Устройства СВЧ и малогабаритные антенны (500,00 руб.)

Стр.1

Стр.1

Стр.2

Стр.3

Стр.438

Стр.439

Стр.440

Стр.441

Стр.442

Стр.443

Стр.1

А. Ю. Виноградов Р. В. Кабетов А. М. Сомов и малогабаритные антенны Устройства СВЧ Допущено УМО по информационной безопасности в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специализациям специальностей 090302 – «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» и 090201 – «Противодействие техническим разведкам» Москва Горячая линия - Телеком 2012

Стр.1

УДК 621.396.946 ББК 32.884.1 В49 Виноградов А. Ю., Кабетов Р. В., Сомов А. М. В49 Устройства СВЧ и малогабаритные антенны Учебное пособие для вузов / Под ред. А. М. Сомова. − М.: Горячая линия–Телеком, 2012. – 440 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0255-8. Изложены общие положения теории электромагнитных волн и устройств СВЧ, рассмотрены различные линии передачи, включая волноводы прямоугольного и круглого сечения, коаксиальные и микрополосковые линии, указаны способы согласования их сопротивлений. Также рассмотрены объемные резонаторы, построенные на основе линий питания, и элементы СВЧ. В завершении рассмотрены различные виды малогабаритных микрополосковых антенн СВЧ. Для студентов, обучающихся по специальностям «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», «Противодействие техническим разведкам», направлению подготовки «Информационная безопасность» (профиль «Безопасность телекоммуникационных систем»), аспирантов и специалистов в области инфокоммуникаций и защиты информации. ББК 32.884.1 Учебное издание Виноградов Алексей Юрьевич Кабетов Роман Владимирович Сомов Анатолий Михайлович Устройства СВЧ и малогабаритные антенны Учебное пособие Редактор Ю. Н. Чернышов Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова Обложка художника В. Г. Ситникова Подписано в печать 25.11.2011. Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 27,5. Тираж 500 экз. ISBN 978-5-9912-0255-8 © А. Ю. Виноградов, А. М. Сомов, Р. В. Кабетов, 2012 © Издательство Горячая линия–Телеком, 2012 А д р ес и з д а тел ь с т ва в И н тер н ет W W W .T EC H B O O K .R U Книга по дготов лена при под НШд24.20 ер к ж 10.10 и р е г антов През М К - 1 идент .2011 а Р .10 о ссийск о й Ф е дер а ции

Стр.2

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время социальное, научно-техническое, культурное и общее экономическое развитие невозможно без систем и сетей передачи информации. Получили широкое практическое применение системы связи диапазонов СВЧ, включая телевидение, радиовещание, сотовую и мобильную связь с использованием спутниковых и наземных сегментов, в состав которых входят малогабаритные элементы и устройства соответствующих диапазонов частот. В связи с этим возникает необходимость в подготовке специалистов радиотехнического профиля и углублении базовых знаний этого направления. Всё это делает востребованным подготовку учебного пособия, посвящённого вопросам разработки малогабаритных антенн и устройств СВЧ. Многие из этих устройств предназначены для применения в сугубо профессиональных целях, однако они востребованы во всё возрастающих объёмах в многочисленных приборах, применяемых в быту. Разделы, охваченные учебным пособием, необходимы, прежде всего, студентам и аспирантам соответствующего профиля обучения, а также инженерам и специалистам научных и проектных организаций, занимающихся разработкой и проектированием систем связи СВЧ диапазона. Современные технологии проектирования сложных малогабаритных СВЧ антенн и узлов основаны на широком использовании систем автоматизированного проектирования и программ электродинамического моделирования. Однако все эти приёмы основываются на известных положениях и основах теории электромагнитных волн, без понимания которых невозможно освоить физические основы функционирования тех или иных устройств. По этой причине в первой главе приведены общие положения теории электромагнитных волн, включающие описание векторов этого поля, параметров среды, в которой распространяется поле, принципа суперпозиции полей, особенностей поля электрического диполя, закона электромагнитной индукции, основополагающей системы уравнений Максвелла, граничных условий для векторов поля на разделе двух сред и особенностей решения волновых уравнений в случае монохроматического поля.

Стр.3

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Общие положения теории электромагнитных волн . 1.1. Векторы электромагнитного поля. Макроскопические параметры среды. Уравнение непрерывности . . . . . . . . . . 1.1.1. Поле электрического заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Теорема Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Принцип суперпозиции и поле системы точечных зарядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4. Поле электрического диполя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 5 5 7 8 9 1.1.5. Электрическое поле объемных зарядов . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.6. Электрическое поле в диэлектрике . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.7. Электрическое поле в проводящей среде . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.8. Энергия электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.9. Магнитное поле постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.10. Закон полного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.1.11. Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.12. Энергия магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2. Система уравнений Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3. Граничные условия для векторов поля . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3.1. Граничные условия на разделе двух сред . . . . . . . . . . . . 26 1.3.2. Граничные условия на поверхности идеального проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.4. Электрическая и магнитная энергия. Баланс энергии электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.5. Метод комплексных амплитуд. Комплексная проницаемость. Уравнения монохроматического поля. . . . . . . . . . 34 1.6. Решение волновых уравнений при заданных источниках возбуждения поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.7. Эквивалентные источники электромагнитного поля. Принцип Гюйгенса-Френеля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.8. Лемма Лоренца. Теорема взаимности . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.8.1. Лемма Лоренца для ограниченных и неограниченных объёмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.8.2. Теорема взаимности для элементарных вибраторов . . 50

Стр.438

Оглавление 439 Вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2. Основы теории устройств ÑÂ×. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.1. Направляющие системы. Классификация направляемых волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2. Волновые числа. Фазовая и групповая скорость. Дисперсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3. Типы волн в волноведущих линиях СВЧ . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4. Концепция парциальных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.5. Теорема Флоке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.6. Пространственные гармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.7. Бегущая волна. Быстрые и медленные волны . . . . . . . . . 85 2.7.1. Бегущая волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.7.2. Быстрые и медленные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.8. Импедансные граничные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.8.1. Приближенные граничные условия Леонтовича . . . . . 91 2.8.2. Применение импедансных граничных условий в теории поверхностных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.8.3. Усредненные граничные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 2.8.4. Двусторонние граничные условия импедансного типа 99 2.9. Затухание направляемых волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.9.1. Затухание, обусловленное потерями в заполняющей линию среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 2.9.2. Затухание, вызванное потерями в металлических элементах линии передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.10. Теория эквивалентных линий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.10.1. Эквивалентные токи и напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.10.2. Волновое сопротивление волноводных элементов . . . . 110 2.10.3. Четные и нечетные свойства входного сопротивления 116 2.11. Теорема Фостера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2.12. Матрица волновых сопротивлений многополюсника . . 120 2.12.1. Симметрия матрицы волновых сопротивлений . . . . . . 123 2.12.2. Реактивная природа матрицы волновых сопротивлений для случая многополюсника без потерь . . . . . . . . . 124 2.12.3. Нормированные матрицы волновых сопротивлений и проводимостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.13. Матрица рассеяния многополюсника . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2.13.1. Симметричная матрица рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 2.13.2. Матрица рассеяния многополюсника в случае отсутствия потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 2.13.3. Матрица рассеяния четырехполюсника . . . . . . . . . . . . . . 133 2.14. Матрица передачи многополюсника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Стр.439

440 Оглавление 2.14.1. Матрица передачи по напряжению и току . . . . . . . . . . . 137 2.14.2. Матрица передачи по амплитуде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.14.3. Обобщенная матрица рассеяния для волн мощности 139 2.15. Связанные контуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 2.15.1. Понятие связанного контура. Виды связанных контуров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 2.15.2. Схемы замещения связанных контуров . . . . . . . . . . . . . . 151 2.15.3. Настройка связанных контуров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 2.15.4. Частотные характеристики связанных контуров . . . . . 158 Вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 3. Линии передачи ÑÂ×. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.1. Основные параметры линий СВЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.2. Коаксиальные линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 3.2.1. Конструкция и виды коаксиальных линий . . . . . . . . . . . 166 3.2.2. T-волна в коаксиальной линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 3.2.3. Другие волны в коаксиальной линии . . . . . . . . . . . . . . . . 169 3.3. Конструкция и виды волноводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 3.4. Волноводы прямоугольного поперечного сечения . . . . . 171 3.4.1. Волны типа H в прямоугольных волноводах . . . . . . . . 171 3.4.2. Волна H10 в прямоугольном волноводе . . . . . . . . . . . . . . 174 3.4.3. Мощность, переносимая волной H10 . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3.4.4. Токи на стенках прямоугольного волновода с волной H10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 3.4.5. Эквивалентная длинная линия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3.4.6. Излучающие и неизлучающие щели в прямоугольном волноводе с волной H10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 3.4.7. Волны типа E в прямоугольных волноводах . . . . . . . . 182 3.5. Волноводы круглого поперечного сечения . . . . . . . . . . . . . 184 3.5.1. E-волны в волноводах круглого сечения . . . . . . . . . . . . . 185 3.5.2. H-волны в волноводах круглого сечения . . . . . . . . . . . . 190 3.5.3. Применение круглых волноводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 3.6. Радиальные волноводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 3.7. Энергетические потери в волноводах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 3.8. Возбуждение электромагнитных волн в волноводах . . 203 3.8.1. Возбуждение прямоугольного и круглого волноводов 203 3.8.2. Возбуждение радиального волновода элементом Гюйгенса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 3.8.3. Возбуждение радиального волновода рупорным облучателем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 3.9. Планарные линии с неоднородным заполнением . . . . . . 223 3.9.1. Квазистатический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Стр.440

Оглавление 441 3.9.2. Высокочастотный способ расчета или полноволновый метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 3.10. Полосковые линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 3.10.1. Симметричная полосковая линия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 3.10.2. Расчет микрополосковых линий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 3.10.3. Потери в микрополосковой линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 3.10.4. Частотные свойства микрополосковой линии . . . . . . . . 251 3.10.5. Другие типы микрополосковых линий . . . . . . . . . . . . . . . 252 3.11. Копланарные и связанные линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 3.11.1. Компланарные линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 3.11.2. Связанные линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 3.12. Линии щелевого типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 3.13. Замедляющие системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 3.13.1. Общие свойства замедляющих систем . . . . . . . . . . . . . . . 269 3.13.2. Коэффициент замедления и длина замедленной волны 272 3.13.3. Сопротивление связи замедляющей системы . . . . . . . . 273 3.13.4. Энергия поля в ячейке замедляющей системы . . . . . . . 275 Вопросы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 4. Îáú¼ìíûå резонаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 4.1. Простые объёмные резонаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 4.1.1. Прямоугольный объёмный резонатор . . . . . . . . . . . . . . . . 280 4.1.2. Цилиндрический объёмный резонатор . . . . . . . . . . . . . . . 283 4.1.3. Коаксиальный объёмный резонатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 4.2. Добротность объёмных резонаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 4.2.1. Собственная добротность объёмного резонатора . . . . . 285 4.2.2. Добротность нагруженного объёмного резонатора . . . 286 4.2.3. Влияние добротности на свойства резонатора . . . . . . . . 287 4.3. Эквивалентные параметры объёмных резонаторов . . . . 288 4.4. Объёмные резонаторы сложной формы . . . . . . . . . . . . . . . 288 4.5. Возбуждение объёмных резонаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Вопросы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 5. Элементы СВЧ и вопросы согласования сопротивлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 5.1. Элементы цепей СВЧ с распределенными параметрами 291 5.1.1. Микрополосковая линия, разомкнутая на конце . . . . . 292 5.1.2. Щель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 5.1.3. Ступенька . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 5.1.4. Крестообразное соединение шлейфов . . . . . . . . . . . . . . . . 297 5.1.5. Другие виды неоднородностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 5.2. Виды соединений линий СВЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

Стр.441

442 Оглавление 5.2.1. Изгиб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 5.2.2. Т-образное соединение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 5.3. Вопросы согласования и трансформации волновых сопротивлений в цепях СВЧ. Виды согласующих элементов 304 5.3.1. Четвертьволновый трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 5.3.2. Теория малых отражений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 5.3.3. Приближенная теория многосекционных четвертьволновых трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 5.3.4. Биноминальный трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 5.3.5. Чебышевский трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 5.3.6. Метод точного расчета трансформатора Чебышева . . 315 5.3.7. Плавные переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 5.4. Элементы волноводных трактов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 5.4.1. Волноводные поляризаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 5.4.2. Волноводные селекторы поляризации . . . . . . . . . . . . . . . 326 5.4.3. Согласованные нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 5.5. Устройства разделения диапазонов частот . . . . . . . . . . . . 328 5.6. Делители и сумматоры мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 5.7. Направленные ответвители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 5.7.1. Ответвители на связанных линиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 5.7.2. Шлейфный направленный ответвитель . . . . . . . . . . . . . . 353 5.7.3. Направленный ответвитель Ланге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 5.7.4. Кольцевой гибридный направленный ответвитель . . . 357 5.8. Примеры построения волноводных трактов антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 Вопросы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 6. Микрополосковые àíòåííû. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 6.1. Общие сведения о микрополосковых антеннах . . . . . . . . 367 6.2. Узкополосные микрополосковые антенны . . . . . . . . . . . . . 371 6.2.1. Ленточный микрополосковый вибратор . . . . . . . . . . . . . . 371 6.2.2. Щелевая микрополосковая антенна . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 6.2.3. Двумерные микрополосковые излучатели . . . . . . . . . . . 381 6.2.4. Микрополосковые антенны круговой поляризации . . 387 6.3. Широкополосные микрополосковые антенны . . . . . . . . . . 390 6.3.1. Расширение рабочей полосы частот микрополосковых антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 6.3.2. Антенна Вивальди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 6.4. Микрополосковые антенны вытекающих волн . . . . . . . . . 397 6.4.1. Типы волн в микрополосковых антеннах вытекающих волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

Стр.442

Оглавление 443 6.4.2. Режимы распространения в микрополосковых антеннах вытекающих волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 6.4.3. Методы расчета импедансных структур периодических микрополосковых антенн вытекающих волн . . . . . 403 6.4.4. Примеры микрополосковых антенн вытекающих волн 406 6.5. Одно- и многоканальные микрополосковые антенны . . 412 Вопросы к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 Приложение 1. Коаксиальные кабели . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Приложение 2. СВЧ волноводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 П2.1. Волноводы жёсткой конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 П2.2. Гибкие волноводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 Список обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

Стр.443