Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Sb96658

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
13.02.2021
Размер:
477.14 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. В. ДРОЗДОВСКИЙ Н. Г. КОВШИКОВ

МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА И ИЗМЕРЕНИЯ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

УДК 615.849.112(07)

ББК З 840.4я7 Д 75

Дроздовский А. В., Ковшиков Н. Г.

Д75 Микроволновая техникаи измерения: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 32 с.

ISBN 978-5-7629-2195-4

Приводится описание лабораторных работ по дисциплинам «Микроволновая техника и измерения» и «СВЧ-техника и измерения». Содержит краткие описания некоторых приборов СВЧ, методов и схем измерения их СВЧ-харак- теристик, задания для лабораторных работ и порядок их выполнения. Сформулированы контрольные вопросы для самостоятельной подготовки.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника».

УДК 615.849.112(07)

ББК З 840.4я7

Рецензент доцент кафедры криогенной техники университета ИТМО, канд. техн. наук О. В. Пахомов.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

ISBN 978-5-7629-2195-4

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018

 

2

Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

СВЧ-ТРАКТА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Цельработы:определениеполногосопротивленияэлементов СВЧ-тракта и освоение практических приемов работы с измерительной линией и круговой диаграммой полных сопротивлений.

1.1. Основные положения

Измерения коэффициента отражения и полного сопротивления узлов или элементовСВЧ-трактовнеобходимыприрешениизадачсогласования, атакже при определении параметров эквивалентных схем и частотных характеристик устройств СВЧ. Измерения с помощью измерительной линии (ИЛ) являются простыми, достаточно точными и не требуют сложного измерительного оборудования при экспериментальном определении коэффициента отражения и полного сопротивления.

Принцип измерения основан на известной зависимости между сопротивлением исследуемого элемента и распределением напряженности электрического поля волны вдоль однородной линии передачи, соединяющей измеряемый элемент с генератором. Если сопротивление элемента Zн равно волно-

вому сопротивлению линии z0 , то в ней устанавливается режим бегущей волны (отсутствуют отраженные волны). В случае, если Zн z0, в передаю-

щей линии устанавливается режим стоячих волн, получающихся как суперпозиция падающих и отраженных волн. Коэффициент отражения определяется отношением напряженности электрического поля отраженной волны E0 к

напряженности падающей волны Eп в месте расположения элемента, т. е.

Γн = E0 / Eп.

В общем виде коэффициент отражения является комплексным числом: Γн = Γн exp(iφн), где Γн – модуль отношения напряжений; φн – фазовый

сдвиг между падающей и отраженной волнами на исследуемом объекте. Комплексный коэффициент отражения связан с полным сопротивлением Zн = Rн +iXн соотношением

Γн =(Zн z0)/ (Zн + z0).

3

Сопротивление нагрузки СВЧ-тракта обычно выражают в нормированных на волновое сопротивление подводящей линии значениях:

Zн ' = Zн / z0 =(1н)/ (1−Γн).

(1.1)

На практике, как правило, измеряют коэффициент стоячей волны напряжения (КСВ), определяемый отношением максимального значения напряжения стоячей волны в линии к его минимальному значению: ρ = Umax /Umin , и

положение ближайшего от нагрузки минимума напряжения в линии zmin . Че-

рез эти параметры можно легко определить модуль и фазу коэффициента отражения:

 

Γн

 

=(ρ –1)/ (ρ+1);

(1.2)

 

 

φн = zmin в,

 

где λв – длинаволнывлинии,котораяопределяетсякак удвоенноерасстояние

между ближайшими минимумами.

Таккак калибровкасопротивлениянагрузкиизмерительнойлиниипроиз-

водится по короткому замыканию, то φн = φк ± ∆φн, т.

е.

φн =180± zmin в, где zmin – расстояние между минимумом Zmin кз

в

режиме короткого замыкания (калибровки) и минимумом Zmin в режиме подключеннойнагрузки Zн. При этом знак «–»используется, еслиминимум Zmin расположенмежду Zmin кз инагрузкой,и«+», еслиминимум Zmin отнагрузки лежит в сторону генератора от Zmin кз.

С учетом (1.1) и (1.2), можно определить полное сопротивление исследуемого элемента:

Z

н

'

= R'+iX ' = 1+

 

Γ

н

 

exp(iφ

н

)

/ 1

 

Γ

н

 

exp(iφ

н

) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.3)

=

 

 

+

 

Γн

 

2

+i2

 

Γн

 

sin(φн)

 

/

 

 

Γн

 

2

i2

 

Γн

 

cos(φн)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полное сопротивление удобно находить с помощью круговых диаграмм полных сопротивлений, где все вышеуказанные параметры (ρ, zmin , Γн ) связаны с сеткой активных и реактивных составляющих сопротивления.

1.2. Описание экспериментальной установки

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.1. В состав установки входят следующие элементы: 1 – измерительный

4

СВЧ-генератор; 2 – частотомер; 3 – регулируемыйаттенюатор; 4 – измерительная линия; 5 – индикатор; 6 – исследуемый элемент; 7 – согласованная нагрузка.

Рис. 1.1

Для исследования режимов бегущей и стоячей волн вместо элементов 6

и7 помещаются эталонная нагрузка или короткозамыкатель соответственно.

1.3.Задание и порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой, входящей в экспериментальную уста-

новку.

2.Изучить конструкцию и основные характеристики измерительной линии (ИЛ), методику градуировки.

3.Изучить круговую диаграммуполных сопротивленийиметодикуопределения с ее помощью полного сопротивления и проводимости.

4.Включить измерительный генератор согласно инструкции и настроить его на заданную преподавателем частоту fи.

5.Настроить измерительную линию на заданную частоту. Для этого собрать схему (рис. 1.1), заменив в ней исследуемый элемент на короткозамыкатель. От генератора подать в линию высокочастотный сигнал и с помощью ручекнастройки диодной и зондовой резонансной камер ИЛполучить максимум на шкале индикаторного прибора. При этом глубину погружения зонда следует устанавливать минимальной с учетом реальной чувствительности индикатора. Уровень мощности в ИЛ следует поддерживать таким, чтобы показания индикатора соответствовали полной шкале при установке зонда в максимум напряженности электрического поля.

6.Измерить распределение напряженности электрического поля вдоль линии при подключенном короткозамыкателе и при замене его на согласованную нагрузку. Определить длину волны в линии и сравнить с расчетной [см.

(1.3)].

5

7. Провестиизмерения,необходимыедляопределенияполногосопротивления. Для этого зафиксировать положение z1одного из минимумов напряженности поля при подключенном короткозамыкателе. Затем собрать схему согласно рис. 1.1 и определить положение минимума z2 , ближайшего по координате к ранее найденному z1 со стороны нагрузки. Относительный фазо-

вый сдвиг определяется соотношением 4πzmin в = (z2 z1)в. Для определения КСВ необходимо: установить зонд в положение минимума и зафиксировать показания индикатора и показания аттенюатора A1; затем, уста-

новив зонд в положение максимума, увеличить затухание аттенюатора A2 до получения прежних показаний индикатора (U1) и определить разность в децибелах по шкале аттенюатора: A2 A1 = ∆A. Значение КСВ в децибелах определяется A, а с учетом того, что A = 20 lg(Emax / Emin ), получим ρ = Emax / Emin =10A/20 . При использовании амплитудного детектора характеристика которого близка к квадратичной, значение КСВ можно найти

так: КСВ= Umax /Umin , где Umax и Umin – показания индикатора в максимумах и минимумах стоячей волны.

8.Повторить пп. 47 на других частотах (по указанию преподавателя).

9.Определить полное сопротивление и проводимость исследованного

элемента, используя круговую диаграмму и результаты измерений (ρ, zmin ,

λв).

10. Рассчитать активные и реактивные составляющие полного сопротивления, используя (1.2) и (1.3).

1.4.Содержание отчета

1.Схема измерительной установки.

2.Основные технические характеристики измерительных приборов.

3.Эскиз исследуемых элементов и поперечного сечения волновода с указанием основных геометрических размеров.

4.Результаты расчета длины волны λв.теор в волноводе на измеренной

частоте fи сопоставленной с экспериментально полученной λв.эксп .

6

5.Графики распределения напряженности электрического поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки, короткозамыкателяи исследуемых элементов. На графиках указать значение λв и КСВ.

6.Основные элементы круговой диаграммы с нанесенными на нее значениями экспериментально найденных точек, определяющих Zн ' и Yн ' .

1.5.Контрольные вопросы

1.В чем отличие режима бегущих волн от режима стоячих волн, при каких условиях они реализуются?

2.Почемудлина волны в волноводеотличаетсяот длины волны в свободном пространстве?

3.Что такое согласование, и какими способами оно достигается?

4.На чем основан метод определения полных сопротивлений с помощью измерительной линии?

5.Каковы основные источники погрешности при определении полного сопротивления с помощью измерительной линии?

6.Как с помощью круговой диаграммы определить полное сопротивление и проводимость нагрузки?

7.Что такое одномодовый режим работы волновода, и при каких условиях он реализуется?

Лабораторная работа № 2

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ПАНОРАМНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ КСВ И ЗАТУХАНИЙ

Цель работы: изучениехарактеристиккоаксиального кабеля и приобретение практических навыков использования векторного анализатора цепей.

2.1. Основные положения

Используемый в данной работе векторный анализатор цепей «Обзор TR1300/1» (далее – «анализатор цепей») производства фирмы ООО «ПЛАНАР» предназначен для исследования передаточных характеристик радиочастотных цепей в частотном диапазоне от 300 кГц до 1300 МГц при значениях передаваемой мощности от –55 дБм до +26 дБм. Векторный анализатор цепей

7

позволяетосуществлятьизмерениечастотныхзависимостейамплитуды,фазы, коэффициентастоячей волны,вещественной и мнимой части величины сопротивления, группового времени задержки для прошедшего и отраженного радиосигналов.

2.2. Описание экспериментальной схемы

Блок-схема установок для измерения параметров коаксиального кабеля «на проход» и «на отражение» показаны на рис. 2.1, а, б, соответственно. Всоставустановкивходятследующиеосновныеэлементы: 1 – векторный анализатор цепей; 2 – управляющий компьютер; 3 – исследуемый коаксиальный кабель; 4 – коаксиальный тройник; 5 – аттенюатор (согласованная нагрузка).

2

Порт 1

1

3

Порт 2

а

2

 

 

5

Порт 1

4

1

3

Порт 2

б

Рис. 2.1

8

Рассмотрим эквивалентную схему тройника с подключенными аттенюатором и кабелем. При этом длиной тройника и затуханием в коаксиальном кабеле пренебрежем. В случае, если напряжение падающей волны в сечении

тройника x = 0 есть Uпад(0) (рис. 2.2 и 2.3), то напряжение падающей волны на конце отрезка коаксиальной линии длиной l будет составлять Uпад(l) =Uпад(0)exp(iβl), где β– постоянная распространения волны в коак-

сиальном кабеле. Так как в рассматриваемом случае на конце коаксиальной линии осуществляется режим холостого хода, то там наблюдается максимальное значение полного напряжения и ноль полного тока.

С другой стороны, от разомкнутого конца линии должна отражаться полностью вся мощность, падающая на него. Отсюда можно сделать вывод, что модуль комплексного коэффициента отражения

 

 

βl=m

I

I

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

ll

 

 

 

а

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

U

βl=mπ +π/2

1

 

3

 

 

 

 

U

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

βl=(m + 1)π

I

 

 

 

 

 

 

U

I

z

Z

 

Z

 

U

 

 

 

 

z0

0

Z

Z

 

 

 

 

 

 

22

 

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

l

 

в

Рис. 2.3

Рис. 2.2

 

9

Γ = Γ exp(iφ) =Uотр /Uпад равен единице (иначе бы отражалась не вся мощ-

ность), а фаза коэффициента отражения ϕ = 0 (т. е. отражение волны напряжения происходит без изменения знака, и наблюдается максимум напряжения на

конце линии). Таким образом, Uотр(l) =Uпад(0)exp(iβl).

Отраженная волна напряжения распространяется от конца линии навстречу падающей волне. Зная токи напряжения в каждой точке линии передачи можно определить входное сопротивление отрезка коаксиальной линии как

Zвх =U (0) / I(0) = −iZ0 ctg(βl).

(2.1)

Таким образом, можно представить рассматриваемый тройник с включенными в его плечи отрезком коаксиального кабеля и согласованной нагрузкой в виде параллельного соединения двух сосредоточенных сопротивлений (рис.2.4),т.е.со стороныплеча1,котороеимеетволновоесопротивление Z0 ,

будет наблюдаться параллельное включение двух входных сопротивлений плечей2 и3.Входноесопротивлениеплеча 2 Z2 = Z0 ,таккакононагружено

на согласованную нагрузку (аттенюатор и детектор) и поглощает всю мощность, падающую на нее, а входное сопротивление плеча 3 (коаксиальный кабель) Z3 = Zвх (2.1). Тогда входное сопротивление всего тройника можно

определить обычной формулой для параллельного соединения сопротивлений:

Zвх = Z2Z3 / (Z2 + Z3).

(2.2)

Одно из параллельно включенных сопротивлений является частотно-не- зависимым (Z2 ), а второе ( Z3 ) зависит от постоянной распространения (вол-

нового числа) в коаксиальной линии β = 2π/λ, где λ – длина волны в линии, являющаяся частотно-зависимой: λ = с/(εr f ), где εr – диэлектрическая

проницаемость диэлектрика кабеля. Соответственно, частотно-зависимым оказывается и коэффициент отражения от тройника со стороны плеча 1:

Γ =( Z2Z3 / (Z2 + Z3 ) Z0 )/ ( Z2Z3 / (Z2 + Z3 ) + Z0 )=

 

 

 

 

= −1/ [12ictg(βl)],

(2.3)

а его модуль, измеряемый в работе:

 

 

 

Γ

 

= 1/ (1+ 4ctg2

l))1/2 .

(2.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]