Фундаментальные основы микроволновой технологии

Природа и характеристики микроволнового излучения

В современной технике микроволновое излучение служит фундаментом для функционирования радиолокационных систем, средств радиосвязи и технологий термической обработки пищевых продуктов. Микроволны — электромагнитные колебания, занимающие частотный спектр от 100 МГц при длине волны 3 м до 300 ГГц с соответствующей длиной волны 1 мм. Электромагнитные волны частотой свыше 30 ГГц классифицируются как миллиметровые волны ввиду их метрических параметров. За пределом 300 ГГц располагается оптический диапазон, начинающийся с инфракрасного излучения. Радиочастотный диапазон охватывает область от микроволнового спектра до частоты 3 КГц с длиной волны 100 000 м. Все описанные типы электромагнитного излучения подчиняются единым классическим законам электродинамики.

Специфика конструктивных элементов микроволновой техники

В микроволновом диапазоне частот традиционные дискретные электронные компоненты — резисторы на углеродной основе, конденсаторы со слюдяным диэлектриком, индуктивные элементы — и соединительные проводники утрачивают работоспособность вследствие несоответствия их геометрических размеров длине волны излучения. Микроволновая схемотехника базируется на распределенных компонентах печатных схем, волноводных конструкциях и специализированных активных элементах с микроскопическими внутренними размерами. При дальнейшем уменьшении длины волны применяются методы оптической инженерии с использованием фокусирующих линз и отражающих поверхностей.

Физика поверхностного эффекта в микроволновом диапазоне

Неприменимость стандартных низкочастотных компонентов и проводников в микроволновой области обусловлена также скин-эффектом — физическим явлением, при котором высокочастотная энергия распространяется исключительно по поверхностному слою проводящего материала. Наглядной демонстрацией этого эффекта служит вращение шара на нити: при низких скоростах вращения шар располагается близко к центру, а повышение угловой скорости приводит к увеличению расстояния между шаром и центром вращения под действием возрастающей центробежной силы.

Аналогия между частотой электромагнитных колебаний и центробежной силой проявляется в возникновении индуктивности линии передачи при протекании электрического тока. Этот эффект, определяемый как микроволновая центробежная сила, препятствует проникновению энергии вглубь проводника, обеспечивая её распространение исключительно по поверхностному слою, в отличие от низкочастотных цепей, где ток течет по всему сечению проводника.

Глубина проникновения микроволновой энергии в проводящий материал определяется его электрофизическими свойствами и рабочей частотой. При частоте 10 ГГц глубина проникновения составляет: для медных проводников — 0,000025 дюйма, алюминиевых — 0,000031 дюйма, серебряных — 0,000023 дюйма, золотых — 0,000019 дюйма. Для сравнения — стандартная толщина медного покрытия микроволновой печатной платы достигает 0,0014 дюйма.

Технологические особенности конструкции СВЧ-компонентов

Поверхностное распространение энергии в линиях передачи обусловливает неэффективность применения цилиндрических проволочных выводов в конструкции СВЧ-компонентов. В СВЧ-элементах используются ленточные выводы либо безвыводная технология с контактными площадками под пайку. Характерной особенностью микроволновых печатных плат является малое количество физических компонентов при значительной площади распределенных элементов, которые функционально эквивалентны дискретным низкочастотным устройствам. Именно это конструктивное решение вызывает распространенный вопрос о видимом отсутствии компонентов в микроволновых схемах. Проектирование и производство микроволновых схем требуют применения специализированных технологических решений и методов конструирования, существенно отличающихся от традиционной низкочастотной электроники.

Основная терминология микроволновой техники

После определения микроволн необходимо рассмотреть ключевую терминологию микроволновой и беспроводной техники — профессиональный язык специалистов данной области. Данная терминологическая база будет расширяться и уточняться при рассмотрении последующих разделов.

Децибел как мера относительных величин

Децибел (дБ) — безразмерная величина, выражающая отношение двух значений мощности или напряжения. Значения в децибелах могут быть как положительными (характеризуют усиление), так и отрицательными (отражают ослабление). При оценке мощностных характеристик децибел вычисляется как десятикратный логарифм отношения выходной мощности к входной. Для напряжений применяется множитель 20, что обусловлено квадратичной зависимостью мощности от напряжения.

Децибел не является показателем абсолютных значений мощности или напряжения, но эффективен при определении интегральных характеристик системы. Например, система, включающая фильтр с потерями 2 дБ, усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ, аттенюатор с ослаблением 6 дБ и второй усилитель с усилением 12 дБ, демонстрирует суммарный коэффициент усиления +24 дБ (см. рис. 1). Это значение получается алгебраическим сложением положительных (+32 дБ) и отрицательных (-8 дБ) составляющих.

Рисунок 1. Иллюстрация децибел.

Децибел-милливатт: абсолютные измерения мощности

В отличие от относительной величины дБ, децибел-милливатт (дБм) представляет абсолютное значение мощности, определяемое относительно опорного уровня 1 милливатт. Для вычисления значения в дБм достаточно одного измерения мощности. Например, мощность 10 мВт (0,010 Вт) соответствует уровню +10 дБм, что принципиально отличается от относительного усиления +10 дБ, характеризующего десятикратное увеличение мощности.

Соотношение между абсолютными значениями мощности и уровнями дБм приведено в таблице 1:

Таблица 1. Примеры значений децибел, отнесенных к милливаттам

Интеграция дБ и дБм в расчетах

Децибелы и децибел-милливатты могут использоваться совместно при анализе характеристик микроволновых устройств, как показано на рисунке 2. При входном сигнале +10 дБм система с суммарным усилением +14 дБ обеспечивает выходной уровень +24 дБм, что в точности соответствует увеличению входной мощности на 14 дБ. Данный пример демонстрирует корректность совместного применения относительных (дБ) и абсолютных (дБм) величин в расчетах параметров микроволновых систем.

Рисунок 2. Практическое применение комбинированного использования дБ и дБм.

Характеристический импеданс в микроволновых системах

Концепция характеристического импеданса

Характеристический импеданс представляет собой параметр, определяющий распространение высокочастотной энергии в системах передачи и линиях связи. Подобно тому, как физические препятствия ограничивают движение — группа защитников в футболе препятствует продвижению игрока, дорожное происшествие затрудняет транспортный поток, алкоголь снижает возможности управления автомобилем — характеристический импеданс влияет на передачу высокочастотной энергии.

Свойства характеристического импеданса

В высокочастотных приложениях стандартным значением характеристического импеданса является 50 Ом. Этот параметр представляет собой динамический импеданс переменного тока, зависящий от конструктивных особенностей линии передачи или компонента. Принципиально важно понимать, что характеристический импеданс не может быть измерен омметром. При попытке измерения сопротивления между центральным проводником и экраном коаксиального кабеля или между проводником микрополосковой линии и заземляющей плоскостью омметр покажет разрыв цепи. Это подтверждает, что характеристический импеданс не является параметром постоянного тока, а характеризует поведение системы на рабочих частотах.

Оптимизация характеристического импеданса

Выбор значения 50 Ом обусловлен компромиссом между противоречивыми требованиями, что наглядно демонстрирует рисунок 3. График показывает, что максимальная теоретическая мощность передачи достигается при импедансе 30 Ом, тогда как минимальные потери обеспечиваются при значении 77 Ом. Значение 50 Ом представляет собой оптимальный баланс между этими характеристиками.

Постоянство характеристического импеданса

Важным свойством характеристического импеданса является его независимость от длины линии передачи. Значение импеданса остается неизменным на любом расстоянии от входа — будь то 30 сантиметров, 1 метр или 1 километр. Эта стабильность обеспечивает предсказуемость характеристик системы передачи и возможность точного расчета параметров.

Рисунок 3. Затухание и мощность.

Коэффициент стоячей волны по напряжению в микроволновой технике

Определение КСВН

Коэффициент стоячей волны по напряжению (VSWR) — фундаментальный параметр, характеризующий микроволновые цепи. Данная величина принимает значения от 1,0 до бесконечности, где идеальным считается значение 1:1, соответствующее согласованному состоянию. При согласовании импедансов систем вся энергия от источника эффективно передается через среду к нагрузке без отражений.

Физическая природа стоячих волн

Механическая аналогия стоячей волны наблюдается при колебании веревки, закрепленной на столбе. При периодическом движении свободного конца веревки формируется волна, распространяющаяся к точке крепления. В идеальном случае согласования параметров веревки и столба энергия колебаний полностью поглощалась бы креплением. Однако в реальных условиях несогласованность приводит к отражению волны, создавая встречное движение. При достаточной частоте колебаний прямая и отраженная волны формируют неподвижную интерференционную картину — стоячую волну.

Количественные характеристики КСВН

КСВН определяется как отношение максимальной амплитуды напряжения стоячей волны к её минимальному значению. Величина КСВН зависит от соотношения выходного импеданса линии передачи и её характеристического импеданса. Данный параметр также характеризует согласование входного и выходного импедансов взаимодействующих устройств.

Практическое значение КСВН

Идеальное согласование (КСВН = 1:1) означает отсутствие стоячих волн. Значительное рассогласование, возникающее при обрыве или коротком замыкании, приводит к формированию стоячих волн большой амплитуды в линии передачи или устройстве. Степень рассогласования прямо пропорциональна величине КСВН: большее рассогласование характеризуется более высоким значением коэффициента. Минимальное значение КСВН, равное 1:1, достигается только при идеальном согласовании импедансов системы.

Возвратные потери, коэффициент отражения и основные характеристики микроволновых систем

Возвратные потери

Возвратные потери измеряются в децибелах и характеризуют мощность, отраженную от устройства вследствие рассогласования импедансов. При оптимальном согласовании линии передачи с нагрузкой отраженная мощность минимальна, что соответствует высокому значению возвратных потерь в децибелах. При коротком замыкании или обрыве на выходе линии вся падающая мощность отражается, что приводит к минимальным возвратным потерям. Высокие возвратные потери и низкий КСВН свидетельствуют о качественном согласовании цепи.

Коэффициент отражения

Коэффициент отражения (ρ или G) определяется как отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны на границе линии передачи или цепи. Квадрат этого отношения, умноженный на 100, показывает процент отраженной мощности. Значение коэффициента варьируется от 0 (идеальное согласование, 0% отражения) до 1 (полное отражение при коротком замыкании или обрыве, 100% отражения). Низкий коэффициент отражения указывает на хорошее согласование, высокий — на значительное рассогласование, сопровождающееся высоким КСВН и низкими возвратными потерями.

Длина волны и частота

Длина волны (λ) представляет расстояние между двумя соседними точками сигнала с идентичной амплитудой (см. рисунок 4). В высокочастотных приложениях часто используются характерные величины λ/2 и λ/4. Частота определяет количество полных циклов электромагнитной волны за одну секунду, где 1 Гц соответствует одному циклу в секунду. Например, частота 1 ГГц означает миллиард циклов в секунду.

Рисунок 4. Определение длины волны.

Короткое замыкание в высокочастотной технике

В микроволновой технике короткое замыкание часто используется намеренно как элемент с нулевым сопротивлением для создания определенной контрольной точки в линии передачи. При этом необходимо учитывать, что короткое замыкание действует как для постоянного тока, так и для микроволновых сигналов, шунтируя постоянную составляющую на землю.

Фундаментальные принципы беспроводной связи в микроволновой технике

Концепция беспроводной коммуникации

Беспроводная связь, базирующаяся на передаче сигналов без физического соединения между передатчиком и приемником, прошла значительный путь развития со времен первых экспериментов Теслы и Маркони. В современных условиях беспроводные технологии получили широкое распространение в виде локальных сетей (LAN), персональных систем связи (PCS) и множества других приложений. Основополагающими методами организации беспроводной связи являются системы множественного доступа с временным, частотным и кодовым разделением каналов (TDMA, FDMA, CDMA).

Технология множественного доступа с временным разделением

TDMA представляет собой метод временного мультиплексирования, при котором каждой станции выделяются строго определенные временные интервалы для осуществления передачи и приема сигналов (см. рисунок 5). Структура TDMA предусматривает наличие защитных временных интервалов между рабочими слотами различных станций для предотвращения их взаимного влияния. Несмотря на то, что станции могут функционировать только в отведенные им временные интервалы, малая длительность прерываний — порядка миллисекунд и микросекунд — делает их практически незаметными для конечных пользователей системы связи.

Рисунок 5. TDMA.

Система множественного доступа с частотным разделением

Технология FDMA, схематически представленная на рисунке 6, основана на принципе непрерывной работы станций на индивидуально назначенных частотных каналах. Между рабочими частотами соседних станций предусматриваются защитные частотные полосы, выполняющие функцию, аналогичную защитным временным интервалам в системах TDMA. FDMA получила широкое распространение в радио- и телевизионном вещании с амплитудной (AM) и частотной (FM) модуляцией, где каждой вещательной станции или телевизионному каналу выделяется фиксированная частота для постоянной передачи сигнала. Защитные частотные полосы эффективно предотвращают взаимные помехи между различными каналами вещания, обеспечивая, например, отсутствие интерференции между радиостанциями различных форматов или телевизионными программами разных жанров.

Рисунок 6. FDMA.

Эволюция и применение беспроводных технологий

Современные беспроводные системы, включая локальные сети и персональные системы связи, базируются на достижениях более чем вековой истории развития беспроводной связи. Принципы временного и частотного разделения каналов, заложенные в основу TDMA и FDMA, обеспечивают эффективное использование доступного частотно-временного ресурса при организации многопользовательского доступа к среде передачи информации.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов

CDMA реализует принципы расширения спектра для обеспечения защищенной связи. Согласно рисунку 7, система осуществляет распределение сигналов одновременно во временной и частотной областях в соответствии с уникальным кодом. Элементарные сигнальные элементы (чипы) формируются на основе псевдослучайной последовательности, известной только авторизованным участникам связи. Приём и демодуляция сигнала возможны исключительно при наличии идентичного кода у приёмника. Данная технология нашла широкое применение в сетях сотовой связи третьего поколения (3G), обеспечивая высокий уровень конфиденциальности передаваемой информации.

Ортогональное частотное мультиплексирование

OFDMA, развитие классической технологии FDMA, стала стандартом для систем мобильной связи четвертого поколения (4G). Технология базируется на разделении последовательного информационного потока на множество параллельных составляющих, передаваемых по близкорасположенным узкополосным каналам. Ортогональность частотных компонентов обеспечивает возможность плотного размещения каналов при минимизации межканальных помех. По сравнению с CDMA, технология OFDMA демонстрирует повышенную устойчивость к многолучевому распространению и интерференционным помехам, а также более высокую спектральную эффективность передачи информации.

Эволюция радиолокационных технологий

Радиолокационные системы, первоначально разработанные в предвоенный период и во время Второй мировой войны для обнаружения воздушных целей, трансформировались в многофункциональный инструмент современной техники. Актуальные применения радиолокации включают:

• Управление воздушным и наземным движением;
• Навигационное обеспечение;
• Радиоастрономические исследования;
• Картографирование земной поверхности;
• Метеорологическое прогнозирование.

Современные радиолокационные комплексы используют сложные виды модуляции микроволновых сигналов, формируемых и направляемых с помощью специализированных антенных систем. Высокоточное обнаружение, классификация и сопровождение целей достигаются путем анализа отраженных сигналов с применением сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Представленные фундаментальные концепции и терминология формируют теоретическую основу для углубленного изучения специализированных аспектов микроволновой техники, включая:

• Среды передачи сигналов;
• Элементную базу;
• Твердотельные устройства;
• Материалы микроволновой техники;
• Методы и средства измерений.