Расчет и измерение характеристик устройств СВЧ и антенн

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Расчет и измерение 
характеристик устройств 
СВЧ и антенн

Под общей редакцией 
канд. техн. наук, доц. Ю. Е. Мительмана

Рекомендовано Региональным отделением УрФО 
учебно-методического объединения вузов Российской Федерации 
по образованию в области радиотехники, электроники, 
биомедицинской техники и автоматизации 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавриата 
11.03.01 — Радиотехника и специалитета 
11.05.01 — Радиоэлектронные системы и комплексы, 
в УрФО

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.396.67(075.8)
ББК 32.84я73
          Р24
Авторы:
Ю. Е. Мительман, Р. Р. Абдуллин, С. Г. Сычугов, С. Н. Шабунин

Рецензенты:
Н. И. Войтович, д-р техн. наук, проф., завкафедрой конструирования 
и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский госу-
дарственный университет», г. Челябинск;
О. П. Пономарев, д-р. техн. наук, доц., заместитель главного инженера 
АО УПП «Вектор» 

Р24
    Расчет и измерение характеристик устройств СВЧ и антенн : учеб. посо-
бие / Ю. Е. Мительман, Р. Р. Абдуллин, С. Г. Сычугов, С. Н. Шабунин ; 
под общ. ред. канд. техн. наук, доц. Ю. Е. Мительмана. — Екатеринбург :  
Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 140 с.

ISBN 978-5-7996-1821-6

Учебное пособие содержит краткое описание методик расчета и изме-
рения характеристик широкого класса устройств СВЧ и антенных систем. 
Приведены примерные схемы измерений. Рассмотрены особенности рас-
чета и измерения коэффициентов передачи и снятия диаграмм направлен-
ности, измерения коэффициента усиления, исследования поляризацион-
ных свойств формируемого антеннами поля. Изложены методики расчета 
и измерения направленных ответвителей; мостовых, ферритовых и согла-
сующих устройств; вибраторных, щелевых волноводных, рупорных и лин-
зовых, а также микрополосковых антенн.

Библиогр.: 12 назв. Табл. 9. Рис. 103.

УДК 621.396.67(075.8)
ББК 32.84я73

ISBN 978-5-7996-1821-6 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Оглавление

Введение ...................................................................................... 5

1. Волноводные направленные ответвители и мостовые 
      устройства .............................................................................. 9

1.1. Многополюсники СВЧ .................................................... 9
1.2. Волноводные направленные ответвители .................... 12
1.3. Мостовые устройства ..................................................... 19
1.4. Методика экспериментального исследования ............. 24
1.5. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 28

2. Волноводные ферритовые устройства ................................ 30
2.1. Свойства намагниченных ферритов на СВЧ ................ 30
2.2. Ферритовые устройства ................................................. 35
2.3. Методика экспериментального исследования ............. 40
2.4. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 44

3. Методы узкополосного согласования 
     линии передачи с нагрузкой ................................................ 45
3.1. Согласование реактивным
        параллельным шлейфом ................................................ 46
3.2. Согласование четвертьволновым трансформатором ... 54
3.3. Согласующие элементы на микрополосковых линиях ... 58
3.4. Методика экспериментального исследования ............. 61
3.5. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 63

4. Фильтры СВЧ ....................................................................... 65

4.1. Характеристики фильтров ............................................. 65
4.2. Реализация фильтров в СВЧ-диапазоне ....................... 71
4.3. Методика экспериментального исследования ............. 75
4.4. Контрольные вопросы для самопроверки .................... 85

Оглавление

5. Вибратор с пассивным рефлектором и директором ........... 86

5.1. Характеристики связанных вибраторов ....................... 86
5.2. Моделирование директорной антенны 
        в программе MMANA ................................................... 90
5.3. Методика экспериментального исследования ............ 97
5.4. Контрольные вопросы для самопроверки ..................101

6. Рупорные и линзовые антенны ..........................................102

6.1. Характеристики рупорных и линзовых антенн ...........103
6.2. Методика экспериментального исследования ...........107
6.3. Контрольные вопросы для самопроверки ..................111

7. Щелевые волноводные антенны ........................................113

7.1. Характеристики щелевых волноводных антенн .........113
7.2. Методика экспериментального исследования ...........119
7.3. Контрольные вопросы для самопроверки ..................122

8. Полосковые излучатели и решетки ....................................124

8.1. Полосковые резонаторные излучатели .......................124
8.2. Полосковые щелевые излучатели ................................127
8.3. Методика экспериментального исследования ...........128
8.4. Контрольные вопросы для самопроверки ..................137

Библиографический список ....................................................138

Введение

В 

данном учебном пособии объединен многолетний опыт проведения 
лабораторных работ и накопленные преподавателями 
кафедры высокочастотных средств радиосвязи и телевидения 
института радиоэлектроники и информационных технологий — РТФ — 
знания по дисциплинам «Устройства СВЧ и антенны», «Микроволновые 
устройства», «Антенно-фидерные устройства и распространение 
радиоволн».
Теория устройств СВЧ и антенн разрабатывается с начала прошлого 
века как в отечественных университетах, научно-исследовательских 
институтах и промышленных предприятиях, так и за рубежом. 
Большая часть устройств, о которых идет речь в этом пособии, была 
изобретена, описана и исследована задолго до его написания. Однако 
алгоритмы расчета, программное обеспечение, измерительное оборудование 
и технологии производства непрерывно изменялись все это 
время. Предыдущее учебно-методическое пособие авторов было посвящено 
большей частью измерениям параметров антенн в безэховых 
камерах [1]. В этом же пособии предпринята попытка отражения актуальных 
изменений в теории и технике устройств СВЧ и описания их 
экспериментальных исследований в среднестатистической университетской 
лаборатории.
Изучаемые здесь устройства обычно сами по себе не применяются. 
Они используются в составе радиолокаторов, высокоскоростных, 
а значит и высокочастотных систем передачи данных по радиоканалу, 
радиовысотомеров и других радиотехнических систем. В современном 
сотовом телефоне тоже есть такие устройства, только они очень малы 
в размерах и для того, чтобы их рассмотреть, потребовалось бы разобрать 
его. В учебной же лаборатории подобные устройства значительно 
крупнее. Их можно взять в руки, рассмотреть, присоединить к другим 
приборам, исследовать.

Введение

Первая часть пособия посвящена исследованию устройств, выполненных 
на основе прямоугольных волноводов. Часто бывает так, что 
нужно проконтролировать сигнал, идущий, например, от передатчика 
к антенне. Для этого используют направленные ответвители. Название 
говорит о том, что они некоторую часть передаваемой мощности из линии 
передачи извлекают и передают в заданном направлении. В каком? 
Это можно будет узнать из первой главы. В этой же главе описаны мосто-
вые устройства. Забегая вперед, можно сказать, что они забирают из ос-
новной линии ровно половину мощности, поэтому их можно назвать 
и делителями мощности. Однако ограничиться только таким названием 
будет не совсем верно. В нашей лаборатории придется иметь дело с ча-
стотами порядка нескольких гигагерц (ГГц). А если, например, 10 гига-
герц перевести в длину волны, получится всего 3 сантиметра. Это зна-
чит, что на расстоянии 3 см фаза волны меняется на целых 360° (перед 
прочтением пособия желательно повторить материал по дисциплинам 
«Электродинамика и распространение радиоволн» или «Электромагнит-
ные поля и волны»). Исследуемые устройства заметно больше по своим 
размерам. Поэтому сдвиг волны по фазе, а проще — некоторую задерж-
ку во времени, при распространении волн в устройствах нужно учиты-
вать. Для этого существует специальный математический аппарат, ос-
нованный на использовании матриц рассеяния. Они позволяют легко 
связывать амплитуды и фазы (задержки при прохождении) волн на раз-
личных входах устройств. В теоретической части работы описаны ма-
трицы рассеяния, направленные ответвители и мостовые устройства, 
порядок расчета их характеристик. Перед выполнением эксперимен-
тальных исследований, как правило, нужно выполнить определенные 
расчеты. Иначе не с чем будет сравнивать результаты измерений.
Иногда для решения практических задач, например при подклю-
чении одной антенны к приемнику и передатчику, да еще так, чтобы 
мощность передатчика уходила в антенну, не попадая в приемник, а он 
в свою очередь мог принимать слабые сигналы, да еще и одновремен-
но, применяют невзаимные устройства. Внутри таких устройств нахо-
дятся особые материалы — анизотропные среды. Они позволяют соз-
давать приборы с разными законами передачи мощности в различных 
направлениях: вентили, циркуляторы и коммутаторы. Исследованию 
таких устройств посвящена вторая глава.
Техника сверхвысоких частот имеет много особенностей по срав-
нению с традиционной низкочастотной. Например, необходимо вы-

Введение

полнять условие согласования элементов и устройств. Если антенна 
не согласована с линией питания, то далеко не вся подводимая к ан-
тенне мощность будет излучаться в пространство. Для согласования 
используются специальные методы, которые рассматриваются в тре‑
тьей главе. В практической части этой главы предлагается не только 
рассчитать элементы конструкции согласующих устройств, но и из-
готовить их, а затем и проверить полученные устройства с помощью 
специальных приборов.
Для предотвращения попадания ненужных сигналов и помех в при-
емник применяются фильтры. Из курса «Основы теории цепей» извест-
но, что фильтры состоят из индуктивностей и емкостей. Они бывают 
полосно-пропускающие, заграждающие, а также верхних и нижних ча-
стот в зависимости от их характеристики передачи. В диапазоне СВЧ 
изготовить элементы фильтра с нужными величинами крайне слож-
но. Широко применяются фильтры, изготовленные по другой техно-
логии — из отрезков линий передачи. По прочтении четвертой главы 
вновь представится возможность самостоятельно рассчитать, изгото-
вить, а потом и экспериментально измерить характеристики фильтра.
Вторая часть этого пособия посвящена антеннам. Некоторые из них 
можно увидеть на крышах домов, например телевизионные вибратор-
ные антенны. Антенны как излучают электромагнитную энергию (пе-
редающие), так и извлекают ее из пространства (приемные). Размеры 
элементов вибраторных антенн достаточно просто рассчитываются. 
Есть специальные компьютерные программы, позволяющие быстро 
сконструировать антенну и оценить ее характеристики. Одной из них 
таких программ и предлагает научиться пользоваться пятая глава. 
Проверкой расчетов будут результаты экспериментальных измерений.
Исследуемые в шестой главе рупорные и линзовые антенны встре-
чаются реже. Например, в качестве приемных модулей зеркальных ан-
тенн («тарелок»), принимающих телевизионные сигналы со спутников. 
Так как размеры излучающих поверхностей для хорошей направлен-
ности должны составлять несколько длин волн, рупорные и линзо-
вые антенны используются в основном в диапазонах сантиметровых 
и миллиметровых волн.
Еще сложнее увидеть волноводно-щелевые антенные решетки,  
изучаемые в седьмой главе. Это антенны, выполненные на основе ис-
пользования прямоугольного волновода, в котором по определенному 
закону прорезаны узкие отверстия, и электромагнитная энергия излу-

Введение

чается наружу. Если отверстия прорезаны правильно, то можно сфор-
мировать достаточно узконаправленное излучение в нужном направ-
лении. Такие антенны чаще всего используются в радиолокационных 
системах с большими уровнями излучаемой мощности, хотя и в режи-
ме приема они так же хорошо работают.
Особый интерес для использования в системах связи, радиолока-
ции и радионавигации представляют полосковые антенны и антен-
ные решетки. Почему? Это можно узнать из восьмой главы. Этот класс 
антенн появился относительно недавно, когда появились специаль-
ные диэлектрические материалы с малым значением тепловых потерь. 
В практической части главы предлагается рассчитать параметры ан-
тенн, а затем из результатов измерений проверить, удалось ли это сде-
лать правильно.
Успешное выполнение расчетно-экспериментальных частей глав 
позволит читателю не только лучше усвоить лекционный матери-
ал, но и приобрести навыки компьютерного моделирования СВЧ-
устройств, а также научиться корректно выполнять измерения их ха-
рактеристик. Полученные знания пригодятся, если придется иметь 
дело с такими системами связи, как сотовая, спутниковая, Wi-Fi, 
WiMAX, Bluetooth, с навигационными системами GPS и ГЛОНАСС. 
Кроме того, необходимо понимать, что все современные процессоры 
и модули с высокой тактовой частотой создаются на основе техноло-
гии СВЧ, и знание такой технологии для современного специалиста 
просто обязательно.

1. Волноводные направленные ответвители 
и мостовые устройства

Д

анная глава посвящена изучению принципов действия вол-
новодных направленных ответвителей и мостовых устройств, 
методов расчета и измерения их параметров.
Направленным ответвителем (НО) называется устройство, пред-
назначенное для направленного ответвления части мощности вол-
ны из одной линии передачи в другую. Основные области их приме-
нения — отбор мощности для контроля, измерение параметров волн, 
распространяющихся по линии передачи, разветвление тракта СВЧ. 
НО являются реактивными балансными восьмиполюсниками хотя бы 
с одной плоскостью симметрии. По условию развязки мощность вол-
ны с любого из входов делится между двумя выходами, а на третий вы-
ход (развязанный) не поступает. Если мощность делится между воз-
буждаемыми выходами поровну, то такой НО называют мостом.

1.1. Многополюсники СВЧ

При анализе разветвленных трактов фундаментальное значение 
имеет понятие «многополюсник». Многополюсник представляет со-
бой устройство, состоящее из любой комбинация проводников, ди-
электриков и других элементов и имеющее один или несколько входов 
в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами (или 
наборами типов) волн в каждой линии. Сечения входов многополюс-
ника называют плоскостями отсчета фаз. 2N-полюсником является 
устройство с N входами, на каждом из которых имеется по два полюса.
Основные свойства. К основным свойствам многополюсников от-
носят следующие:

1. Волноводные направленные ответвители и мостовые устройства

· свойство пассивности означает отсутствие усиления или генера-
ции мощности внутри многополюсника;
· свойство линейности означает независимость характеристик мно-
гополюсника от уровня подаваемой на него мощности (в опре-
деленном диапазоне);
· свойство взаимности (симметрии) означает, что коэффициен-
ты передачи в прямом и обратном направлении между входами 
устройства равны;
· свойство реактивности означает наличие свойства пассивности 
и отсутствие потерь в многополюснике.
Балансными многополюсниками называется отдельный класс мно-
гополюсников, обладающих двумя важными свойствами: согласования 
и развязки. Первое свойство означает, что каждый из входов много-
полюсника согласован, если к оставшимся входам подключены неотражающие (
согласованные) нагрузки. Второе свойство означает, что 
мощность генератора, подключенного к одному из входов, не поступает 
на один из оставшихся. При этом считается, что эти входы развязаны.

Для описания многополюсников вместо реальных объемных электромагнитных 
полей направляемых волн на их входах используют так 
называемые волны напряжения, которые определяются своими обобщенными 
амплитудами u
Pe

j
z
z
Вт
йл
щы =
- b , где P — переносимая направляемой 
волной мощность, βz — продольное волновое число, z — 
продольная координата. Несмотря на обозначение, нельзя путать эту 
величину с напряжением. Волны вблизи N входов многополюсника 
можно сгруппировать в вектор …
u
u
u
uN
[ ] =[
]
1
2
.

Волны напряжения, распространяющиеся к многополюснику uпад
йл
щы , 

называются падающими; от многополюсника 
uотр
йл
щы  — отраженными 

или рассеянными. При этом можно рассматривать каждую отраженную 
волну как линейную комбинацию всех падающих волн на входах 


u
S u
i
ij
j
j
отр
пад
=е
. Матричная запись волн на входах восьмиполюсника, 

связывающая отраженные 
uотр
йл
щы  и падающие 
uпад
йл
щы  волны, в общем 

случае имеет следующий вид:

1.1. Многополюсники СВЧ

 



u
S
u
отр
пад
йл
щы = йл щыґ йл
щы, 
 (1.1)

где 
S
йл щы  — матрица рассеяния:

 



















S

S
S
S
S

S
S
S
S

S
S
S
S

S

йл щы =

11
12
13
14

21
22
23
24

31
32
33
34

411
42
43
44



S
S
S

й

л

к
к
к
к
к

щ

ы

ъ
ъ
ъ
ъ
ъ

. 
 (1.2)

Ее диагональные коэффициенты Sii  являются комплексными ко-
эффициентами отражения по напряжению от i-го входа, а недиаго-
нальные Sik k i
, №  — комплексными коэффициентами передачи по на-
пряжению с k-го на i-й вход (при определении коэффициентов 
предполагается, что к одному из входов присоединяется генератор, 
а незадействованные входы нагружены на согласованные нагрузки).
Зачастую элементы матрицы рассеяния определяются в децибелах:

 
S
S
ik
ik
дБ
[
] = 20lg
. 
 (1.3)

При этом теряется информация о фазах коэффициентов передачи 
и отражения, однако такая форма позволяет проще оперировать ве-
личинами Sik , близкими к нулю или единице.

Из условия симметрии устройства относительно двух плоскостей, 
проходящих между входами, следует, что

 















S
S
S
S

S
S
S
S

S
S
S

11
22
33
44

12
21
34
43

13
31
24

=
=
=
=

=
=
=
=

=
=

a

b

,

,

==
=

=
=
=
=







S

S
S
S
S

42

14
41
23
32

g

d

,

.

Тогда матрица рассеяния запишется следующим образом:

 
S
йл щы =

й

л

к
к
к
к

щ

ы

ъ
ъ
ъ
ъ

a
b
g
d

b
a
d
g

g
d
a
b

d
g
b
a

. 
 (1.4)