Диапазоны электромагнитных волн. Портовое представление цепей

Портовое представление цепей

Тракт СВЧ

Аппаратный анализ цепей является довольно специфической частью радиотехнических измерений. С технической точки зрения его удобно разделить на две части по критерию используемых для анализа частот: низкочастотный анализ, анализ на СВЧ. Далее, за редким исключением, имеется в виду аппаратный анализ цепей на СВЧ. Ключевые слова для этой темы: измерения на СВЧ, электродинамика СВЧ, теория и техника СВЧ, тракт СВЧ.

К диапазону сверхвысоких частот (СВЧ) обычно относят волны частотой от 300 МГц до 300 ГГц, то есть длиной волны от 1 мм до 1 м. Этот диапазон условно делят на поддиапазоны дециметровых волн (частоты от 300 МГц до 3 ГГц, длины волн от 0.1 м до 1 м), сантиметровых волн (частоты от 3 ГГц до 30 ГГц, длины волн от 0.01 м до 0.1 м), миллиметровых волн (частоты от 30 ГГц до 300 ГГц, длины волн от 0.001 м до 0.01 м). Место диапазона СВЧ в общем спектре электромагнитных волн показано на рис. 1.1.1.

Диапазоны электромагнитных волн

В дальнейшем основное внимание будет уделено измерениям в дециметровом и сантиметровом поддиапазонах, т.к. техника миллиметровых волн отличается большой специфичностью и требует отдельного рассмотрения. С другой стороны, по практическим причинам, рабочий диапазон анализаторов цепей (АЦ), которым посвящена эта глава, обычно шире указанного объединения поддиапазонов за счет спектрального участка метровых волн (частоты от 30 МГц до 300 МГц, длины волн от 1.м до 10 м), который формально не относится к диапазону СВЧ, а является частью диапазона УКВ. Иногда нижняя частота рабочего диапазона АЦ еще ниже и доходит до 10 МГц и менее.

Свойства электромагнитного поля существенно зависят от характера его изменения во времени; для модели монохроматических волн – от частоты волны. Особенности техники измерений на СВЧ можно условно разделить на особенности излучения, распространения, отражения и поглощения СВЧ-волн и особенности СВЧ-техники применительно к измерениям. Освоение СВЧ-диапазона началось позже, чем соседних диапазонах – только в 30-х годах двадцатого века, что объясняется особенностями СВЧ-волн, к важнейшим из которых относятся:

· Соизмеримость длины волны и характерного размера приборов, неоднородностей тракта и других, что делает малоэффективным применение обычных линий передачи и колебательных контуров. Традиционные элементы аппаратуры – соединительные проводники, резонансные контуры, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д. становятся распределенными системами. Вместо соединительных проводников используют линии передачи конечной длины, колебательные системы представляют собой объемные резонаторы; сосредоточенные компоненты заменяются различными неоднородностями в линии передачи, расчет которых проводят электродинамическими методами.

· Соизмеримость периода колебаний и времени пролета носителей заряда в активной области прибора . Проявляющаяся в этих условиях инерция носителей заряда нарушает нормальную работу активных приборов, эффективно функционирующих в радиодиапазоне.

· Малая энергия кванта электромагнитного поля по сравнению с энергией теплового движения частиц, заданной в единицах , при обычной температуре, исключает проявление и возможное использование квантовых эффектов, успешно используемых в оптическом диапазоне. Например, на частоте ГГц Дж, а при температуре =290 К Дж, то есть их отношение 300. Интересно отметить, что этот вывод меняется при очень низких температурах, например, на той же частоте, но температуре жидкого гелия 4.2 К отношение 4.34, а при частоте 50 ГГц даже 1.74.

Для реализации генерации, усиления и преобразования электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона необходимо было разработать специальные методы, что потребовало значительных усилий многочисленных коллективов инженеров и ученых. В частности, при переходе на измерения в диапазоне СВЧ потребовалось, в ряде случаев, разработать специальные измерительные методы и средства. Измерения на СВЧ, по сравнению с традиционными измерениями на более низких частотах, имеют свои особенности:

· Ряд проблем вызывает подключение измерительной аппаратуры к исследуемому устройству и элементам калибровки. Пришлось разработать элементы подключения измерительных датчиков и преобразователей к соединительным линиям, вообще, в большой мере заново создавать измерительный тракт.

· Излучение электромагнитных волн из отверстий и щелей в измерительной аппаратуре приводит к потерям и искажениям сигналов. Требуется тщательное экранирование измерительных элементов и датчиков, что, однако осложняет введение измерительных элементов в исследуемые объекты.

· Отражения на соединениях, неоднородностях, сгибах, концах линий и т.д. (несогласованность) вызывают искажение сигналов, ухудшают точность измерений, требуют изощренной калибровки измерительного средства. Вообще, проблема согласования «нагрузок» в диапазоне СВЧ настолько всеобъемлюща, что иногда высказывается мнение, что «проблема оптимального конструирования тракта СВЧ сводится к проблеме согласования» [1.1].

· Неоднозначность отсчета напряжений и токов на СВЧ заставляет переходить к мощности как единице уровня сигналов.

· В технике СВЧ необходимо измерять новые параметры – КСВ, коэффициент отражения и т.д. Вообще, в рамках матричной характеризации цепей приходится переходить от матриц, связанных с импедансами, токами и напряжениями, к матрицам рассеяния; появляются также новые виды графов – потоковые графы, и т.д.

· Измерениям на СВЧ свойственны ограничения технического порядка, связанные с несовершенством аппаратуры на этих частотах. В частности, трудно или невозможно добиться достаточно высоких добротностей резонаторов, трудно создавать измерительные генераторы достаточной мощности со сверхширокополосной перестройкой, трудно обеспечить высокую частотную стабильность генераторов, трудно создавать измерительные усилители со стабильными метрологическими характеристиками и т.д.

· В диапазоне СВЧ ограничен выбор невзаимных устройств, позволяющих разделять волны разных направлений и улучшать согласование трактов. На малых частотах построение невзаимных устройств облегчается возможностями различных соединений в цепях, в диапазоне СВЧ, с его полевой структурой волн, приходится применять специальные волновые среды (например, ферриты) или комбинации линий передачи с полевой связью.

В силу перечисленных особенностей измерений на СВЧ, для решения каждой конкретной измерительной задачи в этом диапазоне часто приходится индивидуально подбирать или заново разрабатывать свою собственную методику, а в ряде случаев и уникальную измерительную аппаратуру. Всегда требуется предварительный теоретический и расчетный анализ измерительной схемы, особенно в отношении калибровки и оценки погрешностей измерения.

Вышеперечисленные особенности СВЧ-волн, особенно первые две, могут создать впечатление, что сам диапазон «невыгоден» для радиоэлектронных приложений и в измерениях на СВЧ, в частности, в анализе СВЧ-цепей нет большой необходимости. Это впечатление в корне неверно: практически диапазон СВЧ очень важен, а в некоторых случаях – незаменим, для целого ряда приложений, вследствие важных преимуществ СВЧ-волн. Эти преимущества таковы:

· Как известно, информационная емкость канала связи пропорциональна произведению полосы пропускания канала на отношение сигнал-шум по мощности . Полосу пропускания можно оценить как 1-10% от несущей частоты , следовательно, чем выше несущая частота, тем выше информационная емкость канала связи. Поэтому в СВЧ-диапазоне информационная емкость канала, в частности, скорость передачи информации, при том же отношении сигнал-шум, в сотни и тысячи раз больше, чем в радиодиапазоне. Но этот выигрыш еще больше вследствие минимума шумов атмосферного, космического и искусственного происхождения в диапазоне 1-10 ГГц, что повышает отношение сигнал-шум.

· С увеличением частоты возрастают возможности направленной передачи электромагнитной энергии, так как они зависят от отношений диаметра антенны к длине волны. В диапазоне СВЧ эти возможности, важные для многих приложений, значительно выше, чем в радиодиапазоне.

· В целом земная атмосфера весьма прозрачна в диапазоне СВЧ; это является ценным энергетическим фактором для многочисленных радиоэлектронных приложений.

· Ряд веществ проявляет селективно-частотное (избирательное) поглощение СВЧ-излучения, особенно при низких температурах, вследствие полосового, линейчатого характера спектра поглощения на этих частотах, а также, в ряде случаев, высоких градиентов поглощения по частоте. Это создает ряд возможностей для создания оригинальных устройств техники СВЧ.

Отмеченные преимущества диапазона обусловили широкое применение волн СВЧ в различных областях науки и техники. Перечислим некоторые из них:

· Радиолокация – первая исторически и до сих пор наиболее важная область применения колебаний СВЧ. Эта область в последние десятилетия испытала большой прогресс, как в военном, так и научном и народно-хозяйственном аспектах. Многообразие объектов локации (сосредоточенные: наземные, надводные, воздушные, космические; распределенные: элементы поверхности Земли, облака, полярные льды, северные сияния, метеорные ионизированные следы, планеты Солнечной системы и т.д.), многообразие способов формирования и обработки радиолокационных сигналов (когерентная радиолокация, радиолокация бокового обзора, сжатие сигналов и т.д.), многообразие носителей радиолокационной техники (наземные, надводные, воздушные, космические) и степени их подвижности, многообразие антенных систем управления лучами (одиночные антенны, синтезированные антенны, пассивные и активные антенные решетки) и видов их сканирования – все это и многое другой предопределило огромное поле для создания разнообразных устройств и систем техники СВЧ, нуждающихся в их тестировании и измерении.

· Радиорелейная связь, обеспечивающая передачу пакетов телефонных, телевизионных каналов и профессиональной информации различного назначения на различные, в том числе – большие расстояния с высокой скоростью передачи.

· Кабельная связь, в том числе распределенные системы вещательного телевидения, промышленного и охранного телевидения.

· Космическая связь, то есть передача больших объемов информации через спутники связи (непосредственное телевизионное вещание, связь с космическими кораблями и орбитальными станциями, с автоматическими космическими аппаратами).

· Радионавигация.

· Радиоастрономия (прием и анализ электромагнитного излучения космических объектов).

· Радиоразведка и радиоконтроль.

· Экспериментальная физика (нагрев и диагностика плазмы, молекулярная спектроскопия газов, жидкостей и твердых тел.

· Мазеры и их применение.

· Метрология (атомные стандарты времени и частоты).

· Технология (использование СВЧ-излучения для нагрева различных материалов с целью их сушки и полимеризации, приготовления пищи и т.п.).

· Медицина и биология (воздействие СВЧ-колебаний на биологические объекты с целью изучения и коррекции процессов в них, анализ собственного излучения объектов).

Продолжается быстрое расширение областей применения электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона в науке и технике. Такое широкое разнообразие применений СВЧ-колебаний привело к появлению огромного числа видов и типов СВЧ-устройств, систем, цепей. Их число постоянно возрастает по мере развития технологии синтеза веществ (в частности, нано-технологий, гетероструктурных технологий, полупроводниковых технологий), методов микроминиатюризации, создания интегральных схем и т.д. Все это стимулирует не только развитие методов расчета и проектирования с помощью ЭВМ устройств СВЧ, но и методов и приборной базы аппаратного анализа цепей СВЧ, чему и посвящена данная работа.

Метод декомпозиции

В диапазоне СВЧ квантовые эффекты еще пренебрежимы, поэтому закономерности протекания электромагнитных явлений в различных средах составляют предмет изучения классической электродинамики. Ее технические аспекты составляют область науки и техники, иногда называемую технической электродинамикой. В этой области в основном изучается и разрабатывается техника СВЧ, которая объединяет разделы радиотехники и радиоэлектроники, касающиеся вопросов анализа, синтеза и практической реализации устройств СВЧ.

Устройства СВЧ, соединенные отрезками линий передачи, составляют тракт СВЧ. Тракт СВЧ любой радиотехнической системы, в том числе анализатора цепей или анализируемого устройства, состоит из большого числа различных устройств СВЧ. К их числу относятся отрезки линий передачи, разъемы, изгибы и скрутки, согласующие устройства, фазовращатели, фильтры, делители мощности, направленные ответвители, переключатели и многие другие. Общим для этих и им подобных устройств является то, что они относятся к устройствам с распределенными параметрами. Геометрические размеры этих устройств сравнимы с длиной волны электромагнитных колебаний. Это определяет всю специфику расчета и проектирования устройств СВЧ, т.к. происходящие в них процессы имеют волновой характер.

Теория устройств СВЧ тесно связана с электродинамикой и включает в себя два больших раздела: анализ устройств СВЧ и синтез устройств СВЧ. Задача анализа состоит в изучении внешних характеристик устройств СВЧ, а также в определении этих внешних характеристик из решения соответствующей внутренней задачи методами прикладной электродинамики или из эксперимента. Задача синтеза устройств СВЧ состоит в определении структуры и геометрических размеров элементов устройства СВЧ по заданным его характеристикам.

Изучение внешних характеристик устройств СВЧ может производиться без конкретизации их внутренней структуры, что позволяет рассматривать устройство СВЧ как некий «черный ящик», имеющий определенное число выходящих из него линий передачи СВЧ. Каждая из этих линий передачи также является устройством с распределенными параметрами, для которого непременным является волновой характер электромагнитных процессов. Это приводит к необходимости фиксировать продольные координаты поперечных сечений линий передачи или, как говорят, фиксировать опорные плоскости. Относительно этих опорных плоскостей проводится отсчет фаз, а в некоторых случаях и амплитуд падающих и отраженных волн. Смещение опорных плоскостей вдоль входных линий передачи приводит к изменению внешних характеристик устройств СВЧ. В большинстве случаев во входных линиях передачи таких устройств единственной распространяющейся волной является волна основного типа. Остальные типы волн находятся в закритическом режиме, то есть быстро затухают при отдалении от неоднородности, где они могут возникнуть. Опорные плоскости устройства СВЧ стремятся расположить таким образом, чтобы амплитудами закритических волн в них можно было пренебречь.

Основой теоретического и расчетного анализа и проектирования СВЧ-устройств является теория цепей СВЧ. В силу упомянутого выше представления цепи в виде «черного ящика», эта теория основана на матричном представлении описания внешних параметров устройств, использует метод декомпозиции анализа сложных объектов и компьютерные методы их моделирования. Для расчета параметров базовых блоков декомпозиционных схем привлекаются методы прикладной электродинамики и численные модели систем автоматического проектирования (САПР) СВЧ-устройств. При практической реализации ключевую роль играют экспериментальные методы исследования, настройки и контроля характеристик и параметров спроектированных устройств. Измерения используют также в случаях, когда для моделирования отдельных узлов и блоков нет достоверных расчетных данных.

Порты

Радиосистемы СВЧ-диапазона (а также более высокочастотные) обычно можно представить в виде некоторых устройств, соединенных линиями передачи. Часть такой системы, расположенную между начальным и оконечным устройствами (например, между антенной и радиопередающим или радиоприемным устройством, называют трактом СВЧ (иногда цепью СВЧ). Подобный тракт осуществляет передачу электромагнитной энергии от передатчика к антенне, или от антенны к приемнику, или от генератора сигналов специальной формы ко входу некоторого устройства и т.п. Тракт СВЧ может, например, обеспечивать требуемый режим работы выходных и входных цепей передатчика или приемника, выполнять частотное и поляризационное разделение и объединение передаваемых сигналов и ряд других функций. Отдельные части тракта также могут называться цепями СВЧ. Наиболее распространенными элементами СВЧ-цепей являются отрезки линий передачи, переходные и стыковочные узлы между линиями различных типов, согласующие и настроечные элементы, сумматоры, делители и ответвители мощности, поляризационные устройства, фильтры, фазовращатели, коммутаторы и переключатели, невзаимные устройства с намагниченными ферритами и др.

Процессы передачи электромагнитных сигналов в цепях СВЧ и в образующих их элементах весьма сложны. Можно было бы попытаться проанализировать эти процессы на основе соответствующих краевых задач электродинамики. Однако строгая постановка и решение таких задач возможны только для очень упрощенных форм и конструкций, почти всегда выходящих за рамки реальных. А для применяемых на практике цепей СВЧ из-за их конфигурационной сложности решение краевых задач в строгой постановке в настоящее время практически невозможно.

Некоторую помощь в решении проблемы передачи электромагнитных сигналов в сколь-нибудь сложных цепях СВЧ оказывает всегда применяемый на практике метод декомпозиции (разбиения). Он состоит в том, что тракт СВЧ или цепь СВЧ разбивается на ряд элементов, которые анализируются независимо, но теперь также нужно адекватно учесть взаимодействия между элементами через распространяющиеся между ними волны. При этом каждый такой элемент рассматривается как независимая электродинамическая система.

Постановка и решение краевых электродинамических задач, соответствующих отдельным элементам, существенно проще, чем для всего устройства в целом. Используя или решение электродинамической задачи или результаты экспериментального исследования, если подобное решение получить не удается, для каждого выделенного элемента строят такое описание, которое позволяет находить влияние этого элемента на передаваемые электромагнитные сигналы. Обычно описание элементов цепи представляют либо формально-математически с помощью матриц специального вида (матрицы рассеяния, или матрицы передачи и т.п.), либо в виде эквивалентной схемы, состоящей из отрезков эквивалентной линии передачи, в которую тем или иным способом включены сосредоточенные элементы и трансформаторы. Имея подобные универсальные описания всех элементов тракта или цепи СВЧ, можно определить все требуемые характеристики тракта или цепи.

Обычно при построении математической модели тракта или цепи СВЧ для упрощения анализа отрезки линий передачи, соединяющие входящие в этот тракт устройства заменяют отрезками эквивалентной линии, а устройства рассматриваются как некоторые многополюсники.

Сделаем одно терминологическое замечание. Понятия полюсов, клемм и т.п., так хорошо подходившие к концепции «черного ящика» на достаточно низких частотах, где цепи строятся на сосредоточенных элементах, а соединения производятся с помощью проводов, становятся неудобными в диапазоне СВЧ, где по крайней мере линии передачи суть распределенные элементы, а соединения отрезков этих линий производятся с помощью коаксиальных разъемов, фланцевых соединений волноводов и т.п. В этом диапазоне больше подходит понятие порта, которым и пользуются во всей научно-технической радиоэлектронной литературе, кроме русскоязычной. С точки зрения формально-математического описания порт полностью эквивалентен паре полюсов или клемм, но физическая интерпретация этого понятия более прозрачна. В этой работе мы будем пользоваться именно этим понятием.