Sb96658
.pdfМИНОБРНАУКИ 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 =(1+Γн)/ (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 = 4π∆zmin /λв, |
|
где λв – длинаволнывлинии,котораяопределяетсякак удвоенноерасстояние
между ближайшими минимумами.
Таккак калибровкасопротивлениянагрузкиизмерительнойлиниипроиз-
водится по короткому замыканию, то φн = φк ± ∆φн, т. |
е. |
φн =180± 4π∆zmin /λв, 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 4π∆zmin /λв = 4π(z2 − z1)/λв. 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 =10∆A/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. 4−7 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/ [1−2ictg(βl)], |
(2.3) |
|
а его модуль, измеряемый в работе: |
|
|
|||
|
Γ |
|
= 1/ (1+ 4ctg2 |
(βl))1/2 . |
(2.4) |
|
|
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|