B V M T část 2. Mikrovlnná technika 1

Mikrovlnná technika se zabývá technikou používanou v oblasti kmitočtů 300 MHz až 300 GHz, tj. v oblasti vlnových délek zpracovávaných signálů od 1 m do 1 mm. Mikrovlny  microwaves  Mikrowellen  těchnika svěrchvysokych častot (SVČ) 2

Mikrovlnná a navazující kmitočtová pásma podle Radiokomunikačního řádu UTI rozměry zařízení << délka vlny signálu rozměry zařízení >> délka vlny signálu 3

4

Dílčí mikrovlnná kmitočtová pásma pro komunikační systémy 5

6

   i1 = I · sin  t i2 = I · sin  (t + ) = = I · sin ( t + ) i d l vf  =   = 2 f · —– = 2 · —– g d vf  =   = 2 f · —– = 2 · —– g celková délka vedení (celková velikost zařízení) = l Obvody se soustředěnými parametry  l << g   0 l  g > Obvody s rozloženými parametry    0 7

Obvody se soustředěnými parametry: jejich velikost (= geometrické rozměry) je mnohem menší než délka vlny g zpracovávaného signálu. Pro l << g je celková změna fáze v takovém obvodu nulová a obvod představuje tzv. kvazistacionární systém, jehož geometrické rozměry lze pokládat za nulové, příp. rychlost šíření signálu v obvodu za nekonečně vysokou. Obvody s rozloženými (nesoustředěnými, rozprostřenými) parametry mají rozměry srovnatelné s použitou vlnovou délkou a často jsou i větší. Při l  g nelze rozměrové relace již zanedbat a okamžitá hodnota signálu závisí nejen na čase, ale i na prosto-rových souřadnicích. Tyto obvody nelze nikdy charakterizovat jedi-ným parametrem a pokud lze vůbec použít klasické parametry (odpor, indukčnost, kapacita), pak tyto parametry nejsou soustře-děny v jednom místě, ale jsou spojitě rozloženy po celém objemu obvodu. Tyto obvody jsou typické právě pro pásma mikrovln. 8

Problém v moderních počítačích s vysokými pracovními kmitočty. Oba druhy obvodů se zejména v pás-mech VKV a UKV velmi často prolínají a vzájemně kombinují. Jako obvod s rozloženými parametry se mohou chovat (i na nízkých kmitočtech řádů MHz) spoje v mikroelektronických polovodičových strukturách: polovodič s vysokou permitivitou r a specifickým od-porem  značně zvyšuje měrnou kapa-citu a měrný odpor spoje  výrazně klesá rychlost vlny vf (až o několik řádů)  výrazně se zkrátí délka vlny g signá-lu ve spoji  l  g i pro krátké spoje. Problém v moderních počítačích s vysokými pracovními kmitočty. 9

V souvislosti s rozvojem mikrovlnných integrovaných obvodů byly rovněž vyvinuty prvky se soustředěnými parametry, které lze použít až do oblasti mm vln (do kmitočtu cca 20 GHz). 490 μm 600 μm 150 μm Hybridní integrovaný širokopásmový zesilovač 45 - 860 MHz s využitím prvků se soustředěnými parametry Monolitický integrovaný nízkošumový zesilovač 5,8 GHz s využitím prvků se soustředěnými parametry 10

Důvody aplikací mikrovlnné techniky Zájem o výzkum a vývoj aplikací mikrovlnné techniky je vyvolán tím, že jejich fyzikálně-technický princip umožňuje výhodně: Využívat nová, zatím méně obsazená kmitočtová pásma (kmitočtové spektrum je často přirovnáváno k jisté formě pří-rodního bohatství: jeho využití je třeba rozšiřovat, ale zároveň je nutno s ním dobře hospodařit). Realizovat obvody s velkou šířkou přenášeného pásma (řádově stovky MHz až desítky GHz), což v rádiové komunikaci znamená větší objem a kvalitu přenášených dat a informací a také možnost dosáhnout značné rychlosti jejich přenosu. To je důležité jak pro klasické komunikační obvody, tak zejména pro rychlé počítačové sítě s nejvýkonnějšími počítači. 11

Realizovat miniaturní systémy pomocí obvodů s rozložený-mi parametry, neboť rozměry jednotlivých mikrovlnných prvků a obvodů jsou v přímé relaci s vlnovou délkou. Využívat antény o velmi malých rozměrech při dosažení a zachování jejich vysoké směrovosti (směrovost antény je funkcí poměru jejích rozměrů a délky vyzařované vlny). Využívat přímočarého šíření mikrovlnné energie – nedochá-zí k odrazu signálu ionosférou. Toho lze využít pro pozemní a družicové komunikační služby a také pro realizaci radarových systémů. Využívat mikrovlnná zařízení v různých aplikacích, např. pro vědecký výzkum, pro dálkové snímání objektů, lékařskou diagnostiku a léčbu, úpravy potravin apod. Řada těchto metod je založena na tom, že vlastní rezonance atomů a molekul leží v horní části mikrovlnného spektra. 12

Oblasti využití mikrovlnné techniky Komunikační technika (téměř 90 % všech světo-vých elektronických komunikačních systémů je v sou-časnosti realizováno právě v mikrovlnných pásmech). Výhody:  antény malých rozměrů (m, dm, cm) s vysokou směrovostí,  přímočaré šíření elmag. vln, dobré podmínky šíření v zem- ské atmosféře,  poměrně vysoká odolnost proti rušení a odposlechu,  vysoká datová přenosová rychlost, velká šířka přenášené- ho pásma 13

Mobilní a bezdrátové radiotelefonní spoje (GSM, PCN, DECT, UMTS a další) frekvence 14

systém Bluetooth, WiFi apod. Bezdrátové profesionální sítě a spoje mezi počí-tačovými sítěmi WLAN (Wireless Local Area Network), systém Bluetooth, WiFi apod. 15

Soukromé a profesionální satelitní spoje VSAT (Very Small Apperture Terminal) 16

Profesionální kosmické spoje Země–satelit (rozhlas, TV, data), radiokomunikační družice 17

Pozemní radioreléové (směrové) spoje 18

Civilní a vojenské radiolokační systémy (PAR, SAR, MLS apod.) , meteorologické radary 19

Civilní a vojenské mikrovlnné navigační systémy (GPS, NAVSTAR, GLONASS apod.) 20

Mikrovlnné řídicí, komunikační a navigační dopravní systémy (Dopplerovské měřiče rychlosti, antikolizní radar apod.) 21

skleněná deska s potravinou Mikrovlnný ohřev (v domácnosti, průmyslový ohřev, v lékařství apod.) průhledné okno dveře ohřívací prostor tvarovač pole vazební otvor vlnovod sonda magnetron ventilátor chlazení napájecí zdroj skleněná deska s potravinou dutinový rezonátor 22

magnetron magnetron f = 2,4 GHz f = 2,4 GHz posuvný pás ohřívaný absorpční zátěž ohřívaný materiál posuvný pás magnetron f = 2,4 GHz dřevěná deska 23

Mikrovlnná spotřební a zábavní elektronika (TV a rozhlasový satelitní příjem apod.) 24

Průmyslové, zemědělské, lékařské, geofyzi-kální a vědecké aplikace mikrovln měření elektrických a magnetických vlastností materiálů měření vlhkosti materiálů mikrovlnná spektroskopie ovlivňování biologických produktů a živých tkání mikrovlnná hypertermie mikrovlnná radiometrie mikrovlnná radioastronomie a průzkum vesmíru . . . . 25

Typy mikrovlnných vedení Základním stavebním prvkem mikrovlnných obvodů je tzv. vedení, jehož typickým znakem je, že jeho délka je srovnatelná, příp. mno-hem větší než délka vlny přenášeného signálu (tzv. dlouhé vedení). Vedení (v užším slova smyslu) je přenosové zařízení, jehož příčné rozměry jsou mnohonásobně menší než délka použité vlny a elektromagnetické pole má v příčné rovině stacionární charakter. Vlnovod je přenosové zařízení, které má i příčné rozměry srovnatelné s délkou vlny signálu. Jeho charakteristickým znakem je, že se v něm může šířit vlna jen o kmitočtu vyšším než určitý, tzv. mezní (kritický) kmitočet. Rozložení pole ve vlnovodu má vlnový charakter nejen v podélném, ale i v příčném směru. 26

Podélně homogenní vedení (vlnovod) má po celé své délce konstantní příčné geometrické rozměry a materiálové pro-středí, jímž je vyplněno, je po celé délce stejnorodé (homogenní). Příčně homogenní vedení (vlnovod) je takové, jehož mate-riálové prostředí je stejnorodé v příčné rovině (v příčném průřezu) vedení. Podélně nehomogenní vedení nemá podél celé své délky stejné příčné geometrické rozměry, příp. se v podélném směru mění parametry prostředí vyplňujícího vedení. Příčně nehomogenní vedení obsahuje v příčném průřezu několik různých materiálových prostředí s různými parametry  a  . 27

Základní typy mikrovlnných vedení, jejich konstrukce a hlavní parametry Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Měrný útlum [dB/m] Maximální přenášený výkon Otevřené dvojvodičové vedení (dvojlinka) 0 až 100 MHz 0,01 až 1 1 do 109 W 28

Koaxiální (souosé) vedení 2 Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Měrný útlum [dB/m] Maximální přenášený výkon Koaxiální (souosé) vedení 0 až 26 GHz (špičkově až do 40 GHz) 0,1 až 10 2 do 107 W Mikropáskové vedení (microstrip) 100 MHz až 26 GHz (ve speciálních konfiguracích až do 60 GHz) 0,1 až 20 3 do 100 W dielektrikum kovové pásky 29

Maximální přenášený výkon Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Měrný útlum [dB/m] Maximální přenášený výkon Dutý kovový vlnovod obdélníkový průřez 1 až 150 GHz 0,01 až 10 10 MW při 1 GHz, 30 W při 100 GHz 4 kruhový průřez průřez Π průřez H 30

Maximální přenášený výkon Druh vedení Konstrukce, tvar Kmitočtový rozsah Měrný útlum [dB/m] Maximální přenášený výkon Dielektrický vlnovod 0,1 až 50 GHz až 10 dB/m 5 kW r Světlovod 200 000 až 600 000 GHz 1 až 10 dB/km 6 100 mW r pláště r jádra 31

Mikrovlnná vedení se užívají dvojím způsobem: K přenosu mikrovlnných signálů (i na větší vzdálenosti): dvoj-vodičová, koaxiální a vlnovodová vedení, prakticky nikdy mikropásková vedení. Ke konstruování mikrovlnných obvodů a obvodových bloků s rozloženými i se soustředěnými parametry: koaxiální, vlnovo-dové i mikropáskové struktury. 32

Mikrovlnné kmitočtové filtry ladicí kapacitní kolíky Mikrovlnné kmitočtové filtry koaxiální vlnovodové 33

Vlnovodová konstrukce vstupu radiolokačního vysílače - přijímače k anténě k přijímači od magnetronu W P V GŠ f Vlnovodová konstrukce vstupu radiolokačního vysílače - přijímače 34

Mikropáskový tranzistorový čtyřnásobič kmitočtu 35

Technologie mikrovlnných integrovaných obvodů monolitická integrace hybridní integrace monolitická integrace 36