Seminární práce na RAK - Mikrovlnné obvody

Ve smyslu obecných měření budeme hovořit o objektu, jehož vlastnost měříme, který může být skutečně tělesem ohraničeným či neohraničeným (objekt určitého tvaru, či celý idealizovaný poloprostor atd.). Pochopitelně může se též jednat o objekt, v němž je ukryto elektronické zařízení, tedy určitý obvod, který proměřujeme z hlediska vnějších parametrů. Pak se tedy jedná o získání informací o něčem, co je uzavřeno v „černé krabičce“, do které nemáme přístup. To je nejčastější případ vlastně všech radioelektronických měření a pochopitelně závisí pouze na našem pohledu, jak velkou tuto černou skříňku chceme mít. Zda se jedná např. o celé zařízení (přijímač), nebo jeho dílčí bloky, jako jsou zesilovače, oscilátory, směšovače atd., případně jejich vnitřní komponenty, které vedou až k dílčí součástkové základně (náhradní obvody jednotlivých elementů – tranzistor, dioda, rezistor, induktor, kapacitor atd.), případně ještě dále k jejich vnitřní mikrostruktuře.

Pojem zobecněného filtru

Při určité snaze o komplexní postižení problematiky měření elektrických parametrů se skutečně můžeme podívat na měřené zařízení jako na objekt, který můžeme nazývat zobecněným filtrem, u kterého nás zajímají jak jeho frekvenční vlastnosti, tedy jeho vlastnosti popsané příslušnou maticí ve frekvenční oblasti (případně s využitím transformace mezi frekvenční a časovou oblastí v časové oblasti), tak vlastnosti v prostorové oblasti. Frekvenční oblast jednoznačně definuje frekvence, prostorovou oblast měřítko dané vlnovou délkou. Příslušná matice, která objekt popisuje, by mohla být definována jako obecná prostorová matice mnohobranů, kde pro dané měření musíme vždy specifikovat vstupní a výstupní brány a definovat co a jak je zároveň připojeno na ostatní brány. Tento přístup se pochopitelně může zdát až příliš obecný a zbytečně komplikovaný, na druhou stranu však může při dobrém pochopení souvislostí ukázat dílčí vlivy, souvislosti, definovat chyby měření a možnost jejich korekce atd. Lze potom využít i řadu analogií při interpretaci měření z jednoho frekvenčního pásma do druhého. Přitom je nutné chápat, že uvažované veličiny, pokud v konkrétním případě nemůžeme situaci zjednodušit, jsou komplexní vektory v dané geometrii prostoru (zcela obecně 3D a středová symetrie, tedy kulové souřadnice).

Příslušná matice mnohobranu může být libovolného typu, nicméně z hlediska vysokofrekvenční techniky se patrně jeví jako nejlepší použití rozptylové matice, která popisuje mnohobran z hlediska dopadajících a odražených vln na jednotlivých branách. Tyto brány mohou být definovány jako skutečné, fyzicky existující svorky, nebo i jako celé roviny či části rovin (obecně ploch), na kterou elektromagnetická vlna dopadá (např. určitý objekt dielektrika). Z hlediska měření konkrétního objektu potřebujeme znát příslušné odrazy na jeho jednotlivých branách a přenosy mezi nimi za předpokladu, že v dané konfiguraci vždy víme co je vstupem a výstupem a jaká je situace na ostatních branách. Výsledek potom můžeme v případě lineárního objektu získat superpozicí. Přitom je stále nutno mít na paměti, že superpozice platí pro lineární veličiny, tedy pro intenzitní veličiny (intenzity polí) a nikoli pro výkony. Proto přímé sčítání výkonových veličin není možné a bylo by nutné posuzovat jejich korelovanost či nekorelovanost atd. Proto v zásadě vždy při superpozici dvou elektromagnetických vln v dané konfiguraci geometrie prostoru musíme každou z nich rozložit na složky intenzit, ty sečíst a teprve z jejich vektorového, resp. s uvážením polarizace, prostorového součtu, určit výsledné veličiny. V této souvislosti je rovněž dobré upozornit, že podstatně lépe se pracuje s činitelem odrazu než s činitelem přenosu. Odraz je totiž definován jako poměr intenzity vlny dopadající ku intenzitě vlny odražené (má tedy komplexní charakter), nicméně souvisí s jedním a týmž poloprostorem (nutno uvážit, jak by tomu bylo u rozptylu do jiného směru, protože odraz je vlastně pouze zvláštním případem rozptylu). U pasivních zařízení, vzhledem k tomu, že dopadající i odražená vlna jsou v prostředí se stejnou impedancí, musí být činitel odrazu intenzitní veličiny vždy v modulu menší nebo roven jedné. Pokud budeme definovat přenos přes rozhraní, můžeme se dostat často do problémů, pokud opomeneme, že při přechodu rozhraní se dostáváme do jiného prostředí a tudíž, např. přechodem na větší impedanci, bude i u pasivního rozhraní docházet k zesílení napěťové vlny (intenzity pole). Je tedy třeba zase naopak velmi pozorně pracovat se zákonem zachování energie a tento na rozhraní aplikovat jako součet odražené, prošlé, případně v rozhraní absorbované energie, který musí být roven jedné. To již nemusí platit pro napěťově definované koeficienty odrazu a přenosu. Dochází zde tedy vlastně k jakémusi rozpornému pohledu, kdy účinky jednotlivých vln musíme sčítat přes jejich rozklady na lineární složky (pokud jsou skutečně lineární) a naopak při celkovém pohledu na určité rozhraní či bránu musíme vycházet při přepočítávání parametrů z pohledu zákona o zachování energie, tedy vlastně z veličin, které získáme na základě kvadrátů intenzit. Byť se předcházející úvaha zdá být zcela jasná, nevhodná interpretace výsledků měření či pracovních postupů v řadě případů vede ke zcela zásadním chybám. Teprve dlouhodobá praxe s konkrétními dílčími měřeními může poskytnout prostor pro pochopení a snad i toleranci uváděného obecného principu. Lze tedy konstatovat, že při měření v pasivních soustavách je velmi výhodné vyjadřovat činitel přenosu na základě znalosti hodnoty činitele odrazu, případně absorpce v rozhraní. Tak totiž používáme veličiny, které vycházejí z jedné hodnoty impedance (absorpci je nutné ještě vždy pečlivě zvážit).