VYSOKOFREKVENČNÍ A MIKROVLNNÁ TECHNIKA

Transkript

1 VYSOKOFREKVENČNÍ A MIKROVLNNÁ TECHNIKA Návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty rof. Ing. Jiří Svačina, CSc. Ing. Ivana Jakubová ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

2 Jiří Svačina, Ivana Jakubová, 3 ISBN X

3 ŘEDMLUVA ředkládaný učební text obsahuje návody pro laboratorní experimenty uskutečňované v mikrovlnné laboratoři Ústavu radioelektroniky FEKT VUT v Brně v rámci praktické laboratorní výuky mikrovlnné techniky povinného předmětu Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika ve 3. ročníku bakalářského studia oboru Elektronika a sděl.ovací technika. Každý návod tohoto textu obsahuje potřebné teoretické informace pro zvládnutí jednotlivých experimentů včetně příslušných výpočetních vztahů, zadání jednotlivých bodů úlohy, schéma zapojení a popis měřicí aparatury a podrobné pokyny k praktickému provedení jednotlivých experimentů. Jako samostatné listy jsou součástí skript formuláře protokolů o měření každého experimentu v podobě předtištěných tabulek a grafů pro zpracování výsledků vlastního měření. autoři Jiří Svačina, Ivana Jakubová Brno 3

4

5 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty 3 OBSAH 1 MĚŘENÍ MIKROVLNNÉHO VÝKONU Mikrovlnné senzory pro měření výkonu Bolometrické senzory Termoelektrické senzory Diodové senzory Měřiče mikrovlnného výkonu Bolometrické měřiče výkonu, bolometrické můstky Měřiče výkonu pro termoelektrické a diodové senzory Mikrovlnné výkonové senzory a měření jejich kalibračního činitele Celková chyba měření mikrovlnného výkonu... 9 Literatura k úloze Zadání úlohy Schéma zapojení měřicí aparatury... 1 okyny k měření MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ MIKROVLNNÝCH FERITOVÝCH OBVODŮ Gyromagnetické jevy ve feritech Mikrovlnné obvody s ferity Feritové izolátory Feritové cirkulátory Měření parametrů feritových obvodů arametry izolátoru arametry cirkulátoru Literatura k úloze Zadání úlohy... okyny k měření... 3 MĚŘENÍ ARAMETRŮ DUTINOVÝCH REZONÁTORŮ Druhy dutinových rezonátorů z hlediska způsobu zapojení do vedení Náhradní schémata a parametry dutinových rezonátorů růchozí rezonátor Absorpční rezonátor Cejchování dutinových rezonátorů Měření činitelů jakosti rezonátorů z průběhu rezonanční křivky Měření parametrů absorpčního rezonátoru Měření parametrů průchozího rezonátoru řesné měření šířky pásma rezonátoru... 3 Literatura k úloze Zadání úlohy... 3 Schéma zapojení měřicí aparatury okyny k měření... 34

6 4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 4 MĚŘENÍ NA OSCILÁTORU S GUNNOVOU DIODOU Gunnova dioda a její vlastnosti Gunnův jev racovní režimy Gunnovy diody Mikrovlnné aplikace Gunnovy diody Reflexní zesilovače Mikrovlnné oscilátory Vlnovodový oscilátor s Gunnovou diodou Ladicí charakteristiky oscilátoru Výkonové charakteristiky oscilátoru Modulace oscilátoru... 4 Literatura k úloze říloha A Zadání úlohy Schéma zapojení měřicí aparatury okyny k měření MĚŘENÍ OMOCÍ MIKROVLNNÉHO OBVODOVÉHO ANALYZÁTORU Mikrovlnné obvodové analyzátory Hlavní části mikrovlnných obvodových analyzátorů rincip mikrovlnného vektorového obvodového analyzátoru Chyby měření mikrovlnným vektorovým obvodovým analyzátorem... 5 Literatura k úloze Zadání úlohy Schéma zapojení měřicí aparatury okyny k měření... 55

7 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty 5 1 MĚŘENÍ MIKROVLNNÉHO VÝKONU Zjišťování velikosti výkonu signálu patří mezi nejdůležitější mikrovlnná měření. Mikrovlnný výkon je totiž jednou ze tří veličin, které lze i v mikrovlnné kmitočtové oblasti měřit absolutně, a to při použití libovolného druhu mikrovlnné aparatury (koaxiální, vlnovodové, mikropáskové apod.). Úroveň mikrovlnného signálu se proto neudává velikostí napětí či proudu (které zde navíc mnohdy nelze jednoznačně ani měřit ani definovat), ale vždy hodnotou výkonu signálu. Je-li mikrovlnný signál modulován, je nutno rozlišovat střední a špičkovou hodnotu výkonu. Nemodulovaný harmonický signál má konstantní výkonovou úroveň, jak je naznačeno a) b) na obr. 1.1.a. ři impulzní modulaci (amplitudovém klíčování) signálu (obr. 1.1.b) udává maximální hodnota impulzů špičkový (impulzní) výkon imp (peak - impulse - power), zatímco AV střední hodnota výkonu za dobu jedné periody je imp tzv. střední výkon av (average power) signálu. Mezi oběma hodnotami platí vztah t τ T T+ τ t av τ = imp = imp τ f, (1.1) T Obr Impulzní a střední výkon nemodulovaného (a) a impulzně modulovaného signálu (b) kde f = 1/T je opakovací kmitočet, τ délka impulzů a poměr τ/t činitel plnění (duty cycle). Na nízkých kmitočtech se výkon signálu obvykle určuje ze změřeného napětí a proudu daného signálu. U nejčastěji používaných metod v mikrovlnné technice se výkon signálu převede vhodným senzorem (snímačem, hlavicí) na jinou fyzikální veličinu, kterou pak měříme příslušným elektronickým měřičem mw-metrem. V bolometrickém senzoru (bolometrické hlavici) se výkonem signálu vyvolá změna elektrického odporu vhodného prvku tzv. bolometru a následně se měří tato změna odporu. Termoelektrický senzor obsahuje termoelektrický element (termočlánek), který se ohřeje měřeným výkonem a následně se měří jeho výstupní termoelektrické napětí. V diodovém senzoru se mikrovlnný signál detekuje přesným diodovým detektorem v kvadratické části jeho AV charakteristiky, kdy výstupní ss., příp. nf. proud (napětí) detektoru je přímo úměrný činnému výkonu vstupního mikrovlnného signálu [3]. V měřicí a komunikační technice se nejčastěji setkáváme s malými, příp. středními výkony (od několika µw do jednotek W), k jejichž měření jsou nejvhodnější právě elektronické mw-metry s některým z uvedených typů senzorů. Moderní termoelektrické a diodové výkonové senzory přitom umožňují měřit i velmi nízké výkony od úrovně několika nw. oužitelnost uvedených metod lze však snadno rozšířit i do oblasti vysokých výkonů. Senzor (mikrovlnnou hlavici) mw-metru zapojíme např. do boční větve směrové odbočnice se známou hodnotou vazebního útlumu, nebo před něj předřadíme přesný cejchovaný zeslabovač. Uvedenými technickými prostředky vždy měříme střední hodnotu výkonu. Odpovídající impulzní výkon modulovaného signálu vypočítáme ze vztahu (1.1). Velikost (nejen mikrovlnného) výkonu se často vyjadřuje relativně vůči hodnotě 1 mw. Takto vyjádřený výkon se značí symbolem dbm, což znamená výkon v [db] nad hodnotou 1 mw. Je tedy [dbm] = 1 log [mw]. (1.) Hodnotě = 1 mw tak odpovídá dbm, výkonu,1 mw údaj 1 dbm, hodnotě 1 mw dbm apod. 1.1 Mikrovlnné senzory pro měření výkonu Bolometrické senzory Bolometry jsou prvky, jejichž elektrický odpor výrazně závisí na teplotě. Změna odporu může být vyvolána buď změnou teploty okolního prostředí nebo stejnosměrným či střídavým nf. proudem protékajícím bolometrem či pohlcením výkonu vf. signálu dopadajícího na bolometr. Tohoto posledního principu se využívá při měření mikrovlnného výkonu.

8 6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně ro technická měření výkonu se používají bolometry kovové či polovodičové. Kovové bolometry (baretery) jsou vyráběny ve tvaru velmi tenkého wolframového či platinového drátku zataveného ve skleněné baňce. Baretery mají kladný teplotní koeficient odporu (TKR), tzn. že s rostoucí teplotou (se zvyšujícím se výkonem signálu) jejich odpor roste. V současnosti se k měření mikrovlnných výkonů používají téměř výhradně polovodičové bolometry termistory. Vyrábějí se z kysličníkových materiálů, např. Fe O 3, CuO, MnO apod. ve tvaru perličky, jejíž rozměry musí být zanedbatelně malé vůči délce vlny λ g, tak, aby se vf. odpor termistoru prakticky rovnal jeho odporu při stejnosměrném proudu. Odpor termistoru s rostoucím výkonem zpravidla klesá (negativní TKR). Hlavní výhodou termistorů vůči bareterům je jejich větší citlivost, tj. větší závislost odporu na dopadajícím výkonu. Nevýhodou je naopak značná závislost odporu termistoru na okolní teplotě a větší tepelná setrvačnost. Tyto skutečnosti lze však respektovat vhodným zapojením vlastního mw-metru. V České republice vyrábí vhodné perličkové termistory firma RAMET Šumperk pod řadovým označením 1 NR až 16 NR. Jejich výkonová citlivost je 1 1 C/mW Termoelektrické senzory Termoelektrické senzory, které se pro měření mikrovlnného výkonu používají necelých 3 let, obsahují dva či více sériově zapojených termoelektrických elementů (termočlánků), které ve své činnosti využívají tzv. Seebeckova termoelektrického jevu [3]. rvní termočlánky tohoto typu byly konstruovány z dvojice kovových pásků (nejčastěji vizmut a antimon), moderní termoelektrické senzory využívají tenkovrstvé křemíkové polovodivé termočlánky s vodivostí typu N. V těchto konstrukcích senzorů je výkon přivedeného mikrovlnného signálu pohlcován v tenkovrstvém napařeném rezistoru (Ta N) a vznikajícím teplem je ohříván vždy jeden (tzv. horký ) konec křemíkových termočlánků. Termoelektrickým jevem vzniká mezi opačnými ( studenými ) konci křemíkových pásků stejnosměrné napětí, které je v širokých mezích přímo úměrné teplotnímu rozdílu mezi horkým a studeným koncem termočlánku, tedy přímo úměrné absorbovanému výkonu signálu. Výkonová citlivost moderních termoelektrických senzorů činí kolem µv/mw. Mezi základní výhody termoelektrických senzorů pro měření mikrovlnného výkonu patří jejich vyšší citlivost (minimální měřitelný výkon činí desetiny µw), větší linearita a větší dynamický rozsah (až 6 db) než u bolometrických či termistorových senzorů. Moderní konstrukční provedení umožňuje rovněž zajistit lepší impedanční přizpůsobení senzoru (hlavice) v širším kmitočtovém pásmu, a tím zmenšit tzv. neurčitost měření výkonu (viz dále). Důležitá je rovněž výrazně nižší citlivost termoelektrického senzoru na změny okolní teploty Diodové senzory Stejně jako termoelektrické senzory, jsou i diodové senzory užívány k měření mikrovlnného výkonu zhruba od roku Mikrovlnný signál se v nich detekuje přesným diodovým detektorem osazeným obvykle nízkobariérovou LBS Schottkyho diodou (Low Barrier Schottky diode) nebo v nejmodernějších konstrukcích tzv. DB diodou (lanar Doped Barrier diode) [3]. ři dostatečně nízké úrovni vstupního mikrovlnného signálu je AV charakteristika těchto diod prakticky čistě kvadratická, takže stejnosměrné napětí na výstupu detektoru je přímo úměrné činnému výkonu vstupního signálu. Základní výhodou moderních diodových výkonových senzorů je jejich mimořádně vysoká citlivost umožňující měřit výkony od úrovní kolem 1 pw v širokém kmitočtovém pásmu do několika desítek GHz. Maximální velikost přímo měřeného výkonu je určena rozsahem kvadratické části AV charakteristiky diody a činí u používaných diod cca dbm (tj. 1 µw). rotože veškeré parametry moderních detekčních diod LBS a DB zhotovených z GaAs jsou teplotně vysoce stabilní a přesně výrobně reprodukovatelné, byly vyvinuty speciální kompenzační techniky na bázi číslicového zpracování signálu, které umožnily rozšířit oblast kvadratické detekce diod až k úrovni cca + dbm. Moderní diodové senzory jsou rovněž vybaveny interním širokopásmovým zeslabovačem, který je při větších úrovních vstupního výkonu automaticky připojován k detekčním diodám, a tím je udržuje v kvadratické části jejich charakteristiky. Diodové senzory tak vykazují ze všech typů největší dynamický rozsah lineárního měření výkonu (typicky až 9 db) v rozsahu teplot od do více než 5 C. Výhodou je rovněž jejich malá setrvačnost, a tedy možnost reagovat na velmi rychlé výkonové změny signálu.

9 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty 7 1. Měřiče mikrovlnného výkonu 1..1 Bolometrické měřiče výkonu, bolometrické můstky Zjistit velikost mikrovlnného výkonu pohlceného bolometrem znamená určit odpovídající změnu odporu bolometru. To lze provést i velmi jednoduchými prostředky, když bolometr nejprve ocejchujeme stejnosměrným proudem, tj. zjistíme závislost jeho odporu R na stejnosměrném výkonu. Bolometr připojíme na proměnný zdroj stejnosměrného napětí, měříme napětí U a proud I a počítáme odpor R = U/I a stejnosměrný pohlcený výkon = U I. Tak zjistíme celou charakteristiku R = R(). ři vlastním měření přivádíme na bolometr mikrovlnný signál (podrobněji v části 1.1.3) a připojeným ohmmetrem měříme odpor termistoru. Zjištěné hodnotě R pak přiřadíme z cejchovní křivky R = R() hodnotu měřeného výkonu. ři přesnějších měřeních je ještě nutno od této hodnoty odečíst výkon, který do bolometru dodává samotný ohmmetr (určíme jej opět z cejchovní křivky při vypnutém mikrovlnném signálu). Změny odporu bolometru způsobené pohlceným mikrovlnným výkonem se v běžné praxi obvykle vyhodnocují zapojením bolometru do jedné větve odporového Wheastoneova můstku. Továrně vyráběné mw-metry jsou přitom většinou konstruovány jako automatické můstky se samočinným vyvažováním a přímým čtením měřeného výkonu (analogovým či digitálním). rincipiální schéma takového mw-metru je na obr. 1.. Odporový můstek s bolometrem je zapojen do větve kladné zpětné vazby selektivního nf. zesilovače naladěného např. na kmitočet 1 khz. o zapnutí přístroje je VSTU 1 khz Z VÝSTU NULA HRUBĚ JEMNĚ bolometr v chladném stavu (mikrovlnný výkon je vypnut), odporový můstek je tedy značně nevyvážen a mezi vstupem a výstupem zesilovače vznikne silná kladná zpětná vazba. Vzniklým oscilačním napětím 1 khz je bolometr vyhříván a jeho odpor se blíží hodnotě R, při níž je můstek vyvážen. Amplituda nf. oscilací přitom klesá (zmenšuje se velikost kladné zpětné vazby), až se ustálí na hodnotě, při níž je splněna podmínka ustálených oscilací., tj. součin zesílení selektivního zesilovače a napěťového přenosu můstku je roven jedné. Je-li napěťové zesílení zesilovače velké (např. 1 nebo větší), je zpětnovazební přenos můstku velmi malý (,1 nebo menší), takže můstek je téměř vyvážen; odpor bolometru se od hodnoty R liší v tomto stavu asi o,1 %. řivedeme-li nyní na bolometr měřený mikrovlnný výkon, změní se hodnota jeho odporu, což má za následek zmenšení velikosti kladné zpětné vazby a pokles amplitudy nf. oscilací. Tento pokles pokračuje tak dlouho, dokud není obnoven původní ustálený stav oscilací. Část nf. výkonu pohlcovaného bolometrem byla tedy nahrazena výkonem mikrovlnného signálu. Úbytek nf. výkonu na bolometru (pokles amplitudy nf. napětí) měříme elektronickým nf. V-metrem (obr. 1.). rotože bolometr je během měření udržován na konstantní hodnotě odporu, lze stupnici nf. V-metru cejchovat přímo v jednotkách výkonu (stupnice je kvadratická). Ze schématu na obr. 1. je zřejmé, že v klidovém stavu (bez mikrovlnného výkonu) je bolometr kromě nf. výkonem vyhříván i ss. výkonem z pomocného zdroje U ss. Tento zdroj slouží k nastavení nuly výstupního V-metru a lze jím kompenzovat změny odporu bolometru vlivem vnější teploty prostředí. řepínáním zdroje se zároveň přepínají i měřicí rozsahy mw-metru, neboť změnou stejnosměrného výkonu se mění i velikost nf. výkonu potřebná k nastavení ustáleného stavu oscilací v přístroji (a tedy i velikost mikrovlnného výkonu, kterým je nf. výkon při měření nahrazen). Běžné bolometrické mw-metry se vyrábějí pro rozsah měření 1 µw až 1 mw ( až +1 dbm). Mohou obvykle pracovat při dvou až třech jmenovitých hodnotách odporu bolometru, a to jak s termistory (záporný TKR), tak i s baretery (kladný TKR). Výhodou automatických můstků je to, že bolometr je neustále automaticky udržován na přibližně konstantní hodnotě svého odporu, takže lze dosáhnout poměrně dobrého impedančního přizpůsobení bolometru k jeho mikrovlnnému držáku. R R R Obr. 1.. Automatický bolometrický můstek -t R V ROZSAHY U ss

10 8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně -t mw R V U nf Automatický bolometrický můstek pracuje tedy na substitučním principu, kdy měřený mikrovlnný výkon je roven úbytku nf. výkonu. Změříme-li tento úbytek výkonu nf. signálu vnějším přesným V-metrem, můžeme posoudit přesnost daného mw-metru. odle obr. 1.3 připojíme k bolometrickému senzoru kromě vlastního mw-metru ještě přesný (číslicový) nízkofrekvenční V-metr. ři odpojeném mikrovlnném signálu vynulujeme mw-metr a určíme odpovídající nf. výkon pohlcovaný bolometrem DT U nf =, (1.3) Obr Kontrola přesnosti R bolometrického mw-metru kde U nf je efektivní hodnota nf. napětí měřená připojeným V-metrem a R je jmenovitá hodnota odporu bolometru. o přivedení mikrovlnného výkonu čteme jeho měřenou hodnotu měř na stupnici mw-metru a počítáme výkon sub pohlcený bolometrem, tj. úbytek nf. výkonu, který je nahrazen (substituován) mikrovlnným výkonem U nf U nf sub = nf nf =. (1.4) R R Zde U nf značí efektivní hodnotu nf. napětí měřenou vnějším nf. V-metrem při připojeném mikrovlnném signálu. Ze zjištěných hodnot určíme tzv. činitel zvětšení (zmenšení) výkonu měř m =, (1.5) který vyjadřuje chybu měření mw-metru na příslušném rozsahu. Činitel m zahrnuje chyby nastavení nf. oscilátoru a zesilovačů mw-metru, chyby jeho vynulování a nestability nuly i chyby cejchování stupnice mw-metru. Koeficient m tak vyjadřuje celkovou chybu elektronické části bolometrického měřiče výkonu. 1.. Měřiče výkonu pro termoelektrické a diodové senzory Z principu činnosti těchto senzorů vyplývá, že příslušné mw-metry musí být koncipovány jako velmi citlivé a přesné (obvykle číslicové) měřiče malých ss. napětí. Základním problémem v jejich konstrukci přitom je, že výstupní ss. napětí senzorů jsou skutečně velmi nízká. ři výkonu vstupního signálu 1 µw činí toto napětí přibližně 16 nv u termoelektrického senzoru a zhruba 1 µv u diodového senzoru. Aby bylo možno tak malá napětí dostatečně a nízkošumově zesílit, přesně zpracovat a měřit, je nutno je převést na napětí střídavá, obvykle obdélníkového průběhu o kmitočtu několika stovek Hz [3]. Toto tzv. choperování se realizuje mikroelektronickým obvodem přímo ve výkonovém senzoru (hlavici). Vzniklé střídavé nf. napětí lze pak velmi přesně lineárně zesílit na dostatečnou úroveň, následně opět převést synchronním detektorem na ss. hodnotu a tu měřit přesným číslicovým V-metrem. Moderní elektronické mw-metry jsou vybaveny značným uživatelským komfortem : využívají plně možností číslicového zpracování měřených signálů a celý měřicí proces je řízen, příp. korigován a vyhodnocován mikroprocesory. Běžným standardem je rovněž zabudovaný přesný generátor signálu (obvykle o kmitočtu 5 MHz) pro rychlou kalibraci celého měřiče včetně senzoru. sub nf 1.3 Mikrovlnné výkonové senzory a měření jejich kalibračního činitele K přívodu mikrovlnného výkonu k vlastnímu senzoru (bolometru, termočlánku či diodě) slouží tzv. výkonové držáky (výkonové hlavice), které jsou na svém mikrovlnném vstupu tvořeny vhodným mikrovlnným vedením. Např. v koaxiálním držáku je bolometr zapojen jako odpor do vnitřního vodiče vedení, takže jím prochází celý mikrovlnný proud signálu, jehož výkon měříme. Ve vlnovodovém držáku je senzor umístěn v místě maximální intenzity elektrického pole. Stejnosměrný, příp. choperovaný nf. signál je vyveden na vhodný konektor, jímž se hlavice spojuje s vlastním mw-metrem. Některé vlnovodové hlavice jsou konstruovány jako laděné a jsou vybaveny různými ladicími prvky (písty, kolíky apod.), jimiž lze dosáhnout co nejlepšího impedančního přizpůsobení hlavice k vnější mikrovlnné trase, a to na různých kmitočtech. Optimálně nastavená (vyladěná) hlavice se pozná podle

11 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty 9 maximálního údaje připojeného mw-metru. Moderní koaxiální hlavice se vyrábějí prakticky výlučně jako neladěné, přičemž svou konstrukcí mohou být extrémně širokopásmové (např. od 1 MHz do 6 GHz). Kvalitu dané výkonové hlavice posuzujeme obvykle podle dvou parametrů. rvním je tzv. efektivní účinnost výkonového senzoru η e, která vyjadřuje, jaká část mikrovlnného výkonu vst vstupujícího do hlavice se dostane až k vlastnímu senzoru. Je tedy sub η e =, (1.6) vst kde v případě bolometrického senzoru vyjadřuje sub nf. výkon dodávaný z mw-metru pro obnovení rovnováhy bolometrického měřicího můstku (viz odst. 1..1). U termoelektrického, příp. diodového senzoru je sub výkon referenčního signálu, který vyvolá stejné výstupní ss. napětí senzoru jako vstupní mikrovlnný výkon vst. Efektivní účinnost je tedy určena ztrátami výkonu v nedokonalých kontaktech mezi senzorovým elementem a hlavicí, ztrátami v ladicích či ztrátových prvcích hlavice apod. rotože na vstupu reálné výkonové hlavice vznikají vždy (větší či menší) odrazy dopadající vlny, je výkon vstupující do hlavice vst vždy menší než výkon i přicházející na její vstup. Zřejmě platí ( ) vst = i odr = i ρ i = i 1 ρ, (1.7) kde odr = ρ i je výkon odražený od vstupu bolometrové hlavice a ρ je činitel odrazu hlavice. Vliv těchto odrazů je zahrnut v tzv. kalibračním faktoru (calibration factor CF) hlavice K b, který je nejčastěji užívaným parametrem při posuzování kvality výkonových senzorů. odle definice je sub sub vst K b CAL FAC = = = ηe ( 1 ρ ). (1.8) i vst i Kalibrační faktor je tedy kombinací efektivní účinnosti hlavice a ztrát nepřizpůsobením na jejím vstupu. Výkonové hlavice pro přesná měření se z výroby vybavují cejchovní křivkou či tabulkou s kmitočtovým průběhem kalibračního faktoru. Kalibrační faktor výkonových senzorů dosahuje 9 až 97 %, u speciálních konstrukcí i více. ro uživatelskou kalibraci měřičů výkonů je u koaxiálních hlavic udáván tzv. referenční kalibrační faktor (REF CF), což je hodnota kalibračního faktoru na nízkých kmitočtech (desítky MHz), kde se měřiče kalibrují. Hodnota referenčního kalibračního faktoru je obvykle větší než 98 % a není-li u dané hlavice specifikována, považuje se za rovnu 1 % (REF CF = 1). Kalibrační faktor přesné výkonové hlavice se výrobně obvykle určuje srovnáním dané hlavice s cejchovním standardem pro měření výkonu, nejčastěji s tzv. mikrokalorimetrem [3]. V běžných laboratorních a provozních podmínkách lze hodnotu K b neznámé hlavice s dostatečnou přesností určit jejím srovnáním s přesným cejchovaným výkonovým senzorem na stejných kmitočtech. Označíme-li parametry m a K b této normálové hlavice indexem N, můžeme v případě dokonale impedančně přizpůsobeného generátoru (viz dále) pro kalibrační faktor zkoumané hlavice psát K b m N měř = K bn, (1.9) m měř N když m je činitel zvětšení (zmenšení) výkonu (1.5) mw-metru se zkoumanou hlavicí a měř, měř N jsou hodnoty výkonů měřených mw-metrem se zkoumanou hlavicí a mw-metrem s normálovou cejchovanou hlavicí při stejném vstupním mikrovlnném výkonu. Z principu činnosti výkonových senzorů plyne, že je-li některá z výkonových hlavic termoelektrická či diodová, je hodnota jejího činitele m = Celková chyba měření mikrovlnného výkonu Do celkové chyby měření je nutno zahrnout kalibrační činitel K b (1.8), příp. efektivní účinnost výkonové hlavice η e (1.6). U bolometrických hlavic musíme uvážit i hodnotu činitele zvětšení m (1.5). Odrazy signálu od vstupu hlavice (jejichž základní vliv je zahrnut již v hodnotě K b ) však mohou způsobit další chybu měření, nelze-li zanedbat současné odrazy od výstupu mikrovlnného generátoru. Opakovanými odrazy mezi hlavicí a generátorem se mění výkon i na vstupu výkonové hlavice dle vztahu [3] i = =, (1.1) ( 1 ± ρ ρ ) M G

12 1 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně G G ρ G i ρ -t mw velikosti kalibračního faktoru neznámé výkonové hlavice K b ve tvaru mn měř 1± ρ Kb max = KbN max min min m měř N 1m ρ kde M je tzv. činitel nepřizpůsobení generátoru a zátěže (hlavice), je výstupní výkon generátoru, který chceme měřit, ρ G je činitel odrazu od výstupu generátoru a ρ je činitel odrazu výkonové hlavice (obr. 1.5.a). rotože vlny odražené od hlavice a od generátoru se mohou skládat s různou fází, vyjadřují znaménka ± ve vztahu (1.1) limitní případy, kdy obě vlny se na vstupu hlavice setkávají se stejnou, příp. s opačnou fází. Činitel nepřizpůsobení M nabývá tedy dvou mezních hodnot M max = (1 + ρ G ρ ) M min = (1 ρ G ρ ) a vztah (1.1) pak vyjadřuje možné krajní hodnoty výkonu i. Činitel nepřizpůsobení M způsobuje rovněž neurčitost při určování kalibračního faktoru K b srovnávací metodou podle vztahu (1.9). Vlivem možných mezních hodnot činitele nepřizpůsobení M max a M min zjistíme z (1.9) pouze krajní meze G G ρ ρ N, (1.11) kde ρ N je činitel odrazu normálové (srovnávací) výkonové hlavice. Ve vztahu (1.11) jsme současně uvážili, že rovněž hodnota kalibračního faktoru normálové hlavice K bn je výrobcem změřena a udána jen s omezenou přesností a hodnoty K bn max a K bn min představují její možné krajní meze. Je-li normálová hlavice tvořena termoelektrickým nebo diodovým senzorem, je ve vztahu (1.11) velikost m N = 1. Další chyby měření vznikají v obvyklém případě, kdy výkon generátoru převyšuje měřicí rozsah použitého mw-metru. Mezi generátor a snímací výkonovou hlavici se zde zapojí cejchovaný zeslabovač (obr. 1.5.b) se známou hodnotou útlumu L. Je-li přesnost cejchování tohoto atenuátoru vyjádřena např. relativní chybou útlumu δl, leží skutečná hodnota nastaveného útlumu v mezích L ± L = L (1 ± δl). ro poměr výkonů na vstupu a výstupu zeslabovače pak platí L (1 ± δl) = 1 log ( G / ), takže skutečný výkon generátoru je roven L ± L L ( 1± δl ) = 1 = 1 G 1 1. (1.1) ři použití atenuátoru se rovněž změní vztah (1.1), příp. (1.11), do nichž je nyní nutno místo ρ G dosadit činitel odrazu ρ A od výstupu použitého zeslabovače. ři útlumech L > 6 db jsou odrazy od kvalitního zeslabovače vždy menší než výstupní odrazy standardních mikrovlnných generátorů, takže neurčitost vyjádřená vztahem (1.1), příp. (1.11), se zmenší. Výsledný vztah mezi hodnotou měř čtenou na stupnici použitého mw-metru a skutečným výstupním výkonem generátoru G určíme spojením vztahů (1.5), (1.8), (1.1) a (1.1) Literatura k úloze 1 G L [db] měř R ρ A i ρ V sub -t mw měř R Obr K chybám měření výkonu vlivem mnohonásobných odrazů a) V sub b) M max L ± L M max L min min ( 1 ± δl) G = 1 = 1 max měř 1 měř min m K b max m K 1 b max min min. (1.13) [1] TYSL, V., RŮŽIČKA, V. Teoretické základy mikrovlnné techniky. SNTL, raha 199 [] JAKUBOVÁ, I., SVAČINA, J. Laboratorní měření na velmi vysokých kmitočtech. Skripta FE VUT v Brně. Ediční středisko VUT, Brno 199 [3] Fundamentals of RF and Microwave ower Measurements (arts 1 to 4). Application Note to Agilent Technologies Inc., 3

13 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty Měření mikrovlnného výkonu Z A D Á N Í 1. Na základě technické dokumentace se seznamte s principem činnosti, zapojením a obsluhou použitého mw-metru TESLA QXC 9 a jeho termistorové hlavice. Seznamte se rovněž s obsluhou a možnostmi číslicového měřiče výkonu H 437B včetně použité normálové kalibrované hlavice H 8481A a se základní obsluhou mikrovlnného generátoru H 835B se zásuvnou jednotkou H 8359B (k jejich základnímu nastavení stačí pokyny uvedené v tomto návodu).. Na středním kmitočtu pracovního pásma určete činitel zvětšení (zmenšení) výkonu m bolometrického mw-metru TESLA a vyhodnoťte tak chybu měření jeho elektronické části. 3. Na středním kmitočtu pracovního pásma stanovte srovnávací metodou krajní hodnoty kalibračního činitele K b koaxiální termistorové hlavice TESLA. Výpočtem určete celkovou absolutní a relativní chybu měření výkonu koaxiální termistorovou hlavicí a mw-metrem TESLA. Stejné veličiny vyhodnoťte i pro kalibrovanou hlavici a číslicový měřič výkonu H. orovnejte vzájemně přesnost měření výkonu oběma druhy hlavic a měřičů výkonu. 4. Číslicovým měřičem výkonu H změřte střední výkon av a špičkový (impulzní) výkon imp impulzně modulovaného mikrovlnného signálu. Změřené hodnoty porovnejte s výsledkem výpočtu. 5. Číslicovým měřičem výkonu H změřte závislost výstupního výkonu mikrovlnného generátoru na kmitočtu signálu v pásmu 1 1,4 GHz. Měřte: výstupní výkon generátoru G stab stabilizovaný smyčkou vnitřní zpětné vazby a nestabilizovaný výstupní výkon generátoru G nestab. V obou případech stanovte největší kolísání výstupního výkonu generátoru v pracovním pásmu kmitočtů. 6. Kmitočtovou charakteristiku G stab = G stab (f) změřenou v předchozím bodě doplňte o tzv. pásmo neurčitosti měření pro použité přístrojové vybavení a posuďte, zda nominální hodnota výkonu indikovaná generátorem leží v tomto pásmu.

14 1 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně GHz dbm G A V K mw -t DT KS N mw / dbm mw N Schéma zapojení měřicí aparatury Měření mikrovlnného výkonu G A mikrovlnný generátor H 835B se zásuvnou jednotkou H 8359B pevný koaxiální zeslabovač SUHNER 683 8A 3 db K koaxiální přepínač TESLA CLN 18 1 DT držák termistoru (termistorová hlavice) TESLA CCNF 11 1 mw měřič výkonu TESLA QXC 9 V V-metr DIGIMER 1 KS N mw N normálový kalibrovaný senzor výkonu H 8481A normálový měřič výkonu H 437B

15 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty Měření mikrovlnného výkonu O K Y N Y K M Ě Ř E N Í 1. Seznamte se s obsluhou použitého mw-metru TESLA. Nejdůležitější technické parametry mw-metru a jeho termistorové hlavice zaznamenejte do protokolu o měření. Na základě technické dokumentace se seznamte s parametry a základní obsluhou číslicového měřiče výkonu H 437B a použitého výkonového čidla H 8481A. řed vlastním měřením je třeba měřič nastavit do příslušného režimu. o zapnutí měřiče je postup této úvodní procedury následující: reset : ostupným stisknutím tlačítek RESET / LOCAL a ENTER uvedeme měřič do známých (standardních) pracovních podmínek specifikovaných v návodu k obsluze. Zero (nulování): Měřicí hlavici H odpojíme od zdroje signálu (nejjednodušeji tak, že přepneme koaxiální přepínač K v měřicí aparatuře do opačné větve směrem k měřiči výkonu TESLA). Stisknutím tlačítka ZERO se spustí proces nulování měřiče (na displeji se objeví údaj ZEROING : * * * * ). Za cca 5 až sekund tento údaj vymizí - měřič je vynulován. Nastavení měřiče pro použitou hlavici H 8481A: V paměti měřiče výkonu H je uloženo několik kalibračních tabulek (tedy hodnot kalibračního faktoru pro jednotlivé pracovní kmitočty) pro různé měřicí výkonové hlavice H. Je tedy nutno vybrat a aktivovat kalibrační tabulku pro použitou hlavici H 8481A. Tlačítky SHIFT a SENSOR se na displeji zobrazí nabídka jednotlivých typů hlavic (= senzorů) H, kterou lze listovat pomocí tlačítek a. S jejich pomocí najdeme označení H 8481A a stiskneme ENTER. Takto nastavený měřič při měření vybírá hodnoty kalibračního faktoru z aktivované tabulky a automaticky jimi koriguje měřené hodnoty výkonu. řed měřením nastavíme do příslušného režimu i mikrovlnný generátor G H 835B: stisknutím (zeleného) tlačítka INSTR RESET uvedeme generátor do definovaného pracovního režimu specifikovaného v návodu k obsluze. Stiskneme tlačítko CW, čímž nastavíme kmitočtově nerozmítaný režim práce generátoru na pevném kmitočtu. Hodnotu tohoto kmitočtu čteme na levém displeji FREQUENCY a lze ji měnit pomocí příslušného knoflíku (levého) nebo zadáním číselné hodnoty a měrné jednotky (GHz, MHz) z numerické klávesnice generátoru. Výstupní výkon generátoru je nastaven na hodnotu 1 dbm (údaj na displeji OWER na zásuvné jednotce) v režimu s vnitřní výkonovou stabilizací (svítící LED dioda na tlačítku INT skupiny ALC MODE). K získání čistého kmitočtového spektra výstupního signálu zapojíme na výstup generátoru kmitočtový filtr stisknutím tlačítka CW FILTER (svítí LED dioda).. Měření uskutečníme na kmitočtu 6 GHz, na nějž naladíme generátor G (levým knoflíkem FREQUENCY nebo zadáním tlačítky CW 6 GHz ) a jeho výkon nastavíme 1 dbm (knoflíkem na zásuvné jednotce nebo tlačítky OWER LEVEL 1 dbm ). Na mw-metru TESLA nastavíme rozsah 1 mw. racovní odpor termistoru R = Ω (přepínač na mw-metru v poloze Ω NEG ), pevný atenuátor A má útlum L = 3 db. Zkoumanou termistorovou hlavici TESLA oddělíme od mikrovlnné trasy přepnutím koaxiálního přepínače K a mw-metr TESLA na rozsahu 1 mw pečlivě vynulujeme. Na připojeném V- metru (rozsah V~) čteme hodnotu U nf. řepneme přepínač K (tj. přivedeme na termistorovou hlavici mikrovlnný signál) a čteme hodnotu měř (mw-metr) a U nf (V-metr). Vypočteme sub (1.4) a činitel m (1.5). 3. Na kmitočtu 6 GHz zjistíme kalibrační faktor termistorové hlavice TESLA jejím srovnáním s normálovou hlavicí H. Koaxiální přepínač K přepneme směrem k číslicovému měřiči H. Stisknutím tlačítek SHIFT AUTO RNG nastavíme režim automatické volby měřicího rozsahu, tlačítkem ddbm / W vybereme absolutní měřicí mód (tedy údaj v mw) a tlačítky SHIFT a RESOLN nastavíme rozlišovací schopnost měřiče 1, % (nastavuje se tlačítky, a ENTER ). Do měřiče zadáme rovněž kmitočet měřicího signálu: stiskneme FREQ, tlačítky měníme blikající digit a tlačítky přecházíme mezi jednotlivými digity, až nastavíme požadovanou hodnotu kmitočtu 6 GHz; zadání

16 14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně ukončíme tlačítkem ENTER. ro takto zadaný kmitočet měřič automaticky načte příslušnou hodnotu kalibračního faktoru K bn použité normálové hlavice z její aktivované tabulky. Hodnotu K bn pro zadaný kmitočet zjistíme z displeje měřiče stisknutím tlačítek SHIFT a FREQ ; do režimu měření se vrátíme tlačítkem ENTER. ři použití K bn k dalším výpočtům vezmeme v úvahu, že výrobce zaručuje jeho hodnotu s chybou ± 3 %. ři měření přečteme správnou hodnotu měřeného výkonu měř N na měřiči H a po přepnutí koaxiálního přepínače K hodnotu měř na mw-metru TESLA. Nastavený výkon generátoru G zůstává 1 dbm. Vypočteme maximální a minimální možnou velikost kalibračního faktoru K b termistorové hlavice TESLA dané nedokonalým přizpůsobením generátoru a nepřesností normálového kalibračního faktoru K bn pomocí vztahu (1.11), do něhož dosadíme za činitel m N termoelektrického výkonového senzoru H hodnotu m N = 1,. Hodnotu ρ určíme výpočtem z výrobní specifikace vstupního poměru stojatých vln r termistorové hlavice TESLA pro daný kmitočet. Výrobcem udaná hodnota výstupního činitele odrazu koaxiálního přepínače K (který zde vůči oběma výkonovým hlavicím-senzorům představuje výstup generátoru) je ρ G =,15 v celém pracovním kmitočtovém pásmu. Velikost vstupního činitele odrazu ρ N normálového výkonového senzoru H přečteme z tabulky na jeho pouzdru pro kmitočet 6 GHz. ři výpočtu celkové chyby měření použijeme vztah (1.13), do něhož jednou dosadíme parametry termistorové hlavice a mw-metru TESLA, podruhé parametry kalibrované termoelektrické hlavice a číslicového mw-metru H. Stanovíme tak maximální kladnou a maximální zápornou absolutní i relativní chybu měření výkonu oběma typy přístrojů. Zjištěné výsledky vzájemně porovnáme. 4. Generátor G zůstává naladěn na 6 GHz a přepneme jej do režimu vnitřní amplitudové modulace (stisknout tlačítko MOD ). Výstupní signál generátoru je nyní impulzně modulován obdélníkovými impulzy s opakovacím kmitočtem 7,8 khz a činitelem plnění τ/t = 1/, tj. 5 %. Vložením této hodnoty do měřiče výkonu H (tlačítkem DUTY CYCLE, opravou tlačítky,,.,. a ukončením tlačítkem ENTER ) měříme impulzní výkon imp modulovaného signálu. řevedení měřiče zpět do režimu měření střední hodnoty výkonu provedeme tlačítky SHIFT a DUTY CYCLE ; displej měřiče pak udává střední výkon av modulovaného signálu. Z této hodnoty vypočteme impulzní výkon imp (1.1) a porovnáme jej s výsledkem měření. 5. Měřič výkonu H uvedeme do režimu, v němž se ke vstupnímu výkonu automaticky připočítává útlum zeslabovače A L = 3 db a průchozí útlum koaxiálního přepínače K IL =, db. řičítanou hodnotu 3, db vložíme tlačítkem OFFSET a zadáním pomocí tlačítek. (zadání ukončíme tlačítkem ENTER (tlačítko ). V tomto režimu tak budeme měřit skutečný výkon signálu v dbm dbm / W ). Generátor G je v režimu vnitřní stabilizace výkonu (stisknuté tlačítko INT na zásuvné jednotce) a jeho hodnotu nastavíme na 1 dbm tlačítky OWER LEVEL 1. dbm na displeji OWER). Generátor přelaďujeme od 1 do 1,4 GHz, když jsme jej předtím vrátili do nemodulovaného provozu (opakovaným stisknutím tlačítka MOD ). ři každém naladění vložíme kmitočtový údaj do měřiče výkonu H (postupem z bodu 3.) a čteme na jeho displeji výkon G stab. ředchozí postup měření zopakujeme při rozpojené regulační smyčce vnitřní stabilizace výkonu generátoru G (stisknuté tlačítko EXT na zásuvné jednotce - rozsvítí se LED dioda UNLEVELED). Generátor na jednotlivých kmitočtech nyní dodává svůj maximálně možný výstupní výkon, takže výše popsaným postupem měříme nyní hodnoty G nestab. Z obou změřených charakteristik G stab = G stab (f) a G nestab = G nestab (f) určíme největší kolísání výstupního výkonu generátoru v dbm v pracovním pásmu kmitočtů. 6. ro hodnoty Gstab změřené na jednotlivých kmitočtech v předchozím bodě zadání určíme pomocí vztahu (1.13) jejich možné krajní velikosti Gstab min a Gstab max dané neurčitostí technických parametrů použitých přístrojů H. Určené hodnoty zobrazíme k charakteristice G stab = G stab (f) a získáme tzv. pásmo neurčitosti měření. ozor: získané hodnoty ze vztahu (1.13) jsou v [mw] a je nutno je převést na [dbm]. Závěrem posuďte, zda hodnota 1 dbm, nastavená na generátoru G, leží v celém kmitočtovém pásmu v tomto pásmu neurčitosti.

17 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty 15 MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ MIKROVLNNÝCH FERITOVÝCH OBVODŮ.1 Gyromagnetické jevy ve feritech Názvem ferity označujeme sloučeniny kysličníku železa s kysličníky některých jiných kovů. Jejich obecný vzorec je MO Fe O 3, kde M je nejčastěji dvojmocný iont kovu, např. Mn, Ni, Co, Mg, Cu, Zn apod. Vlastnosti feritů značně závisejí na typu jejich krystalické struktury. Ve vysokofrekvenční a mikrovlnné technice se nejčastěji používají magneticky měkké ferity krystalující v kubické mřížce typu minerálu spinelu MgO Al O 3 a nazývají se proto kubické ferity nebo ferospinely. Zvláštní skupinu feritů velmi často užívaných v mikrovlnné technice představují ferity vzácných zemin, krystalující v kubické mřížce typu granátu. Z těchto tzv. ferogranátů se nejčastěji používá YIG (ytrium iron garnet) s chemickým vzorcem 3Y O 3 5Fe O 3. Ferity se používají ve formě monokrystalů nebo polykrystalů. Mechanickými vlastnostmi se polykrystalické ferity podobají keramice. Ferity mají poměrně vysokou permitivitu (ε r = 1 ) a svými magnetickými vlastnostmi se v zásadě neliší od feromagnetických kovů. Jejich počáteční permeabilita je asi 1. Ferity však mají vysoký specifický odpor Ωm, což je hodnota 1 11 až krát vyšší než specifický odpor např. oceli. Na nízkých kmitočtech je ferit z makroskopického hlediska izotropním materiálem. Jeho ztráty závisejí na ploše hysterezní křivky a rostou s kmitočtem. Signály o vysokých kmitočtech jsou proto ve feritu bez vnějšího magnetického pole silně tlumeny vlivem hystereze (na tomto principu se konstruují feritové bezodrazové zátěže). Gyromagnetické vlastnosti feritu se plně projeví až po jeho předmagnetování do stavu nasycení, kdy nemůže vzniknout ani malá hysterezní smyčka. V oblasti nasycení je ferit pro vysokofrekvenční signály prakticky bezeztrátovým anizotropním prostředím: hysterezní ztráty zde nejsou možné a v důsledku vysokého specifického odporu nevznikají ani vířivé proudy. Z makroskopického hlediska je ferit vložený do vnějšího magnetického pole anizotropním gyromagnetickým prostředím [1], u něhož je anizotropie vyvolána precesním pohybem mikroskopických magnetických dipólů []. ermitivita feritu je skalár, zatímco permeabilita je tenzorová veličina. To znamená, že feritové prostředí vykazuje různé magnetické vlastnosti vůči elektromagnetické vlně šířící se v něm různými směry. ři šíření vln feritem dochází pak k řadě zajímavých jevů, kterých se technicky využívá při konstrukci různých mikrovlnných obvodů. Nejdůležitějším z těchto jevů je feromagnetická rezonance, tedy rezonanční pohlcování elektromagnetického vlnění ve feritu. Velikost pohlcené energie závisí na kmitočtu vlny ω a na tzv. feromagnetickém rezonančním kmitočtu ω ω = γ B = µ γ H, (.1) jehož velikost lze měnit změnou vnějšího stejnosměrného magnetického pole H. Konstanta γ = 1, C/kg je tzv. gyromagnetický poměr [3] a µ = 4π 1 7 H/m je permeabilita vakua. ři běžně dosahovaných hodnotách intenzity magnetického pole H = A/m je velikost rezonančního kmitočtu ω asi rad/s. roto se feritovými obvody zabývá právě mikrovlnná technika. ůsobí-li na ferit kromě stejnosměrného i vysokofrekvenční střídavé vnější magnetické pole, dochází k vynuceným kmitům magnetizace [3]. Díky svým gyrotropním vlastnostem vykazuje ferit v tomto případě různou permeabilitu vůči jednotlivým složkám vf. intenzity magnetického pole. odrobnějším rozborem lze odvodit výraz pro tenzor permeability feritu ve tvaru µ µ = j µ a j µ µ a, (.) µ kde ωm ω µ = µ 1 +, (.3) ω ω µ a ω ω = µ. (.4) ω ω m

18 16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Veličina M ω = µ γ M (.5) m ω = H je tzv. magnetizační konstanta a M je stejnosměrná magnetizace feritu vyvolaná polem H. Tenzor permeability (.) je nesymetrický, a proto většina jevů ve zmagnetovaných feritech je nereciproční, tzn. závislá na směru šíření elektromagnetické vlny. Složky µ a µ a tenzoru permeability mají navíc rezonanční charakter, takže při ω = ω dochází k rezonančnímu pohlcování energie vln []. Jevy vznikající ve feritech se různí podle toho, zda je ferit vnějším stejnosměrným magnetickým polem H magnetován ve směru šíření elektromagnetické vlny (tedy podélně) nebo ve směru příčném. Nejdůležitějším jevem vznikajícím při průchodu vlny podélně magnetovaným feritem je Faradayův jev [1], []. Šíří-li se ve směru stejnosměrného vnějšího pole H feritem elektromagnetická vlna s libovolnou (nejčastěji lineární) polarizací, rozloží se ve feritu na dvě obecně elipticky polarizované vlny rotující v opačných smyslech. ro tyto vlny se tenzor permeability (.) diagonalizuje, tedy permeabilita feritu je pro tyto vlny skalární veličina. Je však různá pro pravotočivou (µ + ) a levotočivou (µ ) vlnu: µ + = µ + µ a, µ = µ µ a. (.6) ravotočivá a levotočivá vlna se proto šíří různými fázovými rychlostmi a vzájemně se posouvají, takže výsledná rovina polarizace po jejich složení na výstupu feritu je vůči původní rovině polarizace na počátku feritového prostředí natočena o určitý úhel. Velikost tohoto úhlu závisí na délce feritového prostředí, na velikosti stejnosměrného magnetického pole H a na kmitočtu vlny ω. Faradayův jev je nereciproční, tzn. že úhel natočení roviny polarizace nezávisí na tom, zda se vlna šíří ve směru nebo proti směru magnetického pole H (při nezměněné poloze pozorovatele) [3]. Je-li ferit magnetován vnějším magnetickým polem příčně na směr šíření elektromagnetické vlny, rozloží se libovolně polarizovaná vlna opět na dvě vlny (tzv. řádnou a mimořádnou) s různými fázovými rychlostmi. Na velikosti pole H však závisí pouze rychlost mimořádné vlny, zatímco rychlost řádné vlny zůstává stejná jako v izotropním prostředí. Řádná vlna není gyromagnetickými vlastnostmi feritu ovlivněna. ři určité velikosti magnetického pole nastává intenzivní pohlcování energie mimořádné vlny ve feritu a vzniká tzv. příčná feromagnetická rezonance.. Mikrovlnné obvody s ferity Mikrovlnné feritové obvody lze dělit podle různých hledisek, např. na obvody lineární a nelineární, reciproční a nereciproční apod. Využití nelineárních vlastností feritů umožnilo zkonstruovat feritové zesilovače, násobiče kmitočtu a omezovače []. Rozsáhlé uplatnění nalezly však zejména nereciproční vlastnosti feritů. Zmíníme se nyní stručně o nejdůležitějších a v mikrovlnné technice nejčastěji používaných lineárních nerecipročních feritových obvodech o feritových izolátorech a cirkulátorech...1 Feritové izolátory Feritový izolátor je nereciproční dvojbran, v němž se může signál bez útlumu šířit pouze jedním směrem. Ideální izolátor nezeslabuje vůbec přímou vlnu a zcela pohlcuje vlnu zpětnou. V reálných izolátorech jsou ovšem tyto vlastnosti splněny jen přibližně. Izolátory mohou být konstruovány několika způsoby. Nejstarší, ale stále často užívanou konstrukcí je izolátor na principu Faradayova jevu (obr..1). Izolátor se skládá ze dvou úseků obdélníkových vlnovodů pootočených vzájemně o úhel 45. Každý z nich obsahuje absorpční odporovou destičku. Mezi oběma úseky obdélníkových vlnovodů je úsek kruhového vlnovodu s axiální tyčinkou podélně magnetovaného feritu. Elektromagnetická vlna vidu TE 1 vstupující do brány 1 není vstupní odporovou destičkou tlumena, neboť vektor elektrického pole je na odporovou vrstvu v rovině H kolmý. o průchodu zmagnetovaným feritem se rovina polarizace vlny natočí o 45, takže vlna projde bez útlumu i přes odporovou destičku na výstup izolátoru. Rovina polarizace zpětné vlny šířící se ve směru 1 se natočí stejným směrem o dalších 45 (obr..1.c), takže energie zpětné vlny je nyní pohlcována vstupní odporovou destičkou (vektor elektrického pole je nyní rovnoběžný s rovinou destičky). Kromě toho takto polarizovaná vlna nemůže vybudit vstupní obdélníkový vlnovod, jehož rozměry jsou pro ni podkritické.

19 Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika návody pro mikrovlnné laboratorní experimenty 17 Aby popsaný izolátor pracoval uvedeným způsobem, musí být úhel natočení roviny polarizace ve feritu právě 45. rotože je tento úhel kmitočtově závislý, vytváří se stejnosměrné magnetické pole H většinou elektromagnetem. Změnou velikosti magnetizačního proudu I tohoto a) elektromagnetu lze pak nastavovat optimální natočení roviny polarizace v širokých kmitočtových mezích. Konstrukčními úpravami [] lze však dosáhnout dobré širokopásmovosti i u Faradayova izolátoru s permanentním magnetem. V praxi se často užívají i další typy 1 izolátorů, např. rezonanční izolátor [] nebo izolátory na principu deformace pole. Oba tyto typy využívají ve své činnosti příčně magnetovanou destičku feritu ve vlnovodu. V izolátoru na principu deformace pole (obr..) je v úseku obdélní- b) kového vlnovodu vhodně umístěna jedna nebo i více příčně magnetovaných feritových destiček s nanesenou odporovou absorpční vrstvou. V důsledku anizotropních 1 vlastností feritu se elektromagnetické pole VSTU vidu TE 1 deformuje dle obr...b tak, že intenzita elektrického pole E přímé vlny vykazuje v místě absorpční destičky minimum, zatímco zpětná vlna zde dosahuje své maximální intenzity. římá vlna je proto tlumena jen málo, zatímco energie zpětné 1 vlny se silně pohlcuje v odporové vrstvě. Feritové izolátory slouží nejčastěji k VÝSTU izolaci mikrovlnného generátoru od špatně přizpůsobené zátěže. Tato hlavní funkce se odráží i v jejich názvu. Izolátor chrání generátor před vlivem zpětné (odražené) vlny na výkonovou a kmitočtovou stabilitu generovaného signálu, aniž by výrazně zeslaboval přímou vlnu. omocí izolátoru lze rovněž odstranit mnohonásobné odrazy mezi generátorem a zátěží a tím zlepšit přesnost mikrovlnných měření... Feritové cirkulátory MAGNET ODOROVÁ DESKA TE 1 a) H TE 11 FERIT 45 H 45 FERIT ODOROVÁ DESKA TE 11 c) VÝSTU TE 1 VSTU Obr..1. Izolátor na principu Faradayova jevu: konstrukce a šíření přímé a zpětné vlny S ODOROVÁ HMOTA J MAGNET Tříramenný cirkulátor (obr..3.a) je nereciproční mikrovlnný obvod pracující takto: vlna přivedená do ramene 1 vystupuje pouze ramenem, vlna z ramene projde jen do ramene 3 atd. V ideálním cirkulátoru se tedy vlna přenáší výhradně mezi sousedními rameny ve směru šipky; opačný přenos není možný. V reálném cirkulátoru necirkuluje vlna mezi sousedními branami zcela bez útlumu a malá část energie postupuje i v opačném směru (proti směru šipky). b) H Obr... Izolátor na principu deformace pole: konstrukce a rozložení el. pole přímé ( ) a zpětné vlny ( )

20 18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 1 a) Obr..3. Feritový cirkulátor: tříramenný, FERIT 4 3 H b) Obr..4. Tříramenný hvězdicový cirkulátor 3 ZO Obr..5. Sestavení jednosměrného izolátoru z cirkulátoru a bezodrazové zátěže 4 3 Cirkulátory mohou být konstruovány na principu různých jevů v gyromagnetickém prostředí. Nejrozšířenější konstrukci v současné mikrovlnné technice však představuje hvězdicový cirkulátor (tzv. cirkulátor Y) naznačený na obr..4. Lze jej vytvořit z hvězdicového trojbranu (vlnovodového, koaxiálního či mikropáskového), do jehož osy symetrie se vloží příčně magnetovaný válec (tyčinka, disk). Vstupuje-li do brány 1 elektromagnetická vlna, vzniknou jejím působením ve feritovém válci stojaté vlny. Vzorek feritu se chová jako dutinový rezonátor válcového tvaru. Bez vnějšího magnetického pole (H = ) se pole v tomto rezonátoru rozloží souměrně vůči budicímu ramenu 1, takže vstupní vlna se rovnoměrně rozdělí mezi výstupní brány a 3 a obě je stejně vybudí. od vlivem ss. magnetického pole (H ) se pole ve feritovém válci natočí tak, že v místě brány 3 se vytvoří minimum stojatých vln, tedy nulová intenzita pole; u brány je přitom pole nenulové, třebaže ne maximální. Téměř celá energie vlny z ramene 1 tak přechází do ramene, zatímco rameno 3 zůstává nevybuzeno (je izolováno). odobně nastává i přenos vln ve sledu 3 1. Některé aplikace vyžadují kromě nejčastější verze trojbranného i cirkulátory vícebranné, obvykle čtyřbranné. Cirkulátor s N rameny lze vytvořit složením několika cirkulátorů s méně branami, např. dvou cirkulátorů s celkem N + rameny. říklad sestavení čtyřramenného cirkulátoru ze dvou tříramenných je na obr..3.b. Čtyřramenné cirkulátory lze však konstruovat i přímo. Nejstarším, dnes již nepoužívaným typem je cirkulátor na principu Faradayova jevu []. Rovněž hvězdicový cirkulátor může být proveden jako čtyřramenný. ak bývá nazýván cirkulátor X. Cirkulátory nacházejí rozsáhlé použití v mikrovlnné technice. Jako tzv. duplexní obvody oddělují vysílaný a přijímaný signál z jedné antény a nahrazují tak dříve užívané iontovky. Spolu s filtračními obvody mohou vytvářet filtrační soustavy např. k oddělení jednotlivých spektrálních složek mikrovlnného signálu. Mohou zastupovat také izolátory. V této funkci se nazývají izocirkulátory. Zakončíme-li podle obr..5 např. bránu 3 bezodrazovou zátěží ZO, bude se cirkulátor mezi branami 1 a chovat jako izolátor s přenosem 1. Tyto izolátory mohou být značně výkonové, neboť zpětná vlna se nepohlcuje ve feritu ani v odporových deskách uvnitř izolátoru, ale ve vnější přizpůsobené zátěži..3 Měření parametrů feritových obvodů.3.1 arametry izolátoru Vlastnosti každého izolátoru charakterizují především dva základní parametry: útlum L vlny v přímém (propustném) směru a tzv. izolace L I čili útlum ve zpětném směru. Je samozřejmé, že útlum v přímém směru L má být co nejmenší (desetiny db, ideálně nulový), zatímco izolace L I má být co největší (desítky db, ideálně nekonečně velká). Oba tyto útlumy lze měřit všemi metodami měření útlumů.