[ Pobierz całość w formacie PDF ]
DOŚWIADCZALNY TOR MIKROFALOWY
W powszechnie dostępnych periodykach pojawiały się niekiedy opisy (w tym także w EP)
układów pracujących na częstotliwościach 433MHz czy 2,4GHz. W takich układach
wykorzystano jednak gotowe moduły, co niewątpliwie jest korzystne z punktu widzenia
konstruktora.
Do prób z mikrofalami zniechęca przede wszystkim trudność ze zdobyciem elementów
mikrofalowych, jak choćby diod Gunna.
Instytut Technologii Elektronowej, który produkował te diody zarzucił niestety ich produkcję
około 10 lat temu.
W naszych realiach tak naprawdę łatwiej o lampy mikrofalowe niż o diody Gunna. Takie
lampy znajdują się przede wszystkim w starych zapasach wojskowych.
Choć jest to technika dnia wczorajszego to jest ona w zasięgu naszej ręki.
Opisane urządzenie zostało zaprojektowane jako pomoc naukowa, służąca do demonstracji
niektórych zjawisk zachodzących w zakresie mikrofal.
Krótko o mikrofalach
Za mikrofale przyjęto uważać fale radiowe, których długość jest mniejsza niż 1 m (λ<1m).
Odpowiada to częstotliwościom większym od 300MHz (ponad zakresem fal ultrakrótkich).
Niekiedy za dolną granicę zakresu mikrofalowego podaje się częstotliwość 1000MHz.
W zakresie większych częstotliwości zakres mikrofal jest ograniczony podczerwienią.
Okazuje się jednak, że górna granica pasma mikrofalowego jest trudna uchwycenia.
Wynika to z dawnego sposobu podziału fal elektromagnetycznych, który uwzględniał sposób
ich wytwarzania. Za podczerwień uważano ten zakres fal, które emitują ciała o temperaturze
większej od zera bezwzględnego.
Uważano ponadto, że mikrofale można wytwarzać tylko za pomocą pewnych typów lamp
elektronowych. Dopóki generowane przez te przyrządy częstotliwości nie były zbyt duże
podział ten był dobry. Ale potem przestał być jednoznaczny gdy okazało się, że można
generować bardzo krótkie fale za pomocą specjalnych lamp mikrofalowych. Długość tych fal
odpowiadała długości fal podczerwonych.
Zakres mikrofal można podzielić na :
-zakres decymetrowy, λ=1...10 dm
-zakres centymetrowy, λ=1...10 cm
-zakres milimetrowy, λ= 1...10 mm
-zakres submilimetrowy, λ<1 mm.
Dość często spotyka się podział mikrofal na zakresy w kodzie literowym, który powstał w
okresie II wojny światowej. Ten podział ujmuje tab.1. Niektóre z tych zakresów są zakresami
podstawowymi, inne zaś pomocniczymi. Te drugie oznaczono gwiazdką.
Tab1. podział częstotliwości zakresu mikrofalowego.
pasmo częstotliwość długość fali λ
P 225-390 MHz 133-77 cm
L 390-1550 MHz 77-19,2 cm
S 1,55-5,2 GHz 19,2-5,75 cm
G * 3,95-5,85 GHz 7,6-5,15 cm
C * 5,85-8,2 GHz 5,15-3,66 cm
X 5,2-10,9 GHz 5,75-2,75 cm
J * 10,9-17,25 GHz 2,75-1,74 cm
K
10,9-36 GHz 2,75-0,83 cm
Q
36-46 GHz
0,83-0,65 cm
V
46-56 GHz
0,65-0,535 cm
Zasięg mikrofal jest w zasadzie ograniczony do zasięgu horyzontalnego. Oznacza to, że dla
uzyskania łączności naziemnej anteny nadawcza i odbiorcza powinny się optycznie „widzieć”.
Warstwa atmosfery zwana jonosferą słabo pochłania, odbija i ugina mikrofale. Dzięki temu
znalazły one zastosowanie w łączności pozaziemskiej. Ponadto mikrofale znalazły
zastosowanie w radiolokacji (radary) i fizyce (np. spektrometry mikrofalowe).
Wszystkim jest chyba znana kuchenka mikrofalowa. Jej działanie opiera się na tym, że woda
silnie pochłania mikrofale i następuje jej grzanie. To tłumienie mikrofal przez wodę może być
niekiedy niekorzystne- np. opady deszczu czy mgła ograniczają zasięg fal radarowych.
Względy bezpieczeństwa
Czy nasz generator z klistronem jest bezpieczny? Promieniowanie mikrofalowe może
przecież wywierać szkodliwy wpływ na organizmy żywe.
W modelu pracuje klistron 2k25 o maksymalnej mocy wyjściowej 35mW, zaś pole
powierzchni wylotu anteny tubowej wynosi 35cm
2
. Zakładając pesymistycznie, że cała moc
generowana moc będzie przeniesiona do wylotu anteny tubowej znajdziemy gęstość mocy
mikrofalowej przy wylocie tuby równą 1mW/cm
2
.
Widzimy więc, że przy samej antenie
gęstość mocy mikrofalowej jest dość duża-bezpieczny czas przebywania w takim polu wynosi
20 minut.
W odległości 1 m od anteny gęstość mocy mikrofalowej będzie jednak wynosić zaledwie
0,004 mW/cm
2
a więc jest to już poziom zupełnie bezpieczny.
Należy podkreślić, że na promieniowanie mikrofalowe szczególnie wrażliwe oczy. Dlatego
też
pod żadnym pozorem
niedopuszczalne jest patrzenie w wylot pracującego falowodu
.
Należy również pamiętać, że lampy z kuchni mikrofalowych –magnetrony są dla
naszych celów zupełnie nieprzydatne i niebezpieczne, gdyż generowane przez nie moce
liczone są w kilowatach.
Będziemy używać anten tubowych, które mają właściwości kierunkowe. W związku z tym
praktycznie cała wiązka promieniowania mikrofalowego wychodzi z apertury anteny.
Generator nie „sieje” więc na wszystkie strony.
Klistrony, jak większość lamp elektronowych wymagają dość wysokich napięć zasilających o
wartości setek woltów. Dlatego podczas montażu i wstępnego uruchamiania urządzenia
należy zachować szczególną ostrożność. Przed manipulacją przy układzie należy rozładować
kondensatory filtrów zasilaczy wysokich napięć poprzez ich zwarcie. Ponadto należy dbać, by
stosowane przewody i elementy były przewidziane na odpowiednie napięcia. Jak przy
konstrukcji każdego urządzenia elektronicznego wymagana jest staranność montażu.
Wytwarzanie mikrofal
Z racji małej długości fali w zakresie mikrofal nie można stosować obwodów o stałych
skupionych. Oznacza to, że obwody złożone ze zwykłych cewek i kondensatorów są tu
zupełnie nieodpowiednie. Natomiast nadają się tutaj dobrze elementy takie jak rezonatory
wnękowe, falowody prostokątne czy linie współosiowe. Rezonator pełni więc tą sama funkcję
co typowy obwód LC. Wymaga to pewnej zmiany myślenia i aby to łatwo zrozumieć radzę
spojrzeć na rys.1a.
Widzimy tam typowy obwód LC. Co jednak zrobić, by obwód LC drgał z większa
częstotliwością? Wystarczy zmniejszyć liczbę zwojów cewki. Jednak w końcu okaże się, że
dalszej drogi już nie będzie. Cewka ma postać pętli- rys. 1b. Dalsze zmniejszenie
indukcyjności można osiągnąć przez dodanie jeszcze jednego zwoju- tak jakby dwie cewki
połączyć równolegle- rys.1c. Następnie można pozbyć się kondensatora -rys.1d. Pojemność
obwodu stanowi wówczas pojemność rozproszona. Wreszcie przez odpowiedni obrót układu
dwóch pętli z rys.1d uzyskujemy rezonator cylindryczny-rys. 1e. Nie jesteśmy już w stanie
rozróżnić indukcyjności ani pojemności w tym ostatnim obwodzie. W ten sposób
otrzymaliśmy obwód o stałych rozłożonych.
Początkowo próbowano używać do generatorów bardzo wielkich częstotliwości zwykłe
lampy. Okazało się jednak, że przy wyższych częstotliwościach jest to zupełnie niemożliwe.
Wynika to między innymi z faktu, że elektron potrzebuje pewnego czasu by pokonać
odległość między elektrodami lampy, zwanego czasem przelotu. Przy bardzo dużych
częstotliwościach czas przelotu stanowi już znaczną część okresu napięcia w.cz i praca
generatora jest niemożliwa. W zakresie mniejszych częstotliwości czas przelotu nie ma
znaczenia, gdyż stanowi znikomo małą część okresu generowanego sygnału. Aby zmniejszyć
czas przelotu należy zmniejszyć odległości między elektrodami lamp albo zwiększyć napięcie
między nimi. Niestety wzrastają wtedy pojemności międzyelektrodowe a napięcia nie można
ciągle zwiększać . Także indukcyjności doprowadzeń lampy zaczynają mieć znaczenie. Poza
tym ze wzrostem częstotliwości rosną straty dielektryczne i promieniowania, co zmniejsza
sprawność i maksymalną moc użyteczną uzyskiwaną z lampy. Dlatego zwykłe lampy nie
nadawały się do pracy w zakresie poniżej długości fal krótszych od 30cm.
Takie lampy na zakres bardzo wielkich częstotliwości były poza tym bardzo kosztowne.
Należało poszukać czegoś innego, aby móc wytwarzać krótsze fale. Powstała więc cała
rodzina generacyjnych lamp mikrofalowych. Do ich rozwoju przyczyniła się w dużym stopniu
II wojna światowa, ponieważ pojawiło się zapotrzebowanie na radary o dużej zdolności
rozdzielczej. Zdolność rozdzielcza radaru jest zaś tym większa, im mniejsza jest długość fali
radarowej (czyli większa częstotliwość).
Lampy nadajników radarów musiały więc spełnić dwa ważne kryteria-generować dużą moc
przy dużej częstotliwości. Do takich zastosowań idealny okazał się magnetron, stosowany
zresztą po dzień dzisiejszy (także w kuchenkach mikrofalowych).
Z kolei lampy generacyjne po stronie odbiorczej (pracujące jako heterodyny) powinny
odznaczać się dużą stałością generowanej częstotliwości i łatwym przestrajaniem.
Generowane moce nie muszą być duże.
Do typowych generacyjnych lamp mikrofalowych zalicza się wspomniane magnetrony i
klistrony.
Te lampy nie zamykają ogromnej rodziny różnorodnych lamp mikrofalowych, do których
można zaliczyć także lampy o fali postępującej (zwane także lampami z fala bieżącą), lampy o
fali wstecznej czy zwieraki.
Z kolei te lampy można podzielić na jeszcze inne grupy. Na przykład klistrony można
podzielić na dwuobwodowe, wieloobwodowe, refleksowe i multirefleksowe.
Dalszy rozwój techniki mikrofalowej było możliwy dzięki opracowaniu odpowiednich
przyrządów półprzewodnikowych jak np. diod Gunna.
W tym miejscu zajmiemy się dokładniej jednym typem klistronu- klistronem refleksowym,
którego przekrój i niektóre symbole pokazano na rys.2.
Klistrony refleksowe znalazły zastosowanie jako heterodyny w zakresie fal milimetrowych i
centymetrowych. Należy jednakże nadmienić, że z chwilą wynalezienia przyrządów
półprzewodnikowych jak np. diod Gunna, waraktorów ładunkowych czy odpowiednich
tranzystorów znaczenie klistronów zaczęło maleć.
Wewnątrz bańki klistronu występuje próżnia. Znajdziemy tam także pośrednio żarzoną katodę
K, podobnie jak w zwykłej próżniowej lampie elektronowej. Dalej znajdują się: elektroda
ogniskująca EO zwarta z katodą (dla klistronów zakresu milimetrowego ma oddzielne
wyprowadzenie), elektroda przyspieszająca EP (połączona zwykle z rezonatorem).
W klistronach pracujących przy wyższych częstotliwościach, a więc w zakresie
milimetrowym nie ma tej elektrody i jej funkcję przejmuje pierwsza siatka rezonatora Rez.
Klistron refleksowy zawiera jeden rezonator wnękowy (Rez). Rezonator może mieć postać
toroidu.
Należy zaznaczyć, że niektóre klistrony mają rezonator wewnątrz lampy (np. K-27-fot.1, K-
166-fot.2), inne z kolei wymagają rezonatora zewnętrznego (np. k-41-fot.3), nakładanego na
lampę. Klistrony mogą mieć możliwość zmiany wymiarów rezonatora np. poprzez pokręcenie
odpowiedniej śrubki (np. K-27, K-166). Mówimy wtedy, że jest możliwe ich mechaniczne
przestrajanie.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]