพันธ์ (C)

ปัจจัยการมีเพศสัมพันธ์ของคัปปลิ้งแบบกำหนดทิศทางคืออัตราส่วนของกำลังตกกระทบต่อกำลังไปข้างหน้าซึ่งวัดเป็น dB

$$ C = 10 \: log_ {10} \ frac {P_i} {P_f} dB $$

ทิศทาง (D)

Directivity ของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางคืออัตราส่วนของกำลังเดินหน้าต่อกำลังถอยหลังซึ่งวัดเป็น dB

$$ D = 10 \: log_ {10} \ frac {P_f} {P_b} dB $$

การแยกตัว

กำหนดคุณสมบัติคำสั่งของข้อต่อทิศทาง เป็นอัตราส่วนของกำลังตกกระทบต่อกำลังไฟฟ้าด้านหลังซึ่งวัดเป็น dB

$$ I = 10 \: log_ {10} \ frac {P_i} {P_b} dB $$

Isolation in dB = Coupling factor + Directivity

Coupler ทิศทางสองรู

นี่คือตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางที่มีท่อนำคลื่นหลักและท่อช่วยเสริมเหมือนกัน แต่มีรูเล็ก ๆ สองรูที่อยู่ระหว่างกัน รูเหล่านี้อยู่ห่างกัน $ {\ lambda_g} / {4} $ ระยะห่างโดยที่λgคือความยาวคลื่นนำทาง รูปต่อไปนี้แสดงภาพของตัวเชื่อมต่อแบบสองรูทิศทาง

ตัวเชื่อมต่อแบบสองรูได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการในอุดมคติของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางซึ่งก็คือเพื่อหลีกเลี่ยงพลังงานย้อนกลับ กำลังบางส่วนขณะเดินทางระหว่างพอร์ต 1 และพอร์ต 2 หลบหนีออกมาทางช่อง 1 และ 2

ขนาดของพลังขึ้นอยู่กับขนาดของรู กำลังไฟฟ้ารั่วที่รูทั้งสองอยู่ในเฟสที่รู 2 เพิ่มกำลังที่ส่งไปยังกำลังส่งP_f. อย่างไรก็ตามมันอยู่นอกเฟสที่หลุม 1 ยกเลิกซึ่งกันและกันและป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าย้อนกลับเกิดขึ้น

ดังนั้นทิศทางของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางจึงดีขึ้น

ข้อต่อท่อนำคลื่น

เนื่องจากระบบท่อนำคลื่นไม่สามารถสร้างเป็นชิ้นเดียวได้เสมอไปบางครั้งจึงจำเป็นต้องเชื่อมท่อนำคลื่นที่แตกต่างกัน การเข้าร่วมนี้จะต้องทำอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันปัญหาเช่น - เอฟเฟกต์การสะท้อนการสร้างคลื่นนิ่งและการเพิ่มการลดทอนเป็นต้น

ข้อต่อท่อนำคลื่นนอกจากจะหลีกเลี่ยงความผิดปกติแล้วยังควรดูแลรูปแบบช่อง E และ H โดยไม่ให้กระทบกระเทือน ข้อต่อท่อนำคลื่นมีหลายประเภทเช่นหน้าแปลนเกลียวข้อต่อหน้าแปลนข้อต่อโช้กเป็นต้น

สำหรับการสร้างและขยายไมโครเวฟจำเป็นต้องมีท่อพิเศษบางอย่างที่เรียกว่า as Microwave tubes. จากพวกเขาทั้งหมดKlystron เป็นสิ่งที่สำคัญ

องค์ประกอบที่สำคัญของ Klystron คือลำแสงอิเล็กตรอนและตัวสะท้อนโพรง ลำแสงอิเล็กตรอนถูกผลิตขึ้นจากแหล่งกำเนิดและใช้โพรง klystrons เพื่อขยายสัญญาณ มีตัวเก็บรวบรวมอยู่ที่ส่วนท้ายเพื่อรวบรวมอิเล็กตรอน การตั้งค่าทั้งหมดดังแสดงในรูปต่อไปนี้

อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดจะถูกเร่งไปยังเรโซเนเตอร์ตัวแรก ตัวรวบรวมที่ส่วนท้ายมีศักยภาพเช่นเดียวกับตัวสะท้อนเสียง ดังนั้นโดยปกติแล้วอิเล็กตรอนจะมีความเร็วคงที่ในช่องว่างระหว่างตัวสะท้อนโพรง

ในขั้นต้นเครื่องเรโซเนเตอร์ช่องแรกจะมาพร้อมกับสัญญาณความถี่สูงที่อ่อนแอซึ่งจะต้องได้รับการขยายสัญญาณ สัญญาณจะเริ่มสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในโพรง สัญญาณนี้ถูกส่งผ่านสายโคแอกเชียลดังแสดงในรูปต่อไปนี้

เนื่องจากสนามนี้อิเล็กตรอนที่ผ่านโพรงเรโซเนเตอร์จึงถูกมอดูเลต เมื่อมาถึงเรโซเนเตอร์ตัวที่สองอิเล็กตรอนจะถูกเหนี่ยวนำด้วย EMF อื่นที่ความถี่เดียวกัน สนามนี้แรงพอที่จะดึงสัญญาณขนาดใหญ่จากช่องที่สอง

โพรง Resonator

ก่อนอื่นให้เราพยายามทำความเข้าใจรายละเอียดโครงสร้างและการทำงานของเครื่องสะท้อนเสียงโพรง รูปต่อไปนี้ระบุตัวสะท้อนโพรง

วงจรเรโซแนนซ์อย่างง่ายซึ่งประกอบด้วยตัวเก็บประจุและลูปอุปนัยสามารถเปรียบเทียบได้กับเรโซแนนเตอร์โพรงนี้ ตัวนำมีอิเล็กตรอนอิสระ หากประจุถูกนำไปใช้กับตัวเก็บประจุเพื่อให้ประจุเข้ากับแรงดันไฟฟ้าของขั้วนี้อิเล็กตรอนจำนวนมากจะถูกลบออกจากแผ่นด้านบนและนำเข้าสู่แผ่นด้านล่าง

จานที่มีการทับถมของอิเล็กตรอนมากขึ้นจะเป็นขั้วลบและจานที่มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยกว่าจะกลายเป็นขั้วบวก รูปต่อไปนี้แสดงการสะสมประจุบนตัวเก็บประจุ

เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งจากประจุบวกไปทางลบ หากตัวเก็บประจุถูกชาร์จด้วยขั้วย้อนกลับทิศทางของสนามจะกลับกันด้วย การกระจัดของอิเล็กตรอนในหลอดถือเป็นกระแสสลับ กระแสสลับนี้ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับซึ่งอยู่นอกเฟสด้วยสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ

เมื่อสนามแม่เหล็กมีความแรงสูงสุดสนามไฟฟ้าจะเป็นศูนย์และหลังจากนั้นสักครู่สนามไฟฟ้าจะมีค่าสูงสุดในขณะที่สนามแม่เหล็กอยู่ที่ศูนย์ การแลกเปลี่ยนความแข็งแกร่งนี้เกิดขึ้นเป็นวัฏจักร

ปิด Resonator

ยิ่งค่าของตัวเก็บประจุและความเหนี่ยวนำของลูปมีค่าน้อยเท่าใดค่าความผันผวนหรือความถี่เรโซแนนซ์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เนื่องจากการเหนี่ยวนำของลูปมีขนาดเล็กมากจึงสามารถรับความถี่สูงได้

ในการสร้างสัญญาณความถี่ที่สูงขึ้นความเหนี่ยวนำสามารถลดลงได้อีกโดยการวางลูปอุปนัยแบบขนานมากขึ้นดังแสดงในรูปต่อไปนี้ ส่งผลให้การก่อตัวของเรโซเนเตอร์แบบปิดมีความถี่สูงมาก

ในเครื่องเรโซเนเตอร์แบบปิดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะถูก จำกัด ไว้ที่ด้านในของโพรง เรโซเนเตอร์ตัวแรกของโพรงตื่นเต้นกับสัญญาณภายนอกที่จะขยาย สัญญาณนี้ต้องมีความถี่ที่โพรงสามารถสั่นพ้องได้ กระแสไฟฟ้าในสายโคแอกเซียลนี้สร้างสนามแม่เหล็กซึ่งสนามไฟฟ้าเกิดขึ้น

การทำงานของ Klystron

เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับการมอดูเลตของลำแสงอิเล็กตรอนเมื่อเข้าสู่ช่องแรกให้พิจารณาสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าบนเรโซเนเตอร์จะเปลี่ยนทิศทางของสนามเหนี่ยวนำ ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้อิเล็กตรอนที่ออกมาจากปืนอิเล็กตรอนจะได้รับการควบคุมความเร็ว

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบพวกมันจะถูกเร่งความเร็วหากเคลื่อนที่ตรงข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้า นอกจากนี้หากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันของสนามไฟฟ้าพวกมันจะช้าลง สนามไฟฟ้านี้เปลี่ยนแปลงไปเรื่อย ๆ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงถูกเร่งและชะลอตัวขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของสนาม รูปต่อไปนี้แสดงการไหลของอิเล็กตรอนเมื่อสนามอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม

ขณะเคลื่อนที่อิเล็กตรอนเหล่านี้จะเข้าสู่พื้นที่ว่างในสนามที่เรียกว่า drift spaceระหว่างเรโซเนเตอร์ที่มีความเร็วแตกต่างกันซึ่งสร้างกลุ่มอิเล็กตรอน พวงเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความเร็วในการเดินทาง

พวงเหล่านี้เข้าสู่ตัวสะท้อนที่สองด้วยความถี่ที่สอดคล้องกับความถี่ที่เรโซเนเตอร์ตัวแรกสั่น เนื่องจากเรโซเนเตอร์ของโพรงทั้งหมดเหมือนกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจึงทำให้เรโซเนเตอร์ตัวที่สองสั่น รูปต่อไปนี้แสดงการก่อตัวของกลุ่มอิเล็กตรอน

สนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำในเรโซเนเตอร์ตัวที่สองจะทำให้เกิดกระแสบางส่วนในสายโคแอกเซียลเริ่มต้นสัญญาณเอาท์พุต พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนในโพรงที่สองเกือบจะเท่ากับอิเล็กตรอนในโพรงแรกดังนั้นจึงไม่มีพลังงานใดถูกดึงออกมาจากโพรง

ขณะที่อิเล็กตรอนผ่านโพรงที่สองมีเพียงไม่กี่ตัวที่ถูกเร่งในขณะที่กลุ่มของอิเล็กตรอนลดความเร็วลง ดังนั้นพลังงานจลน์ทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุต

การขยาย Klystron แบบสองช่องดังกล่าวอยู่ในระดับต่ำและด้วยเหตุนี้จึงใช้ Klystrons หลายช่อง

รูปต่อไปนี้แสดงตัวอย่างของแอมพลิฟายเออร์ Klystron แบบหลายช่อง

ด้วยสัญญาณที่ใช้ในช่องแรกเราจะได้มัดที่อ่อนแอในช่องที่สอง สิ่งเหล่านี้จะสร้างสนามในช่องที่สามซึ่งจะทำให้เกิดพวงที่เข้มข้นขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นการขยายจึงมีขนาดใหญ่ขึ้น

เครื่องกำเนิดไมโครเวฟนี้เป็น Klystron ที่ทำงานกับการสะท้อนและการสั่นในช่องเดียวซึ่งมีความถี่ตัวแปร

Reflex Klystron ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอน, ไส้หลอดแคโทด, ช่องขั้วบวกและขั้วไฟฟ้าที่ศักย์ของแคโทด ให้พลังงานต่ำและมีประสิทธิภาพต่ำ

การก่อสร้าง Reflex Klystron

ปืนอิเล็กตรอนจะปล่อยลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งผ่านช่องว่างในโพรงแอโนด อิเล็กตรอนเหล่านี้เดินทางไปยังอิเล็กโทรด Repeller ซึ่งมีศักยภาพเชิงลบสูง เนื่องจากสนามลบสูงอิเล็กตรอนจึงขับไล่กลับไปที่โพรงแอโนด ในการเดินทางกลับอิเล็กตรอนจะให้พลังงานแก่ช่องว่างมากขึ้นและการสั่นเหล่านี้จะยั่งยืน รายละเอียดโครงสร้างของ klystron แบบสะท้อนนี้มีดังแสดงในรูปต่อไปนี้

สันนิษฐานว่ามีการสั่นอยู่แล้วในท่อและคงอยู่ได้จากการทำงานของมัน อิเล็กตรอนขณะผ่านโพรงแอโนดจะได้รับความเร็ว

การทำงานของ Reflex Klystron

การทำงานของ Reflex Klystron นั้นเข้าใจได้จากสมมติฐานบางประการ ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกเร่งเข้าหาโพรงแอโนด

ให้เราสมมติว่าอิเล็กตรอนอ้างอิง e_rข้ามโพรงแอโนด แต่ไม่มีความเร็วพิเศษและจะขับไล่กลับหลังจากถึงอิเล็กโทรด Repeller ด้วยความเร็วเท่ากัน อิเล็กตรอนอีกตัวสมมุติe_e ซึ่งเริ่มต้นเร็วกว่าอิเล็กตรอนอ้างอิงนี้จะไปถึง Repeller ก่อน แต่กลับช้าไปถึงในเวลาเดียวกันกับอิเล็กตรอนอ้างอิง

เรามีอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งซึ่งเป็นอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย e_lซึ่งเริ่มช้ากว่าทั้งสองอย่าง e_r และ e_eอย่างไรก็ตามมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากขึ้นในขณะที่ถอยหลังกลับมาถึงในเวลาเดียวกันกับ er และ ee

ตอนนี้อิเล็กตรอนทั้งสามนี้ ได้แก่ e_r, e_e และ e_l เข้าถึงช่องว่างในเวลาเดียวกันสร้างไฟล์ electron bunch. เวลาเดินทางนี้เรียกว่าtransit timeซึ่งควรมีค่าที่เหมาะสม รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงสิ่งนี้

ช่องขั้วบวกจะเร่งอิเล็กตรอนในขณะที่ไปและได้รับพลังงานจากการหน่วงเวลาระหว่างการเดินทางกลับ เมื่อแรงดันช่องว่างเป็นบวกสูงสุดสิ่งนี้จะช่วยให้อิเล็กตรอนเชิงลบสูงสุดชะลอตัวได้

เวลาขนส่งที่เหมาะสมจะแสดงเป็น

$$ T = n + \ frac {3} {4} \ quad โดยที่ \: n \: is \: an \: integer $$

เวลาในการขนส่งนี้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของตัวแทนจำหน่ายและขั้วบวก

การใช้งาน Reflex Klystron

Reflex Klystron ใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ต้องการความถี่ตัวแปรเช่น -

• เครื่องรับวิทยุ
• ลิงค์ไมโครเวฟแบบพกพา
• เครื่องขยายเสียงพาราเมตริก
• ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นของเครื่องรับไมโครเวฟ
• เป็นแหล่งสัญญาณที่ต้องการความถี่ตัวแปรในเครื่องกำเนิดไมโครเวฟ

ท่อคลื่นเดินทางเป็นอุปกรณ์ไมโครเวฟบรอดแบนด์ที่ไม่มีตัวสะท้อนโพรงเหมือน Klystrons การขยายจะกระทำผ่านปฏิสัมพันธ์ที่ยาวนานระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนและสนามความถี่วิทยุ (RF)

การก่อสร้างท่อคลื่นเดินทาง

ท่อคลื่นเดินทางเป็นโครงสร้างทรงกระบอกซึ่งบรรจุปืนอิเล็กตรอนจากหลอดแคโทด มีแผ่นขั้วบวกเกลียวและตัวสะสม อินพุต RF จะถูกส่งไปที่ปลายด้านหนึ่งของเกลียวและเอาต์พุตจะถูกดึงออกมาจากปลายอีกด้านหนึ่งของเกลียว

ปืนอิเล็กตรอนมุ่งเน้นไปที่ลำอิเล็กตรอนด้วยความเร็วของแสง สนามแม่เหล็กนำทางลำแสงให้โฟกัสโดยไม่กระจาย สนาม RF ยังแพร่กระจายด้วยความเร็วของแสงซึ่งถูกหน่วงด้วยเกลียว Helix ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างคลื่นช้า สนาม RF ประยุกต์ที่แพร่กระจายในเกลียวทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่กึ่งกลางของเกลียว

สนามไฟฟ้าที่เป็นผลลัพธ์เนื่องจากสัญญาณ RF ที่ประยุกต์ใช้เดินทางด้วยความเร็วของแสงคูณด้วยอัตราส่วนของระยะพิทช์เกลียวต่อเส้นรอบวงเกลียว ความเร็วของลำแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านเกลียวทำให้เกิดพลังงานไปยังคลื่น RF บนเกลียว

รูปต่อไปนี้อธิบายถึงคุณสมบัติโครงสร้างของท่อคลื่นเคลื่อนที่

ดังนั้นเอาต์พุตที่ขยายจะได้รับที่เอาต์พุตของ TWT ความเร็วเฟสแกน $ V_p $ แสดงเป็น

$$ V_p = V_c \ left ({Pitch} / {2 \ pi r} \ right) $$

ที่ไหน rคือรัศมีของเกลียว เนื่องจากเกลียวมีการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุดในความเร็วเฟส $ V_p $ จึงเป็นที่ต้องการมากกว่าโครงสร้างคลื่นช้าอื่น ๆ สำหรับ TWT ใน TWT ปืนอิเล็กตรอนจะโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนในช่องว่างระหว่างแผ่นขั้วบวกไปยังเกลียวซึ่งจะถูกรวบรวมไว้ที่ตัวเก็บรวบรวม รูปต่อไปนี้อธิบายการจัดเรียงอิเล็กโทรดในท่อคลื่นเคลื่อนที่

การทำงานของท่อคลื่นเดินทาง

แผ่นขั้วบวกเมื่อมีศักย์เป็นศูนย์ซึ่งหมายความว่าเมื่อสนามไฟฟ้าตามแนวแกนอยู่ที่โหนดหนึ่งความเร็วของลำแสงอิเล็กตรอนจะไม่ได้รับผลกระทบ เมื่อคลื่นบนสนามไฟฟ้าตามแนวแกนอยู่ที่แอนติโนดบวกอิเล็กตรอนจากลำอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งนี้จะพยายามตามอิเล็กตรอนตอนปลายซึ่งพบโหนดของสนามแกน RF

ณ จุดที่สนามแกน RF อยู่ที่แอนติโนดเชิงลบอิเล็กตรอนที่อ้างถึงก่อนหน้านี้จะพยายามแซงเนื่องจากผลของสนามลบ อิเล็กตรอนได้รับความเร็วมอดูเลต จากผลการสะสมคลื่นลูกที่สองจะเกิดขึ้นในเกลียว เอาต์พุตมีขนาดใหญ่กว่าอินพุตและส่งผลให้เกิดการขยาย

การใช้งาน Travel Wave Tube

หลอดคลื่นเดินทางมีหลายแอปพลิเคชั่น

• TWT ใช้ในเครื่องรับไมโครเวฟเป็นเครื่องขยายสัญญาณ RF ที่มีเสียงรบกวนต่ำ

• นอกจากนี้ TWT ยังใช้ในลิงก์การสื่อสารแบบวงกว้างและสายเคเบิลแกนร่วมเป็นเครื่องขยายสัญญาณทวนสัญญาณหรือแอมพลิฟายเออร์ระดับกลางเพื่อขยายสัญญาณต่ำ

• TWT มีอายุการใช้งานยาวนานเนื่องจากใช้เป็นหลอดจ่ายไฟในดาวเทียมสื่อสาร

• TWT กำลังสูงแบบคลื่นต่อเนื่องถูกนำมาใช้ในลิงก์ Troposcatter เนื่องจากใช้พลังงานมากและแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่เพื่อกระจายไปยังระยะทางไกล

• TWT ใช้ในเรดาร์พัลซิ่งกำลังสูงและเรดาร์แบบกราวด์

ซึ่งแตกต่างจากหลอดที่กล่าวถึงจนถึงตอนนี้ Magnetrons เป็นท่อข้ามสนามที่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กข้ามกล่าวคือวิ่งในแนวตั้งฉากซึ่งกันและกัน ใน TWT พบว่าอิเล็กตรอนเมื่อทำปฏิกิริยากับ RF เป็นเวลานานกว่าใน Klystron ทำให้ประสิทธิภาพสูงขึ้น ใช้เทคนิคเดียวกันนี้ใน Magnetrons

ประเภทของแมกนีตรอน

แมกนีตรอนมีสามประเภทหลัก ๆ

ประเภทความต้านทานเชิงลบ

• ใช้ความต้านทานเชิงลบระหว่างสองส่วนขั้วบวก
• มีประสิทธิภาพต่ำ
• ใช้ที่ความถี่ต่ำ (<500 MHz)

แมกนีตรอนความถี่ไซโคลตรอน

• การซิงโครไนซ์ระหว่างส่วนประกอบไฟฟ้าและอิเล็กตรอนแบบสั่นจะถูกพิจารณา

• มีประโยชน์สำหรับความถี่ที่สูงกว่า 100MHz

Travel Wave หรือ Cavity Type

• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและสนาม EM ที่หมุนจะถูกนำมาพิจารณา

• มีการสั่นของกำลังสูงสุดสูง

• มีประโยชน์ในการใช้งานเรดาร์

โพรงแมกนีตรอน

Magnetron เรียกว่า Cavity Magnetron เนื่องจากขั้วบวกถูกสร้างเป็นโพรงเรโซแนนซ์และแม่เหล็กถาวรถูกใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงซึ่งการกระทำของทั้งสองอย่างนี้ทำให้อุปกรณ์ทำงานได้

การก่อสร้างโพรงแมกนีตรอน

แคโทดทรงกระบอกหนาอยู่ตรงกลางและแท่งทองแดงทรงกระบอกคงที่ตามแนวแกนซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วบวก บล็อกขั้วบวกนี้สร้างขึ้นจากสล็อตจำนวนมากที่ทำหน้าที่เป็นโพรงแอโนดเรโซแนนซ์

ช่องว่างที่มีอยู่ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบเรียกว่าเป็น Interaction space. สนามไฟฟ้ามีอยู่ในแนวรัศมีในขณะที่สนามแม่เหล็กมีอยู่ตามแนวแกนในโพรงแมกนีตรอน สนามแม่เหล็กนี้ผลิตโดยแม่เหล็กถาวรซึ่งวางไว้เพื่อให้เส้นแม่เหล็กขนานกับแคโทดและตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าที่มีอยู่ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ

ตัวเลขต่อไปนี้แสดงรายละเอียดโครงสร้างของโพรงแมกนีตรอนและเส้นแม่เหล็กของฟลักซ์ที่มีอยู่ตามแนวแกน

โพรงแมกนีตรอนนี้มี 8 ช่องประกบกันอย่างแน่นหนา แมกนีตรอนแบบช่อง N มีโหมดการทำงาน $ N $ การดำเนินการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความถี่และเฟสของการสั่น การกะระยะทั้งหมดรอบวงแหวนของตัวสะท้อนโพรงนี้ควรเป็น $ 2n \ pi $ โดยที่ $ n $ เป็นจำนวนเต็ม

หาก $ \ phi_v $ แสดงถึงการเปลี่ยนเฟสสัมพัทธ์ของสนามไฟฟ้ากระแสสลับในโพรงที่อยู่ติดกันดังนั้น

$$ \ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N} $$

โดยที่ $ n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2} $

ซึ่งหมายความว่า $ \ frac {N} {2} $ mode of resonance จะมีอยู่ถ้า $ N $ เป็นเลขคู่

ถ้า,

$$ n = \ frac {N} {2} \ quad แล้ว \ quad \ phi_v = \ pi $$

โหมดการสั่นพ้องนี้เรียกว่า $ \ pi-mode $

$$ n = 0 \ quad แล้ว \ quad \ phi_v = 0 $$

ซึ่งเรียกว่าเป็นไฟล์ Zero modeเนื่องจากจะไม่มีสนามไฟฟ้า RF ระหว่างขั้วบวกและแคโทด นี้เรียกอีกอย่างว่าFringing Field และโหมดนี้ไม่ได้ใช้กับแมกนีตรอน

การทำงานของโพรงแมกนีตรอน

เมื่อ Cavity Klystron อยู่ระหว่างการดำเนินการเรามีกรณีต่างๆที่ต้องพิจารณา ให้เราดูรายละเอียด

Case 1

ถ้าไม่มีสนามแม่เหล็กเช่น B = 0 ก็จะสังเกตพฤติกรรมของอิเล็กตรอนได้ดังรูปต่อไปนี้ พิจารณาตัวอย่างที่อิเล็กตรอนa โดยตรงไปยังขั้วบวกภายใต้แรงเคลื่อนไฟฟ้าในแนวรัศมี

Case 2

หากมีการเพิ่มขึ้นของสนามแม่เหล็กแรงด้านข้างจะกระทำต่ออิเล็กตรอน สิ่งนี้สามารถสังเกตได้ในรูปต่อไปนี้โดยพิจารณาจากอิเล็กตรอนb ซึ่งใช้เส้นทางโค้งในขณะที่ทั้งสองกำลังกระทำกับมัน

รัศมีของเส้นทางนี้คำนวณได้จาก

$$ R = \ frac {mv} {eB} $$

มันแปรผันตามสัดส่วนตามความเร็วของอิเล็กตรอนและเป็นสัดส่วนผกผันกับความแรงของสนามแม่เหล็ก

Case 3

ถ้าสนามแม่เหล็ก B จะเพิ่มขึ้นอีกอิเล็กตรอนไปตามเส้นทางเช่นอิเล็กตรอน cเพียงแค่แทะเล็มพื้นผิวแอโนดและทำให้กระแสแอโนดเป็นศูนย์ นี้เรียกว่าเป็นCritical magnetic field"$ (B_c) $ ซึ่งเป็นสนามแม่เหล็กที่ถูกตัดออกอ้างอิงรูปต่อไปนี้เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น

Case 4

ถ้าสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นมากกว่าสนามวิกฤต

$$ B> B_c $$

จากนั้นอิเล็กตรอนไปตามเส้นทางเป็นอิเล็กตรอน dซึ่งอิเล็กตรอนจะกระโดดกลับไปที่แคโทดโดยไม่ไปที่ขั้วบวก สาเหตุนี้ "back heating"ของแคโทดโปรดดูรูปต่อไปนี้

ซึ่งทำได้โดยการตัดแหล่งจ่ายไฟฟ้าเมื่อการสั่นเริ่มขึ้น หากยังคงดำเนินต่อไปประสิทธิภาพการเปล่งแสงของแคโทดจะได้รับผลกระทบ

การทำงานของ Cavity Magnetron พร้อม Active RF Field

เราได้พูดถึงการทำงานของโพรงแมกนีตรอนซึ่งไม่มีสนาม RF อยู่ในโพรงของแมกนีตรอน (เคสแบบคงที่) ตอนนี้ให้เราพูดถึงการทำงานของมันเมื่อเรามีฟิลด์ RF ที่ใช้งานอยู่

เช่นเดียวกับใน TWT ให้เราสมมติว่ามีการสั่นของคลื่นความถี่วิทยุเริ่มต้นเนื่องจากมีสัญญาณรบกวนชั่วคราว การสั่นจะคงอยู่โดยการทำงานของอุปกรณ์ มีอิเล็กตรอนสามชนิดที่ปล่อยออกมาในกระบวนการนี้ซึ่งการกระทำนี้เข้าใจว่าเป็นอิเล็กตรอนa, b และ cในสามกรณีที่แตกต่างกัน

Case 1

เมื่อมีการแกว่งอิเล็กตรอน a, ชะลอการถ่ายโอนพลังงานเพื่อการแกว่ง อิเล็กตรอนดังกล่าวที่ถ่ายโอนพลังงานไปยังการสั่นเรียกว่าfavored electrons. อิเล็กตรอนเหล่านี้มีหน้าที่bunching effect.

Case 2

ในกรณีนี้อิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งพูด bใช้พลังงานจากการสั่นและเพิ่มความเร็ว เมื่อเสร็จแล้ว

• มันโค้งอย่างรวดเร็วมากขึ้น
• ใช้เวลาเพียงเล็กน้อยในพื้นที่ปฏิสัมพันธ์
• มันกลับไปที่ขั้วลบ

อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่า unfavored electrons. พวกเขาไม่ได้มีส่วนร่วมในผลพวง นอกจากนี้อิเล็กตรอนเหล่านี้ยังเป็นอันตรายเนื่องจากทำให้เกิด "ความร้อนย้อนกลับ"

Case 3

ในกรณีนี้อิเล็กตรอน cซึ่งปล่อยออกมาหลังจากนั้นเล็กน้อยจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น มันพยายามจับอิเล็กตรอนa. อิเล็กตรอนตัวถัดไปปล่อยออกมาdพยายามก้าวไปด้วย a. เป็นผลให้อิเล็กตรอนที่ชื่นชอบa, c และ dสร้างกลุ่มอิเล็กตรอนหรือเมฆอิเล็กตรอน เรียกว่าเป็น "Phase focus effect"

กระบวนการทั้งหมดนี้เข้าใจได้ดีขึ้นโดยดูที่รูปต่อไปนี้

รูป A แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในกรณีต่างๆในขณะที่รูป B แสดงเมฆอิเล็กตรอนที่ก่อตัวขึ้น เมฆอิเล็กตรอนเหล่านี้เกิดขึ้นในขณะที่อุปกรณ์กำลังทำงาน ประจุไฟฟ้าปรากฏบนพื้นผิวภายในของส่วนแอโนดเหล่านี้ตามการสั่นในโพรง สิ่งนี้ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าหมุนตามเข็มนาฬิกาซึ่งสามารถมองเห็นได้จริงขณะทำการทดลองจริง

ในขณะที่สนามไฟฟ้ากำลังหมุนเส้นฟลักซ์แม่เหล็กจะเกิดขึ้นขนานกับแคโทดซึ่งภายใต้เอฟเฟกต์ที่รวมกันนั้นกลุ่มอิเล็กตรอนจะถูกสร้างขึ้นด้วยซี่สี่ซี่โดยนำไปยังส่วนแอโนดบวกที่ใกล้ที่สุดในวิถีเกลียว

ในบรรดาอุปกรณ์ตรวจวัดไมโครเวฟการติดตั้งเตาไมโครเวฟซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ไมโครเวฟมีสถานที่ที่โดดเด่น การตั้งค่าทั้งหมดนี้มีทางเลือกไม่กี่ทางสามารถวัดค่าได้หลายค่าเช่นความยาวคลื่นนำทางความยาวคลื่นอวกาศว่างความยาวคลื่นตัดความต้านทานความถี่ VSWR ลักษณะ Klystron ลักษณะไดโอด Gunn การวัดพลังงาน ฯลฯ

ผลผลิตที่ผลิตโดยไมโครเวฟในการกำหนดกำลังโดยทั่วไปจะมีค่าเพียงเล็กน้อย ซึ่งแตกต่างกันไปตามตำแหน่งในสายส่ง ควรมีอุปกรณ์ในการวัดกำลังไมโครเวฟซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นการติดตั้งเตาไมโครเวฟ

การตั้งค่าการวัดทั่วไปของเตาไมโครเวฟ

การตั้งค่านี้เป็นการรวมกันของส่วนต่างๆซึ่งสามารถสังเกตได้โดยละเอียด รูปต่อไปนี้อธิบายการตั้งค่าอย่างชัดเจน

เครื่องกำเนิดสัญญาณ

ตามความหมายของชื่อมันสร้างสัญญาณไมโครเวฟตามลำดับไม่กี่มิลลิวัตต์ สิ่งนี้ใช้เทคนิคการมอดูเลตความเร็วในการถ่ายโอนลำแสงคลื่นต่อเนื่องเป็นกำลังมิลลิวัตต์

เครื่องกำเนิดสัญญาณไดโอด Gunn หรือหลอด Reflex Klystron อาจเป็นตัวอย่างสำหรับเครื่องกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟนี้

ตัวลดทอนความแม่นยำ

นี่คือตัวลดทอนที่เลือกความถี่ที่ต้องการและ จำกัด เอาต์พุตประมาณ 0 ถึง 50db นี่เป็นตัวแปรและสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการ

ตัวลดทอนแบบแปรผัน

ตัวลดทอนนี้กำหนดจำนวนการลดทอน สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการปรับค่าอย่างละเอียดซึ่งการอ่านจะถูกตรวจสอบเทียบกับค่าของตัวลดทอนความแม่นยำ

Isolator

สิ่งนี้จะลบสัญญาณที่ไม่จำเป็นต้องไปถึงที่ยึดเครื่องตรวจจับ Isolator ช่วยให้สัญญาณส่งผ่านท่อนำคลื่นไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

เครื่องวัดความถี่

นี่คืออุปกรณ์ที่ใช้วัดความถี่ของสัญญาณ ด้วยเครื่องวัดความถี่นี้สัญญาณสามารถปรับเป็นความถี่เรโซแนนซ์ได้ นอกจากนี้ยังให้การจัดหาคู่สัญญาณกับท่อนำคลื่น

เครื่องตรวจจับคริสตัล

หัววัดตรวจจับคริสตัลและขายึดเครื่องตรวจจับคริสตัลจะระบุไว้ในรูปด้านบนโดยที่เครื่องตรวจจับเชื่อมต่อผ่านหัววัดไปยังตัวยึด ใช้เพื่อ demodulate สัญญาณ

ตัวบ่งชี้คลื่นนิ่ง

โวลต์มิเตอร์ของคลื่นนิ่งให้การอ่านอัตราส่วนคลื่นนิ่งเป็น dB ท่อนำคลื่นถูกเฉือนด้วยช่องว่างบางส่วนเพื่อปรับรอบนาฬิกาของสัญญาณ สัญญาณที่ส่งโดยท่อนำคลื่นจะถูกส่งต่อผ่านสาย BNC ไปยัง VSWR หรือ CRO เพื่อวัดลักษณะของสัญญาณ

ม้านั่งไมโครเวฟที่ติดตั้งในแอปพลิเคชันแบบเรียลไทม์จะมีลักษณะดังนี้ -

ตอนนี้ให้เรามาดูส่วนสำคัญของม้านั่งไมโครเวฟนี้คือเส้น slotted

เส้น Slotted

ในสายส่งไมโครเวฟหรือท่อนำคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าถือเป็นผลรวมของคลื่นตกกระทบจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและคลื่นที่สะท้อนไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แสงสะท้อนบ่งบอกถึงความไม่ตรงกันหรือความไม่ต่อเนื่อง ขนาดและเฟสของคลื่นสะท้อนขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดและเฟสของอิมพีแดนซ์สะท้อน

คลื่นนิ่งที่ได้รับจะวัดเพื่อทราบความไม่สมบูรณ์ของสายส่งซึ่งจำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับความต้านทานที่ไม่ตรงกันเพื่อการส่งผ่านที่มีประสิทธิภาพ เส้นผ่านี้ช่วยในการวัดอัตราส่วนคลื่นนิ่งของอุปกรณ์ไมโครเวฟ

การก่อสร้าง

เส้นแบ่งประกอบด้วยส่วนที่เป็นร่องของสายส่งซึ่งจะต้องทำการวัด มีสายการบินโพรบสำหรับเดินทางเพื่อให้หัววัดเชื่อมต่อได้ทุกที่ที่จำเป็นและมีสิ่งอำนวยความสะดวกในการติดตั้งและตรวจจับเครื่องมือ

ในท่อนำคลื่นช่องจะถูกสร้างขึ้นที่กึ่งกลางของด้านกว้างตามแนวแกน หัววัดแบบเคลื่อนย้ายได้ที่เชื่อมต่อกับเครื่องตรวจจับคริสตัลถูกเสียบเข้าไปในช่องของท่อนำคลื่น

การดำเนินการ

เอาต์พุตของเครื่องตรวจจับคริสตัลเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ใช้ หัววัดแบบเคลื่อนย้ายได้ช่วยให้การวัดที่ตำแหน่งของมันสะดวกและแม่นยำ แต่ในขณะที่โพรบเคลื่อนที่ไปตามนั้นเอาต์พุตของมันจะเป็นสัดส่วนกับรูปแบบคลื่นนิ่งซึ่งเกิดขึ้นภายในท่อนำคลื่น ตัวลดทอนตัวแปรถูกใช้ที่นี่เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ

เอาต์พุต VSWR สามารถรับได้โดย

$$ VSWR = \ sqrt {\ frac {V_ {max}} {V_ {min}}} $$

โดยที่ $ V $ คือแรงดันขาออก

รูปต่อไปนี้แสดงส่วนต่างๆของเส้นแบ่งที่มีป้ายกำกับ

ชิ้นส่วนที่ระบุไว้ในรูปด้านบนระบุสิ่งต่อไปนี้

• Launcher - เชิญสัญญาณ
• ส่วนที่เล็กกว่าของท่อนำคลื่น
• Isolator - ป้องกันการสะท้อนไปยังแหล่งที่มา
• ตัวลดทอนตัวแปรแบบหมุน - สำหรับการปรับอย่างละเอียด
• Slotted section - เพื่อวัดสัญญาณ
• การปรับความลึกของโพรบ
• การปรับจูน - เพื่อให้ได้ความแม่นยำ
• เครื่องตรวจจับคริสตัล - ตรวจจับสัญญาณ
• โหลดที่ตรงกัน - ดูดซับพลังงานที่ออก
• ลัดวงจร - เผื่อจะถูกแทนที่ด้วยโหลด
• ปุ่มหมุน - เพื่อปรับขณะวัด
• เวอร์เนียเกจ - เพื่อผลลัพธ์ที่แม่นยำ

เพื่อให้ได้สัญญาณมอดูเลตความถี่ต่ำบนออสซิลโลสโคปจะใช้เส้นฉากกับเครื่องตรวจจับแบบปรับได้ สามารถใช้แคร่แบบเส้นตรงที่มีตัวตรวจจับแบบปรับได้เพื่อวัดสิ่งต่อไปนี้

• VSWR (อัตราส่วนคลื่นไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้า)
• รูปคลื่นนิ่ง
• Impedance
• ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน
• กลับขาดทุน
• ความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้

เครื่องตรวจจับแบบปรับได้

เครื่องตรวจจับแบบปรับได้คือตัวตรวจจับที่ใช้ในการตรวจจับสัญญาณไมโครเวฟแบบปรับคลื่นความถี่ต่ำ รูปต่อไปนี้ให้แนวคิดเกี่ยวกับการติดตั้งอุปกรณ์ตรวจจับแบบปรับได้

ภาพต่อไปนี้แสดงถึงการใช้งานจริงของอุปกรณ์นี้ สิ้นสุดลงในตอนท้ายและมีช่องเปิดที่ปลายอีกด้านเช่นเดียวกับด้านบน

เพื่อให้การจับคู่ระหว่างระบบส่งสัญญาณไมโครเวฟและที่ยึดเครื่องตรวจจับมักใช้ต้นขั้วแบบปรับได้ มีสามประเภทที่แตกต่างกันของต้นขั้วที่ปรับแต่งได้

• เครื่องตรวจจับท่อนำคลื่นแบบปรับได้
• เครื่องตรวจจับแกนร่วมที่ปรับได้
• เครื่องตรวจจับโพรบแบบปรับได้

นอกจากนี้ยังมีต้นขั้วคงที่เช่น -

• แก้ไขโพรบที่ปรับคลื่นความถี่กว้าง
• เมาท์ตรวจจับที่จับคู่ท่อนำคลื่น

การติดตั้งเครื่องตรวจจับเป็นขั้นตอนสุดท้ายบนม้านั่งไมโครเวฟซึ่งสิ้นสุดลงในตอนท้าย

ในสาขาวิศวกรรมไมโครเวฟมีการใช้งานมากมายดังที่ระบุไว้แล้วในบทแรก ดังนั้นในขณะที่ใช้แอพพลิเคชั่นที่แตกต่างกันเรามักจะพบความจำเป็นในการวัดค่าที่แตกต่างกันเช่น Power, Attenuation, Phase shift, VSWR, Impedance และอื่น ๆ

ในบทนี้ให้เรามาดูเทคนิคการวัดต่างๆ

การวัดกำลัง

พลังงานไมโครเวฟที่วัดได้คือกำลังเฉลี่ยที่ตำแหน่งใด ๆ ในท่อนำคลื่น การวัดกำลังสามารถมีได้สามประเภท

• การวัดพลังงานต่ำ (0.01mW ถึง 10mW)

  ตัวอย่าง - เทคนิค Bolometric

• การวัดกำลังไฟปานกลาง (10mW ถึง 1W)

  ตัวอย่าง - เทคนิค Calorimeter

• การวัดพลังงานสูง (> 10W)

  ตัวอย่าง - แคลอริมิเตอร์วัตต์มิเตอร์

ให้เราดูรายละเอียด

การวัดพลังงานต่ำ

การวัดพลังงานไมโครเวฟประมาณ 0.01mW ถึง 10mW สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการวัดพลังงานต่ำ

Bolometerเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการวัดพลังงานไมโครเวฟต่ำ องค์ประกอบที่ใช้ในโบโลมิเตอร์อาจมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกหรือลบ ตัวอย่างเช่น barrater มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกซึ่งความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ เทอร์มิสเตอร์มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบซึ่งความต้านทานจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

สามารถใช้โบโลมิเตอร์ได้ แต่การเปลี่ยนแปลงความต้านทานจะแปรผันตามกำลังไมโครเวฟที่ใช้สำหรับการวัด โบโลมิเตอร์นี้ใช้ในสะพานแขนเป็นหนึ่งเดียวเพื่อให้ความไม่สมดุลที่เกิดขึ้นส่งผลต่อเอาต์พุต ตัวอย่างทั่วไปของวงจรบริดจ์โดยใช้โบโลมิเตอร์ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

มิลลิแอมป์มิเตอร์ที่นี่ให้ค่าของกระแสที่ไหล แบตเตอรี่เป็นตัวแปรซึ่งแตกต่างกันไปเพื่อให้ได้ความสมดุลเมื่อความไม่สมดุลเกิดจากพฤติกรรมของโบโลมิเตอร์ การปรับซึ่งทำโดยใช้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ DC เป็นสัดส่วนกับกำลังไมโครเวฟ ความสามารถในการจัดการพลังงานของวงจรนี้มี จำกัด

การวัดพลังงานปานกลาง

การวัดพลังงานไมโครเวฟประมาณ 10mW ถึง 1W สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการวัดพลังงานปานกลาง

มีการใช้โหลดพิเศษซึ่งโดยปกติจะรักษาค่าความร้อนจำเพาะไว้ กำลังที่จะวัดจะถูกนำไปใช้ที่อินพุตซึ่งจะเปลี่ยนอุณหภูมิเอาต์พุตของโหลดที่มีการรักษาอยู่แล้วตามสัดส่วน ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นระบุกำลังไมโครเวฟที่ป้อนเข้ากับโหลด

เทคนิคความสมดุลของสะพานใช้ที่นี่เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ วิธีการถ่ายเทความร้อนใช้สำหรับการวัดกำลังซึ่งเป็นเทคนิค Calorimetric

การวัดพลังงานสูง

การวัดพลังงานไมโครเวฟประมาณ 10W ถึง 50KW สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการวัดพลังงานสูง

โดยปกติพลังงานไมโครเวฟสูงจะวัดโดยแคลอรี่เมตริกวัตต์เมตรซึ่งอาจเป็นชนิดแห้งและแบบไหล ชนิดแห้งได้รับการตั้งชื่อตามที่ใช้สายโคแอกเซียลซึ่งเต็มไปด้วย di-electric ที่มีการสูญเสียฮิสเทรีซิสสูงในขณะที่ประเภทการไหลจะถูกตั้งชื่อเพื่อใช้น้ำหรือน้ำมันหรือของเหลวบางอย่างซึ่งเป็นตัวดูดซับไมโครเวฟที่ดี

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของเหลวก่อนและหลังเข้าสู่โหลดจะถูกนำไปใช้ในการสอบเทียบค่า ข้อ จำกัด ในวิธีนี้เช่นการกำหนดอัตราการไหลการสอบเทียบและความเฉื่อยทางความร้อนเป็นต้น

การวัดการลดทอน

ในทางปฏิบัติส่วนประกอบและอุปกรณ์ไมโครเวฟมักให้การลดทอนบางอย่าง ปริมาณการลดทอนที่เสนอสามารถวัดได้สองวิธี ได้แก่ - วิธีอัตราส่วนกำลังและวิธีการทดแทน RF

การลดทอนเป็นอัตราส่วนของกำลังอินพุตต่อกำลังขับและโดยปกติจะแสดงเป็นเดซิเบล

$$ การลดทอน \: in \: dBs = 10 \: log \ frac {P_ {in}} {P_ {out}} $$

โดยที่ $ P_ {in} $ = กำลังไฟฟ้าเข้าและ $ P_ {out} $ = กำลังขับ

วิธีอัตราส่วนกำลัง

ในวิธีนี้การวัดการลดทอนจะเกิดขึ้นในสองขั้นตอน

• Step 1 - กำลังอินพุตและเอาต์พุตของเตาไมโครเวฟทั้งหมดทำได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่ต้องคำนวณการลดทอน

• Step 2 - กำลังอินพุตและเอาต์พุตของเตาไมโครเวฟทั้งหมดทำด้วยอุปกรณ์ที่ต้องคำนวณการลดทอน

อัตราส่วนของอำนาจเหล่านี้เมื่อเปรียบเทียบกันจะให้มูลค่าของการลดทอน

ตัวเลขต่อไปนี้เป็นการตั้งค่าสองแบบที่อธิบายสิ่งนี้

Drawback - กำลังไฟฟ้าและการวัดการลดทอนอาจไม่แม่นยำเมื่อกำลังไฟฟ้าเข้าต่ำและการลดทอนของเครือข่ายมีขนาดใหญ่

วิธีการทดแทน RF

ในวิธีนี้การวัดการลดทอนจะเกิดขึ้นในสามขั้นตอน

• Step 1 - กำลังขับของเตาไมโครเวฟทั้งหมดวัดด้วยเครือข่ายที่ต้องคำนวณการลดทอน

• Step 2 - กำลังขับของแท่นวางไมโครเวฟทั้งหมดวัดได้โดยการแทนที่เครือข่ายด้วยตัวลดทอนที่ปรับเทียบอย่างแม่นยำ

• Step 3 - ตอนนี้ตัวลดทอนนี้ได้รับการปรับเพื่อให้ได้กำลังไฟเท่ากับที่วัดด้วยเครือข่าย

ตัวเลขต่อไปนี้เป็นการตั้งค่าสองแบบที่อธิบายสิ่งนี้

ค่าที่ปรับแล้วบนตัวลดทอนให้การลดทอนของเครือข่ายโดยตรง หลีกเลี่ยงข้อเสียเปรียบในวิธีการข้างต้นที่นี่และด้วยเหตุนี้จึงเป็นขั้นตอนที่ดีกว่าในการวัดการลดทอน

การวัดเฟสกะ

ในสภาพการทำงานจริงอาจมีการเปลี่ยนเฟสสัญญาณจากสัญญาณจริง ในการวัดการกะระยะดังกล่าวเราใช้เทคนิคการเปรียบเทียบซึ่งเราสามารถปรับเทียบการกะระยะได้

การตั้งค่าเพื่อคำนวณการกะระยะจะแสดงในรูปต่อไปนี้

ที่นี่หลังจากที่แหล่งกำเนิดไมโครเวฟสร้างสัญญาณแล้วสัญญาณจะถูกส่งผ่านทางแยกทีระนาบ H ซึ่งพอร์ตหนึ่งเชื่อมต่อกับเครือข่ายซึ่งจะวัดการกะระยะและอีกพอร์ตหนึ่งเชื่อมต่อกับตัวเปลี่ยนเฟสที่ปรับได้อย่างแม่นยำ

เอาท์พุท demodulated เป็นคลื่นไซน์ 1 KHz ซึ่งสังเกตได้ใน CRO ที่เชื่อมต่อ ตัวเปลี่ยนเฟสนี้ได้รับการปรับให้เอาต์พุตของคลื่นไซน์ 1 KHz ตรงกับข้างต้นด้วย หลังจากการจับคู่เสร็จสิ้นโดยการสังเกตในโหมดคู่ CRO ตัวเปลี่ยนเฟสความแม่นยำนี้จะช่วยให้เราอ่านการกะระยะได้ สิ่งนี้เข้าใจได้อย่างชัดเจนจากรูปต่อไปนี้

ขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนที่ใช้ส่วนใหญ่ในการวัดการกะระยะ ตอนนี้ให้เราดูวิธีคำนวณ VSWR

การวัด VSWR

ในการใช้งานไมโครเวฟทุกประเภทความต้านทานที่ไม่ตรงกันจะนำไปสู่การก่อตัวของคลื่นนิ่ง ความแรงของคลื่นนิ่งเหล่านี้วัดได้จาก Voltage Standing Wave Ratio ($ VSWR $) อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึงต่ำสุดให้ $ VSWR $ ซึ่งแสดงด้วย $ S $

$$ S = \ frac {V_ {max}} {V_ {min}} = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} $$

โดยที่ $ \ rho = การสะท้อน \: co - ประสิทธิภาพ = \ frac {P_ {สะท้อน}} {P_ {เหตุการณ์}} $

การวัดผลของ $ VSWR $ สามารถทำได้สองวิธีคือการวัด $ VSWR $ ต่ำและการวัด $ VSWR $ สูง

การวัด VSWR ต่ำ (S <10)

การวัดค่า VSWR $ ต่ำสามารถทำได้โดยการปรับตัวลดทอนเพื่อรับค่าการอ่านค่า DC millivoltmeter ซึ่งเป็นเครื่องวัด VSWR การอ่านสามารถทำได้โดยการปรับเส้น slotted และตัวลดทอนในลักษณะที่ DC millivoltmeter แสดงการอ่านแบบเต็มสเกลและการอ่านขั้นต่ำ

ตอนนี้การอ่านทั้งสองนี้ถูกคำนวณเพื่อหา $ VSWR $ ของเครือข่าย

การวัด VSWR สูง (S> 10)

การวัดค่า VSWR $ สูงที่มีค่ามากกว่า 10 สามารถวัดได้ด้วยวิธีการที่เรียกว่า double minimum method. ในวิธีนี้การอ่านค่าต่ำสุดจะถูกนำมาใช้และการอ่านค่าที่จุดครึ่งหนึ่งของค่าต่ำสุดในยอดก่อนและยอดหลังจะถูกนำไปด้วย สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้จากรูปต่อไปนี้

ตอนนี้ $ VSWR $ สามารถคำนวณได้โดยความสัมพันธ์ที่กำหนดเป็น -

$$ VSWR = \ frac {\ lambda_ {g}} {\ pi (d_2-d_1)} $$

โดยที่ $ \ lambda_g \: is \: the \: guided \: wavelength $

$$ \ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {\ sqrt {1 - (\ frac {\ lambda_0} {\ lambda_c}) ^ 2}} \ quad โดยที่ \: \ lambda_0 \: = {c} / {f} $$

เนื่องจากกำลังพิจารณาคะแนนขั้นต่ำสองจุดที่นี่จึงเรียกว่าวิธีขั้นต่ำสองเท่า ตอนนี้ให้เราเรียนรู้เกี่ยวกับการวัดความต้านทาน

การวัดความต้านทาน

นอกเหนือจาก Magic Tee แล้วเรายังมีอีกสองวิธีที่แตกต่างกันวิธีหนึ่งคือการใช้ slotted line และอีกวิธีหนึ่งคือการใช้ reflectometer

ความต้านทานโดยใช้ Slotted Line

ในวิธีนี้จะวัดอิมพีแดนซ์โดยใช้ slotted line และโหลด $ Z_L $ และด้วยการใช้สิ่งนี้ $ V_ {max} $ และ $ V_ {min} $ ในวิธีนี้การวัดความต้านทานจะเกิดขึ้นในสองขั้นตอน

• Step 1 - การกำหนด Vmin โดยใช้โหลด $ Z_L $

• Step 2 - การกำหนด Vmin โดยการลัดวงจรของโหลด

สิ่งนี้แสดงในรูปต่อไปนี้

เมื่อเราพยายามหาค่า $ V_ {max} $ และ $ V_ {min} $ โดยใช้การโหลดเราจะได้รับค่าบางอย่าง อย่างไรก็ตามหากทำเช่นเดียวกันโดยการลัดวงจรของโหลดค่าต่ำสุดจะถูกเลื่อนไปทางขวาหรือทางซ้าย หากการเลื่อนนี้ไปทางซ้ายหมายความว่าโหลดเป็นอุปนัยและถ้าการเลื่อนไปทางขวาแสดงว่าโหลดนั้นมีลักษณะเป็น capacitive รูปต่อไปนี้อธิบายสิ่งนี้

โดยการบันทึกข้อมูลจะมีการคำนวณอิมพีแดนซ์ที่ไม่รู้จัก ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานและการสะท้อน $ \ rho $ สามารถรับได้ทั้งขนาดและเฟส

ความต้านทานโดยใช้เครื่องสะท้อนแสง

เครื่องสะท้อนแสงช่วยในการค้นหาเฉพาะขนาดของอิมพีแดนซ์ไม่ใช่มุมเฟส ในวิธีนี้จะใช้ตัวเชื่อมต่อสองทิศทางที่เหมือนกัน แต่มีทิศทางที่แตกต่างกัน

ตัวเชื่อมต่อสองตัวนี้ใช้ในการสุ่มตัวอย่างพลังตกกระทบ $ P_i $ และพลังสะท้อน $ P_r $ จากโหลด มีการเชื่อมต่อเครื่องสะท้อนแสงดังแสดงในรูปต่อไปนี้ ใช้เพื่อให้ได้ขนาดของค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน $ \ rho $ ซึ่งสามารถรับอิมพีแดนซ์ได้

จากการอ่านค่าสะท้อนแสงเรามี

$$ \ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} $$

จากค่า $ \ rho $, $ VSWR $ เช่น $ S $ และอิมพีแดนซ์สามารถคำนวณได้โดย

$$ S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} \ quad และ \ quad \ frac {z-z_g} {z + z_g} = \ rho $$

โดยที่ $ z_g $ เป็นที่ทราบค่าอิมพีแดนซ์ของคลื่นและ $ z $ ไม่ทราบอิมพีแดนซ์

แม้ว่าจะสังเกตพารามิเตอร์คลื่นไปข้างหน้าและย้อนกลับที่นี่ แต่จะไม่มีการรบกวนเนื่องจากคุณสมบัติทิศทางของข้อต่อ ตัวลดทอนช่วยในการรักษากำลังไฟฟ้าเข้าต่ำ

การวัด Q ของ Cavity Resonator

แม้ว่าจะมีสามวิธีเช่นวิธีการส่งวิธีการอิมพีแดนซ์และวิธีการสลายตัวชั่วคราวหรือวิธีการลดลงสำหรับการวัด Q ของเรโซเนเตอร์แบบโพรงวิธีที่ง่ายที่สุดและตามมากที่สุดคือ Transmission Method. ดังนั้นให้เรามาดูการตั้งค่าการวัด

ในวิธีนี้เครื่องสะท้อนเสียงแบบโพรงจะทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ที่ส่งสัญญาณ สัญญาณเอาต์พุตถูกพล็อตเป็นฟังก์ชันของความถี่ซึ่งส่งผลให้เกิดเส้นโค้งเรโซแนนซ์ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

จากการตั้งค่าข้างต้นความถี่สัญญาณของแหล่งกำเนิดไมโครเวฟจะแตกต่างกันไปโดยรักษาระดับสัญญาณให้คงที่จากนั้นจึงวัดกำลังเอาต์พุต เครื่องเรโซเนเตอร์ของช่องถูกปรับเป็นความถี่นี้และระดับสัญญาณและกำลังขับจะถูกบันทึกไว้อีกครั้งเพื่อสังเกตความแตกต่าง

เมื่อพล็อตเอาต์พุตจะได้กราฟเรโซแนนซ์ซึ่งเราสามารถสังเกตเห็นค่า Half Power Bandwidth (HPBW) $ (2 \ Delta) $

$$ 2 \ Delta = \ pm \ frac {1} {Q_L} $$

โดยที่ $ Q_L $ คือค่าที่โหลด

$$ หรือ \ quad Q_L = \ pm \ frac {1} {2 \ Delta} = \ pm \ frac {w} {2 (w-w_0)} $$

หากการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างแหล่งกำเนิดไมโครเวฟและโพรงรวมทั้งการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างเครื่องตรวจจับและโพรงถูกละเลย

$$ Q_L = Q_0 \: (ยกเลิกการโหลด \: Q) $$

ข้อเสียเปรียบ

ข้อเสียเปรียบหลักของระบบนี้คือความแม่นยำค่อนข้างแย่ในระบบ Q ที่สูงมากเนื่องจากการทำงานที่แคบ

เราได้ครอบคลุมเทคนิคการวัดหลายประเภทของพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน ตอนนี้ให้เราลองแก้ปัญหาตัวอย่างบางส่วนในสิ่งเหล่านี้

ในบทนี้ให้เราสนุกกับการแก้ปัญหาเชิงตัวเลขที่เกี่ยวข้องกับไมโครเวฟ

ปัญหา 1

ระบบส่งกำลังที่ใช้ท่อนำคลื่น $ TE_ {10} $ mode ของมิติ $ a = 5cm, b = 3cm $ ทำงานที่ 10GHz. ระยะทางที่วัดได้ระหว่างจุดกำลังขั้นต่ำสองจุดคือ1mm on a slotted line. Calculate the VSWR of the system.

วิธีการแก้

ระบุว่า $ f = 10GHz; a = 5 ซม. b = 3 ซม. $

สำหรับท่อนำคลื่น $ TE_ {10} $ โหมด

$$ \ lambda_c = 2a = 2 \ คูณ 5 = 10 ซม. $$

$$ \ lambda_0 = \ frac {c} {f} = \ frac {3 \ times10 ^ {10}} {10 \ times10 ^ 9} = 3cm $$

$$ d_2-d_1 = 1 มม. = 10 ^ {- 1} ซม. $$

พวกเรารู้

$$ \ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {1 - ({\ lambda_0} / {\ lambda_c}) ^ 2} = \ frac {3} {\ sqrt {1 - ({3} / {10}) ^ 2}} = 3.144 ซม. $$

สำหรับวิธีการขั้นต่ำสองเท่า VSWR กำหนดโดย

$$ VSWR = \ frac {\ lambda_g} {\ pi (d_2-d_1)} = \ frac {3.144} {\ pi (1 \ times10 ^ {- 1})} = 10.003 = 10 $$

ดังนั้นค่า VSWR สำหรับระบบเกียร์ที่กำหนดคือ 10

ปัญหา 2

ในการตั้งค่าสำหรับการวัดอิมพีแดนซ์ของเครื่องสะท้อนแสงค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนคืออะไรเมื่อเอาต์พุตของตัวเชื่อมต่อสองตัวคืออะไร 2mw และ 0.5mw ตามลำดับ?

วิธีการแก้

ระบุว่า

$$ \ frac {P_i} {100} = 2mw \ quad และ \ quad \ frac {P_r} {100} = 0.5mw $$

$$ P_i = 2 \ คูณ 100mw = 200mw $$

$$ P_r = 0.5 \ คูณ 100mw = 50mw $$

$$ \ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} = \ sqrt {\ frac {50mw} {200mw}} = \ sqrt {0.25} = 0.5 $$

ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน $ \ rho $ ของการตั้งค่าที่กำหนดคือ 0.5

ปัญหา 3

เมื่อใช้ตัวเชื่อมต่อที่เหมือนกันสองตัวในท่อนำคลื่นเพื่อสุ่มตัวอย่างกำลังตกกระทบเป็น 3mw และกำลังสะท้อนเป็น 0.25mwแล้วหาค่า $ VSWR $

วิธีการแก้

เรารู้ว่า

$$ \ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} = \ sqrt {\ frac {0.25} {3}} = \ sqrt {0.0833} = 0.288 $$

$$ VSWR = S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} = \ frac {1 + 0.288} {1-0.288} = \ frac {1.288} {0.712} = 1.80 $$

ดังนั้นค่า $ VSWR $ สำหรับระบบข้างต้นคือ 1.80

ปัญหา 4

สองตัวที่เหมือนกัน 30dBข้อต่อทิศทางใช้ในการสุ่มตัวอย่างเหตุการณ์และกำลังสะท้อนในท่อนำคลื่น ค่าของ VSWR คือ6 และเอาต์พุตของกำลังตกกระทบการสุ่มตัวอย่างตัวต่อคือ 5mw. ค่าของพลังสะท้อนคืออะไร?

วิธีการแก้

เรารู้ว่า

$$ VSWR = S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} = 6 $$

$$ (1+ \ rho) = 6 (1- \ rho) = 6 - 6 \ rho $$

$$ 7 \ rho = 5 $$

$$ \ rho = \ frac {5} {7} = 0.174 $$

เพื่อให้ได้ค่าของพลังสะท้อนเรามี

$$ \ rho = \ sqrt {\ frac {{P_r} / {10 ^ 3}} {{P_i} / {10 ^ 3}}} = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} $$

$$ หรือ \ quad \ rho ^ 2 = \ frac {P_r} {P_i} $$

$$ P_r = \ rho ^ 2.P_i = (0.714) ^ 2.5 = 0.510 \ คูณ 5 = 2.55 $$

ดังนั้นกำลังสะท้อนในท่อนำคลื่นนี้คือ 2.55mW