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 Juho Tyster Hyväksytysti suoritettu tentti tuo 2 opintopistettä Kurssin tenttipäivät: 14.10. klo 8, 21.10. klo 16, 27.11. klo 16, 21.1.2014 klo 16. Ei harjoitustyötä Luennot maanantaisin klo 12-14 salissa 4511 Laskuharjoitukset keskiviikkoisin klo 10-12 salissa 6323, paitsi viikolla 38 (18.9.) salissa 7443 Erikoisjärjestelyt toisella opetusviikolla Palautteen kerääminen 1
Materiaali Luennot ja laskuharjoitukset Kurssikirja (kirjastosta löytyy) David M. Pozar: Microwave engineering, 3rd ed. ISBN 0-471-64451-X, John Wiley & Sons, Inc. http://www.wiley.com/college/pozar/ Suomenkielistä materiaalia: Räisänen Lehto: Radiotekniikan perusteet. ISBN 951-672-309-8. Otatieto. Materiaali Oheislukemistoa R. Ludwig, P. Bretchko: RF Circuit design, theory and applications, ISBN 0-13-095323-7 Robert E. Collin: Foundations for microwave engineering, ISBN 0-07- 112569-8 D. C. Green: Radio Communication, ISBN 0-5823690 G. Gonzalez: Microwave Transistor Amplifiers, Analysis and Design, 2nd ed. ISBN 0-13-254335-4. Prentice Hall. J. D. Kraus, R. J. Marhefka: Antennas for All Applications, 3rd ed. ISBN 0-07-232103-2 2
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 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 3
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 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 4
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... 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 5
Ensiksi yksinkertaistus eli piiriteoria Ensiksi yksinkertaistus eli piiriteoria I U 6
Mutta siirtolinjateoria Mutta siirtolinjateoria l Z 0 +z 7
Mutta siirtolinjateoria i u Mutta siirtolinjateoria 8
Mutta siirtolinjateoria Mutta siirtolinjateoria 9
Mutta siirtolinjateoria Mutta siirtolinjateoria 10
Tällä kurssilla tosin: Käsittelemme enimmäkseen sinimuotoisia aaltoja (äskeinen oli transientti) Lisäksi vielä jatkuvuustilassa, kun muutosilmiöt aaltojen etenemisessä ovat asettuneet (äsken eivät olleet) 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 11
Milloin tällä on väliä? Jos dimensiot ovat 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 Sähkömagneettisen aallon spektri Radioaallot muodostavat spektrin pitkäaaltoisimman eli matalataajuisimman osan Aallonpituudet tuhansista kilometreistä millimetrin osiin Taajuudet hertseistä terahertsiin 12
Sähkömagneettisen säteilyn spektri Lähde: The RF and Microwave Handbook. Golio M. J. CRC Press LLC Radioaaltojen taajuusalueet 13
Taajuuksista esimerkkejä, tietoliikennetekniikka 2G-GSM -matkapuhelinverkko Suomessa 900 MHz / 1800 MHz FM-paikallisradio Suomessa 87,5 MHz - 108 MHz Ilmavalvontatutka, kaukovalvonta 2 GHz - 4 GHz (lähde: Ilmavoimat) 14
Taajuuksista esimerkkejä, tehoelektroniikkalaitteet CISPR 16-1 -standardi rajoittaa häiriöitä... Johtuville häiriöille 10 khz - 30 MHz Säteileville häiriöille 30 MHz - 18 GHz Pulssimaisten jännitteiden ja virtojen taajuussisältö? 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 15
Perinteinen yksinkertaistettu havainnollistus, vapaassa tilassa E λ z E 0 H 0 H 0 0 ( ωt βz) ( ωt βz) E( zt, ) = E cos H ( zt, ) = H cos aaltoluku β = 2π / λ Maxwellin yhtälöihin pohjautuvan kenttäteorian perusteella sähkö- ja magneettikenttien suhde määritellään intrinsiikkisenä impedanssina, vapaasti etenevälle aallolle E µ r = Z0 = µ / ε = ( µ 0µ r) /( ε 0εr) 377Ω H ε Tilanne muuttuu siirtolinjalla... (poikkileikkauksen geometria vaikuttaa), tästä lisää myöhemmin r 16
Sähkö- ja magneettikentät toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa ja samanvaiheisia TEM (Transverse ElectroMagnetic) -aaltomuoto TEM-aaltomuoto vaatii täysin homogeenisen väliaineen Myös pitkittäiskomponentit mahdollisia TM- (Transverse Magnetic) ja TE- (Transverse Electric) aaltomuodoilla joko sähkö- tai magneettikentällä myös pitkittäinen komponentti TEM, TM, TE? WTF? Aallot esim. veden pinnalla ovat poikittaista aaltoliikettä (potentiaali muuttuu poikittaissuunnassa) Ääniaallot ovat pitkittäistä aaltoliikettä (painevaihtelut etenemissuunnassa) TEM, joka on siis vapaan tilan JA mahdollisesti kaksijohtimisen siirtotien etenemismuoto, molemmat kenttäkomponentit poikittain TM, TE etenevät tyypillisesti aaltoputkissa, tms. yksijohtimisissa siirtolinjoissa. Vain toinen kenttäkomponentti on poikittain. Esim. Pozar, Chapter 3. 17
Vaihenopeus: Näin se menee Sähkömagneettisen aallon aallonpituus Sähkömagneettisen aallon vaihenopeus ( aallon nopeus ) määritellään seuraavasti λ =v p / v p f ω 1 = = = β εµ ε on väliaineen permittiivisyys µ on väliaineen permeabiliteetti ω on kulmataajuus β on aaltoluku β = 2π / 1 LC λ Vrt. aallot vedessä ja siirapissa Tästä lisää myöhemmin Yhteenveto Taajuus, aallonpituus, kytkennän dimensiot Sähkömagneettinen tasoaalto, etenee vapaasti väliaineessa Vaihenopeus (etenemisnopeus) Aallonpituus/taajuus Aaltoluku Aaltoimpedanssi 18
Näppärä opiskeluväline Agilent Transmission Line Fundamentals paketti 1 Agilent-TLF.exe Löytyy hakukoneella Agilent Transmission Line Fundamentals 1 http://www.home.agilent.com/agilent/editorial.jspx?cc=us&lc=eng&ckey=876888&nid=-34785.0.00&id=876888 19