Устройства СВЧ для радиоэлектронных систем

УСТРОЙСТВА СВЧ  
ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ 
Учебное пособие 
2-е издание, переработанное и дополненное
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

Рекомендовано к изданию  
учебно-методическим управлением КНИТУ-КАИ 
УДК 621.372 
ББК 32.88 
У82 
Авторы: 
Авксентьев А. А., Воробьев Н. Г., Морозов Г. А., Стахова Н. Е. 
Рецензенты: 
кафедра радиофизики Института физики  
Казанского федерального университета; 
канд. техн. наук, эксперт ФГ РОС филиала ПАО «МТС»  
в Республике Татарстан С. П. Лахтин 
У82  
Устройства СВЧ для радиоэлектронных систем : 
учебное пособие / [Авксентьев А. А. и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
156 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1698-6 
Рассмотрены основные сведения о линиях передачи СВЧ, элементах фидерных трактов, делителях мощности, устройствах с диодными и 
ферритовыми элементами. Приводятся сведения о применении метода 
декомпозиции к расчету устройств СВЧ, вопросы для самоподготовки. 
Для обучающихся по направлениям и специальностям институтов 
радиоэлектроники, фотоники и цифровых технологий всех форм обучения 
и аспирантов.    
УДК 621.372 
ББК 32.88 
ISBN 978-5-9729-1698-6  © Авксентьев А. А., Воробьев Н. Г., Морозов Г. А., Стахова Н. Е., 2024 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Cверхвысокими частотами (СВЧ) называются радиочастоты от 3 до 30 ГГц [5]. Однако традиционно в учебных дисциплинах устройствами СВЧ называют пассивные устройства, 
предназначенные для работы в диапазоне частот приблизительно от 100 МГц до 300 ГГц (в диапазоне длин от 3 м до 1 мм). 
Этот диапазон делится на четыре поддиапазона: метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. 
Основной особенностью устройств СВЧ является соизмеримость их линейных размеров с длиной волны, и поэтому физические процессы, проходящие в них, имеют волновой характер. Эта особенность определяет принципиальные отличия элементов устройств СВЧ от элементов аппаратуры, работающей в 
других частотных диапазонах. Для диапазона СВЧ характерно 
также явление поверхностного эффекта: токи проводимости 
протекают только в тонком поверхностном слое, измеряемом 
единицами или долями микрометров (эта особенность накладывает жесткие требования к чистоте обработки токонесущих поверхностей, качеству защитных покрытий и т. д.). Из-за инертности электронов и продолжительности времени рекомбинации 
свободных носителей в СВЧ-диапазоне неприменимы обычные 
электровакуумные и полупроводниковые приборы. 
Перечисленные особенности привели к необходимости 
выделения техники СВЧ в отдельную область радиотехники. 
Они определяют выбор ее элементной базы, основу которой составляют элементы с распределенными параметрами: отрезки 
линий передачи (волноводы), резонаторы, волноводные переходы, специальные СВЧ-узлы и т. п. В низкочастотной части СВЧдиапазона используются и обычные для техники низких частот 
элементы с сосредоточенными параметрами: индуктивность, 
конденсаторы, резисторы. В коротковолновой части широко используются устройства оптического типа. 
3 

Совокупность СВЧ-устройств, определенным образом сочлененных между собой, называют трактом сверхвысоких частот. Реальные СВЧ-тракты, как правило, являются сложными 
устройствами, состоящими из большого числа элементов. Для 
представления о составе, порядке соединения элементов и 
устройств и принципе действия тракта используют принципиальные схемы, составленные в соответствии с ГОСТ 2.734-68. 
Исторически развитие СВЧ-техники связано с появлением и развитием радиолокации. Большой вклад в становление 
теории и техники СВЧ-устройств внесли российские ученые  
В. В. Татаринов, А. А. Пистолькорс, М. С. Нейман, А. Р. Вольперт и др. В настоящее время при проектировании СВЧтрактов используют компьютерные программы с широкими 
возможностями [18]. Цель настоящего пособия – познакомить 
студентов с устройствами, используемыми в технике СВЧ. 
Пособие используется в Институте радиоэлектроники, 
фотоники и цифровых технологий Казанского Национального 
исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева – КАИ. Оно предназначено для обучающихся направления «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
и других направлений и специальностей института. В нем рассматриваются линии передачи, элементы трактов и устройства 
СВЧ, которые входят в состав современных радиоэлектронных 
систем. Предполагается, что читатель знаком с элементами 
теории электромагнитного поля и теорией цепей. Для более подробного изучения вопросов, рассматриваемых в пособии, можно использовать, например, работы [4, 10, 12 и др.]. 
 
Обозначения основных величин и их размерности 
 
λ – рабочая длина волны, м; 
λс – длина плоской волны в среде, м; 
λл – длина волны в линии передачи, м; 
Zв – волновое сопротивление линии, Ом; 
КстU – коэффициент стоячей волны; 
4 

ρ – коэффициент отражения; 
Р – мощность, Вт; 
U
  – электрическое напряжение, В; 
u
  – нормированное напряжение в линии передачи, Вт1/2; 
I
  – электрический ток, А; 
i  – нормированный ток в линии передачи, Вт1/2; 
ε, μ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости. 
 
Обозначения матриц 
 
11
12
1
N
21
22
2
N
 – квадратная матрица; 
a
a
a
a
a
a
а
a
.....
.....
[ ]
.....
.....
.....
.....
.....
a
a
a
N
N
NN
1
2
ª
º
«
»
«
»
=
= «
»
«
»
¬
¼
1
b
b
b
 – матрица-столбец; 
2
...
b
N
·
§
¸
¨
¸
¨
>=
¸
¨
¸
¨
©
¹
1
2
(
...
)
N
c
c
c
c
<
=
 – матрица-строка; 
1
2
0
0
0
0
{ }
d
d
d
 – диагональная матрица; 
d
"
"
"
"
"
"
"
0
0
N
-
½
°
°
°
°
= ®
¾
°
°
°
°
¯
¿
1
0
0
0
1
0
E
 – единичная матрица; 
0
0
1
"
"
" " " "
"
ª
º
«
»
«
»
= «
»
«
»
¬
¼
hт – транспонированная матрица. 
5 

Раздел 1 
 
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ СВЧ 
 
§ 1.1. Основные определения 
 
Линией передачи СВЧ называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и 
направляющее поток электромагнитной энергии в заданном 
направлении [5]. С помощью линий передачи осуществляется 
передача мощности от генератора к нагрузкам. Отрезки линий 
передачи являются базой для создания СВЧ-устройств, служат 
для соединения отдельных устройств в СВЧ-тракт. 
В зависимости от области применения и рабочей частоты 
используются линии передачи разных типов, которые отличаются формой поперечного сечения. Различают волноводы и открытые линии передачи.  
Волноводами называются линии передачи, у которых область распространения электромагнитной энергии ограничена 
замкнутой проводящей поверхностью. Примеры волноводов 
приведены на рис. 1.1: прямоугольный (а), круглый (б), а также 
коаксиальный (в).  
У открытых линий передачи поперечное сечение не имеет 
замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Примеры открытых 
линий (рис. 1.1): двухпроводная (г), симметричная полосковая 
(д) и несимметричная полосковая или микрополосковая (е) линии. Очевидный недостаток открытых линий – зависимость поля от внешних факторов: состояния атмосферы, наличия окружающих предметов, посторонних полей. Поэтому устройства 
СВЧ, выполненные на базе таких линий, обычно помещают в 
экранирующие корпуса. 
6 

 
 
Рис. 1.1 
 
Регулярными называются линии передачи, у которых поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих 
сред неизменны в продольном направлении. Если поперечное 
сечение линии заполнено однородной средой, линия передачи 
называется однородной. 
Структура поля в поперечном сечении линии передачи зависит от ее конструкции. Более того, в каждой линии передачи 
может существовать множество волн различных типов. Линии 
передачи СВЧ, как правило, работают на одной волне. При работе на разных типах волн параметры линии и структура поля в 
ней различны. Волной основного типа (основной волной) называется волна, имеющая наименьшую критическую частоту. 
Остальные волны называются волнами высших типов. 
Как известно, бегущая волна заданного типа в линии передачи может существовать лишь на частотах f, превышающих 
критическую частоту fкр. Критическая частота зависит от размеров и формы поперечного сечения линии, от параметров материала (İ и ȝ), заполняющего линию. Обычно разные типы волн 
7 

имеют разные критические частоты. Критическая частота связана с критической длиной волны Ȝкр следующим соотношением: 
 
 
fкр 
c
=
εμλ
, 
(1.1) 
кр
 
где с – скорость света (с = 3⋅108 м/с). 
Основным типом волны в прямоугольном волноводе является волна типа Н10, Ȝкр = 2а, в круглом волноводе типа Н11,  
Ȝкр = 3,41R, в коаксиальном волноводе, двухпроводной и симметричной полосковой линиях – волна типа Т, в несимметричной полосковой линии – волна типа квази Т. Картины поля в 
поперечных сечениях линий передачи для волн ocновных типов 
показаны на рис. 1.1. 
Для волны любого типа, бегущей в линии по направлению 
продольной координаты z, зависимость амплитуды поля от продольной координаты записывается формулой: 
 
 
л
л
л
( )
(0)
(0)
z
z
j
z
i
i
i
A z
A
e
A
e
e
−γ
−α
−β
=
=



, 
(1.2) 
 
где Аi (z) – амплитудная характеристика поля (компоненты 
векторов E
G
  или H
G
  в точке с конкретными поперечными координатами; напряжение U
  или H
  в сечении линии и т. п.); 
л
л
л
j
γ = α + β  – коэффициент распространения волны в линии;  
αл – коэффициент затухания; ȕл – коэффициент фазы. 
Множитель 
лz
e−α
 учитывает изменение амплитуды волны  
в линии вследствие потерь мощности. Значение 
лz
α
 называется 
собственным затуханием отрезка линии. 
Множитель 
л
j
z
e−β
 показывает, что при прохождении волной отрезка линии передачи длиной l фаза поля изменяется на βлl 
(
)
л
1
заметим, что
j
l
e−β
=
. Эта величина называется собственной 
8 

фазовой постоянной отрезка линии передачи. Коэффициент фазы 
связан с длиной волны в линии λл формулой: 
 
 
βл 
л
2
= π λ . 
(1.3) 
 
У однородных линий передачи, заполненных диэлектриком, длина волны данного типа Ȝл всегда больше или равна 
длине волны Ȝс сигнала той же частоты, распространяющейся в 
том же диэлектрике: 
 
2
л
с
с
кр
1
λ = λ
−λ
λ
. 
(1.4) 
 
(
)
 
У волн типа Т и квази-Т Ȝкp = ∞, поэтому по соответствующей линии передачи можно передавать сигналы сколь угодно 
низких частот вплоть до постоянного тока, причем: 
 
 
л
с
Т
λ
= λ . 
(1.5) 
 
Еще одно свойство Т-волн: токи, возбуждаемые в проводниках линии, направлены вдоль линии передачи и имеют противоположные направления в разных проводниках линии. Более 
подробно конкретные линии передачи CВЧ описаны в работах 
[6, 7, 12]. 
 
§ 1.2. Поле в линии передачи,  
нагруженной на конце 
 
Общее решение волнового уравнения представляет полное поле в линии передачи в виде суперпозиции двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. В линии, 
нагруженной на конце, поле представляется суммой полей падающей и отраженной волн. Падающей называется волна, бегу9 

щая в сторону нагрузки, отраженной – волна, бегущая от нагрузки. 
Напряжения падающей Uп и отраженной Uот волн в линии 
записываются следующим образом: 
 
 
п
п
( )
(0)
z
U
z
U
e−γ
=



; 
(1.6) 
 
от
от
( )
(0)
z
U
z
U
eγ
=



. 
(1.7) 
 
Полное напряжение в сечении линии является суперпозицией этих напряжений: 
 
 
п
от
( )
( )
( )
U z
U
z
U
z
=
+



. 
(1.8) 
 
Комплексная амплитуда отраженной волны зависит от 
свойств нагрузки, которая характеризуется коэффициентом отражения 
н
ρ
 : 
 
 
от
п
н
н
н
н
н
(
)
(
)
j
U
Z
U
Z
e ϕ
ρ =
= ρ




. 
(1.9) 
 
В линиях с пассивными нагрузками 
(
)
(
)
от
п
н
н
U
Z
U
Z
≤
, 
поэтому модуль коэффициента отражения не превышает единицы. 
 
 
 
Рис. 1.2 
 
10