Лабораторная работа №1 Согласование прямоугольного волновода с нагрузкой

Цель работы:

- изучить принципы согласования СВЧ нагрузок с линиями передачи;

- изучить согласующие элементы;

- изучить практические приемы согласования СВЧ нагрузок с линиями передачи на примере прямоугольного волновода.

Последовательность действий при согласовании нагрузки с линией передачи с использованием измерительной линии и диаграммы полных сопротивлений.

1. Определяется импеданс нагрузки. Используется метод Татаринова.

Импеданс короткозамыкателя известен. На диаграмме полных сопротивлений он соответствует самой верхней точке. Для иллюстрации используется рис.1.

Измеряется длина волны в волноводе. Для этого необходимо измерить положения двух соседних минимумов поля ℓ_min1 и ℓ_min2. Длина волны .

Определяется положение минимума поля в волноводе при подключенной нагрузке ℓ₁. Определяется положение минимума поля в волноводе при подключенном короткозамыкателе ℓ₂, при этом необходимо измерять новое положение минимума поля, двигаясь в сторону нагрузки.

Рассчитывается величина смещения минимума или в длинах волн .

Определяется коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи: измеряется максимальное значение напряженности поля в линии Е_max и минимальное E_min. КСВ определяется по формуле:

- для линейного детектора;

- для квадратичного детектора.

По диаграмме полных сопротивлений следует определить точку, соответствующую импедансу нагрузки. По измеренному КСВ определяется окружность, центр которой совпадает с центром диаграммы полных сопротивлений. Смещаясь по этой окружности против часовой стрелки (к нагрузке) на рассчитанное расстояние в длинах волн Λ`, находим точку, соответствующую импедансу нагрузки (точка А). Находится активная составляющая R_н и реактивная составляющая Х_н импеданса нагрузки.

Примечание. Вместо смещения в относительных длинах волн можно смещаться на угол, равный

Рис.1. К определению импеданса и адмитанса нагрузки.

2. Определяется адмитанс нагрузки.

На диаграмме полных сопротивлений находится точка (точка Б), симметричная точке, соответствующей импедансу нагрузки (точка А) относительно центра диаграммы полных сопротивлений, которая тоже лежит на окружности соответствующего КСВ. Находится активная составляющая Yн и реактивная составляющая В_н адмитанса нагрузки.

3. Определяется место включения реактивного согласующего элемента (СЭ) и величина его реактивности.

Согласующий реактивный элемент включается в волновод по параллельной схеме. Поэтому согласование проводится по компенсации реактивной составляющей проводимости. В месте включения реактивность согласующего элемента должна иметь величину, равную входной реактивности линии передачи с нагрузкой, но противоположную по знаку. Активная составляющая входного адмитанса должна равняться единице.

Точка, соответствующая реактивности адмитанса емкостного штыря лежит в правой полуплоскости диаграммы полных сопротивлений, поэтому при согласовании емкостным штырем согласующий элемент включается в линию с индуктивной реактивностью входного адмитанса линии с нагрузкой (левая полуплоскость).

Двигаясь по часовой стрелке (к генератору) по окружности соответствующего КСВ находим в левой полуплоскости диаграммы точку пересечения окружности КСВ с единичной окружностью активной составляющей адмитанса (точка В). В этой точке необходимо включить реактивный согласующий элемент с реактивностью адмитанса В_сэ.

Расстояние от нагрузки до места включения согласующего элемента определяется по формуле ,

где - расстояние от точки Б до точки В по диаграмме полных сопротивлений в относительных длинах волн.

Также расстояние от нагрузки до места включения согласующего элемента можно определить, зная на какой угол произошел поворот, по формуле:

,

где ψ – угол между точками Б и В (в направлении по часовой стрелке).

Определяется реактивность адмитанса согласующего элемента В_сэ.

Модуль реактивной составляющей импеданса (Х) согласующего элемента определяется путем зеркального отображения точки, соответствующей адмиттансу согласующего элемента (точка В) относительно центра диаграммы полных сопротивлений (точка Г).

Рис. 2. К определению места включения и величины реактивности согласующего элемента.

Примечание. Все величины составляющих импеданса и адмитанса являются нормированными к волновому сопротивлению линии передачи.

Описание лабораторной установки.

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.3.

Рис 3. Функциональная схема лабораторной установки

С выхода СВЧ генератора СВЧ колебания по коаксиальному кабелю через коаксиально-волновой переход П подаются в волноводный тракт. Уровень поступающей мощности может регулироваться выходным аттенюатором генератора, а также волноводным поглощающим аттенюатором А₁. Падающая волна с выхода аттенюатора проходит через измерительную линию ИЛ, согласующее устройство С и попадает на нагрузку Н. Волна, отраженная от нагрузки распространяется в противоположном направлении. В качестве согласующего устройства применяется металлический емкостный подвижный штырь Ш (в первом методе согласования) или поглощающий аттенюатор А₂ (во втором методе согласования). При изучении согласующих элементов вместо отражающей нагрузки на конце волноводного тракта включается согласованная нагрузка СН, перед которой устанавливается исследуемый элемент. Прямоугольные волноводы, на которых выполнен лабораторный стенд, имеют сечение а х b= 58 х 24 (мм).

Порядок выполнения работы.

Ввести затухание аттенюатором А₁. Включить СВЧ генератор и индикатор в соответствии с инструкциями по их эксплуатации. Настроить генератор на максимальную выходную мощность. Измерить частоту колебаний, вырабатываемых СВЧ генератором. Подготовить к работе индикатор. Подключить к индикатору НЧ выход измерительной линии ИЛ. Ввести полностью затухание аттенюатора А₂ и вывести из волновода штырь Ш.

1. Измерение входного импеданса нагрузок Н.

Уменьшая затухание аттенюатора А₁, получить удобные показания на индикаторе.

Перемещая каретку измерительной линии ИЛ между соседними минимумами поля в волноводе ИЛ, измерить длину волны в волноводе _в .

Измерить КСВ нагрузки и положение минимума поля в волноводе ℓ₁.

Ввести затухание аттенюатором А₁ и заменить нагрузку Н на короткозамыкатель КЗ. Уменьшая затухание аттенюатора А₁, получить удобные показания на индикаторе.

Измерить новое положение минимума напряженности поля в волноводе ИЛ ℓ₂, соответствующее короткозамыкателю КЗ.

Ввести затухание аттенюатором А₁ и подключить вновь нагрузку Н в конце тракта. Уменьшить затухание А₂.

Рассчитать входной нормированный импеданс нагрузки по результатам измерений, используя круговую диаграмму полных сопротивлений. Вычислить коэффициент отражения от нагрузки Гн и коэффициент передачи мощности нагрузку .

2. Согласование нагрузки (H).

2.1. Согласование реактивным штырем.

Пользуясь диаграммой полных сопротивлений рассчитать место включения емкостного согласующего штыря и определить величину его проводимости (при этом учесть, что нулевая отметка шкалы каретки перемещения штыря удалена от фланца подключения нагрузки на расстояние 158 мм). Вычислить длину штыря по эмпирической формуле

где Х - нормированный реактивный импеданс штыря (для емкостного штыря величина отрицательная), λ₀ – длина волны в свободном пространстве.

Переместить штырь Ш1 в рассчитанное положение, установить, пользуясь нониусом штыря, рассчитанную длину штыря и измерить КСВ нагрузки Н согласованной штырем. Определить значения Г_н и К_р.

Вывести штырь из волновода.

2.2. Согласование поглощающим аттенюатором.

Вводя затухание аттенюатором А₂, проводить измерения КСВН нагрузки Н. Снять зависимость КСВ от величины затухания А2 (М) в пределах 0 до 10 дБ. Получить не менее 5 точек. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

М, дБ	0	…		10
КСВ		…
Кр		…

3. Исследование согласующих элементов.

3.1. Заменить нагрузку Н согласованной нагрузкой СН. Между фланцем СН и волноводным трактом зажать индуктивную диафрагму Д1.

3.2. Измерить при помощи ИЛ положение минимума поля в волноводе ИЛ и КСВ.

3.3. Пользуясь результатом, полученным в п.1.6 и данными п. 3.2, рассчитать входной адмитанс согласованной нагрузки с диафрагмой. В расчетах использовать диаграмму полных сопротивлений. Пользуясь эквивалентной схемой, вычислить проводимость диафрагмы.

3.4. Проделать п.п. 3.2 - 3.3 для емкостной диафрагмы Д2. Измерить и записать размеры всех согласующих элементов.

Контрольные вопросы

1. Способы согласования линий передачи с нагрузкой.

2. Устройства, применяемые для узкополосного согласования.

3. Устройства, применяемые для широкополосного согласования.

4. Построение диаграммы полных сопротивлений (проводимостей).

5. Методика определения импеданса (адмиттанса) нагрузки по диаграмме полных сопротивлений (проводимостей).

6. Методика определения величины реактивности и места включения согласующего реактивного элемента в линию передачи по известному импедансу (адмиттансу) нагрузки.

7. Устройство измерительной линии.