Radiotekniikan perusteet BL50A0301

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Radiotekniikan perusteet BL50A0301"

Kalle Mäki
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Radiotekniikan perusteet BL50A Luento Kurssin sisältö ja tavoitteet, sähkömagneettinen aalto

2 Opetusjärjestelyt Luentoja 12h, laskuharjoituksia 12h, 1. periodi Luennot Juhamatti Korhonen Harjoitukset Saku Levikari Hyväksytysti suoritettu tentti tuo 3 opintopistettä Ei harjoitustyötä Luennot maanantaisin klo salissa 7332 (tämä ehkä muuttuu) Laskuharjoitukset keskiviikkoisin klo salissa 1217 Palautteen kerääminen (tiedotetaan erikseen)

tentti tuo 3 opintopistettä Ei harjoitustyötä Luennot maanantaisin klo 10-12 salissa

3 Materiaali Luennot ja laskuharjoitukset (noppa.lut.fi) Kurssikirja (kirjastosta löytyy) David M. Pozar: Microwave engineering, 3rd ed. ISBN X, John Wiley & Sons, Inc. Suomenkielistä materiaalia: Räisänen Lehto: Radiotekniikan perusteet. ISBN Otatieto.

4 Materiaali Oheislukemistoa R. Ludwig, P. Bretchko: RF Circuit design, theory and applications, ISBN Robert E. Collin: Foundations for microwave engineering, ISBN D. C. Green: Radio Communication, ISBN G. Gonzalez: Microwave Transistor Amplifiers, Analysis and Design, 2nd ed. ISBN Prentice Hall. J. D. Kraus, R. J. Marhefka: Antennas for All Applications, 3rd ed. ISBN

Collin: Foundations for microwave engineering, ISBN 0-07- 112569-8 D. C.

5 Kurssin sisältö Johdatus radiotekniikkaan ja radioaaltoihin Siirtolinjateoriaa, siirtojohtorakenteita Smithin kartta, sovittaminen S-parametrit Katsaus RF-tekniikan (passiivisiin) komponentteihin Radioaaltojen eteneminen Katsaus antenniteoriaan, antennit ja antennimittaukset Vastaanotinrakenteiden perusteita Vähän modulaatiosta

RF-tekniikan (passiivisiin) komponentteihin Radioaaltojen eteneminen Katsaus

6 Tavoitteet Kurssin suoritettuaan opiskelija Ymmärtää sähkömagneettisen aallon käyttäytymisen väliaineessa, siirtojohdolla Ymmärtää siirtolinjateorian perusteet Osaa käsitellä passiivisia komponentteja ja siirtolinjoja Smithin kartalla Kykenee tekemään yksinkertaisen L-sovitteen kuorman ja siirtolinjan välille Osaa käyttää yksinkertaisia antenneihin liittyviä lausekkeita, ja ratkaista mm. vastaanottotehon

komponentteja ja siirtolinjoja Smithin kartalla Kykenee tekemään yksinkertaisen L-sovitteen kuorman

7 Johdatus radiotekniikkaan ja radioaaltoihin Perinteinen määritelmä (esim. tietoliikennetekniikan kannalta) : Radiotekniikka on radioaaltojen noudattamien luonnonlakien tuntemiseen perustuvaa toimintaa, jonka avulla radioaaltojen tarjoamat mahdollisuudet asetetaan palvelemaan ihmisen päämääriä (Määritelmä Räisänen & Lehto) Laitteita ja tekniikoita, jotka hyödyntävät energian (informaation) siirtämisessä radioaaltoja Sähkömagneettisten aaltojen lähettäminen, vastaanotto ja käsittely Pohjautuu sähkömagnetismin ilmiöiden ymmärtämiseen ja soveltamiseen Maxwell, Hertz, Marconi, Popov

radioaaltojen tarjoamat mahdollisuudet asetetaan palvelemaan ihmisen päämääriä (Määritelmä Räisänen & Lehto) Laitteita ja tekniikoita, jotka

8 Käytännössä Kiinteä tietoliikenne (mm. radiolinkit) Siirtyvä tietoliikenne (mm. matkapuhelimet, langattomat teknologiat) Yleisradiotoiminta Satelliittitietoliikenne Satelliittinavigointi (GPS, Glonass, Galileo) Radionavigointi (lento- ja laivaliikenne) Radiopaikallistaminen (mm. tutkat) Radioamatööritoiminta Radioastronomia

Satelliittitietoliikenne Satelliittinavigointi (GPS, Glonass, Galileo)

9 RF-tekniikan perusteet yleissivistyksenä Radiotekniikkaa ja sen teorioita tarvitaan toki muuhunkin.. Radiotekniikkaa myös sähköiset piirit ja laitteet, joissa dimensiot aallonpituuden suuruusluokkaa Sekä analogisten että digitaalisten laitteiden toimintataajuudet jatkuvasti kasvussa Tahaton radiotoiminta yleistä Kytkentäilmiöt luovat häiriöitä hyvin laajalla taajuuskaistalla Tehoelektroniikka, moottorikaapelit...

Sekä analogisten että digitaalisten laitteiden toimintataajuudet jatkuvasti kasvussa Tahaton

10 Mistä on kysymys? Sähkömagneettisella aallolla on äärellinen nopeus Sähkö (virta, jännite) on sähkömagneettinen aalto Sähkömagneettisen aallon jännite ja virta riippuvat ajasta ja paikasta Kytkennässä, siirtolinjalla (johdin), vapaassa tilassa etenevällä aallolla Vertaa esim. aallot järvellä, ääniaallot

sähkömagneettinen aalto Sähkömagneettisen aallon jännite ja virta riippuvat

11 Ensiksi yksinkertaistus eli piiriteoria

12 Ensiksi yksinkertaistus eli piiriteoria I U

13 Mutta siirtolinjateoria

14 Mutta siirtolinjateoria l Z 0 +z

15 Mutta siirtolinjateoria i u

16 Mutta siirtolinjateoria

17 Mutta siirtolinjateoria

18 Mutta siirtolinjateoria

19 Mutta siirtolinjateoria

20 Mutta siirtolinjateoria

21 Tällä kurssilla tosin: Käsittelemme enimmäkseen sinimuotoisia aaltoja (äskeinen oli transientti) Lisäksi vielä jatkuvuustilassa, kun muutosilmiöt aaltojen etenemisessä ovat asettuneet (äsken eivät olleet)

22 Huomio! Sähkömagneettinen aalto etenee väliaineessa (eristeessä), jännite ja virta ovat mitattavissa johtimella Jännite ja virta johtimella ovat sähkömagneettisen aallon aikaansaamia Aalto itse on fotoneita Aalto ei itse asiassa tarvitse johtimia etenemiseen

23 Jos dimensiot oleellisesti aallonpituuden suuruusluokkaa pienemmät, voidaan ominaisuuksia tarkastella piirilaskennan keinoin virtojen ja jännitteiden avulla Johtimen jännite ja virta vakioita koko pituudella, tarkasteluhetkellä Siirtolinjateoriaa ei tarvitse soveltaa, ei RF-tekniikkaa Taajuuden kasvaessa aallonpituus pienenee, jolloin ominaisuuksia ei voida tarkastella piirilaskennan keinoin Sähkömagneettisen aallon äärellinen etenemisnopeus Analyysi sähkömagneettisten kenttien avulla Monimutkaista, modernit, raskaat mallinnustyökalut Approksimaatiot Siirtolinjateoria

24 Sähkömagneettisen aallon spektri Radioaallot muodostavat spektrin pitkäaaltoisimman eli matalataajuisimman osan Aallonpituudet tuhansista kilometreistä millimetrin osiin Taajuudet hertseistä terahertsiin

25 Sähkömagneettisen säteilyn spektri Lähde: The RF and Microwave Handbook. Golio M. J. CRC Press LLC

26 Radioaaltojen taajuusalueet

28 Taajuuksista esimerkkejä, tietoliikennetekniikka 2G-GSM -matkapuhelinverkko Suomessa 900 MHz / 1800 MHz FM-paikallisradio Suomessa 87,5 MHz MHz Ilmavalvontatutka, kaukovalvonta 2 GHz - 4 GHz (lähde: Ilmavoimat)

29 Taajuuksista esimerkkejä, tehoelektroniikkalaitteet CISPR standardi rajoittaa häiriöitä... Johtuville häiriöille 10 khz - 30 MHz Säteileville häiriöille 30 MHz - 18 GHz Pulssimaisten jännitteiden ja virtojen taajuussisältö?

30 Radioaallot Radioaallot kuuluvat sähkömagneettisen säteilyn spektriin Sähkömagneettinen säteily on poikittaista aaltoliikettä, joka etenee väliaineesta riippuvalla nopeudella Säteilyyn liittyy sekä muuttuva sähkökenttä että muuttuva magneettikenttä Tyhjiössä etenemisnopeus on yhtäläinen valonnopeuden kanssa

31 Perinteinen yksinkertaistettu havainnollistus, vapaassa tilassa E λ z E 0 H 0 H E( z, t) = E cos wt-bz 0 0 ( ) H( z, t) = H cos wt-bz aaltoluku ( ) b =2p / l

32 Maxwellin yhtälöihin pohjautuvan kenttäteorian perusteella sähkö- ja magneettikenttien suhde määritellään intrinsiikkisenä impedanssina, vapaasti etenevälle aallolle E H mr = Z0 = m/ e= ( mm 0 r) / ( ee 0 r)» 377W e r Tilanne muuttuu siirtolinjalla... (poikkileikkauksen geometria vaikuttaa), tästä lisää myöhemmin

33 Sähkö- ja magneettikentät toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa ja samanvaiheisia TEM (transverse electromagnetic) -aaltomuoto TEM-aaltomuoto vaatii täysin homogeenisen väliaineen Kvasi-TEM TM- (transverse magnetic) ja TE- (transverse electric) aaltomuodoilla joko sähkö- tai magneettikentällä myös pitkittäinen komponentti

34 Sähkömagneettisen aallon aallonpituus l = v p / f Sähkömagneettisen aallon vaihenopeus määritellään seuraavasti v p w = = b 1 em e on väliaineen permittiivisyys (= e 0 e r ) m on väliaineen permeabiliteetti (= m 0 m r ) w on kulmataajuus b on aaltoluku b = 2p / l

35 Yhteenveto Taajuus, aallonpituus, kytkennän dimensiot Sähkömagneettinen tasoaalto, etenee vapaasti väliaineessa Vaihenopeus (etenemisnopeus) Aallonpituus/taajuus Aaltoluku Aaltoimpedanssi

Samankaltaiset tiedostot

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

RF-tekniikan perusteet BL50A0300 1. Luento 26.8.2013 Kurssin sisältö ja tavoitteet, sähkömagneettinen aalto DI Juho Tyster Opetusjärjestelyt Luentoja 14h, laskuharjoituksia 14h, 1.periodi Luennot ja harjoitukset