Расчет и измерение характеристик устройств СВЧ и антенн

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Расчет и измерение 
характеристик устройств 
СВЧ и антенн

Под общей редакцией 
канд. техн. наук, доц. Ю. Е. Мительмана

Рекомендовано Региональным отделением УрФО 
учебно-методического объединения вузов Российской Федерации 
по образованию в области радиотехники, электроники, 
биомедицинской техники и автоматизации 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавриата 
11.03.01 — Радиотехника и специалитета 
11.05.01 — Радиоэлектронные системы и комплексы, 
в УрФО

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.396.67(075.8)
ББК 32.84я73
          Р24
Авторы:
Ю. Е. Мительман, Р. Р. Абдуллин, С. Г. Сычугов, С. Н. Шабунин

Рецензенты:
Н. И. Войтович, д-р техн. наук, проф., завкафедрой конструирования 
и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск;
О. П. Пономарев, д-р. техн. наук, доц., заместитель главного инженера 
АО УПП «Вектор» 

Р24
    Расчет и измерение характеристик устройств СВЧ и антенн : учеб. пособие / Ю. Е. Мительман, Р. Р. Абдуллин, С. Г. Сычугов, С. Н. Шабунин ; 
под общ. ред. канд. техн. наук, доц. Ю. Е. Мительмана. — Екатеринбург :  
Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 140 с.

ISBN 978-5-7996-1821-6

Учебное пособие содержит краткое описание методик расчета и измерения характеристик широкого класса устройств СВЧ и антенных систем. 
Приведены примерные схемы измерений. Рассмотрены особенности расчета и измерения коэффициентов передачи и снятия диаграмм направленности, измерения коэффициента усиления, исследования поляризационных свойств формируемого антеннами поля. Изложены методики расчета 
и измерения направленных ответвителей; мостовых, ферритовых и согласующих устройств; вибраторных, щелевых волноводных, рупорных и линзовых, а также микрополосковых антенн.

Библиогр.: 12 назв. Табл. 9. Рис. 103.

УДК 621.396.67(075.8)
ББК 32.84я73

ISBN 978-5-7996-1821-6 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Оглавление

Введение ...................................................................................... 5

1. Волноводные направленные ответвители и мостовые 
      устройства .............................................................................. 9

1.1. Многополюсники СВЧ .................................................... 9
1.2. Волноводные направленные ответвители .................... 12
1.3. Мостовые устройства ..................................................... 19
1.4. Методика экспериментального исследования ............. 24
1.5. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 28

2. Волноводные ферритовые устройства ................................ 30
2.1. Свойства намагниченных ферритов на СВЧ ................ 30
2.2. Ферритовые устройства ................................................. 35
2.3. Методика экспериментального исследования ............. 40
2.4. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 44

3. Методы узкополосного согласования 
     линии передачи с нагрузкой ................................................ 45
3.1. Согласование реактивным
        параллельным шлейфом ................................................ 46
3.2. Согласование четвертьволновым трансформатором ... 54
3.3. Согласующие элементы на микрополосковых линиях ... 58
3.4. Методика экспериментального исследования ............. 61
3.5. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 63

4. Фильтры СВЧ ....................................................................... 65

4.1. Характеристики фильтров ............................................. 65
4.2. Реализация фильтров в СВЧ-диапазоне ....................... 71
4.3. Методика экспериментального исследования ............. 75
4.4. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 85

Оглавление

5. Вибратор с пассивным рефлектором и директором ........... 86

5.1. Характеристики связанных вибраторов ....................... 86
5.2. Моделирование директорной антенны 
        в программе MMANA ................................................... 90
5.3. Методика экспериментального исследования ............ 97
5.4. Контрольные вопросы для самопроверки ..................101

6. Рупорные и линзовые антенны ..........................................102

6.1. Характеристики рупорных и линзовых антенн ...........103
6.2. Методика экспериментального исследования ...........107
6.3. Контрольные вопросы для самопроверки ..................111

7. Щелевые волноводные антенны ........................................113

7.1. Характеристики щелевых волноводных антенн .........113
7.2. Методика экспериментального исследования ...........119
7.3. Контрольные вопросы для самопроверки ..................122

8. Полосковые излучатели и решетки ....................................124

8.1. Полосковые резонаторные излучатели .......................124
8.2. Полосковые щелевые излучатели ................................127
8.3. Методика экспериментального исследования ...........128
8.4. Контрольные вопросы для самопроверки ..................137

Библиографический список ....................................................138

Введение

В 

данном учебном пособии объединен многолетний опыт проведения лабораторных работ и накопленные преподавателями 
кафедры высокочастотных средств радиосвязи и телевидения 
института радиоэлектроники и информационных технологий — РТФ — 
знания по дисциплинам «Устройства СВЧ и антенны», «Микроволновые устройства», «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн».
Теория устройств СВЧ и антенн разрабатывается с начала прошлого века как в отечественных университетах, научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях, так и за рубежом. 
Большая часть устройств, о которых идет речь в этом пособии, была 
изобретена, описана и исследована задолго до его написания. Однако 
алгоритмы расчета, программное обеспечение, измерительное оборудование и технологии производства непрерывно изменялись все это 
время. Предыдущее учебно-методическое пособие авторов было посвящено большей частью измерениям параметров антенн в безэховых 
камерах [1]. В этом же пособии предпринята попытка отражения актуальных изменений в теории и технике устройств СВЧ и описания их 
экспериментальных исследований в среднестатистической университетской лаборатории.
Изучаемые здесь устройства обычно сами по себе не применяются. Они используются в составе радиолокаторов, высокоскоростных, 
а значит и высокочастотных систем передачи данных по радиоканалу, 
радиовысотомеров и других радиотехнических систем. В современном 
сотовом телефоне тоже есть такие устройства, только они очень малы 
в размерах и для того, чтобы их рассмотреть, потребовалось бы разобрать его. В учебной же лаборатории подобные устройства значительно крупнее. Их можно взять в руки, рассмотреть, присоединить к другим приборам, исследовать.

Введение

Первая часть пособия посвящена исследованию устройств, выполненных на основе прямоугольных волноводов. Часто бывает так, что 
нужно проконтролировать сигнал, идущий, например, от передатчика 
к антенне. Для этого используют направленные ответвители. Название 
говорит о том, что они некоторую часть передаваемой мощности из линии передачи извлекают и передают в заданном направлении. В каком? 
Это можно будет узнать из первой главы. В этой же главе описаны мостовые устройства. Забегая вперед, можно сказать, что они забирают из основной линии ровно половину мощности, поэтому их можно назвать 
и делителями мощности. Однако ограничиться только таким названием 
будет не совсем верно. В нашей лаборатории придется иметь дело с частотами порядка нескольких гигагерц (ГГц). А если, например, 10 гигагерц перевести в длину волны, получится всего 3 сантиметра. Это значит, что на расстоянии 3 см фаза волны меняется на целых 360° (перед 
прочтением пособия желательно повторить материал по дисциплинам 
«Электродинамика и распространение радиоволн» или «Электромагнитные поля и волны»). Исследуемые устройства заметно больше по своим 
размерам. Поэтому сдвиг волны по фазе, а проще — некоторую задержку во времени, при распространении волн в устройствах нужно учитывать. Для этого существует специальный математический аппарат, основанный на использовании матриц рассеяния. Они позволяют легко 
связывать амплитуды и фазы (задержки при прохождении) волн на различных входах устройств. В теоретической части работы описаны матрицы рассеяния, направленные ответвители и мостовые устройства, 
порядок расчета их характеристик. Перед выполнением экспериментальных исследований, как правило, нужно выполнить определенные 
расчеты. Иначе не с чем будет сравнивать результаты измерений.
Иногда для решения практических задач, например при подключении одной антенны к приемнику и передатчику, да еще так, чтобы 
мощность передатчика уходила в антенну, не попадая в приемник, а он 
в свою очередь мог принимать слабые сигналы, да еще и одновременно, применяют невзаимные устройства. Внутри таких устройств находятся особые материалы — анизотропные среды. Они позволяют создавать приборы с разными законами передачи мощности в различных 
направлениях: вентили, циркуляторы и коммутаторы. Исследованию 
таких устройств посвящена вторая глава.
Техника сверхвысоких частот имеет много особенностей по сравнению с традиционной низкочастотной. Например, необходимо вы

Введение

полнять условие согласования элементов и устройств. Если антенна 
не согласована с линией питания, то далеко не вся подводимая к антенне мощность будет излучаться в пространство. Для согласования 
используются специальные методы, которые рассматриваются в третьей главе. В практической части этой главы предлагается не только 
рассчитать элементы конструкции согласующих устройств, но и изготовить их, а затем и проверить полученные устройства с помощью 
специальных приборов.
Для предотвращения попадания ненужных сигналов и помех в приемник применяются фильтры. Из курса «Основы теории цепей» известно, что фильтры состоят из индуктивностей и емкостей. Они бывают 
полосно-пропускающие, заграждающие, а также верхних и нижних частот в зависимости от их характеристики передачи. В диапазоне СВЧ 
изготовить элементы фильтра с нужными величинами крайне сложно. Широко применяются фильтры, изготовленные по другой технологии — из отрезков линий передачи. По прочтении четвертой главы 
вновь представится возможность самостоятельно рассчитать, изготовить, а потом и экспериментально измерить характеристики фильтра.
Вторая часть этого пособия посвящена антеннам. Некоторые из них 
можно увидеть на крышах домов, например телевизионные вибраторные антенны. Антенны как излучают электромагнитную энергию (передающие), так и извлекают ее из пространства (приемные). Размеры 
элементов вибраторных антенн достаточно просто рассчитываются. 
Есть специальные компьютерные программы, позволяющие быстро 
сконструировать антенну и оценить ее характеристики. Одной из них 
таких программ и предлагает научиться пользоваться пятая глава. 
Проверкой расчетов будут результаты экспериментальных измерений.
Исследуемые в шестой главе рупорные и линзовые антенны встречаются реже. Например, в качестве приемных модулей зеркальных антенн («тарелок»), принимающих телевизионные сигналы со спутников. 
Так как размеры излучающих поверхностей для хорошей направленности должны составлять несколько длин волн, рупорные и линзовые антенны используются в основном в диапазонах сантиметровых 
и миллиметровых волн.
Еще сложнее увидеть волноводно-щелевые антенные решетки,  
изучаемые в седьмой главе. Это антенны, выполненные на основе использования прямоугольного волновода, в котором по определенному 
закону прорезаны узкие отверстия, и электромагнитная энергия излу

Введение

чается наружу. Если отверстия прорезаны правильно, то можно сформировать достаточно узконаправленное излучение в нужном направлении. Такие антенны чаще всего используются в радиолокационных 
системах с большими уровнями излучаемой мощности, хотя и в режиме приема они так же хорошо работают.
Особый интерес для использования в системах связи, радиолокации и радионавигации представляют полосковые антенны и антенные решетки. Почему? Это можно узнать из восьмой главы. Этот класс 
антенн появился относительно недавно, когда появились специальные диэлектрические материалы с малым значением тепловых потерь. 
В практической части главы предлагается рассчитать параметры антенн, а затем из результатов измерений проверить, удалось ли это сделать правильно.
Успешное выполнение расчетно-экспериментальных частей глав 
позволит читателю не только лучше усвоить лекционный материал, но и приобрести навыки компьютерного моделирования СВЧустройств, а также научиться корректно выполнять измерения их характеристик. Полученные знания пригодятся, если придется иметь 
дело с такими системами связи, как сотовая, спутниковая, Wi-Fi, 
WiMAX, Bluetooth, с навигационными системами GPS и ГЛОНАСС. 
Кроме того, необходимо понимать, что все современные процессоры 
и модули с высокой тактовой частотой создаются на основе технологии СВЧ, и знание такой технологии для современного специалиста 
просто обязательно.

1. Волноводные направленные ответвители 
и мостовые устройства

Д

анная глава посвящена изучению принципов действия волноводных направленных ответвителей и мостовых устройств, 
методов расчета и измерения их параметров.
Направленным ответвителем (НО) называется устройство, предназначенное для направленного ответвления части мощности волны из одной линии передачи в другую. Основные области их применения — отбор мощности для контроля, измерение параметров волн, 
распространяющихся по линии передачи, разветвление тракта СВЧ. 
НО являются реактивными балансными восьмиполюсниками хотя бы 
с одной плоскостью симметрии. По условию развязки мощность волны с любого из входов делится между двумя выходами, а на третий выход (развязанный) не поступает. Если мощность делится между возбуждаемыми выходами поровну, то такой НО называют мостом.

1.1. Многополюсники СВЧ

При анализе разветвленных трактов фундаментальное значение 
имеет понятие «многополюсник». Многополюсник представляет собой устройство, состоящее из любой комбинация проводников, диэлектриков и других элементов и имеющее один или несколько входов 
в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами (или 
наборами типов) волн в каждой линии. Сечения входов многополюсника называют плоскостями отсчета фаз. 2N-полюсником является 
устройство с N входами, на каждом из которых имеется по два полюса.
Основные свойства. К основным свойствам многополюсников относят следующие: