curs 4 2017/2018rf-opto.etc.tuiasi.ro/docs/files/dcmr curs 4_2017.pdf · fotografie de trimis prin...

94
Curs 4 2017/2018

Upload: others

Post on 27-Jan-2020

10 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Curs 42017/2018

RF-OPTO

http://rf-opto.etti.tuiasi.ro

Fotografie

de trimis prin email: [email protected]

necesara la laborator/curs

Personalizat

ADS 2016 EmPro 2015 pe baza de IP din exterior

Comportarea(descrierea) unuicircuit depinde de lungimea saelectrica la frecventele de interes E≈0 Kirchhoff

E>0 propagare

lllE 2

2

Generator adaptat la sarcina ?

Ei

Zi

ZL

I

V

valori impedanta ? reflexii ?

*iL ZZ

*iL

Generatorul are posibilitatea de a oferi o anumita puteremaxima de semnal Pa

Pentru o sarcina oarecare, acesteia i se ofera o putere de semnal mai mica PL < Pa

Se intampla “ca si cum” (model) o parte din putere se reflectaPr = Pa – PL

Puterea este o marime scalara!

Ei

ZiPa

aL

iL

PP

ZZ

*

Ei

Zi ZL

PL

Ei

Zi

ZL

Pa PL

Pr

+

impedanta la intrarea liniei de impedantacaracteristica Z0 , de lungime l , terminata cu impedanta ZL

lZjZ

lZjZZZ

L

Lin

tan

tan

0

00

ΓL

Z0 ZL

-l 0

Zin

lZjZ

lZjZZZ

L

Lin

tan

tan

0

00

ΓL

Z0 ZL

-l 0

Zin

zz eVeVzV 00

zz eIeIzI 00

ljel 20

reactanța pură

+/- in funcție de l

lZjZin tan0

lZjZ

lZjZZZ

L

Lin

tan

tan

0

00

lZjZin cot0

reactanța pură

+/- in funcție de l

lZjZ

lZjZZZ

L

Lin

tan

tan

0

00

Adaptarea cu transformatoare de impedanta (Lab. 1)

are ca scop separarea unui circuit complex in blocuri individuale

acestea se analizeaza separat (decuplate de restul circuitului) si se caracterizeaza doar prinintermediul porturilor (cutie neagra)

analiza la nivel de retea permite cuplarearezultatelor individuale si obtinerea unui rezultattotal pentru circuit

[Z] [ABCD] [S] [Z]

Z11 – impedanta de intrare cu iesirea in gol

2

1

2221

1211

2

1

I

I

ZZ

ZZ

V

V

2221212

2121111

IZIZV

IZIZV

011112

I

IZV

01

111

2

II

VZ

02

112

1

II

VZ

01

221

2

II

VZ

02

222

1

II

VZ

01

111

2

II

VZ

I1

V1 [Z]

I2

V2

Y11 – admitanta de intrarecu iesirea in scurtcircuit

2

1

2221

1211

2

1

V

V

YY

YY

I

I

2221212

2121111

VYVYI

VYVYI

011112

V

VYI

01

111

2

VV

IY

02

112

1

VV

IY

01

221

2

VV

IY

02

222

1

VV

IY

01

111

2

VV

IY

I1

V1 [Y]

I2

V2

h21E utilizat la TB, conexiune Emitor comun(β, h22 este foarte mare)

I1

V1 [H]

I2

V2

I1

V1 [G]

I2

V2

2

1

2221

1211

2

1

V

I

HH

HH

I

V

2

1

2221

1211

2

1

I

V

GG

GG

V

I

222 01

221

HsauVI

IH

fiecare matrice este potrivita pentru un anumit mod de excitare a porturilor (V,I) matricea H in conexiune emitor comun pentru TB: IB, VCE

matricile ofera marimile asociate in functie de marimile de "atac"

traditional parametrii Z,Y,G,H sunt notati cu literamica (z,y,g,h)

In microunde se prefera notatia cu litera mare pentrua nu exista confuzie cu parametrii raportati la o valoare de referinta

0

1111

Z

Zz

0Z

Zz YZ

Z

Z

Z

Z

Y

Yy 0

0

00 1

1

110

0

1111 YZ

Y

Yy

2

2

1

1

I

V

DC

BA

I

V

221

221

IDVCI

IBVAV

02

1

2

VI

VB

02

1

2

IV

IC

02

1

2

VI

ID

I1

V1

I2

V2

DC

BA

02

1

2

IV

VA

1

1

2

2 1

I

V

AC

BD

CBDAI

V

introduce o legatura intre "intrare" si "iesire" permite inlatuirea usoara intre mai multe blocuri

I1

V1

I2

V2

11

11

DC

BA

I3

V3

22

22

DC

BA

3

3

22

22

11

11

2

2

11

11

1

1

I

V

DC

BA

DC

BA

I

V

DC

BA

I

V

I1

V1

I2

V2

11

11

DC

BA

I3

V3

22

22

DC

BA

22

22

11

11

DC

BA

DC

BA

DC

BA

I1

V1

I3

V3

DC

BA

potrivita numai pentru diporti (Z,Y pot fi usorextinse pentru multiporti/n-porturi)

permite cuplarea facila a mai multorelemente

permite calculul unor circuite complexe cu o intrare si o iesire prin spargerea in blocuriindividuale componente

se pot crea "biblioteci" de matrici pentrublocuri mai des utilizate

Impedanta serie

1A ZB

0C 1D

1

02

1

2

IV

VA Z

ZV

V

I

VB

V

1

1

02

1

2

0

02

1

2

IV

IC 1

1

1

02

1

2

I

I

I

ID

V

10

1 Z

Admitanta paralel

1A 0B

YC 1D

Verificare - tema!

1

01

Y

Sectiune de linie de transmisie

lA cos

Verificare - tema!

lYjC sin0

lZjB sin0

lD cos

lZjZ

lZjZZZ

L

Lin

tan

tan

0

00

llYj

lZjl

cossin

sincos

0

0

Transformator

NA 0B

0CN

D1

Verificare - tema!

N

N1

0

0

diport π

3

21Y

YA

Verificare - tema!

3

1

YB

3

2121

Y

YYYYC

3

11Y

YD

diport T

3

11Z

ZA

Verificare - tema!

3

1

ZC

3

2121

Z

ZZZZB

3

21Z

ZD

Determinati tensiunea pe sarcina in circuitulurmator

Sectionare circuit in elemente simple Generatoarele raman in exterior Daca e necesar, se creaza porturi de intrare si iesire

lasate in gol

1 2 3 4

I2 = 0

4321 MMMMDC

BA

0221

2

IIBVAV

A

VVVAV LL

M1 , impedanta serie

1

I2 = 0

10

5011

DC

BAM

M2 , transformator 1:2

2

I2 = 0

20

02

12

DC

BAM

M3 , linie serie, E = 90°

3

I2 = 0

050

500

3 jj

DC

BAM

M4 , impedanta/admitanta paralel

4

I2 = 0

125

101

4DC

BAM

1 2 3 4

I2 = 0

901

3

03

jA

VVL

025

253

125

101

050

500

20

02

1

10

501j

jjj

j

DC

BA

Scattering parameters

2

1

2221

1211

2

1

V

V

SS

SS

V

V

01

111

2

VV

VS

[S]

01

221

2

VV

VS

V1+

V1-

V2+

V2-

are semnificatia: la portul 2 esteconectata impedanta care realizeazaconditia de adaptare (complex conjugat)

02 V

Γ2

00 22 V

S11 este coeficientul de reflexie la portul 1 cand cand portul2 este terminat pe impedanta care realizeaza adaptarea

S21 este coeficientul de transmisie de la portul 1 (al doileaindice!) la portul 2 (primul indice!) cand se depune semnalla portul 1 portul 2 este terminat pe impedanta care realizeaza adaptarea

2

1

2221

1211

2

1

V

V

SS

SS

V

V

01

01

111

2

2

V

V

VS[S]

V1+

V1-

V2+

V2-

Γ2Γ1

021

01

221

2

2

TV

VS

V

Matricea S poate fi extinsa (generalizata) pentru multiporti (n-porturi)

ikVi

iii

k

V

VS

,0 jkVj

iij

k

V

VS

,0

Sii este coeficientul de reflexie la portul i cand toatecelelalte porturi sunt conectate la impedanta care realizeaza adaptarea

Sij este coeficientul de transmisie de la portul j (al doilea indice!) la portul i (primul indice!) cand se depune semnal la portul j si toate celelalte porturi suntconectate la impedanta care realizeaza adaptarea

Daca portul i este conectat la o linie cu impedanta caracteristica Zoi

Curs 3

Legatura cu matricea Z

zjzj eVeVzV 00 zjzj e

Z

Ve

Z

VzI

0

0

0

0

iii VVVi

i

i

ii

Z

V

Z

VI

00

VZZVZZIZ

1

0

1

0

VZZVZZ 00

100

ZZZZS

nZ

Z

Z

0

01

0

0

0

VIZ

VVVZZVZZ

1

0

1

0

VVV

VSV

In planul de referinta al portului, z=0

NN j

j

j

j

j

j

e

e

e

S

e

e

e

S

0

000

00

0

000

00

2

1

2

1

Circuite reciproce (fara circuite active, ferite)

Circuite fara pierderi

ijZZ jiij ,

ijYY jiij ,

ijSS jiij , tSS

jiZij ,,0Re

jiYij ,,0Re

jiSS ij

N

k

kjki ,,1

*

11

*

N

k

kiki SS

jiSSN

k

kjki

,01

*

]1[*

t

SS

Amplitudinile totale ale tensiunii si curentului in functie de amplitudinile undelor incidenta sireflectate pentru o linie

Aflam amplitudinile undelor de tensiune

Puterea oferita sarcinii la iesirea din linie:

00 VVV 00

0

1VV

ZI

2

00

IZVV

2

00

IZVV

planul de referinta al portului, z=0

Definim undele de putere

Tensiuni si curenti

R

R

R

IZVa

2

R

R

R

IZVb

2

*

RRR XjRZ O impedanta de referintaoarecare, complexa

R

RR

R

bZaZV

*

RR

baI

unda incidenta de putere

unda reflectata de putere

Ei

Zi

ZLPa

PL

Pr

i

ia

R

EP

4

2

22

2

LiLi

iLL

XXRR

ERP

coeficient de reflexie in putere

2

22

222

4

a

LiLi

LiLi

i

ir P

XXRR

XXRR

R

EP

0

*0

ZZ

ZZ

L

LL

V0

Zg

ZL

I

V

*Re2

1IVPL

**

Re2

1

RR

RRL

R

ba

R

bZaZP

2***2*Re2

1bZbaZbaZaZ

RP RRRR

R

L

22

2

1

2

1baPL

a

b

RL

RL

R

Rp

ZZ

ZZ

IZV

IZV

a

b

**

Daca aleg

Lg ZZ

VI

0

Lg

L

ZZ

ZVV

0

2

20

2Lg

LL

ZZ

RVP

Lg

L

L

Lg

L

Lg

L

R

R

ZZ

RV

R

ZZ

Z

ZZ

Z

VR

IZVa

0

*

022

*LR ZZ

022

0

*

L

Lg

L

Lg

L

R

R

R

ZZ

Z

ZZ

Z

VR

IZVb

2

202

22

1

Lg

LL

ZZ

RVaP

Daca in plus generatorul este adaptatconjugat cu sarcina

Reflexie in putere C2

Reflexie in putere C4

*Lg ZZ

L

LR

VaP

82

1 2

02

max

221 aaaraL PPPPPP

*iL ZZ aL PP max

2 ar PP

0

*0

ZZ

ZZ

*

iL ZZ

2

max2

1aPP aL

22

2

1

2

1baPL

RL

RL

R

Rp

ZZ

ZZ

IZV

IZV

a

b

**

222

2

1

2

1pL aaP 2

1 paL PP 22

2

1bPP par

Definitii de unde pentru n-porti

IZVFa R

IZVFb R *

Rn

R

R

Z

Z

Z

0

01

Rn

R

R

R

F

210

021 1

VIZ

legatura intre undele de putere incidenta sireflectata

tipic

aFZZZZFb RR 11*

11* FZZZZFS RRp

100

ZZZZS

iRZZ Rii ,00

500R SS p

aSb p

coincid!!!

S11 si S22 sunt coeficienti de reflexie la intraresi iesire cand celalalt port este adaptat

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

01

111

2

aa

bS

[S]

a1 a2

b1 b2

02

222

1

aa

bS

S21 si S12 sunt amplificari de semnal candcelalalt port este adaptat

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

01

221

2

aa

bS

[S]

a1 a2

b1 b2

02

112

1

aa

bS

a,b informatia despre putere SI faza

Sij influenta circuitului asupra puterii semnalului

incluzand informatiile relativ la faza

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

0

02

21ZsursaPutere

ZsarcinaPutereS

[S]

a1 a2

b1 b2

Vector Network Analyzer

21

2211

02

01

2

1

S

SSS

Z

ZA

21

22110201

2

1

S

SSSZZB

01020102

0102010211

DZZCZBAZ

DZZCZBAZS

21

2211

02012

11

S

SSS

ZZC

21122211 SSSSS

21

2211

01

02

2

1

S

SSS

Z

ZD

01020102

0201

12

)(2

DZZCZBAZ

ZZBCADS

01020102

0201

21

2

DZZCZBAZ

ZZS

01020102

0102010222

DZZCZBAZ

DZZCZBAZS

Funcționalitatea dorită:

divizarea

combinarea

puterii semnalului

numite si joncțiune in T caracterizate de o matrice S 3x3

circuitul este reciproc dacă nu conține: materiale anizotrope (de obicei ferite)

circuite active e de dorit să obținem funcționalitatea dorită de

divizare/combinare de putere fără pierderi interne e de dorit sa obținem circuitul adaptat simultan la

toate porțile evitarea unor pierderi externe de putere

333231

232221

131211

SSS

SSS

SSS

S

circuit reciproc

adaptat simultan la toate portile

matricea S devine:

0

0

0

2313

2312

1312

SS

SS

SS

S

ijSS jiij , tSS

322331132112 ,, SSSSSS

iSii ,0 0,0,0 332211 SSS

reciproc, adaptat, matricea S:

circuit unitar (fără pierderi)

toata puterea introdusa pe un port se regaseste la celelalte porturi

jiSS ij

N

k

kjki ,,1

*

11

*

N

k

kiki SS jiSSN

k

kjki

,01

*

]1[*

t

SS

0

0

0

2313

2312

1312

SS

SS

SS

S

circuit unitar (fără pierderi)

6 ecuatii / 3 necunoscute

nici o solutie posibila

11

*

N

k

kiki SS

jiSSN

k

kjki

,01

*

0

0

0

2313

2312

1312

SS

SS

SS

S

12

13

2

12 SS

12

23

2

12 SS

12

23

2

13 SS

023

*

13 SS

012

*

23 SS

013

*

12 SS

6 ecuații / 3 necunoscute nici o soluție posibila

Un circuit cu 3 porți NU poate fi simultan: reciproc

fara pierderi

adaptat simultan la toate cele 3 porți Renunțarea la una din cele 3 condiții conduce la

circuite realizabile

0

0

0

2313

2312

1312

SS

SS

SS

S

de obicei cu materiale anizotrope, ferite nereciproc, dar adaptat simultan si fara

pierderi matricea S

6 ecuatii / 6 necunoscute

jiij SS

0

0

0

3231

2321

1312

SS

SS

SS

S

032

*

31 SS

023

*

21 SS

013

*

12 SS

12

13

2

12 SS

12

23

2

21 SS

12

32

2

31 SS

doua solutii posibile circulatoare

in sens orar direct

in sens orar invers

0312312 SSS

1133221 SSS

0133221 SSS

1312312 SSS

Un circuit cu 3 porți reciproc si fara pierderipoate fi adaptat numai la 2 porți

332313

2312

1312

0

0

SSS

SS

SS

S

023

*

13 SS

0332313

*

12 SSSS

013

*

3312

*

23 SSSS

12

13

2

12 SS

12

23

2

12 SS

12

33

2

23

2

13 SSS2313 SS

02313 SS

13312 SS

Un circuit cu 3 porți reciproc si fara pierderi

332313

2312

1312

0

0

SSS

SS

SS

S

02313 SS 13312 SS

jeS 12

jeS 33

j

j

j

e

e

e

S

00

00

00

Un circuit cu 3 porți reciproc si fara pierderi degenereaza in douacomponente separate: o linie fara pierderi, adaptata, intre

doua dintre porturi al treilea port e separat si

dezadaptat

caracterizate de o matrice S 4x4

circuitul este reciproc dacă nu conține: materiale anizotrope (de obicei ferite)

circuite active e de dorit să obținem funcționalitatea dorită de

divizare/combinare de putere fără pierderi interne e de dorit sa obținem circuitul adaptat simultan la

toate porțile evitarea unor pierderi externe de putere

44434241

34333231

24232221

14131211

SSSS

SSSS

SSSS

SSSS

S

circuit reciproc

adaptat simultan la toate portile

matricea S devine:

ijSS jiij , tSS

322331132112 ,, SSSSSS

iSii ,0 0,0,0,0 44332211 SSSS

0

0

0

0

342414

342313

242312

141312

SSS

SSS

SSS

SSS

S

reciproc, adaptat, matricea S:

circuit unitar (fără pierderi)

toata puterea introdusa pe un port se regaseste la celelalte porturi

jiSS ij

N

k

kjki ,,1

*

11

*

N

k

kiki SS jiSSN

k

kjki

,01

*

]1[*

t

SS

0

0

0

0

342414

342313

242312

141312

SSS

SSS

SSS

SSS

S

o solutie: cuplorul rezulta directional

*

2424

*

1423

*

13 /0 SSSSS

*

1323

*

2413

*

14 /0 SSSSS

02

24

2

13

*

14 SSS

1234

*

1423

*

12 /0 SSSSS

*

3423

*

3412

*

14 /0 SSSSS

02

34

2

1223 SSS

02314 SS

12

13

2

12 SS

12

24

2

12 SS

12

34

2

13 SS

12

34

2

24 SS

2413 SS

3412 SS

00

00

00

00

3424

3413

2412

1312

SS

SS

SS

SS

S

Alegem referintele de faza

3412 SS jeS 13

jeS 24

00

00

00

00

3424

3413

2412

1312

SS

SS

SS

SS

S 2413 SS 3412 SS

034

*

2413

*

12 SSSS n2

12

24

2

12 SS 122

Cealalta solutie posibila pentru ecuatiile anterioare ofera fie aceeasi solutie (cu alta referinta de faza) fie un cazdegenerat 0

2

24

2

13

*

14 SSS 02

34

2

1223 SSS

β – coeficientul de cuplaj în tensiune

Un circuit cu 4 porti care este simultan: adaptat la toate portile

reciproc

fara pierderi este intotdeauna directional puterea de semnal introdusa pe un port este

trimisa numai spre doua din celelalte trei porturi

00

00

00

00

j

j

j

j

e

e

e

e

S

2 cazuri mai des intalnite in practica

cuplor simetric

cuplor asimetric

2

00

00

00

00

j

j

j

j

S

,0

00

00

00

00

S

[dB]log20log103

1 P

PC

[dB]log20log10144

3

SP

PD

[dB]log20log10 14

4

1 SP

PI

22

13 S

222

12 1 S

Cuplaj

Directivitate

Izolare

dBCDI ,

Cuploare directionale

[dB]log20log103

1 P

PC

[dB]log20log10144

3

SP

PD

[dB]log20log10 14

4

1 SP

PI

22

13 S

222

12 1 S

Cuplaj

Directivitate

Izolare

dBCDI ,

2

1

2

2 1 yy

2

2

2 1

y

y

2

2

2

10

1log20dB

y

yC

.

)(log20[dB] 110 yC

12

2

2

1 yy

1y

coce

coce

ZZ

ZZ

2

0ZZZ coce

coce

coce

ZZ

ZZC 10log20[dB]

Laboratorul de microunde si optoelectronica http://rf-opto.etti.tuiasi.ro [email protected]