Основные элементы радиоэлектроники: Основные элементы электроники — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Основные элементы электроники

В подавляющем большинстве случаев электронные устройства, которые выполняют те или иные функции, являются не монолитными, а составленными из целого ряда отдельных деталей, которые соединены между собой по определенной, разработанной конструкторами, принципиальной схеме. То, какие именно электронные компоненты в том или ином устройстве применяются, зависит от целого ряда факторов, среди которых ведущую роль играет его функциональное назначение, сложность конструкции и та среда, в которой оно будет использоваться.

Те, кто изучал основы электроники, отлично знают, что под радиоэлектронной аппаратурой понимаются такие устройства или же их совокупности, для изготовления которых применяются разнообразные электронные компоненты. При этом среди них центральное место занимают функциональные элементы электроники, которые есть в абсолютно любой конструкции такого рода.

Все электронные компоненты

, которые применяются в каких-либо устройствах, чаще всего изготавливаются в заводских условиях на основе определенных стандартов и технических условий, а также обладают законченной формой и определенным видом.

Конструктивные элементы

Те элементы, которые присутствуют в конструкции различного рода специализированных электронных устройств и применяются для того, чтобы механически соединять их отдельные элементы, а также направлять и передавать движение (например, планки, скобы, оси, шестерни, валы, колеса, подшипники и т.п.) принято именовать конструктивными элементами (или же конструктивными деталями).

Вспомогательные элементы

Существуют также и так называемые вспомогательные элементы электроники

. Их главной отличительной особенностью является то, что они сочетают выполнение электрических операций с механическими. Основы электроники гласят о том, что к таковым относятся реле, переключатели, штепсельные разъемы, электродвигатели. Строго говоря, вспомогательные элементы являются изделиями, относящимися к сфере точной механики.

Элементы электрических схем

Очень многие электронные компоненты относятся к третьей категории компонентов, которые являются составными частями различных электрических схем. Специалисты нередко именуют их элементами схемы, а относятся к ним разнообразные электронные и полупроводниковые приборы, трансформаторы, катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Следует заметить, что они могут иметь довольно сложную конструкцию, однако при этом разделение на отдельные части, которые имеют самостоятельное функциональное назначение, не допускается.

Компоненты общего применения

Основы электроники гласят также о том, что в этой сфере широко распространены и так называемые компоненты общего применения, к которым относят конденсаторы, резисторы, а также отдельные виды моточных изделий.

Типовые элементы электроники

Поскольку элементы общего применения в силу своей высокой востребованности производятся в массовом порядке, они тщательно стандартизованы и нормализованы. Разработанная для их конструирования и изготовления нормативная документация содержит в себе размеры, качественные и технико-экономические показатели, которым эти изделия в обязательном порядке должны соответствовать. Эти

электронные компоненты конструкторы подбирают по характеристикам и параметрам, описывающим их свойства при различных условиях эксплуатации, в том числе и при неблагоприятных механических, климатических и температурных воздействиях.

Специальные элементы

Электронные компоненты, проектирование которых производится со строгим учетом особенностей тех электрических схем, в которых им придется функционировать, называются специальными. Они не подвергаются стандартизации и широкой нормализации.

Все элементы электроники

характеризуются целым набором различных электрических параметров. Среди них основными специалисты считают следующие: те, которые характеризуют стабильность, надежность и потери; те, которые позволяют оценить способность переносить длительные воздействия электрических нагрузок; те, которые определяют пределы допускаемых отклонений и номинальные значения их величин.

Научно-образовательный портал ТУСУР | Интегральные устройства радиоэлектроники. Часть 2. Элементы интегральных схем и функциональные устройства: Учебное пособие / Романовский М. Н. — 2012. 127 с.

Содержание

10 Элементы биполярных ИС

10.1 Базовые технологические процессы

10.2 Биполярные транзисторы

10.2.1 Модель Гуммеля-Пуна

10.2.2 Эффекты вытеснения эмиттерного тока

10.2.3 Учет двумерных эффектов

10.3 Другие активные элементы

10.3.1 Диоды

10.3.2 Транзисторы

10.4 Пассивные элементы биполярных ИС

10.4.1 Конденсаторы

10.4.2 Резисторы

11 Элементы мдп — ИС

11.1 МДП — конденсаторы

11.2 МДП — транзисторы

11.3 МДП — резисторы

11.4 Инверторы на МДПп — транзисторах

11.5 Технология n-моп сбис

11.6 Конструктивные особенности кмдп — ИС

11.7 Метод пропорциональной микроминиатюризации

11.8 Пределы уменьшения размеров элементов ИС

12 Элементы интегральных схем на арсениде галлия

12.1 Биполярные гетеротранзисторы

12.2 Полевые транзисторы шоттки

12.3 Резонансно-туннельные диоды и транзисторы

12.4 Вертикальные одноэлектронные приборы на основе двухбарьерных структур

13 Элементы интегральной оптики

13.1 Основные задачи интегральной оптики

13.2 Планарные диэлектрические волноводы

14.3.1 Лазеры на гомопереходах и гетероструктурах

14.3.2 Раздельное электронное и оптическое ограничение

14.3.3 Распределенная обратная связь

15 Акустоэлектронные устройства

15.1 Общие сведения

15.1.1 Поверхностные акустические волны

15.1.2 Преобразователи ПАВ

15.1.3 Звукопроводы

15.1.4 Элементы управления

15.2 Устройства для обработки сигналов

15.2.1 Линии задержки

15.2.2 Резонаторы

15.2.3 Фильтры

Литература

Заведующий кафедрой «Радиоэлектроника и телекоммуникации» издал монографию «Плоский металлодиэлектрический волновод и устройства на его основе»

Заведующий кафедрой «Радиоэлектроника и телекоммуникации», профессор Афонин Игорь Леонидович издал монографию «Плоский металлодиэлектрический волновод и устройства на его основе».

В монографии рассмотрено новое конструкторско-технологическое решение линии передачи — плоский металлодиэлектрический волновод (ПЛМДВ). Линия передач выполнена на основе диэлектрической пластины с четырехсторонней металлизацией. Теоретический анализ ПЛМДВ на основе лучевых представлений обеспечивает физическую наглядность и простоту понимания пространственной картины поля на всех этапах решения задачи, что способствует осуществлению разработки методов построения основных элементов тракта.

Реализация элементов на основе ПЛМДВ открывает возможности создания измерителей параметров как самого плоского металлодиэлектрического волновода, так и устройств, построенных на его основе. Антенно-волноводный тракт, составленный из элементов, построенных на основе плоского металлодиэлектрического волновода, позволяет упростить конструкцию, технологию изготовления, это обеспечивает улучшение метрологических, эксплуатационных и, что весьма актуально, экономических показателей радиотехнических систем.

При этом решены следующие задачи:

проанализировано современное состояние теории и практики применения металлодиэлектрических волноводов и измерительных устройств на их основе. Выявлены достоинства, недостатки и пути совершенствования таких направляющих линий передачи;
проведен теоретический анализ плоского металлодиэлектрического волновода, а также разработаны основные измерительные элементов на его основе;
осуществлен структурный синтез измерителей параметров ПЛМДВ — погонное затухание и длины волны в волноводе, а также модулей и аргументов комплексных коэффициентов отражения (ККО) и передачи (ККП) микроволновых устройств на основе ПЛМДВ;
разработаны математические модели измерителей и алгоритмы обработки информации, получаемой с микроволновых преобразователей;
экспериментально исследованы разработанные образцы волновода, волноводные элементы и измерители их параметров.

Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Института радиоэлектроники и информационной безопасности ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет» и лично доценту Виктору Васильевичу Саламатину за помощь и полезные советы при подготовке работы.

Библиографические данные

Открытое образование — Основы электротехники и электроники

В курсе рассматриваются основные методы расчета установившихся и переходных процессов в электрических цепях, их применение к наиболее распространенным в инженерной практике электронным схемам, включая усилители, выпрямители, стабилизаторы, триггеры и другие устройства. Большое внимание уделено свойствам и характеристикам полупроводниковых элементов: диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, операционных усилителей, простейших логических элементов. Отдельные главы посвящены схемотехнике цифровых устройств, включая ЦАП и АЦП. Комплекс тестовых и индивидуальных заданий позволит овладеть практическими навыками проектирования и расчета электронных схем, необходимых для осуществления профессиональной деятельности..

Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видео-лекций, изучение текстовых материалов с примерами, иллюстрирующими теоретические положения, выполнение тестовых заданий с анализом ответов и с рекомендациями обучающимся, а также выполнение учебных и контрольных заданий, в которых будет использоваться стандартное приложение для построения и анализа электронных схем. Предусмотрено промежуточное контрольное тестирование по каждому разделу курса и итоговое контрольное тестирование по всему содержанию курса.

1. Аверченков О.Е.. Схемотехника: аппаратура и программы. М.: ДМК Пресс, 2012. 588 с.
2. Ткаченко Ф.А. Электронные приборы и устройства. Минск: Новое знание; М.: ИНФРА-М, 2011. 682 с.
3. Попов В.П.. Основы теории цепей. М.: Юрайт, 2012. 696 с
. 4. Бурбаева Н.В., Днепровская Т.С. Основы полупроводниковой электроники. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 312 с.
5. Цифровая схемотехника : учеб. пособие для студентов / Е. П. Угрюмов. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 816 с.: ил.; 24 см. – ISBN: 978-5-9775-0162-0

6. Музылева И.В. Элементная база для построения цифровых систем управления. – М. Техносфера, 2006. – 144с. ISBN 5-94836-099-7
7. Импульсная электроника / Е. Ф. Лебедев, Е. А. Мелешко, Ю. С. Протасов, К. Ю. Сахаров. — Москва : Янус-К, 2011-2013. — (Электроника в техническом вузе. Прикладная электроника / под общ. ред. И. Б. Федорова). — ISBN 978-8037-0549-9.

Для успешного освоения курса основ электротехники и электроники необходимы знания математического анализа, теории функций комплексного переменного, общей физики.

РАЗДЕЛ 1. Основы теории электрических цепей
Тема 1. Основные понятия теории цепей. Идеализированные пассивные и активные элементы
Тема 2. Система уравнений электрического равновесия
Тема 3. Простейшие линейные цепи при гармоническом воздействии
Тема 4. Методы расчета сложных электрических цепей
Тема 5. Четырехполюсники
Тема 6. Переходные процессы в цепях с сосредоточенными параметрами
РАЗДЕЛ 2. Электронные приборы
Тема 1. Электропроводность полупроводников
Тема 2. Физические процессы в p-n-переходе
Тема 3. Полупроводниковые диоды
Тема 4. Биполярные транзисторы
Тема 5. Полевые транзисторы
РАЗДЕЛ 3. Усилители аналоговых сигналов
Тема 1. Усилители
Тема 2. Усилительные каскады на биполярных транзисторах
Тема 3. Усилительные каскады на полевых транзисторах
Тема 4. Усилительные каскады на операционных усилителях (ОУ)
РАЗДЕЛ 4. Элементы цифровой электроники
Тема 1. Базовые элементы цифровой электроники
Тема 2. Схемотехника логических элементов
Тема 3. Комбинационные устройства
Тема 4. Последовательные устройства
Тема 5. Запоминающие устройства
Тема 6. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

По окончании освоения дисциплины обучающийся будет способен:

применять основные законы электротехники и методы расчета и анализа электрических цепей к решению поставленных задач по проектированию электронных устройств;
ставить и решать схемотехнические задачи, связанные с выбором элементной базы при заданных требованиях к параметрам аналоговых и цифровых устройств, на основе использования основных свойств и характеристик различных полупроводниковых элементов (приборов) и типовых схем, а также на основе знания принципов работы и параметров наиболее распространенных аналоговых и цифровых схемотехнических устройств;

Основной набор. Уровень 1 (Основы электроники)

Конструктор помогает узнать суть электроники и из чего она состоит. Набор содержит резисторы, кнопки, транзисторы, конденсаторы, излучатели звука, индикаторы, реле и различные микросхемы. Два учебных пособия из комплекта конструктора расскажут о том, как эти компоненты могут использоваться для создания самых разных устройств.

В рамках учебного курса из 30-ти уроков предстоит изучить основы, такие как закон Ома и закончить сборкой собственных электронных устройств с использованием микросхем.
В уроках рассматриваются принципиально важные моменты для любого электронщика. Это правила построения электрических цепей, принципы использования мультиметра для измерения их параметров, основы создания колебательных систем, принципы формирования цифровых сигналов, варианты применения счетчика импульсов, таймера, логических элементов и многое другое. Основу каждого урока составляет один или несколько экспериментов, помогающих на практике узнать как все работает. Все, что необходимо, для проведения экспериментов — от электронных компонентов до инструментов, входит в состав конструктора.

В учебном пособии стартового набора доступны 30 уроков с экспериментами из общего учебного курса:

Урок №1. Основные понятия электричества.
Напряжение, сопротивление, мощность, сила тока, закон Ома.
Урок №2. Светодиод.
Особенности применения и подключения
Урок №3. Тактовая кнопка.
Использование в электрической цепи
Урок №4. Работа с мультиметром.
Методика измерения электрических характеристик
Урок №5. Переменное сопротивление.
Реостат и потенциометр, их назначение и применение.
Урок №6. Транзисторы.
Описание и разновидности. Построение цепи на основе биполярного транзистора
Урок №7. Последовательное соединение проводников.
Характеристики и особенности. Расчет электрической цепи.
Урок №8. Терморезистор и фоторезистор.
Описание и особенности использования.
Урок №9. Делитель напряжения.
Принцип деления напряжения. Расчет параметров цепи.
Урок №10. Вольт-амперная характеристика.
Определение и функциональное предназначение.
Урок №11. RGB-светодиод.
Особенности подключения полноцветного светодиода.
Урок №12. Параллельное соединение проводников.
Характеристики и особенности. Расчет электрической цепи.
Урок №13. Конденсатор.
Разновидности, характеристики и применение.
Урок №14. Однопереходный транзистор.
Принцип работы и практическое использование в схемах.
Урок №15. Создание простого колебательного контура.
Мигающий светодиод.
Урок №16. Начало работы с микросхемами.
Микросхема счетчика импульсов в мини-проекте «Бегущий огонёк».
Урок №17. Применение микросхемы триггера Шмитта в цифровых системах.
Мини-проект «Автоматический бегущий огонёк».
Урок №18. Особенности работы с 7-сегментным цифровым индикатором.
Мини-проект «Змейка».
Урок №19. Знакомство с логическими элементами.
Микросхема с элементом «НЕ» в мини-проекте «Автоматический ночной светильник»
Урок №20. Микросхема с логическим элементом «И».
Понятие обратной связи и мини-проект «Код доступа».
Урок №21. Триггеры в электронике.
Микросхема D-триггера в мини-проекте «Пластификатор цифр».
Урок №22. Изучение 555-го таймера.
Моностабильный режим работы. Мини-проект «Таймер для домофона».
Урок №23. Работа 555-го таймера в режиме генератора непрерывных колебаний.
Мини-проект «Полицейский маяк».
Урок №24. Принципы создания звука. Звуковой динамик.
Мини-проект «Музыкальный синтезатор».
Урок №25. Расширенное управление таймером.
Мини-проект «Спецсигналы».
Урок №26. Применение драйвера 7-сегментного индикатора.
Мини-проект «Секундомер».
Урок №27. Разновидности электродвигателей. Коллекторный двигатель и управление им с помощью реле.
Мини-проект «Привод автомобильного стеклоочистителя».
Урок №28. Управление электродвителем с применением Н-моста.
Мини-проект «Лебедка».
Урок №29. Микросхема-драйвер для управления электродвигателем.
Мини-проект «Повелитель мотора».
Урок №30. Управление сервоприводом.
Мини-проект «Сервометроном».

Состав набора:

Учебное пособие по основам электроники
часть 1 — 1 шт.

Набор светодиодов:
Красный — 5 шт.
Желтый — 5 шт.
Зеленый — 5 шт.

Набор резисторов:
120 Ом — 10 шт.
240 Ом — 10 шт.
1 кОм — 10 шт.
10 кОм — 10 шт.
100 кОм — 10 шт.

Набор тактовых кнопок с колпачками:
Тактовый кнопки — 3 шт.
Цветные колпачки — 3 шт.

Биполярный транзистор
n-p-n типа — 5 шт.

Переменный резистор (потенциометр) — 1 шт.

Фоторезистор VT93N1 — 1 шт.

Набор перемычек для макетной платы — 1 шт.

Болтовой клеммник — 1 шт

Макетная плата
82х53 — 1 шт.

Соединительные провода
«папа-папа» длиной 20 см
— 20 шт

Батарейный отсек на 4 батарейки АА — 1 шт.

Мультиметр цифровой — 1 шт.

Набор электролитических конденсаторов:
1 мкФ — 5 шт.
47 мкФ — 5 шт.
4,7 мкФ — 5 шт.
100 мкФ — 5 шт.
220 мкФ — 5 шт.

Термистор 10 кОм — 1 шт.

RGB светодиод — 1 шт.

Биполярный транзистор
p-n-p типа — 5 шт.

Батарейки АА — 4 шт.

Для данного товара еще нет отзывов, ваш отзыв может стать первым!

Производитель: Эвольвектор

Серия: Основы электроники

Страна производитель: Россия

Возраст: 12-14 лет,от 14 и старше

«Основные элементы электрической цепи. Часть 2»

Общий курс «Основы мастерства от «А» до «Я» будет состоять из 25 – 30 уроков. Записывайтесь на курс и получайте напоминания о каждом новом занятии: Уважаемые мастера-установщики!

Мы продолжаем курс вебинаров «Основы мастерства от «А» до «Я» и приглашаем вас на следующее онлайн-занятие по теме:

Основные элементы электрической цепи. Часть 2: диод, стабилитрон, светодиод, биполярный транзистор..

Вебинар состоится:

29 апреля в 18:00 (Мск)
30 апреля в 11:00 (Мск)

Ссылка для входа на вебинар

В запланированную дату и время проведения вебинара доступ по ссылке будет открытым. Вас встретят технические специалисты StarLine и проведут online-обучение. Для хорошего качества трансляции рекомендуем подключаться к вебинару через стационарную точку доступа в интернет.

Общий курс «Основы мастерства от «А» до «Я» будет состоять из 25 – 30 уроков. Записывайтесь на курс и получайте напоминания о каждом новом занятии:

Основные элементы электрической цепи. Часть 3: реле, реле с замыкающими контактами, реле с размыкающими контактами, реле с переключающими контактами, силовые ключи.

30 апреля в 18:00 (Мск)
6 мая в 11:00 (Мск)

Устройство автомобильного охранного комплекса: функции охранного комплекса, защита от угона, охранные функции, сервисные функции, устройство охранного комплекса.

6 мая в 18:00 (Мск)
7 мая в 11:00 (Мск)

В условиях мирового прогресса, глобализации, развития технологий, одни профессии стремительно исчезают, а другие также стремительно появляются. Именно поэтому в научно-образовательной среде XXI век характеризуется как время постоянного самообразования. Чем больше современный специалист приобретает новых компетенций, тем легче ему находить новые пути для профессионального развития и роста дохода.

Чтобы оттачивать профессиональное мастерство, увеличивая свою ценность и конкурентоспособность как специалиста, необходимо опираться на прочный фундамент базовых теоретических и практических знаний.

Профессии мастера в области автозащиты сегодня не обучают в техникумах, колледжах, на различных курсах. Мастера – это специалисты из смежных областей, которые самостоятельно развили свои компетенции в данном направлении. Поэтому, задача курса «Основы мастерства от «А» до «Я» помочь таким специалистам получить комплексные теоретические и практические базовые знания в области автозащиты.

Курс дает возможность как тем, кто знакомится с профессией, так и опытным специалистам повысить уровень своих знаний или восполнить недостающие пробелы: от знакомых многим со школы законов физики к базовым принципам радиоэлектроники.

У меня много практического опыта. Зачем получать теоретические знания?

Теория важна, потому что она объясняет механизмы, задействованные в каждой конкретной ситуации. Зная теорию, вы можете анализировать свои практические результаты и вывести универсальную модель действий, которая затем адаптируется к различным жизненным случаям. Понимая основы радиоэлектроники вы можете придумывать новые, свои собственные уникальные авторские методы и подходы к автозащите, оставляя позади конкурентов.

У меня такой багаж знаний, что я и сам могу учить других специалистов. Чем мне будет полезен этот курс?

Уверены, что даже эксперты с глубокими познаниями в области радиоэлектроники почерпнут на наших вебинарах для себя что-то новое. Ведь каждая онлайн-встреча, кроме обучения, также подразумевает диалог и обмен опытом между специалистами. Если вы считаете, что вам есть, чем поделиться с коллегами по профессии, присоединяйтесь к числу наших менторов. Присылайте свои идеи по проведению вебинаров и контактные данные для обратной связи по адресу [email protected].

Будет ли курс включать практические задачи?

Да, программа включает в себя как теоретическую, так и практическую часть обучения.

Что будет по итогам обучения и планируется ли выдача сертификата?

После окончания обучения вы пройдете финальное тестирование для закрепления своих знаний и получите сертификат, подтверждающий, что вы прошли курс повышения квалификации.

StarLine надежно защищает с умом

StarLine Победит!

Основы радиоэлектроники презентация, доклад

Текст слайда:

Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его основных характеристик, таких как способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения и метод модуляции последней, параметры предискажаюшей цепи звукового сигнала.

Для цветного телевидения добавляется метод передачи сигналов цветности совместно с сигналом яркости. Для черно-белого телевидения в различных странах существует 10 стандартов, которые принято обозначать латинскими буквами В, D, G, Н, I, К, К1, L, М, N.
Независимо от стандарта общим принципом формирования изображения является принцип разбиения изображения на отдельные элементы и поэлементной передачи всего изображения в виде совокупности строк и кадров ( телевизионного растра.)

По способу передачи сигналов цветности различают три стандарта цветного телевидения: SЕСАМ, NTSC и РАL. Каждая из трех систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике применяются девять разновидностей РАL, шесть — SЕСАМ и один стандарт из группы NТSС.

Стандарты аналогового ТВ:

NTSC (National Television Standards Committee). Эта система была разработана в США и принята для вещания в 1953 г. Стандарт обеспечивает разрешение в 525 строк, обновляется с частотой 30 кадров в секунду (вернее, 60 полукадров (полей) с учетом чересстрочной развертки). Основной недостаток NTSC — высокая чувствительность к искажениям сигнала на уровне канала передачи. В настоящее время этот стандарт используется в большинстве стран Северной и Южной Америки и некоторых азиатских государствах.

PAL (Phase Alternation Line) — используемый практически во всем мире стандарт, принятый в 1967 г. Его главное преимущество перед американской разработкой — высокая стабильность информации об оттенке изображения. Сигнал имеет разрешение 625 строк при 25 кадрах в секунду (50 полей).

SECAM (Sequential Color With Memor) начали использовать в некоторых странах с 1969 г. Этот стандарт, как и PAL, имеет большое вертикальное разрешение (625 строк). При этом передача двух цветоразностных сигналов производится последовательно, а сигнал яркости — непрерывно, что позволяет получать устойчивый оттенок и стабильную насыщенность изображения.

Информация и руководства »Электроника

Радио теперь является ключевой частью повседневной жизни — от радиовещания до мобильной связи и многого другого. . .

Радиотехнология и радиочастотный дизайн или радиочастотный дизайн являются ключевыми для работы многих устройств, таких как радиоприемники, мобильные телефоны, маршрутизаторы Wi-Fi и многие другие устройства на основе радиосвязи.

Понимание используемых строительных блоков и принятых методов позволяет эффективно проектировать, поддерживать и использовать RF.

Радиосигналы и модуляция

Можно использовать множество различных форм радиосигнала. От простых форм модуляции, таких как амплитудная, частотная и фазовая модуляция, до сложных сигналов с использованием таких методов, как прямая последовательность с расширенным спектром и мультиплексирование с ортогональным частотным разделением, в радиотехнике используется множество различных методов и технологий.

Описание различных типов модуляции и формы сигнала во многих случаях сопровождается электронными схемами, используемыми для их модуляции и демодуляции.Они полезны для проектирования радиочастотных схем, которые должны обрабатывать эти формы модуляции.

РФ Строительные блоки

В радиочастотном дизайне используется множество различных строительных блоков электронных схем. Существуют блоки электронных схем, такие как смесители, аттенюаторы и фильтры, которые широко используются для разработки радиочастот.

Радиоприемники

Важная область проектирования RF связана с конструкцией радиоприемника. Существует множество различных форм радиоприемников, каждый из которых имеет свои особенности.Также описаны различные спецификации и параметры, используемые в конструкции RF, и спецификации этих различных методов.

Основы радио

В этом разделе будут рассмотрены некоторые основные элементы радио и что это такое:

С увеличением количества всех форм беспроводной связи для всего, от мобильной / сотовой связи до таких приложений, как Wi-Fi и многие другие стандарты беспроводной связи, радиочастота или радиочастотный дизайн и радиочастотные технологии в целом приобретают большое значение.Даже если вы не принимаете непосредственного участия в проектировании радиочастот или настройке приложений для беспроводной и радиосвязи, понимание радиочастотных технологий и радиочастотных технологий может быть очень полезным.

Группа радиочастотной электроники | NIST

ОБЗОР

Группа микроволновой электроники проводит фундаментальные исследования в области электромагнетизма, включая измерения, моделирование и теорию, для поддержки передовых технологий беспроводной связи и других ключевых национальных приоритетов в области электромагнетизма на радиочастотных, микроволновых и миллиметровых волнах.Исследования сосредоточены на прослеживаемых измерениях фундаментальных микроволновых величин, таких как мощность и импеданс; расширенные волноводные измерения и стандарты для сред интегральных схем; фундаментальные свойства материалов и моделирование в радиочастотах, микроволновых и миллиметровых диапазонах волн; и метрология нелинейных микроволновых систем, устройств и материалов. Разработка эффективных стратегий для распространения основных измеряемых величин, включая данные измерений, подходы к анализу и моделирование, также является ключевым направлением деятельности группы.

ОСНОВНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Отслеживаемая мощность микроволн

Отслеживаемые измерения микроволновой мощности имеют решающее значение для разработки и развертывания новых и существующих систем беспроводной связи. Мощность микроволн является фундаментальной величиной, и прослеживаемые измерения с погрешностями обеспечивают прочную основу для многих различных типов измерений, относящихся к беспроводной связи, особенно для измерений модулированного сигнала, точной оценки систем, компонентов и устройств, а также для определения характеристик материалов.Работа в этой области включает разработку и оценку прослеживаемых первичных эталонов для микроволновой энергии, а также эталонов передачи и услуг измерения для распространения прослеживаемой мощности среди микроволновых и коммуникационных сообществ.

Отслеживаемый импеданс

Фундаментальная метрология связи требует способности однозначно определять импеданс эталонной среды и обеспечивать линейные преобразования измерений в интересующие эталонные плоскости измерения.Это достигается для нескольких проводимых систем с помощью серии физических эталонов, которые используются для определения эталонного импеданса 50 Ом, с тщательным анализом неопределенности и распространяются через процесс сравнительных измерений с управляемым качеством. Метрология прослеживаемого импеданса также применяется для разработки прослеживаемых нелинейных измерений для беспроводной связи.

Материалы на кристалле

Все телекоммуникационные компоненты — транзисторы, усилители, смесители и т. Д.- изготовлены из материалов. Знание свойств материала, будь то электрические, механические или термические, необходимо для прогнозирования работы устройства. Если можно предсказать, как устройство будет работать, можно будет создавать более сложные интегрированные телекоммуникационные компоненты.

Конечно-элементное и мультифизическое моделирование повсеместно используется при проектировании и разработке устройств для беспроводной связи текущего и будущего поколений, таких как интегрированные многополосные фильтры, переключатели, межкомпонентные соединения, дуплексеры, циркуляторы и т. Д.Точность моделей для компонентов беспроводной связи в первую очередь зависит от точности параметров входящего материала, которые может быть трудно оценить в широком диапазоне частот, особенно для материалов, которые демонстрируют неоднородные, анизотропные и / или нелинейные свойства. Метрология, сфокусированная на точной оценке свойств микроволнового материала за пределами линейных, изотропных и однородных пределов, позволит использовать новые подходы к проектированию микроволновых компонентов для уменьшения помех, повышения энергоэффективности, более высокой спектральной эффективности и более высокого уровня интеграции в беспроводную связь.Это достигается в первую очередь за счет подробных сравнений вычислительных моделей с точными широкополосными измерениями планарных тестовых структур, изготовленных на заказ.

Расширенная метрология ИС

Для правильной работы современная электроника — транзисторы, усилители, смесители и т. Д. — должна одновременно управлять электрическими сигналами большой амплитуды с частотой до десяти гармоник (т. Е. Кратных) рабочей частоты. Для разработки этого управления требуется испытательное оборудование для генерации диагностических сигналов большей амплитуды с точно известными и контролируемыми величинами и фазами на этих гармониках.В рамках программы «Инновации в измерительной науке» мы создаем оптоэлектронный многотональный синтезатор электрических сигналов большой амплитуды от постоянного тока до 1 ТГц. Ключевые идеи заключаются в том, чтобы объединить большие амплитуды новых электронных усилителей с терагерцовым диапазоном оптики и разделить частоты для уменьшения шума. Эта работа выходит за рамки предоставления NIST новых инструментов для исследования новых материалов и фундаментальной физики путем облегчения испытаний с большой амплитудой современной электроники, работающей на частотах выше 40 ГГц.Эти тесты ускоряют внедрение телекоммуникационных систем с высокой пропускной способностью и малой задержкой, необходимых для обеспечения лидерства США в области автономной инфраструктуры, эксафлопсных вычислений и дополненной реальности.

Поваренная книга по радио и электронике | ScienceDirect

Выбрать все Front Matter

Доступ к полному тексту

Front Matter

Copyright

Приобретение

Select 37 — Радиомодуль СВ на солнечной энергии

Глава книги Нет доступа

37 — Радиоприемник СВ на солнечной энергии

Страницы 129-132

Страницы 312-315

Покупка

Выбрать 88 — Согласование антенны с произвольной подачей с торца

Глава книги Нет доступа

88 — Согласование с произвольной антенной с концевой подачей проводная антенна

Страницы 315-319

Покупка

Принципы радио | Базовая теория переменного тока

Одно из наиболее интересных применений электричества — это генерация невидимых волн энергии, называемых радиоволнами .Ограниченный объем этого урока по переменному току не позволяет полностью изучить концепцию, некоторые из основных принципов будут рассмотрены.

Когда Эрстед случайно открыл электромагнетизм, стало ясно, что электричество и магнетизм связаны друг с другом.

Когда электрический ток пропускался через проводник, создавалось магнитное поле, перпендикулярное оси потока. Аналогичным образом, если проводник подвергался изменению магнитного потока перпендикулярно проводнику, по длине этого проводника создавалось напряжение.

До сих пор ученые знали, что электричество и магнетизм всегда, казалось, влияют друг на друга под прямым углом. Однако главное открытие было скрыто прямо за этой, казалось бы, простой концепцией взаимосвязанной перпендикулярности, и ее открытие стало одним из поворотных моментов в современной науке.

Взаимосвязь электрического и магнитного полей

Этот прорыв в физике трудно переоценить. Человек, ответственный за эту концептуальную революцию, был шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), который «объединил» изучение электричества и магнетизма в четырех относительно аккуратных уравнениях.

По сути, он обнаружил, что электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом, с наличием проводящего пути для протекания тока или без него. Говоря более формально, открытие Максвелла было следующим:

Изменяющееся электрическое поле создает перпендикулярное магнитное поле, и

Изменяющееся магнитное поле создает перпендикулярное электрическое поле.

Все это может происходить в открытом космосе, где переменные электрические и магнитные поля поддерживают друг друга, пока они движутся в космосе со скоростью света.Эта динамическая структура электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве, более известна как электромагнитная волна .

Есть много видов естественной радиационной энергии, состоящей из электромагнитных волн. Даже свет по своей природе является электромагнитным. Таковы рентгеновские лучи и «гамма-излучение».

Единственное различие между этими видами электромагнитного излучения заключается в частоте их колебаний (чередование электрического и магнитного полей взад и вперед по полярности).Используя источник переменного напряжения и специальное устройство, называемое антенной , мы можем с легкостью создавать электромагнитные волны (гораздо более низкой частоты, чем у света).

Типы антенн

Антенна — это не что иное, как устройство, созданное для создания рассеивающего электрического или магнитного поля. Два основных типа антенн — это диполь и петля : Рисунок ниже

Антенны дипольные и рамочные.

Хотя диполь выглядит как разомкнутая цепь, а петля — как короткое замыкание, эти отрезки провода являются эффективными излучателями электромагнитных полей при подключении к источникам переменного тока соответствующей частоты.Два открытых провода диполя действуют как своего рода конденсатор (два проводника, разделенных диэлектриком), при этом электрическое поле может рассеиваться, а не концентрироваться между двумя близко расположенными пластинами.

Замкнутый провод рамочной антенны действует как индуктор с большим воздушным сердечником, снова предоставляя широкие возможности для рассеивания поля от антенны вместо того, чтобы концентрироваться и удерживаться, как в обычном индукторе.

Когда активный диполь излучает свое изменяющееся электрическое поле в космос, изменяющееся магнитное поле создается под прямым углом, таким образом поддерживая электрическое поле дальше в космос, и так далее, когда волна распространяется со скоростью света.

Поскольку питаемая рамочная антенна излучает свое изменяющееся магнитное поле в космос, изменяющееся электрическое поле создается под прямым углом, с тем же конечным результатом, что непрерывная электромагнитная волна направляется в сторону от антенны. Обе антенны решают одну и ту же основную задачу: контролируемое создание электромагнитного поля.

Функции антенны

При подключении к источнику высокочастотного переменного тока антенна действует как передающее устройство , преобразуя переменное напряжение и ток в энергию электромагнитной волны.Антенны также способны улавливать электромагнитные волны и преобразовывать их энергию в переменное напряжение и ток. В этом режиме антенна действует как приемное устройство : Рисунок ниже

Базовый радиопередатчик и приемник.

Хотя об антенной технологии можно сказать еще , этого краткого введения достаточно, чтобы дать вам общее представление о том, что происходит (и, возможно, достаточно информации, чтобы спровоцировать несколько экспериментов).

ОБЗОР:

Джеймс Максвелл обнаружил, что изменяющиеся электрические поля создают перпендикулярные магнитные поля, и наоборот, даже в пустом пространстве.
Двойной набор электрических и магнитных полей, колеблющихся под прямым углом друг к другу и движущихся со скоростью света, составляет электромагнитную волну .
Антенна — это устройство из проволоки, предназначенное для излучения изменяющегося электрического поля или изменяющегося магнитного поля при питании от высокочастотного источника переменного тока или для перехвата электромагнитного поля и преобразования его в переменное напряжение или ток.
Дипольная антенна состоит из двух отрезков провода (не соприкасающихся), которые в первую очередь генерируют электрическое поле при подаче энергии и, во-вторых, создают магнитное поле в космосе.
Петля Антенна состоит из петли из проволоки, которая в первую очередь генерирует магнитное поле, когда находится под напряжением, и, во-вторых, создает электрическое поле в космосе.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Радиочастотная аналоговая электроника на транзисторах из углеродных нанотрубок

Аннотация

Возможность использования однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ) в современной электронике представляет собой постоянный основной источник интереса к этим материалам.Однако масштабируемая интеграция SWNT в схемы является сложной задачей из-за трудностей в управлении геометрией, пространственным положением и электронными свойствами отдельных ламп. Мы реализовали решения некоторых из этих проблем, чтобы получить аналоговые электронные устройства SWNT на радиочастотах (RF), такие как узкополосные усилители, работающие в полосе частот VHF с коэффициентом усиления до 14 дБ. В качестве демонстрации мы изготовили радиоприемники на основе нанотрубок на транзисторах, в которых устройства SWNT обеспечивают все ключевые функции, включая резонансные антенны, фиксированные радиочастотные усилители, радиочастотные смесители и усилители звука.Эти результаты представляют собой важные первые шаги к практической реализации SWNT в высокоскоростных аналоговых схемах. Сравнительные исследования показывают определенные преимущества в производительности по сравнению с кремнием и возможности, которые дополняют возможности существующих полупроводниковых технологий.

Изобретение транзистора в 1947 году знаменует рождение эпохи твердотельной электроники (1). Полный спектр прикладных возможностей начал открываться широкой публике несколько лет спустя, когда исследователи разработали подходы для преодоления многих научных и технических проблем, связанных с внедрением транзисторов в недорогие портативные радиостанции (2, 3).Затем последовали более совершенные системы аналоговых схем и, в конечном итоге, приложения цифровой логики, расширив тем самым сферу применения транзисторов практически до всех форм современных технологий. Хотя однослойные углеродные нанотрубки (ОСНТ) обладают многими замечательными свойствами, транзисторы на их основе должны пройти аналогичную последовательность разработки, если они хотят играть важную роль в передовой электронике. Высокий уровень сложности, связанный с этой разработкой, эмпирически очевиден из истории данной области.Например, более 15 лет всемирных исследований, начавшихся с открытия нанотрубок, не дали реалистичных демонстраций даже базовых систем, обеспечивающих прирост мощности в радиочастотном (РЧ) диапазоне. Здесь мы описываем некоторый прогресс в области аналоговой РЧ-электроники на основе SWNT, включая усилители мощности на углеродных нанотрубках, которые работают в полосе частот VHF. Эти результаты, вместе с интеграцией этой технологии в транзисторные радиоприемники, в которых используются устройства из нанотрубок для резонансных антенн, фиксированных РЧ-усилителей, РЧ-смесителей и аудиоусилителей, могут стать важными первыми шагами в разработке SWNT для РЧ-электроники и других связанных приложений.

Перспективы ОСНТ для электроники обусловлены их высокой подвижностью и допустимой нагрузкой по току (4, 5), а также их низкой собственной емкостью (6). Транзисторы и небольшие простые цифровые логические устройства, которые полагаются на отдельные ОСНТ, подтверждают это обещание (7–9) благодаря сравнительным исследованиям, проведенным на низких частотах по сравнению с монокристаллическим кремнием (10). Масштабируемая интеграция ОСНТ в цифровые схемы является сложной задачей, хотя недавние работы с собранными отдельными лампами в качестве активных элементов или относительно плотными, горизонтально выровненными массивами трубок в качестве тонкопленочных полупроводников являются перспективными (11–18).Тем не менее, разработка SWNT для технологии цифровой электроники, которая могла бы конкурировать с кремнием, обескураживает. Аналоговая электроника (19–21), напротив, представляет собой иную и менее изученную область применения ОСНТ. Аналоговые устройства имеют много общих проблем, связанных с их цифровыми аналогами, но они могут быть реализованы на сравнительно более низких уровнях плотности интеграции и в компоновках, которые могут лучше использовать исключительные электронные и тепловые свойства SWNT.Кроме того, аналоговые устройства требуют линейности, и было продемонстрировано, что ОСНТ обладают потенциалом для обеспечения линейности, намного превосходящей то, что возможно с кремнием или полупроводниками III – V (22). Недавние отчеты показывают некоторые измерения собственной высокоскоростной работы в транзисторах, которые используют отдельные лампы или невыровненные наборы ламп, и, в самом недавнем случае, использование однолампового устройства в качестве микшера в радиоприемнике (23), но без каких-либо макеты или производительность, которые потребуются для реалистичных приложений (20, 23–25).В частности, критически важной частью аналоговой электронной схемы является усилитель мощности, который преобразует небольшие входные сигналы в выходные сигналы с относительно высокой мощностью, пригодные для дальнейшей обработки. Возможность достижения усиления мощности на высоких частотах с оконечной нагрузкой 50 Ом важна для приложений в устройствах радиосвязи, глобальных системах позиционирования (GPS), модулях радаров и т. Д. В данной статье представлены прямые измерения коэффициента усиления ВЧ мощности для узкополосных усилителей на транзисторах, в которых используются горизонтально ориентированные массивы ОСНТ в качестве тонких полупроводниковых пленок.Способность этих устройств управлять стандартными оконечными системами 50 Ом приводит к их прямому использованию в аналоговой электронике. Транзисторные радиоприемники на нанотрубках, в которых устройства на основе нанотрубок обеспечивают все ключевые функции, демонстрируют важный пример этой возможности.

Результаты и обсуждение

Для этих систем мы разработали расширенные версии базовых макетов, о которых мы недавно сообщили (11). В частности, горизонтально выровненные массивы ОСНТ с чрезвычайно линейной конфигурацией и высокими уровнями выравнивания занимают области каналов транзисторных устройств, где они вместе действуют как эффективный полупроводник тонкопленочного типа.Каждая из нескольких тысяч SWNT в устройстве обеспечивает электрически непрерывный и независимый путь для переноса заряда. Для достижения РЧ-характеристик мы разработали конструкции устройств, которые обеспечивают как диэлектрики затвора с высокой емкостью ( C _г) и малой паразитной емкости перекрытия ( C _gd), с электродами с низким сопротивлением и контактными площадками. Электроды определяют малую длину затвора ( L _g, до 750 нм), точно выровненный по истоку, стоку (Ti, 1 нм; Pd, 10 нм; Au, 300 нм для истока и стока; Ti, 10 нм; Au, 300 нм для затвора) ), создаваемый либо электронно-лучевой (ebeam) литографией (Raith, eLine), либо фотолитографией в контактном режиме (MJB8, Karl Suss).Процедуры юстировки обеспечивали точность ≈50 и ≈500 нм для первого и второго процессов, соответственно, что определялось измеренным расположением электродов. Длины электродов затвора, изготовленных методом электронной литографии, были несколько меньше (≈100 нм), чем длина каналов (то есть расстояния между электродами истока и стока). Диэлектрики затвора состояли либо из бислоя HfO ₂ (≈10 нм), нанесенного атомным слоем, поверх слоя бензоциклобутена (BCB, ≈20 нм, Dow Chemical), отлитого спином на ОСНТ, либо из одного слоя a HfO ₂ (≈50 нм), нанесенный электронно-лучевым испарением (3 × 10 ⁻⁵ Торр; Temescal CV-8) непосредственно на ОСНТ.Емкость тонкой пленки первого и второго типов диэлектриков составляла ≈160 нФ / см ² и ≈210 нФ / см ² соответственно. рисунок 1 A показывает схематические изображения компоновки устройства вместе со сканирующим электроном (рис. 1). B ) и оптический (рис.1 C ) микрофотографии. Матрицы ОСНТ имели среднюю плотность> 5 ОСНТ / мкм с пиковыми значениями до ≈25 ОСНТ / мкм в почти идеальной параллельной линейной компоновке, где> 95% трубок охватывают электроды истока и стока, и есть отсутствие пересечения или перекрытия трубок / трубок.Эти устройства и обеспечиваемая ими производительность являются значительным техническим достижением по сравнению с предыдущими результатами (11). рисунок 1 D показывает измерения постоянного тока типичного устройства, изготовленного методом электронно-лучевой литографии с диэлектриком HfO ₂, L _г = 0,75 мкм и шириной канала ( W ) 600 мкм. Это устройство и ему подобные показывают преимущественно поведение канала p ; модификации конструкции и обработки могут дать либо n канал, либо амбиполярный режим.В этом примере г _m достигает ≈17 мс при смещении стока -1 В и затворе -0,5 В. Устройство способно выдавать токовые выходы до десятков мА. Расчетный средний рабочий ток на одну нанотрубку в этих устройствах составляет ≈5 мкА. Относительно низкое соотношение токов во включенном и выключенном состояниях объясняется значительной заселенностью (≈1 / 3) металлических ОСНТ в канале. Хотя такие низкие отношения включения / выключения препятствуют применению в цифровой логике, они могут быть приемлемы в аналоговых радиочастотных системах, где устройства работают в узком диапазоне напряжений около фиксированной точки смещения.

Рисунок 1.

Схематические иллюстрации, изображения и электрические свойства транзисторов с решеткой радиочастотных углеродных нанотрубок. ( A ) Схематическое изображение в разобранном виде ВЧ-транзистора, в котором используются параллельные выровненные массивы ОСНТ для полупроводника. Критические аспекты конструкции включают: ( i ) выровненные электроды истока, стока и затвора для устранения паразитной емкости, ( ii ) короткие затворы и диэлектрики затвора с высокой емкостью для максимизации крутизны, и ( iii ) низкие провода сопротивления и контактные площадки.( B ) Сканирующая электронная микрофотография пар электродов исток / сток с перемычками из ОСНТ. Средняя плотность ОУНТ ≈5 ОУНТ на мкм. ( Вставки ) Увеличенные изображения. В устройствах использовались схемы разделения затвора с контактными площадками в конфигурации «земля – сигнал – земля», подходящей для прямого измерения с помощью векторного анализатора цепей. ( C ) Оптическая микрофотография массива устройств на кварцевой пластине. ( Врезка ) Увеличенное изображение. ( D ) Передаточные характеристики типичного устройства с длиной и шириной канала ≈0.75 мкм и 600 мкм соответственно, сформированные методом электронно-лучевой литографии. Красная и синяя кривые показывают зависимость крутизны ( г _м) и ток стока при напряжении затвора, оба измерены при смещении исток / сток -1 В.

Большие значения г _м вместе с малым C _г, C _gd, приводят к устройствам с хорошей производительностью в диапазоне RF.Рис. 2 A и B показывают данные (символы) параметров двух портов S для устройства с W = 300 мкм и L _g = 8 мкм и диэлектрик HfO ₂ / BCB для частот от 10 МГц до 10 ГГц. Результаты моделирования (сплошные линии) с использованием эквивалентной схемы слабого сигнала (вставка на рис. 2В) с крутизной г _м = 9,7 мСм сопротивление шунта малого сигнала R ₀ = 220 Ом, емкость затвор-сток ° C _gd = 1.9 пФ, а сопротивление стока R _d = 120 Ом, дает параметры S , которые соответствуют экспериментальным результатам с точностью до 1 дБ в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц. Эта простая четырехпараметрическая модель хорошо работает, потому что R _d большой, что позволяет игнорировать C _GS, C _DS и R _с.Значения R _d и C _gd близки к ожиданиям по геометрии устройства и материалам. Продукт г _м и R ₀ составляет ≈2, что соответствует устройству, которое имеет ≈68% полупроводниковых нанотрубок, если мы предположим, что проводимость на трубку металлических нанотрубок равна максимальной крутизне на трубку полупроводниковых нанотрубок, в результате чего мы подтверждаются эмпирически в наших измерениях одиночных устройств SWNT (11, 20).Рис. 2 C показывает график текущего усиления (| H ₂₁ | ²) и максимально доступное усиление ( G _max) как функция частоты для устройства с W = 100 мкм и L _г = 4 мкм и диэлектрик HfO ₂ / BCB. Максимально доступный прирост мощности ( G _макс) для транзистора (26) где коэффициент устойчивости, K , определяется выражением

Инжир.2.

Амплитудно-частотная характеристика РЧ транзисторов с массивом углеродных нанотрубок. ( A и B ) Диаграмма Смита и график амплитуды измеренных (символы) и смоделированных (линии) параметров двухпортового S для устройства с длиной канала 8 мкм и шириной 300 мкм. ( Врезка ) Модель с четырьмя параметрами, используемая для моделирования устройства. ( C ) Текущее усиление (| H ) ₂₁ | ²) и максимально доступной мощности ( G _max) как функция частоты для устройства с длиной канала 4 мкм и шириной 100 мкм, показывая f _Т = 2.5 ГГц и f _макс = 1,1 ГГц. ( Д ) Участок из ф _T и f _max в зависимости от устройств длины затвора с шириной канала 300 мкм.

Извлеченные частоты среза для усиления по току и мощности: f _Т = 2.5 ГГц и f _max = 1,1 ГГц соответственно.

Масштабирование этих величин с помощью L _г, показано на рис.2 D , предоставляет дополнительную информацию. Для диффузионного переноса собственная крутизна должна быть пропорциональна L _г ⁻¹, тогда как измерения показывают более слабую зависимость от L _г.Эта разница возникает из-за эффективной крутизны, извлеченной из вольт-амперных кривых, которая является функцией не только собственной крутизны, но и сопротивления шунта, R ₀, связанный с металлическими нанотрубками, который прямо пропорционален L _г. На рис. 2D показан вариант f . _T и f _макс с л _г для фотолитографически определенных устройств с двухслойным диэлектриком, W = 300 мкм и L _г от 2 мкм до 32 мкм.Опытным путем находим, что f _T весы как L _г ⁻¹, тогда как f _max масштаб примерно как L _г ^-0,5. Первое масштабирование относительно легко понять, потому что f _T пропорционально г _м/ C _гд, г _м пропорционально L _г ^-1 и C _gd преобладает паразитная емкость, возникающая из-за краевых полей, что делает эту величину практически независимой от L _г.(На частотах около f _T, емкостное сопротивление намного меньше, чем R ₀ и определяет поведение устройства.) Поведение f _max существенно сложнее. Моделирование на основе модели слабого сигнала, в которой г _м весы как L _г ^-1 и R ₀ пропорционально L _g предсказать нетривиальное поведение для f _max, что соответствует, но не совсем то же самое, соразмерность L _г ^−0.5.

Отметим, что пиковая подвижность (т.е. до ≈2,500 см ² / Vs для L _г = 32 мкм), собственные скорости (т. Е. CV / I = 16 пс для L _g = 4 мкм) и собственные частоты среза (т. Е. До 15 ГГц для L _g = 4 мкм) все они демонстрируют значительные преимущества по сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами аналогичного масштаба (10).Обычные технологии III – V обеспечивают более высокую производительность, но в — -канальном режиме. [Дополнительное обсуждение см. В дополнительной информации (SI) Текст и таблица SI 1.]

Усилители мощности SWNT.

Эти устройства способны обеспечивать усиление мощности, когда вход и выход должным образом согласованы по импедансу, что дает возможность создавать усилители, которые работают в диапазоне УКВ. Рис. 3 A показывает схематическую иллюстрацию системы измерения для узкополосного усилителя, в котором последовательный индуктор обеспечивает согласование импеданса.Индуктор комбинируется с C _gd для формирования резонатора, повышающего напряжение на входе транзистора SWNT, который имеет двухслойный диэлектрик, W = 300 мкм и L _г = 4 мкм. Эти усилители обеспечивали прирост мощности 1–14 дБ при стандартной нагрузке 50 Ом для частот до 125 МГц. Рис. 3 B показывает коэффициент усиления мощности как функцию частоты для четырех разных усилителей.Результаты моделирования (линия на рис. B ), используя те же значения, которые воспроизводят параметры S , как описано для рис. A и B указывают на то, что дополнительное усиление ≈5 дБ может быть получено путем надлежащего согласования импеданса на выходе.

Рис. 3.

Принципиальные схемы и АЧХ ВЧ усилителей на транзисторах с матрицами углеродных нанотрубок.( A ) Принципиальная схема РЧ-усилителя на основе SWNT с иллюстрацией измерительной системы. ( B ) График теоретического максимального стабильного усиления, рассчитанного на основе данных параметра S (линия) и измеренного S ₂₁ данные для узкополосных усилителей (условные обозначения) с разными согласующими индукторами.

SWNT Транзисторные радиоприемники.

Мы изготовили радиоприемник на нанотрубках, используя эти типы усилителей и другие компоненты транзисторов SWNT, чтобы продемонстрировать несколько наиболее важных элементов аналоговой электроники (рис.4 А ). Подложки с устройствами были разрезаны на микросхемы, каждая из которых содержала по три SWNT-транзистора, а затем соединены проводами в обычный керамический корпус DIP. Рис. 4 B показывает построенные схемы и комплектные устройства. В радиоприемнике используется гетеродинный приемник, состоящий из четырех каскадов с емкостной связью: активной резонансной антенны, двух фиксированных РЧ-усилителей и аудиоусилителя, все они основаны на устройствах SWNT. В активной резонансной антенне используется магнитная дипольная антенна, образованная из 33 витков проволоки диаметром 6 дюймов и индуктивностью 92.4 мкГн. Антенна объединена параллельно с переменным конденсатором и емкостью затвор-сток транзистора SWNT, чтобы получить от цепи резервуара LC, которая увеличивает напряжение РЧ-сигнала в 30 раз за счет увеличения импеданса. Транзистор SWNT служит буфером для преобразования этого высокоимпедансного сигнала обратно в 460 Ом, что приводит к увеличению полезной мощности 30 дБ на резонансной частоте. В целях тестирования антенна была спроектирована так, чтобы резонировать на частоте 1090 кГц, что соответствует местной радиостанции в Балтиморе, штат Мэриленд, области.Два ВЧ-усилителя были сконструированы с использованием той же базовой конструкции, что и на рис. 3. Последовательная катушка индуктивности и шунтирующий конденсатор используются в качестве трансформатора импеданса для повышения напряжения на затворе полевого транзистора. В этом случае использовалась катушка индуктивности 440 мкГн, а емкость затвор-сток полевого транзистора была дополнена внешним конденсатором, чтобы обеспечить общую емкость 48 пФ. Первый каскад ВЧ-усилителя обеспечивает усиление сигнала +20 дБ на резонансной частоте. Второй РЧ-усилитель выполнял двойную функцию: обеспечение усиления и демодуляция сигнала.Смещение напряжения затвора второго усилителя немного выше точки максимального усиления создает большую вторую гармонику на выходе усилителя. При подаче амплитудно-модулированного входного сигнала на этот нелинейный усилитель был получен демодулированный сигнал звуковой частоты с коэффициентом преобразования (смесителя) +8 дБ. Конструкция звукового усилителя была аналогична конструкции РЧ-усилителей, за исключением того, что вход был соединен с трансформатором для получения усиления звуковой частоты. Три транзистора SWNT были подключены параллельно, чтобы обеспечить эффективную крутизну 20 мСм.Этого было достаточно, чтобы обеспечить усиление мощности 20 дБ в стандартном динамике с сопротивлением 16 Ом на частоте 1 кГц. Аудиозапись сообщения о дорожном движении, полученного радиоприемником с нанотрубками, приведена в SI Movie 1; Спектр мощности этого выходного сигнала, в котором преобладают частоты в диапазоне человеческого голоса, показан на рис.4. С .

Инжир.4.

Принципиальные схемы, изображения и частотная характеристика радиоприемника, в котором для всех активных компонентов используются транзисторы из массива углеродных нанотрубок. ( A ) Блок-схемы и принципиальные схемы радиоприемника, в котором для резонансной антенны используются транзисторы SWNT, два фиксированных ВЧ-усилителя, ВЧ-смеситель и аудиоусилитель. ( B ) Изображение радиоприемника с увеличенными изображениями транзисторов SWNT, соединенных проводами в корпусах DIP. ( C ) Спектр мощности выходного радиосигнала, измеренный при нагрузке 16 Ом, записанный во время коммерческой трансляции сообщения о дорожном движении.

Выводы

Результаты, описанные здесь, представляют собой важные первые шаги к применению материалов SWNT в высокоскоростной аналоговой электронике таким образом, который, как представляется, имеет благоприятные характеристики масштабирования. Возможны сотни устройств, соединенных между собой в желаемые планарные схемы на кварце или даже переведенные на кремний, что открывает возможность создания систем со значительно более сложной функциональностью.Прямое уменьшение размеров представленных здесь типов устройств должно способствовать дальнейшему повышению производительности. Сравнительные исследования показывают, что этот класс устройств может обеспечить высокопроизводительную ВЧ-технологию канала p , способную дополнять кремний и III – V в гетерогенно интегрированных системах. Ключи к реализации полного потенциала этой технологии включают увеличение плотности трубок, устранение металлических трубок и уменьшение размеров устройства таким образом, чтобы сохранить высокую производительность.Эти возможности, а также стратегии повышения плотности SWNT в массивах являются многообещающими направлениями для будущих исследований.

Материалы и методы

Химическое осаждение массивов ОСНТ из паровой фазы.

Рост массивов ОСНТ осуществлялся методом химического осаждения из газовой фазы на кварце. Процесс начинается с очистки пластин монокристаллического кварца ST-среза и последующего отжига на воздухе при 900 ° C в течение 8 часов.Пленка Fe толщиной 0,1–0,2 нм осаждалась электронно-лучевым испарением (Temescal BJD1800, скорость испарения 0,1 А / с) на фотолитографически (стандартная УФ-фотолитография) узорчатый слой фоторезиста (AZ5214) на кварце. Фоторезист и остатки фоторезиста очищали ацетоном и стриппером (AZ Kwik) соответственно. Для формирования изолированных наночастиц оксида железа образцы затем отжигали при 900 ° C в течение 1,5 ч. Процесс выращивания SWNT начался с промывки камеры потоком Ar (3000 sccm) в течение 2 минут, а затем нагревания печи до 925 ° C при пропускании H ₂ (300 sccm).Пары этанола используются в качестве источника углерода при пропускании газов (8 куб. См H ₂ и 8 куб. См Ar) через барботер этанола, поддерживаемый при температуре 0 ° C в охладителе с водяной баней. Рост прекращали через 20 мин, после чего камеру охлаждали в потоке H ₂ и аргона. После выращивания сканирующая электронная микрофотография (Raith e-LiNE) ОСНТ была сделана с ускоряющим напряжением 1 кВ (SI рис. 5).

Производство транзисторов.

Устройства с удлиненным каналом.

Мы использовали стандартную УФ-фотолитографию для изготовления устройств для длинных каналов (2–32 мкм).Процесс изготовления устройств с большой длиной канала начался с изготовления электродов истока / стока на массиве SWNT методом УФ-фотолитографии (MJB8, Karl Suss) с использованием фоторезиста AZ5214. Металл для электродов истока и стока (Ti: 1 нм, Pd: 30 нм) был нанесен испарением электронным пучком (Temescal BJD1800; базовое давление 2e-6 торр). Отрыв осуществляли промыванием ацетоном в течение 10 мин с последующей промывкой изопропанолом и деионизированной водой. Кислородным реактивным ионным травлением (200 мТл, 20 sccm O ₂ поток, 100 Вт ВЧ мощность) удалялись ОСНТ за пределами области канала, которая была защищена узорчатым слоем фоторезиста (AZ5214).Спин-литье 2% BCB (20 нм) и осаждение атомных слоев HfO ₂ (10 нм) определяют двухслойные диэлектрики с высокой емкостью. Металл затвора (Ti, 2 нм; Au, 30 нм испарение электронным пучком Temescal BJD1800; базовое давление 2e-6 торр) определяется с помощью УФ-фотолитографии на верхней части диэлектрика. После определения металла затвора диэлектрик на контактных площадках истока / стока был удален травлением концентрированной HF кислотой.

Устройства с коротким каналом.

Изготовление устройств с коротким каналом (0.75 нм-2 мкм) с этими массивами ОСНТ начинали с нанесения покрытия центрифугированием слоя (400 нм) резиста электронным пучком (электронным пучком) (495PMMA-A6, Microchem) при 2000 об / мин в течение 30 с на ОСНТ / кварц. Затем образцы запекали на горячей плите при 220 ° C в течение 2 минут. Чтобы избежать зарядки во время процесса записи электронным пучком (электронным пучком), на резист был нанесен равномерный слой алюминия (12 нм) путем испарения электронным пучком (Temescal BJD1800; базовое давление 2e-6 торр). Схема исток-сток была определена с помощью инструмента литографии электронного луча (Raith e-LiNE) с использованием ускоряющего напряжения 10 кВ и дозы тока 140 мкКл / см ².После записи Al был удален травящим раствором КОН; ПММА проявляли погружением в раствор 1: 3 части раствора МИБК и IPA на 45 с. Металл для электродов истока и стока (Ti, 1 нм; Pd, 10 нм; Au, 300 нм) наносился электронно-лучевым испарением (Temescal BJD1800; базовое давление 2e-6 торр). Отрыв осуществляли промыванием ацетоном в течение 10 мин с последующей промывкой изопропанолом и деионизированной водой. Кислородным реактивным ионным травлением (200 мТл, 20 sccm O ₂ поток, мощность ВЧ 100 Вт) удалялись ОСНТ за пределами области канала, которая была защищена узорчатым слоем фоторезиста (AZ5214).Диэлектрик затвора (50 нм HfO ₂) был нанесен испарением электронным пучком (Temescal BJD1800, базовое давление 2e-5 Торр). После осаждения диэлектрика структура затвора определялась на втором этапе литографии электронным пучком с использованием условий процесса, аналогичных тем, которые используются для слоя исток-сток. Электрод затвора был выровнен (точность ± 50 нм) относительно истока и стока с использованием ранее нанесенных по образцу маркеров совмещения. После определения металла затвора HfO ₂ на контактных площадках истока / стока был удален травлением концентрированной HF кислотой.

Транзисторный радиоприемник.

Дополнительные сведения см. SI Текст .

Благодарности

Этот материал основан на работе, поддержанной грантом Национального научного фонда NIRT-0403489 и Министерством энергетики США, наградой DEFG02-91ER45439 Отдела наук о материалах, через MRL Фредерика Зейтца и Центр микроанализа материалов в Университете Иллинойса в Урбане– Шампанское.

Сноски

** Кому может быть адресована корреспонденция. Электронная почта: hong.zhang {at} ngc.com или jrogers {at} uiuc.edu
Вклад авторов: C.K., H.-s.K., T.B., J.A.R., A.A.P., S.V.K., J.E.B. и H.Z. спланированное исследование; C.K., H.-s.K., T.B., A.A.P., S.V.K. и J.E.B. проведенное исследование; C.K., H.-s.K., J.A.R., A.A.P., S.V.K., J.E.B. и H.Z. проанализированные данные; и C.K., J.A.R., A.A.P., J.Э. Б., Х. З. написал газету.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/cgi/content/full/0709734105/DC1.

MSC — Главный техник радиоэлектроники

** Для правомочных отобранных кандидатов разрешено вознаграждение в размере 33 202 долларов США.Фактическая сумма рассчитывается как 25% от базовой заработной платы. Поощрение выплачивается единовременно в начале работы в Командовании и требует двухлетнего соглашения о службе. Кандидаты в CIVMAR (VEOA) и анкенты, выбранные для работы в качестве главного техника по радиоэлектронике, не имеют права на поощрения при приеме на работу. **

Главный техник по радиоэлектронике — моряк гражданской службы (CIVMAR), нанятый ВМФ для обслуживания военного командования морских перевозок (MSC) на борту вспомогательных военно-морских сил и военных кораблей с гибридным пилотом по всему миру, в мирное и военное время.MSC существует для поддержки объединенного военного истребителя на протяжении всего спектра военных операций. MSC обеспечивает своевременную логистику, стратегические морские перевозки, а также специализированные миссии в любой точке мира, в спорных или неоспоримых условиях.

Главный техник по радиоэлектронике несет прямую ответственность перед судовым офицером связи (SCO) или капитаном судна при назначении на вспомогательные суда (T-ARS или T-AFT). Главный техник по радиоэлектронике отвечает за отдел коммуникаций и является хранителем EKMS местного элемента связи (LE) по вопросам или вопросам EKMS.

Может получить и поддерживать Совершенно секретный допуск безопасности.

разбирается в компьютерных протоколах, безопасности информации (IA), приложениях и мерах по их устранению.

Знание теории электроники и компетентность для выполнения всего необходимого осмотра оборудования, оценки характеристик, поиска и устранения неисправностей, профилактического и корректирующего обслуживания, а также мелкого ремонта судовых систем связи. Полностью владеет работающим радио-криптографическим оборудованием.Сотрудник должен иметь опыт интерпретации технических руководств по электронике, чертежей, спецификаций и схематических чертежей.

Владеет правильным использованием широкого спектра диагностических программ, электронного испытательного оборудования и инструментов. Имеет опыт диагностики проблем и определения соответствующих корректирующих действий.

Знание Программы электробезопасности и требований безопасности к оборудованию, с которым работаете. Требуется соблюдать все правила техники безопасности и принимать соответствующие меры для обеспечения личной безопасности и безопасности коллег.Должностное лицо может быть назначено координатором отключения / блокировки отдела. Владеет судовыми аварийными тренировками и работает на высоте.

Знаком с политикой и процедурами, относящимися к обязанностям и ответственности альтернативного хранителя EKMS Local Element (LE).

В обязанности входит:

Контролирует выделенный вахтенный персонал. Подготавливает и координирует плановые графики технического обслуживания в соответствии с требованиями ШОС. Оказывает техническую помощь и проводит необходимое обучение.Поддерживает технические публикации и файлы. Обеспечивает соблюдение процедур и инструкций COMSEC, связанных с криптобезопасностью, безопасностью передачи и безопасностью эмиссии. Обеспечивает соблюдение техники безопасности.

Контролирует ИТ-персонал в компьютерной среде (CE), выполняющий сканирование уязвимостей информационных систем с использованием инструментов, утвержденных Министерством обороны (DOD) или частным сектором. Выполняет резервное копирование системы, сканирование на наличие компьютерных вирусов, внедрение мер безопасности в соответствии с отраслевыми требованиями и / или требованиями Министерства обороны США.Управляйте компьютерными активами. Поддерживает локальную сеть (LAN) судовой или промышленной компании.

Управляет передачей информационных технологий с использованием военных или коммерческих спутников, тактической LOS, HF, UHF, VHF и HF Longhaul связи. Операции обычно выполняются в боевой группе с использованием определенных схем и протоколов. Соответствует требованиям COMSEC как к передаче, так и к приему коммуникационных сообщений.

Устранение неполадок при отключении локальной сети и / или компьютерных систем.Диагностирует системные сбои, чтобы изолировать сбои между оборудованием, системным программным обеспечением и прикладными программами. Расследует и сообщает о проблемах CE или нарушениях безопасности Information Assurance (IA) вышестоящему органу для решения.

Управляет работой информационных систем для поддержки всемирной телекоммуникационной сети. Назначенные системы включают, помимо прочего, MDU / MDS, NAVMACS II, GATEGUARD, NIPR / SIPRNET, ADNS и COMPOSE SYSTEMS.

Консультирует SCO о возможностях, ограничениях и состоянии оборудования.От сотрудника может потребоваться работа на высоте и в стороне, чтобы проверить состояние оборудования.

Взаимодействует с персоналом службы технической поддержки и коллегами для решения технических проблем с оборудованием и программным обеспечением. Предоставляет техническую помощь персоналу, занимающемуся системным программированием и выбором оборудования. Оказывает помощь в обслуживании клиентов и / или обучение в соответствии с потребностями и требованиями миссии / компании.

Управляет командованием, управлением, связью, компьютером и системами (C4S), включая оборудование, используемое для связи, отслеживания, распознавания и идентификации.Системы, которые должны оставаться в полной работоспособности, включают способность судна обрабатывать два защищенных канала радиовещательной спутниковой связи (FLTBROADCAST) для секретного трафика, CUDIXS с полным периодом завершения для отправки и получения трафика Genser и тактической информации через GCCS-M, NGW и CBSP, если они есть.

Руководит и обучает назначенный персонал.

Обеспечивает постоянное применение и соблюдение законов, правил и политик EEO. Выполняет политики EEO и сообщает о поддержке этих политик подчиненным.

Все в этом описании позиции считается важной функцией этой позиции. Выполняет другие обязанности по назначению.

основных компонентов, общих для всех радиосистем | Беспроводные полевые приборы и беспроводные каналы передачи данных большого радиуса действия

Системы

«Радио» используют электромагнитные поля для передачи информации на большие расстояния через открытое пространство. В этом разделе исследуются некоторые основные компоненты, общие для всех радиосистем, а также математический анализ, необходимый для прогнозирования характеристик радиосвязи.

Антенны

A Радиоволна — это форма электромагнитного излучения, состоящего из колеблющихся электрических и магнитных полей. Антенна представляет собой не что иное, как проводящую структуру, предназначенную для излучения радиоволн при возбуждении от высокочастотного источника электроэнергии и / или генерации высокочастотных электрических сигналов при перехвате радиоволн. Здесь представлены три распространенных конструкции антенн:

Антенна Yagi с ее элементами «директор» и «отражатель» вперед и назад от дипольного элемента демонстрирует высокую степень направленности , тогда как дипольные и «штыревые» антенны имеют тенденцию одинаково хорошо излучать и принимать электромагнитные волны в все направления перпендикулярны их осям.Направленные антенны идеально подходят для таких приложений, как радары, а также для приложений связи точка-точка. Всенаправленные антенны, такие как диполь и штырь, лучше подходят для приложений, требующих одинаковой чувствительности в нескольких направлениях.

Здесь представлена фотография реальной антенны Yagi, используемой в системе SCADA:

Длина волны (\ (\ lambda \)) любой волны — это скорость ее распространения, деленная на ее частоту. Для радиоволн скорость распространения — это скорость света (\ (2.8 \) метров в секунду, обычно обозначается как \ (c \)), а частота выражается в герцах:

\ [\ lambda = {c \ over f} \]

Размеры антенны связаны с длиной волны сигнала, поскольку антенны наиболее эффективно работают в условиях электрического резонанса . Другими словами, физический размер антенны таков, что она будет электрически резонировать на определенных частотах: основной частоты , а также гармоник (целые кратные) этой основной частоты.По этой причине размер антенны обратно пропорционален частоте сигнала: низкочастотные антенны должны быть большими, а высокочастотные антенны могут быть небольшими.

Например, четвертьволновая «штыревая» антенна, разработанная для применения в промышленном приемопередатчике на 900 МГц, будет иметь длину примерно 8,3 сантиметра. Такая же конструкция антенны, применяемая к радиопередатчику AM-вещания, работающему на частоте 550 кГц, будет иметь длину примерно 136 метров !

На следующей фотографии показана штыревая антенна на половину волны , расположенная на крыше здания.Дополнительная длина этой конструкции делает ее более эффективной, чем ее четвертьволновая собрата. Эта конкретная антенна составляет примерно один метр в длину от разъема до наконечника, что дает значение полной длины волны (\ (\ lambda \)) 2 метра, что эквивалентно 150 МГц:

Децибел

Одним из математических инструментов, широко используемых в радиочастотной (RF) работе, является десятичный логарифм , используемый для выражения отношений мощностей в единице, называемой децибел . Основная идея децибел состоит в том, чтобы выразить сравнение двух электрических мощностей в логарифмических терминах.Каждый раз, когда вы видите единицу «децибел», вы можете подумать: это выражение того, насколько больше (или меньше) одна степень по отношению к другой . Вопрос только в том, какие две силы сравниваются.

Электронные усилители — это тип электрической системы, в которой полезно сравнивать мощность. Студенты-электронщики учатся сравнивать выходную мощность усилителя с входной мощностью в безразмерном соотношении, которое называется коэффициентом усиления . Возьмем, к примеру, электронный усилитель с входным сигналом 40 милливатт и выходным сигналом 18.4 Вт:

Альтернативный способ выразить коэффициент усиления этого усилителя — это сделать это с помощью единицы измерения Bel , определяемой как десятичный логарифм коэффициента усиления:

\ [\ log \ left (P_ {out} \ over P_ {in} \ right) = \ log \ left (18,4 \ hbox {W} \ over 40 \ hbox {mW} \ right) = 2,66276 \ hbox {B } \]

Когда вы видите коэффициент усиления усилителя, выраженный в единицах «Бел», это на самом деле просто способ сказать: «Выходной сигнал, исходящий от этого усилителя, в \ (x \) раз больше входного сигнала.Усилитель с коэффициентом усиления 1 Бел выдает в 10 раз больше мощности, чем входной сигнал. Усилитель с коэффициентом усиления 2 Белса усиливает входной сигнал в 100 раз. Показанный выше усилитель с коэффициентом усиления 2,66276 Белса усиливает входной сигнал в 460 раз.

В какой-то момент технологической истории было решено, что «Бел» (B) слишком большой и громоздкий для единицы, и поэтому стало обычным выражать мощность в долях бела: деци Бел (1 дБ = \ (1 \ более 10 \) Бел).Следовательно, это форма формулы, которую вы обычно будете видеть для выражения мощности RF:

\ [\ hbox {дБ} = 10 \ log \ left (P_ {out} \ over P_ {in} \ right) \]

Коэффициент усиления нашего гипотетического электронного усилителя, следовательно, чаще выражается как 26,6276 дБ, а не 2,66276 Б, хотя оба выражения технически верны.

Операция, с которой студенты часто сталкиваются, — это преобразование числа в децибелах обратно в соотношение, поскольку концепция логарифмов, кажется, вызывает всеобщее недоумение.Здесь я продемонстрирую, как алгебраически манипулировать формулой децибел, чтобы найти отношение мощностей, заданное в дБ.

Во-первых, мы начнем с приведенной формулы децибел, решая значение в децибелах при соотношении мощностей:

\ [\ hbox {дБ} = 10 \ log (\ hbox {Ratio}) \]

Если мы хотим найти соотношение, мы должны «отменить» все математические операции, связанные с этой переменной. Один из способов определить, как это сделать, — это изменить порядок операций, которым мы следовали бы, если бы знали соотношение и искали значение в дБ.После вычисления отношения, мы затем логарифм этого значения, а затем умножаем этот логарифм на 10: начнем с отношения, затем возьмем логарифм, а затем умножим последним. Чтобы отменить эти операции и найти соотношение, мы должны отменить каждую из этих операций в обратном порядке. Во-первых, мы должны отменить умножение (разделив на 10):

\ [{\ hbox {dB} \ over 10} = {10 \ log (\ hbox {Ratio}) \ over 10} \]

\ [{\ hbox {дБ} \ более 10} = \ log (\ hbox {Ratio}) \]

Затем мы должны отменить функцию логарифмирования, применив ее математический обратный к обеим сторонам формулы, сделав каждое выражение степенью 10:

\ [10 ^ {\ hbox {дБ} \ более 10} = 10 ^ {\ log (\ hbox {Ratio})} \]

\ [10 ^ {\ hbox {дБ} \ более 10} = \ hbox {Соотношение} \]

Чтобы проверить нашу алгебру, мы можем взять предыдущее значение в децибелах для нашего гипотетического ВЧ-усилителя и посмотреть, дает ли эта новая формула исходный коэффициент усиления:

\ [\ hbox {Соотношение} = 10 ^ {\ hbox {26.{\ hbox {2.66276 B}} \]

\ [\ hbox {Ratio} = 460 \]

Разумеется, мы приходим к правильному коэффициенту усиления 460, начиная с коэффициента усиления в децибелах 26,6276 дБ.

Мы также можем использовать децибелы для выражения мощности потерь в дополнение к мощности прироста . Здесь мы видим пример радиочастотного (RF) сигнального кабеля, теряющего мощность по всей своей длине, так что выходная мощность меньше входящей мощности:

\ [10 \ log \ left (P_ {out} \ over P_ {in} \ right) = 10 \ log \ left (37 \ hbox {mW} \ over 40 \ hbox {mW} \ right) = -0.3386 \ hbox {дБ} \]

Сравнивая этот результат с предыдущим результатом (с усилителем), мы видим очень важное свойство цифр в децибелах: любое усиление мощности выражается как положительное значение децибел, в то время как любые потери мощности выражаются как отрицательные значения . Значение децибел. Любой компонент, выводящий точно такую же мощность, как и потребляемый, будет иметь значение «усиления» 0 дБ (эквивалентно коэффициенту усиления , равному , равному 1).

Помните, что белки и децибелы — это не что иное, как логарифмические выражения «больше чем» и «меньше чем».Положительные значения представляют степени, которые на больше , а отрицательные значения представляют степени, которые на меньше . Нулевые значения бел или децибел представляют без изменений (ни усиления, ни потерь) мощности.

Несколько простых значений децибел полезно запомнить для приближений, когда вам нужно быстро оценить значения децибел из отношений мощности (или наоборот). Каждое сложение или вычитание 10 дБ в точности представляет 10-кратное умножение или деление отношения мощностей: e.грамм. +20 дБ представляет усиление отношения мощностей 10 \ (\ times \) 10 = 100, тогда как \ (- 30 \) дБ представляет уменьшение отношения мощностей \ (1 \ более 10 \) \ (\ times \) \ ( 1 \ более 10 \) \ (\ раз \) \ (1 \ более 10 \) = \ (1 \ более 1000 \). Каждое сложение или вычитание 3 дБ приблизительно представляет собой двукратное умножение или деление или отношение мощностей: например, +6 дБ приблизительно равно усилению отношения мощностей 2 \ (\ times \) 2 = 4, тогда как \ (- 12 \) дБ приблизительно равно уменьшению отношения мощностей \ (1 \ over 2 \) \ ( \ times \) \ (1 \ over 2 \) \ (\ times \) \ (1 \ over 2 \) \ (\ times \) \ (1 \ over 2 \) = \ (1 \ over 16 \).Мы можем комбинировать приращения \ (\ pm \) 10 дБ и \ (\ pm \) 3 дБ, чтобы получить отношения, которые являются произведением 10 и 2: например, +26 дБ примерно равно коэффициенту усиления отношения мощностей 10 \ (\ times \) 10 \ (\ times \) 2 \ (\ times \) 2 = 400.

Посмотрите, что произойдет, если мы объединим компонент «усиления» с компонентом «потерь» и вычислим общую выходную мощность по сравнению с входящей мощностью:

Общее усиление этого ВЧ усилителя и кабельной системы, выраженное в виде отношения, равно произведению на отношений усиления / потерь отдельных компонентов.То есть коэффициент усиления усилителя , умноженный на на коэффициент потерь в кабеле, дает общий коэффициент мощности для системы:

\ [\ hbox {Общее усиление} = {17.02 \ hbox {W} \ более 40 \ hbox {mW}} = (460) (0,925) = 425,5 \]

В качестве альтернативы общее усиление может быть выражено в децибелах, и в этом случае оно равно сумме и значений отдельных компонентных децибел. То есть усиление усилителя в децибелах прибавило к потерям в децибелах в кабеле, получив общее значение в децибелах для системы:

\ [\ hbox {Общий выигрыш} = 10 \ log \ left ({17.02 \ hbox {W} \ более 40 \ hbox {mW}} \ right) = 26,6276 \ hbox {дБ} + (-0,3386 \ hbox {дБ}) = 26,2890 \ hbox {дБ} \]

Часто бывает полезно иметь возможность оценить значения в децибелах по отношениям мощностей и наоборот. Если мы возьмем коэффициент усиления этого усилителя и кабельной системы (425,5) и округлим его до 400, мы можем легко выразить это отношение усиления как увеличенное произведение 10 и 2:

.
\ [425,5 \ приблизительно 400 = (10) \ раз (10) \ раз (2) \ раз (2) \]
Зная, что каждое 10-кратное умножение коэффициента мощности является добавлением +10 дБ, и что каждое 2-кратное умножение мощности является добавлением +3 дБ, мы можем выразить расширенное произведение как сумму значений децибел:
\ [(10) \ times (10) \ times (2) \ times (2) = (10 \ hbox {дБ}) + (10 \ hbox {дБ}) + (3 \ hbox {дБ} ») + ( 3 \ hbox {дБ}) = 26 \ hbox {дБ} \]
Следовательно, у нас коэффициент мощности 425.5 примерно равно +26 децибел.
Децибелы всегда представляют собой сравнения мощности, но это сравнение не всегда должно быть \ (P_ {out} / P_ {in} \) для системного компонента. Мы также можем использовать децибелы, чтобы выразить количество мощности по сравнению с некоторым стандартным эталоном. Если, например, мы хотели бы выразить входную мощность нашего гипотетического ВЧ-усилителя (40 милливатт) в децибелах, мы могли бы сделать это, сравнив 40 мВт со стандартной «эталонной» мощностью ровно 1 милливатт. Результирующее значение в децибелах будет записано как «дБм» в честь эталона 1 м илливатт:
\ [P_ {in} = 10 \ log \ left (40 \ hbox {mW} \ over 1 \ hbox {mW} \ right) = 16.0206 \ hbox {дБм} \]
Единица «дБм» буквально означает количество дБ, «превышающее» 1 милливатт. В этом случае наш входной сигнал 40 милливатт на 16,0206 дБ больше, чем стандартная эталонная мощность ровно 1 милливатт. Выходная мощность этого усилителя (18,4 Вт) также может быть выражена в дБм:
\ [P_ {out} = 10 \ log \ left (18,4 \ hbox {W} \ over 1 \ hbox {mW} \ right) = 42,6482 \ hbox {дБм} \]
Мощность сигнала 18,4 Вт на 42,6482 дБ больше, чем стандартная эталонная мощность ровно 1 милливатт, поэтому его значение в децибелах равно 42.6482 дБм.
Обратите внимание, как выходная и входная мощности, выраженные в дБм, связаны с коэффициентом усиления усилителя. Если взять входную мощность и просто добавить коэффициента усиления усилителя, получим выходную мощность усилителя в дБм:
\ [P_ {вход} \ hbox {(дБ)} + P_ {усиление} \ hbox {(дБ)} = P_ {выход} \ hbox {(дБ)} \]
\ [16,0206 \ hbox {дБм} + 26,6276 \ hbox {дБ} = 42,6482 \ hbox {дБм} \]
Электронный сигнал, который на 16,0206 дБ превышает 1 милливатт, когда усиливается усилением 26.6276 дБ, станет на 42,6482 дБ больше, чем исходная эталонная мощность в 1 милливатт.
В качестве альтернативы мы можем выразить все мощности в этом гипотетическом усилителе относительно стандартной мощности в 1 ватт, с полученной мощностью, выраженной в единицах «дБВт» (децибел больше 1 ватта):
\ [P_ {in} = 10 \ log \ left (40 \ hbox {mW} \ over 1 \ hbox {W} \ right) = -13,9794 \ hbox {dBW} \]
\ [P_ {out} = 10 \ log \ left (18,4 \ hbox {W} \ over 1 \ hbox {W} \ right) = 12,6482 \ hbox {dBW} \]
Обратите внимание, как входная мощность в 40 милливатт соответствует отрицательному значению в дБВт, потому что 40 милливатт на меньше , чем эталонный 1 ватт, и как выходная мощность равна 18.4 Вт соответствует положительному значению в дБВт, потому что 18,4 Вт на больше , чем эталонный 1 Вт. Положительное значение в дБ означает «больше, чем», а отрицательное значение в дБ означает «меньше, чем».
Обратите также внимание на то, как выходная и входная мощности, выраженные в дБВт, по-прежнему связаны с усилением мощности усилителя путем простого сложения, как это было раньше, когда они выражались в единицах дБмВт. Принимая входную мощность в дБВт и просто добавляя коэффициента усиления усилителя, получаем выходную мощность усилителя в дБВт:
\ [P_ {вход} \ hbox {(дБ)} + P_ {усиление} \ hbox {(дБ)} = P_ {выход} \ hbox {(дБ)} \]
\ [- 13.9794 \ hbox {дБВт} + 26,6276 \ hbox {дБ} = 12,6482 \ hbox {дБВт} \]
Электронный сигнал, который начинается на 13,9794 дБ ниже 1 ватта, при усилении усилением 26,6276 дБ станет на 12,6482 дБ больше, чем исходная эталонная мощность в 1 ватт.
Это одно из основных преимуществ использования децибел для выражения мощности: мы можем очень легко вычислить прирост и потери мощности, суммируя цепочку цифр в дБ, причем каждая цифра в децибелах представляет усиление или потерю мощности для различных компонентов системы.Обычно любое объединение соотношений и включает умножение и / или деление этих соотношений, но с децибелами мы можем просто складывать и вычитать. Одним из интересных математических свойств логарифмов является то, что они «преобразуют» один тип проблемы в более простой тип: в данном случае проблема умножения отношений в (более простую) задачу сложения цифр в децибелах.
Например, мы можем выразить мощность, потерянную в линии передачи RF (двухжильный кабель), в децибелах на фут.Большая часть этой потери мощности происходит из-за нагрева диэлектрика, поскольку высокочастотное электрическое поле радиочастотного сигнала заставляет поляризованные молекулы в изоляции кабеля вибрировать и рассеивать энергию в виде тепла. Конечно, чем длиннее кабель, тем больше мощности будет потеряно при прочих равных условиях. Тип кабеля, имеющий коэффициент потерь \ (- 0,15 \) децибел на фут при частоте сигнала 2,4 ГГц, будет страдать \ (- 15 \) дБ на расстоянии 100 футов и \ (- 150 \) дБ на расстоянии 1000 футов. Чтобы проиллюстрировать, как децибелы могут использоваться для расчета мощности в конце радиочастотной системы, с учетом различных выигрышей и потерь на этом пути с использованием цифр в децибелах:
Диаграммы направленности антенн
Различные конструкции антенн неодинаковы в отношении того, насколько хорошо они излучают (и принимают) электромагнитную энергию.Каждая конструкция антенны имеет диаграмму излучения и чувствительности: в некоторых направлениях она максимально эффективна, а в других направлениях — минимально.
Некоторые распространенные типы антенн и диаграммы направленности показаны на следующих рисунках, относительные радиусы заштрихованных областей представляют степень эффективности в этих направлениях от антенны или к ней:
Следует отметить, что представленные здесь диаграммы направленности являются приблизительными и могут изменять свою форму, если антенна работает гармонично, а не на своей основной частоте.
Основной принцип теории антенн, называемый взаимностью , гласит, что эффективность антенны как излучателя электромагнитных волн отражает ее эффективность как коллектора электромагнитных волн. Другими словами, хорошая передающая антенна будет хорошей приемной антенной, и антенна, имеющая предпочтительное направление излучения, также будет максимально чувствительна к электромагнитным волнам, приближающимся с того же направления. Чтобы использовать Яги в качестве примера:
С взаимностью связана концепция эквивалентной ориентации передающей и приемной антенн для максимальной эффективности.Электромагнитные волны, излучаемые передающей антенной, имеют поляризацию , в определенной ориентации, при этом электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу. Такая же конструкция антенны будет максимально восприимчива к этим волнам, если ее элементы ориентированы одинаково. Простое правило, которому следует следовать: пары антенн всегда должны быть на параллельны друг другу, чтобы обеспечить максимальный прием, чтобы электрические и магнитные поля, исходящие от проводов передающей антенны, должным образом «соединялись» с проводами передающей антенны. приемная антенна (ы).Если целью является оптимальная связь в любом направлении (всенаправленность), дипольные и штыревые антенны должны быть расположены на вертикально так, чтобы все антенные проводники были параллельны друг другу независимо от их географического положения.
Пары антенн
Yagi могут быть ориентированы горизонтально или вертикально, при условии, что передающий и принимающий Yagi установлены с одинаковой поляризацией и обращены друг к другу. В промышленных радиоприложениях SCADA антенны Yagi обычно ориентированы так, чтобы дипольные провода были вертикальными, поэтому их можно использовать вместе с всенаправленными штыревыми или дипольными антеннами.Пример такого использования показан здесь с несколькими приемопередатчиками «Remote Terminal Unit» (RTU), обменивающимися данными с центральным приемопередатчиком «Master Terminal Unit» (MTU):
Здесь все антенны Yagi на RTU ориентированы вертикально, так что они будут соответствовать поляризации штыревой антенны MTU. Все антенны Yagi обращены в направлении MTU для оптимальной чувствительности. MTU, который должен транслировать и принимать от всех RTU, действительно нуждается во всенаправленной антенне.RTU, которым необходимо связываться только с одним MTU, а не друг с другом, лучше всего работают с высоконаправленными антеннами.
Если бы MTU был оснащен антенной Yagi вместо штыря, он бы хорошо взаимодействовал только с одним из RTU и, возможно, совсем не с некоторыми другими. Если бы все RTU были оснащены штыревыми антеннами вместо Yagis, они не были бы столь же восприимчивы к широковещательной передаче MTU (меньшее усиление), и каждому RTU потребовалась бы большая мощность передатчика для эффективной передачи на MTU.
Еще один важный принцип, который следует использовать при размещении любой антенны, — держать ее подальше от любых проводящих поверхностей или объектов, включая почву. Близость к любой проводящей массе искажает диаграмму направленности антенны, что, в свою очередь, влияет на то, насколько хорошо она может передавать и принимать в определенных направлениях. Если есть какое-либо последовательное правило, которому нужно следовать при настройке антенн для достижения максимальной производительности, то оно таково: располагайте их как можно выше и как можно дальше от мешающих объектов!
Расчет усиления антенны
Обычный способ выразить максимальную эффективность любой конструкции антенны — это соотношение по сравнению с какой-либо идеализированной формой антенны с более однородной диаграммой направленности.Как и в случае большинства измерений коэффициента в радиотехнике, стандартной единицей усиления антенны является децибел (дБ), что связано с соотношением мощностей следующим образом:
\ [\ hbox {усиление в дБ} = 10 \ log \ left ({P \ over P_ {ref}} \ right) \]
Наиболее распространенным эталоном, используемым для расчета усиления антенны, является чисто теоретическое устройство, называемое изотропной антенной . Это идеально всенаправленная антенна с идеально сферической диаграммой направленности:
Если направленная антенна, такая как Yagi, излучает (и / или принимает) в своем наиболее чувствительном направлении в 20 раз больше мощности, чем изотропная антенна, считается, что она имеет усиление мощности 13.01 дБи (13,01 d eci b els больше, чем i сотроп). Альтернативным «эталоном» для сравнения является полуволновая дипольная антенна. Сравнение децибел с диполем обозначается как дБд. Предположение об изотропной антенне в качестве эталона настолько распространено в радиотехнике, хотя вы часто видите усиление антенны, выраженное просто в единицах дБ. Предположение об изотропном эталоне (дБи) для выражений усиления антенны аналогично предположению об измерениях «RMS» в цепях переменного тока, а не «пиковом» или «размагниченном»: если вы видите напряжение переменного тока, выраженное без какого-либо квалификатора ( е.грамм. «117 вольт переменного тока»), обычно предполагается, что это измерение среднеквадратичного значения.
Штыревые антенны обычно демонстрируют оптимальное усиление 6 дБи (6 дБ примерно равно 4-кратному увеличению по сравнению с изотропной антенной), в то время как Yagis может достигать до 15 дБи (примерно равно 32-кратному увеличению). Конструкции параболических антенн типа «тарелка», такие как те, которые используются в системах микроволновой связи, могут достигать усиления до 30 дБи (\ (\ приблизительно \) 1000-кратное увеличение). Поскольку усиление антенны не является реальным усилением мощности — это невозможно в соответствии с Законом сохранения энергии, — большее усиление антенны достигается только за счет большего фокуса диаграммы направленности в определенном направлении.
Понятие усиления антенны очень легко неправильно понять, так как заманчиво думать о любом типе усиления как о реальном увеличении мощности. Усиление антенны на самом деле не более чем способ выразить, насколько сконцентрировал радиочастотную энергию излучающей антенны в одном направлении по сравнению с действительно всенаправленной антенной. Аналогия с усилением антенны — это то, как рупорный громкоговоритель фокусирует свою звуковую энергию больше, чем громкоговоритель без рупора. Рупорный динамик звучит на громче, чем динамик без рупора (только в одном направлении), потому что его звуковая энергия более сфокусирована.Два динамика могут получать одинаковое количество электроэнергии для воспроизведения звука, но более направленный из двух динамиков будет более эффективно передавать звук в одном направлении, чем в другом. Точно так же микрофон в форме рога будет иметь большую чувствительность в одном направлении, чем сопоставимый «всенаправленный» микрофон, предназначенный для одинакового приема звука со всех сторон. Подключенный к записывающему устройству, направленный микрофон, кажется, дает «усиление», посылая более сильный сигнал на записывающее устройство, чем всенаправленный микрофон в этом одном направлении.
Обратной стороной антенн, громкоговорителей и микрофонов с высоким коэффициентом усиления является то, насколько плохо они работают в направлениях, отличных от их предпочтительного направления. Любая передающая или принимающая структура, демонстрирующая «усиление» из-за ее сфокусированной диаграммы направленности, должна аналогичным образом демонстрировать «потерю» характеристик при испытании в направлениях, отличных от направления ее фокуса. Возвращаясь снова к направленным радиоантеннам, Yagi с заявленным усилением 15 дБи (в его «предпочтительном» направлении) будет демонстрировать сильное отрицательное усиление в обратном направлении, где его способность излучать и принимать практически отсутствует.
Если необходимо еще большее усиление сигнала, чем может быть достигнуто за счет более узкого фокуса излучения, к антенному узлу может быть добавлен реальный электронный усилитель для увеличения РЧ-мощности, отправляемой на антенну или принимаемой от нее. Это обычное явление для спутниковых антенных решеток, где РЧ-усилитель часто расположен прямо в фокусе параболической антенны. Спутниковая связь требует очень высоких коэффициентов усиления передатчика и приемника из-за неизбежного ослабления сигнала на чрезвычайно больших расстояниях между наземной антенной и спутниковой антенной на геостационарной орбите вокруг Земли.
Эффективная излучаемая мощность
При определении эффективности радиосистемы необходимо учитывать потери в кабелях, разъемах, грозовых разрядниках и других элементах пути прохождения сигнала в дополнение к самой антенне. Общепринятым способом количественной оценки этой эффективности является оценка радиосистемы по сравнению со стандартным эталоном, состоящим из идеальной дипольной антенны, подключенной к передатчику мощностью 1 милливатт без потерь. Обычно выражается в децибелах и называется эффективной излучаемой мощностью или ERP .Если идеальная модель антенны является изотропной, а не дипольной, то результат расчета называется эффективной изотропной излучаемой мощностью или EIRP .
Давайте рассмотрим следующий пример, где радиоприемопередатчик 2,4 ГГц выдает 250 милливатт радиочастотной (РЧ) мощности на антенну Yagi через коаксиальный кабель типа LMR 195 длиной 12 футов. Грозовой разрядник с потерей 0,5 дБ также является частью кабельной системы. Предположим, что усиление антенны для Yagi равно 9 дБи, а потери — 0.19 дБ на фут для кабеля LMR 195:
EIRP для этой радиосистемы составляет 30,2 дБ: сумма всех усилений и потерь, выраженная в децибелах. Это означает, что наша антенна Yagi будет излучать на 30,2 дБ (в 1047 раз) больше радиочастотной мощности в своем наиболее эффективном направлении, чем изотропная антенна излучает в том же направлении, питаемую от передатчика мощностью 1 милливатт. Обратите внимание, что если бы наша гипотетическая радиосистема также включала РЧ-усилитель между приемопередатчиком и антенной, его усиление также необходимо было бы включить в расчет EIRP.
Практическое применение EIRP — это то, как Федеральная комиссия по связи (FCC) устанавливает ограничения на радиопередатчики в Соединенных Штатах. В определенных диапазонах частот законом ограничивается не только полная мощность передатчика, но и EIRP передающей станции. Это имеет смысл, поскольку более направленная передающая антенна (то есть антенна с большим коэффициентом усиления) создаст впечатление, будто передатчик более мощный, чем он будет излучать от менее направленной антенны.Если бы ограничения FCC были основаны строго на выходной мощности передатчика, а не на EIRP, для передающей станции, соответствующей требованиям по мощности, все еще могло бы быть возможно создавать чрезмерные помехи за счет использования высоконаправленной антенны. Вот почему незаконно, например, подключение большой антенны к маломощному передающему устройству, такому как двусторонняя радиостанция («рация»): устройство двусторонней радиосвязи может эксплуатироваться без лицензии. только потому, что его EIRP достаточно низкий, чтобы не создавать помех другим радиосистемам.Если бы кто-то подключил более эффективную антенну к той же двусторонней радиостанции, ее эффективная излучаемая мощность может возрасти до неприемлемых уровней (согласно FCC), даже если исходная мощность, выходящая из схемы передатчика, не была увеличена.
Бюджет канала связи РФ
Электромагнитное излучение используется как средство передачи информации, «связывания» данных из одного физического места в другое. Чтобы это работало, величина потерь сигнала между передатчиком и приемником должна быть достаточно небольшой, чтобы сигнал не терялся в радиочастотном «шуме», исходящем от внешних источников и внутри самого радиоприемника.Мы можем выразить мощность радиочастоты (RF) в терминах сравнения с 1 милливаттом: 0 дБм = 1 милливатт, 3,01 дБм = 2 милливатта, 20 дБм = 100 милливатт и т. Д. Мы можем использовать дБм в качестве абсолютной шкалы измерения для передаваемых сигналов. уровни принимаемого сигнала, а также для выражения присутствия окружающего РЧ-шума (называемого «минимальным уровнем шума» из-за его появления в нижней части дисплея анализатора спектра). Мы можем использовать обычные дБ для выражения относительных коэффициентов усиления и потерь на пути прохождения сигнала.
Основная идея, лежащая в основе «бюджета РЧ-линии», состоит в том, чтобы добавить всех коэффициентов усиления и потерь в РЧ-системе — от передатчика до приемника с учетом всех промежуточных элементов — для обеспечения достаточно большой разницы между сигналом и шумом, чтобы гарантировать хорошая целостность передачи данных. Если мы учитываем все усиления как положительные значения в децибелах, а все потери как отрицательные значения в децибелах, мощность сигнала на приемнике будет простой суммой всех усилений и потерь:
\ [P_ {rx} = P_ {tx} + G_ {total} + L_ {total} \]
Где,
\ (P_ {rx} \) = Мощность сигнала, подаваемого на вход приемника (дБм)
\ (P_ {tx} \) = мощность выходного сигнала передатчика (дБм)
\ (G_ {total} \) = Сумма всех коэффициентов усиления (усилители, направленность антенны и т. Д.)), положительное значение в дБ
\ (L_ {total} \) = Сумма всех потерь (кабели, фильтры, потери на трассе, замирание и т. Д.), Отрицательное значение в дБ
Эта формула говорит нам, какая мощность сигнала будет доступна на радиоприемнике, но обычно целью расчета бюджета канала является определение того, какая мощность радиопередатчика будет , необходимая , чтобы иметь адекватный уровень сигнала на приемнике. Увеличение мощности передатчика увеличивает расходы не только из-за стоимости оборудования передатчика, но и из-за лицензий FCC, которые требуются в случае превышения определенных ограничений мощности.Чрезмерная мощность передатчика также может создавать проблемы с другими радио и электронными системами. Достаточно сказать, что мы хотим ограничить мощность передатчика до минимального практического значения.
Чтобы радиоприемник мог надежно обнаруживать входящий сигнал, этот сигнал должен быть достаточно большим, чем окружающий радиочастотный шум. Все массы при температурах выше абсолютного нуля излучают электромагнитную энергию, причем часть этой энергии попадает в радиочастотный спектр. Это значение минимального уровня шума может быть рассчитано или эмпирически измерено с использованием анализатора радиочастотного спектра, как показано на этой смоделированной иллюстрации:
Помимо окружающего шума, у нас также есть коэффициент шума самого приемника (\ (N_ {rx} \)): шум, создаваемый внутренней схемой радиоприемника.Таким образом, минимальная мощность сигнала, необходимая для надежной работы приемника (\ (P_ {rx (min)} \)), равна сумме в децибелах минимального уровня шума и коэффициента шума с запасом, называемым минимальным сигналом . отношение к шуму :
\ [P_ {rx (min)} = N_f + N_ {rx} + S \]
Где,
\ (P_ {rx (min)} \) = Минимально необходимая мощность сигнала на входе приемника (дБм)
\ (N_f \) = минимальный уровень шума (дБм)
\ (N_ {rx} \) = Коэффициент шума радиоприемника (дБ)
\ (S \) = Требуемый запас отношения сигнал / шум (дБ)
Подставляя эту сумму в децибелах в нашу исходную формулу бюджета РЧ линии и решая минимально необходимую выходную мощность передатчика (\ (P_ {tx (min)} \)), мы получаем следующий результат:
\ [P_ {tx (min)} = N_f + N_ {rx} + S — (G_ {total} + L_ {total}) \]
Производители радиоприемников обычно объединяют минимальный уровень шума, коэффициент шума и разумное отношение сигнал / шум в один параметр, называемый чувствительностью приемника .«Чувствительность» радиоприемника — это минимальная мощность сигнала (обычно выражаемая в дБмВт), необходимая на входном разъеме для надежной работы, несмотря на неизбежное присутствие шума. Если мы просто выразим чувствительность приемника как \ (P_ {rx (min)} \) и подставим этот член для суммы минимального уровня шума, коэффициента шума и запаса отношения сигнал / шум (\ (N_f + N_ {rx} + S \)) в последней формуле мы видим, что разница в чувствительности приемника (выраженная в абсолютных децибелах) и сумма любых усилений и потерь в линии (также выраженная в децибелах) говорит нам о минимальной необходимой мощности передатчика:
\ [P_ {tx (min)} = P_ {rx (min)} — (G_ {total} + L_ {total}) \]
Где,
\ (P_ {tx (min)} \) = Минимально необходимая мощность выходного сигнала передатчика, дБм
\ (P_ {rx (min)} \) = чувствительность приемника (минимально необходимая мощность принимаемого сигнала), дБм
\ (G_ {total} \) = Сумма всех коэффициентов усиления (усилители, направленность антенны и т. Д.){-6} \) бит. Эта взаимосвязь между мощностью сигнала и частотой ошибок должна иметь интуитивный смысл: чем мощнее сигнал по сравнению с любым фоновым шумом, тем надежнее он будет приниматься; чем слабее сигнал, тем больше он искажается шумом и, следовательно, тем больше ошибок мы ожидаем увидеть с течением времени.
Среди потерь, заключенных в \ (L_ {total} \), есть потерь на трассе и замираний . Потери на трассе — это естественная потеря мощности сигнала с увеличением расстояния от источника излучения.2} \) или \ (- 9,54 \) дБ).
Потери на трассе для условий свободного пространства являются довольно простой функцией расстояния и длины волны:
\ [L_p = -20 \ log \ left (4 \ pi D \ over \ lambda \ right) \]
Где,
\ (L_p \) = потери на трассе, отрицательное значение в дБ
\ (D \) = Расстояние между передающей и приемной антеннами
\ (\ lambda \) = длина волны передаваемого радиочастотного поля в тех же физических единицах, что и \ (D \)
Следует подчеркнуть, что эта простая формула потерь на трассе применима только к полностью чистому пустому пространству, где единственным механизмом ослабления сигнала является естественное распространение радиоволн, когда они излучаются от передающей антенны.Потери на трассе будут значительно больше, если между передающей и приемной антеннами будут находиться какие-либо предметы или другие препятствия.
Тот же самый эффект распространения также учитывает «затухание», когда радиоволны, идущие по разным путям, деконструктивно интерферируют (например, волны, отраженные от боковых объектов, достигающие приемной антенны в противофазе с волнами на прямолинейном пути), что приводит к ослаблению уровней сигнала в в некоторых местах (но не во всех). Возможно, вы лично испытали затухание, управляя транспортным средством на большие расстояния и слушая аналоговое (AM или FM) радио: иногда сигнал определенной радиостанции «затухает», когда вы едете, а затем снова «исчезает», когда вы едете в автомобиле. в том же направлении, без очевидной причины (например,грамм. нет непосредственных препятствий для сигнала). Это происходит из-за того, что радиоволны от станции излучаются во всех направлениях, а затем отражаются от крупных объектов и / или ионизированных областей высоко в атмосфере Земли. Вокруг этой станции неизбежно будут места, где падающая волна от передающей антенны деструктивно интерферирует с этими отраженными волнами, в результате чего возникают области «мертвого» пространства, где сигнал намного слабее, чем можно было бы ожидать, исходя только из потерь на трассе.
Затухание является более трудным для прогнозирования фактором, чем потери на трассе, поэтому обычно разработчики радиосистем включают достаточный запас для учета эффектов замирания.Этот запас на замирания обычно составляет от 20 до 30 дБ, хотя он может быть больше в сценариях, где имеется много путей прохождения сигнала из-за отражений.
Чтобы проиллюстрировать это, мы рассчитаем бюджет РЧ-линии для пары радиопередатчик / приемник на 900 МГц, направленных друг к другу с помощью антенн Yagi. Будут учтены все источники усиления и потерь сигнала, включая «потери на пути» радиочастотной энергии при ее прохождении через открытый воздух. Прибыли и убытки всех элементов показаны на следующем рисунке:
Значение потерь на трассе, показанное на рисунке, является вычисленной функцией длины волны 900 МГц (\ (\ lambda = {c \ over f} \) = 0.3331 метр) и расстояние между антеннами (500 футов = 152,4 метра), предполагая, что путь между антеннами полностью свободен от препятствий:
\ [L_p = -20 \ log \ left (4 \ pi (152,4) \ более 0,3331 \ вправо) = -75,19 \ hbox {дБ} \]
Согласно спецификациям производителя приемника, приемник в этой системе имеет чувствительность \ (- 75 \) дБм, что означает, что наш передатчик должен быть достаточно мощным, чтобы передавать РЧ-сигнал, по крайней мере, такой же сильный, как \ (- 75 \) дБм. на входном разъеме приемника для надежной передачи данных.Вставив это значение чувствительности приемника в нашу формулу бюджета РЧ-линии:
\ [P_ {tx (min)} = P_ {rx (min)} — (G_ {total} + L_ {total}) \]
\ [P_ {tx (min)} = -75 \ hbox {дБм} — (G_ {total} + L_ {total}) \]
Теперь нам нужно подсчитать все выигрыши и потери между передатчиком и приемником. Мы будем использовать значение \ (- 20 \) дБ для запаса на замирания (т.е. наш бюджет оставит место для потерь мощности до 20 дБ из-за эффектов замирания):
Прибыль или убыток Значение в децибелах
Потери в кабеле передатчика $ -5.64 $ дБ
Обрыв ограничителя передатчика $ -0,5 $ дБ
Усиление передающей антенны +12,1 дБи
Потери на пути $ -75,19 $ дБ
Запас выцветания $ -20 $ дБ
Усиление приемной антенны +12,1 дБи
Убыток тормозного устройства приемника $ -0,5 $ дБ
Потери в кабеле приемника $ -4.23 $ дБ
$ G_ {total} + L_ {total} $ $ — 81,86 $ дБ
Вставка суммы всех выигрышей и потерь в децибелах в нашу формулу бюджета линии RF:
\ [P_ {tx (min)} = -75 \ hbox {дБм} — (-81,86 \ hbox {дБ}) \]
\ [P_ {tx (min)} = 6,86 \ hbox {дБм} \]
Преобразование значения дБм в милливатты мощности РЧ означает, что мы должны манипулировать формулой мощности в дБм, чтобы найти \ (P_ {мВт} \):
\ [P_ {дБм} = 10 \ log \ left ({P_ {mW}} \ over {1 \ hbox {mW}} \ right) \]
\ [P_ {mW} = 1 \ hbox {mW} \ times 10 ^ {\ left (P_ {dBm} \ over 10 \ right)} \]
\ [P_ {tx} = 1 \ hbox {mW} \ times 10 ^ {\ left (6.86 \ over 10 \ right)} = 4.85 \ hbox {милливатт} \]
На этом этапе нам следует подвести итоги предположений, присущих этому расчету. Прирост мощности и потери, присущие компонентам (кабели, разрядники, антенны), вполне определенны, потому что это проверенные компоненты, поэтому нам не нужно слишком беспокоиться об этих цифрах. Меньше всего мы знаем о факторах окружающей среды: минимальный уровень шума может измениться, потери на трассе будут на отличаться от наших расчетов, если рядом с трактом прохождения сигнала или при определенных погодных условиях есть какие-либо препятствия (например,грамм. дождь или снег, рассеивающие радиочастотную энергию), и известно, что потери на замирание динамически меняются, когда движущиеся объекты (люди, автомобили) проходят где-либо между антеннами передатчика или приемника. Наш расчет бюджета РЧ-линии на самом деле является лишь оценкой мощности передатчика, необходимой для выполнения работы.
Как тогда мы можем повысить наши шансы на построение надежной системы? Один из способов — перестроить его, оснастив передатчик большей мощностью, чем прогнозирует самый пессимистичный бюджет канала. Однако это может вызвать другие проблемы, такие как помехи в работе ближайших электронных систем, если мы не будем осторожны.Предпочтительным методом является проведение теста на месте , при котором реальное оборудование устанавливается в полевых условиях и проверяется для обеспечения адекватной мощности принимаемого сигнала.
График бюджета канала
Многие из ранее исследованных концепций могут быть представлены в виде единого графика, показывающего мощность радиочастотного сигнала как функцию физического положения в радиочастотном канале (от передатчика к приемнику). Горизонтальная ось этого графика представляет положение на пути канала от передатчика к приемнику, а вертикальная ось представляет мощность РЧ-сигнала в дБм:
В самом низу этого графика мы видим минимальный уровень шума, представляющий естественный неизбежный радиочастотный шум.Выше мы видим добавленный коэффициент шума и отношения сигнал / шум, суммируемые с более высокой линией, представляющей чувствительность приемника, которая представляет собой минимальную мощность сигнала, которую он должен получить для надежной работы.
В верхней части этого графика мы видим серию более толстых сегментов линии, представляющих различные потери и выгоды в системе. Одноточечные потери, такие как грозовые разрядники, выглядят как вертикальные нисходящие ступеньки, в то время как прогрессивные потери, такие как потери в кабелях и на тракте, проявляются как нисходящие наклоны.Одноточечные усиления, такие как антенны, выглядят как вертикальные ступеньки вверх. Обратите внимание на место на этом графике EIRP: мощность сигнала на выходе передающей антенны с учетом коэффициента усиления антенны, а также любые потери между передатчиком и передающей антенной. Как упоминалось ранее, Федеральная комиссия по связи (FCC) устанавливает нормативные ограничения для EIRP в Соединенных Штатах, потому что, если бы регулировалась только выходная мощность передатчика, можно было бы нарушить этот предел, используя антенны с высоким коэффициентом усиления.
В дальнем правом конце графика мы видим разницу между мощностью входного сигнала приемника и чувствительностью приемника в виде запаса для бюджета канала . Этот запас должен существовать, чтобы обеспечить устойчивость системы к неожиданным потерям мощности, например, в результате неблагоприятных погодных условий, помех от объектов на пути соединения, износа кабеля, коррозии муфты, увеличения минимального уровня шума и т. Д.
Зоны Френеля
Одним из многих факторов, влияющих на передачу мощности РЧ-линии от передатчика к приемнику, является открытость пути прохождения сигнала между передающей и приемной антеннами.Как показано в предыдущем подразделе, потери на трассе относительно просто вычислить с учетом предположения о полностью пустом пространстве между двумя антеннами. При отсутствии промежуточных препятствий потери на трассе являются просто следствием дисперсии (распространения) волн. Однако, если мы не рассчитываем бюджет РЧ-линии между двумя самолетами или двумя космическими кораблями, на самом деле не существует такой вещи, как полностью пустое пространство между передающей и приемной антеннами. Здания, деревья, транспортные средства и даже земля — все это объекты, потенциально нарушающие то, что в противном случае было бы полностью открытым пространством между передатчиком и приемником.
Распространенное выражение в микроволновой радиосвязи — линия прямой видимости или LoS . Сама формулировка этой фразы вызывает представление о возможности видеть прямой путь между передающей и приемной антеннами. Очевидно, что если между антеннами нет прямой прямой видимости, потери на пути сигнала определенно будут более значительными, чем в открытом космосе. Однако распространенная ошибка состоит в том, что думают, что простое существование беспрепятственной прямой линии между антеннами — это все, что необходимо для беспрепятственной связи, хотя на самом деле ничто не может быть дальше от истины:
Фактически, свободное пространство, необходимое для передачи энергии в форме электромагнитных волн, принимает форму футбольных зон: первая сплошная, за ней следуют кольцевые (полые) зоны, концентрически окружающие первую.Эти эллиптические объемы называются зонами Френеля :
.
Точные формы этих зон Френеля являются функцией длины волны и расстояния между антеннами, не размера или конфигурации самих антенн. Другими словами, вы не можете изменить размеры или форму зоны Френеля, просто изменив типы антенн. Это связано с тем, что зоны Френеля на самом деле не отображают распределение электромагнитных полей, а скорее отображают свободное пространство, которое нам необходимо сохранять между антеннами.
Если какой-либо объект вообще выступает в любую зону Френеля, это уменьшает мощность сигнала, передаваемого между двумя антеннами. В микроволновой связи (диапазон частот ГГц) внутренняя зона Френеля несет большую часть энергии и, следовательно, является наиболее важной с точки зрения помех. Сохранение самой внутренней зоны Френеля абсолютно свободной от помех необходимо для поддержания идеальных характеристик потерь на трассе (эквивалентно открытому пространству). Общее правило, которому следуют разработчики микроволновых систем, — стараться поддерживать внутреннюю зону Френеля, свободную как минимум на 60% от препятствий.
Чтобы спроектировать систему с учетом этой цели, нам нужно каким-то образом вычислить ширину этой зоны Френеля. К счастью, это легко сделать с помощью следующей формулы:
\ [r = \ sqrt {{n \ lambda d_1 d_2} \ over D} \]
Где,
\ (r \) = Радиус зоны Френеля в интересующей точке
\ (n \) = номер зоны Френеля (целое число, где 1 представляет первую зону)
\ (d_1 \) = Расстояние между одной антенной и интересующей точкой
\ (d_2 \) = Расстояние между другой антенной и интересующей точкой
\ (D \) = Расстояние между обеими антеннами
\ (\ lambda \) = длина волны передаваемого радиочастотного поля в тех же физических единицах, что и \ (D \), \ (d_1 \) и \ (d_2 \)
Примечание: единицами измерения в этой формуле могут быть любые единицы длины, при условии, что все они являются одной и той же единицей.
Чтобы проиллюстрировать на примере, давайте вычислим радиус первой зоны Френеля для двух микроволновых антенн, работающих на частоте 2,4 ГГц, разделенных одной милей (1,609 км), в самой широкой части этой зоны. Длина волны сигнала 2,4 ГГц составляет 0,1249 метра по формуле \ (\ lambda = {c \ over f} \). Расстояния \ (d_1 \) и \ (d_2 \) будут равны половине общего расстояния, поскольку самая широкая часть зоны Френеля будет точно в средней точке между двумя антеннами (\ (d_1 = d_2 \) = 804.2)} \ более 1609} \]
\ [r = 7,089 \ hbox {метры} \]
Задумайтесь на мгновение о значении этого измерения. По крайней мере, это означает, что антенны должны быть установлены так высоко над землей, чтобы избежать контакта наиболее важной зоны Френеля с самой землей (при условии ровной местности), не говоря уже о любых объектах над уровнем земли, таких как здания, автомобили. , или деревья между двумя антеннами. Учтите также, что зона Френеля имеет форму футбольного мяча, и поэтому это 7.Радиус 089 метров простирается по горизонтали от центральной линии, соединяющей обе антенны, а также по вертикали. Это означает, что для того, чтобы эта зона Френеля не была затронута, должен быть свободный путь шириной 14,18 метра в дополнение к антеннам, находящимся на высоте не менее 7,089 метра от земли! Если бы мы рассмотрели сигнал 900 МГц — еще одну частоту для промышленных беспроводных устройств — минимальная высота над землей составила бы 11,58 метра, а минимальная ширина пути в свету — 23,16 метра!
Как видите, «линия прямой видимости» не так проста, как может показаться на первый взгляд.

Прибыль или убыток	Значение в децибелах
Потери в кабеле передатчика	$ -5.64 $ дБ
Обрыв ограничителя передатчика	$ -0,5 $ дБ
Усиление передающей антенны	+12,1 дБи
Потери на пути	$ -75,19 $ дБ
Запас выцветания	$ -20 $ дБ
Усиление приемной антенны	+12,1 дБи
Убыток тормозного устройства приемника	$ -0,5 $ дБ
Потери в кабеле приемника	$ -4.23 $ дБ
$ G_ {total} + L_ {total} $	$ — 81,86 $ дБ