Sb96658

Поясним этот факт подробнее. Пусть частота сигнала fn генератора такова, что стоячая волна напряжения (см. рис. 2.3, а) имеет максимум в х = 0. Это наблюдается при частоте, для которой βl = mπ, где m = 0, 1, 2, …, т. е. когда на длине коаксиального кабеля укладывается целое число полуволн. Тогда следует, что на данных частотах в х = 0 имеется ноль полного тока. Таким образом, входное сопротивление отрезка кабеля на этой частоте бесконечно велико и подводящая линия оказывается нагруженной только на согласованное сопротивление Z2, т. е. Zвх = Z2 [см. (2.2)]. Это означает, что коэффици-

ент отражения на входе тройника Γ = 0, и вся мощность от генератора уходит в плечо 2.

Теперь представим, что частота сигнала такова, что на входе отрезка кабеля имеется ноль полного напряжения. Это наблюдается на частоте, для которой βnl = nπ + π/2, где n = 0, 1, 2, …, например, для случая βl = π + π/2 (см. рис. 2.3, б). Полный входной ток на данной частоте по абсолютному значению I(0) = 2Uпад(0) / Z0 ≠ 0 , и входное сопротивление кабеля Z3 = 0. Следовательно, подводящая линия оказывается короткозамкнутой на конце Zвх = 0

[см. (2.3)] и модуль коэффициента отражения Γ максимален [Γ = – 1, см.

(2.3) и (2.4)].

Таким образом, модуль коэффициента отражения при изменении частоты (волнового числа) будет принимать максимальные и минимальные значения:

Качественная картина изменения модуля коэффициента отражения Γ от частоты приведена на рис. 2.4.

11

1

f

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Приналичиизатуханиявкабелекоэффициентотражениявmaxменьше 1, а в min больше 0. Измеряя коэффициент отражения в max и min можно определить затухание кабеля:

КСВmax =UП +U0max . UП −U0max

Надо учесть второе плечо, где часть мощности уходит, так как

Определим значения волновых чисел, соответствующих двум соседним

∆β =βm+1 −βm = 2π(fm+1 − fm )εr /c .

Вто же время в соответствии с (2.5), βml = mπ, βm+1l =(m+1)π, или ∆β =

=π/l. Отсюда получим

Определим время группового запаздывания сигнала τ в отрезке коаксиального кабеля длиной l при распространении волны в прямом и в обратном направлениях, воспользовавшись известным соотношением для групповой скорости vg = ∂ω/ ∂β ≈ 2π∆f /∆β. Тогда τ = 2l / vg ≈ 2l∆β/(2π∆f ).

Выберем изменение волнового числа между двумя соседними миниму-

Итак, следовательно, измеряя частотную характеристику результирующей амплитуды двух интерферирующих сигналов, можно определить разницу группового времени запаздывания одного сигнала относительно другого (в данномслучаепадающегои отраженного сигналовнавходекоаксиальногокабеля).

2.3.Порядок выполнения работы

1.Изучить устройство и принцип действия векторного анализатора цепей «Обзор TR1300/1» производства фирмы ООО «ПЛАНАР».

2.Включить панорамный «Обзор» и подготовить его к работе согласно инструкции.

13

3.Включить на компьютере программу TRVNA. Включить режим свипрования анализатора цепей по частоте (меню «Стимул» => «Запуск»). Задать частотный диапазон свипирования от 300 кГц до 1300 МГц, установив соответствующие значения внизу экрана у позиций «Старт» и «Стоп». Установить выходную мощность равную –10 дБм (меню «Стимул» => «Мощность» => правое выпадающее меню). Задать число точек при измерении равным 2000 (меню «Стимул» => «Число точек» => правое выпадающее меню).

4.По указанию преподавателя провести калибровку анализатора цепей.

5.Измерить рулеткой длину короткого кабеля № 1.

6.Собрать измерительную установку согласно рис. 2.1. а, подключив короткий кабель № 1.

7.Провести измерения передаточной характеристики, фазочастотной характеристики и группового времени задержки коэффициента передачи в диапазоне частот, указанном преподавателем. Для этого на экране анализатора щелчком мышки нажать на тип измерений «S11» и выбрать тип измерений «S21».Переключениемеждутипомизмеряемой характеристикипроизводится аналогично, путемнажатиянасоседний индикатор «Ампл. лог» и выбором соответствующих пунктов: «Ампл. лог» (передаточная характеристика); «Фаза расш» (фазочастотная характеристика); «ГВЗ» (групповое время задержки). Все вышеперечисленные характеристики записать в виде соответствующих файлов с расширением «*.csv». Для этого необходимо, выставив на экране соответствующую зависимость, выйти в главное меню прибора путем нажатия правой верхней кнопки в меню и выбрать «Система» => «Сохранить» => «Сохранить данные графика».

8.Собрать измерительную установку согласно рис. 2.1. б, подключив короткий кабель № 1.

9.Провести измерения передаточной характеристики и группового времени задержки коэффициента отражения в диапазоне частот, указанном преподавателем. Для этого на экране анализатора щелчком мышки нажать на тип измерений «S21» и выбрать тип измерений «S11». Измерения проводятся аналогично п. 7.

10.Подключить вместо кабеля № 1 длинный кабель № 2 и повторить измерения по п. 9.

11.Рассчитать среднюю диэлектрическую проницаемость εr диэлектрика

кабеля № 1 по результатам измерения 5–6 максимумов или минимумов.

14

12. Рассчитать среднюю диэлектрическую проницаемость εr диэлектрика кабеля № 1 по результатам измерения его фазочастотной характеристики.

13.Пользуясь полученными значениями диэлектрической проницаемости, рассчитать длину кабеля № 2. По измерениям частот 5–6 максимумов и минимумоврассчитатьвремягруппового запаздываниядлякабелей № 1 и №2

исравнить их с результатами измерений в п. 7 и п. 9.

2.4.Содержание отчета

1.Схемы экспериментальной установки.

2.Тип и основные характеристики использованной аппаратуры.

3.Краткое описание объекта исследования.

4.Таблицы и графики зависимостей передаточных характеристик, группового времени задержки и фазы от частоты.

5.Расчетные соотношения и результаты расчета характеристик кабелей № 1 и № 2 (определить диэлектрическую проницаемость из измерений характеристик кабеля № 1 и длину кабеля № 2 по полученному значению диэлектрической проницаемости).

2.5.Контрольные вопросы

1.Объяснить принцип действия работы векторного анализатора цепей.

2.Какую информацию об исследуемом объекте несут частотные характеристики фазы, группового времени задержки и ослабления?

3.Имеется ли связь между характеристиками группового времени задержки и ослабления?

4.Объяснитьпроисхождениеосцилляцийнахарактеристикахгруппового времени задержки и ослабления.

5.Пояснить связь длины кабеля и вида фазочастотной характеристики.

6.Как определить групповое время запаздывания по частотным характеристикам коэффициента ослабления, наблюдаемым в данных экспериментах?

7.Какоевлияниеоказываетзатуханиеволны вкабеленахарактеристики коэффициента отражения?

15

Лабораторная работа № 3 ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

Цель работы: изучение характеристик направленного ответвителя; приобретение практических навыков работы с СВЧ-аппаратурой.

3.1. Основные положения

Направленный ответвитель (НО) – элемент СВЧ-тракта, предназначенный для направленного ответвления части мощности падающей или отраженной волн из основного тракта во вспомогательный. Принцип действия направленного ответвителя основан на интерференции волн, возбуждаемых во вспомогательной линии, причем элементы связи располагаются таким образом, чтобы в результате интерференции во вспомогательной линии волна распространялась лишь в одном направлении.

плечо вторичной линии, к входной мощности первичной линии (на входе 1): A41=10 lg(P4 / P1). Направленность характеризуется отношением мощностей на выходах рабочего 4 и нерабочего 3 плеч вторичной линии: A43=10 lg(P4 / P3 ). Развязка НО определяется отношением мощности в нерабочем плече вторичной линии к мощности на входе первичной линии: A31=10 lg(P3 / P1). Направленность, переходное ослабление и развязка явля-

ются связанными характеристиками. Поэтому направленность можно определить, например, следующим образом: H = A41 − A31. Так как направленный от-

ветвитель является взаимным устройством, аналогичные характеристики могут быть определены при подаче мощности на другие входы – 2, 3 или 4 соответственно.

16

КСВ характеризует отражения, вносимые НО в СВЧ-тракт, и определяется со стороны соответствующего плеча при наличии согласованных нагрузок в других плечах. Полоса рабочих частот определяет диапазон, в пределах которого неравномерность переходного ослабления и направленность не превышают заданных значений.

3.2. Описание экспериментальной схемы

Блок-схема установки для измерения параметров направленного ответвителя показана на рис. 3.2.

В состав установки входят следующие основные элементы: 1 – СВЧ-ге- нератор; 2 – исследуемый направленный ответвитель; 3 – детектор; 4 – согласованные нагрузки; 5 – усилитель с индикатором (или милливольтметр). Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 3.3. Измерения выполняются методом замещения.

4 4

В качестве образцового аттенюатора используется внутренний аттенюатор генератора. Это значительно упрощает измерительную схему. Данный аттенюатор является перестраиваемым.

3.3.Порядок выполнения работы

1.Изучить устройство и принцип действия генератора СВЧ (см. инструкцию по эксплуатации).

2.Включить генератор и усилитель (милливольтметр), подготовить их к работе согласно инструкции.

17

3. Провести калибровку схемы. Для этого соединить приборы и элементы схемы, как показано на рис. 3.3. С помощью аттенюатора установить показания индикатора на уровень 0,1…0,2 шкалы при максимальной чувствительности. Изменяя частоту генератора с шагом 50…100 МГци поддерживая с помощью аттенюатора постоянное выбранное значение показаний индикатора, записать полученное значение затухания Aк на всех частотах в пределах рабо-

чего диапазона генератора.

4.Собрать измерительную установку согласно рис. 3.2.

5.Провести измерения характеристик передачи направленного ответвителя в диапазоне частот генератора (на частотах калибровки). Для этого установить аттенюатором генератора новое значение затухания Aи , при котором

показания индикатора будут соответствовать калибровке. Найти значения затухания, вносимого измеряемым устройством, по формуле A = Aк − Aи.

6.Подключить детектор прошедшей волны последовательно к следующим выходам направленного ответвителя и повторить измерения.

7.Подключить генератор к другим плечам направленного ответвителя и повторить измерения по пп. 5 и 6.

8.Рассчитатьхарактеристики направленного ответвителя(переходное затухание и направленность) и построить соответствующие графики.

3.4.Содержание отчета

1.Схемы экспериментальной установки.

2.Тип и основные характеристики использованной аппаратуры.

3.Краткое описание объекта исследования.

4.Графики зависимостей коэффициентов передачи от частоты.

5.Расчетные соотношения и результаты расчета характеристик направленного ответвителя.

3.5.Контрольные вопросы

1.Объяснить принцип действия направленного ответвителя.

2.Назвать основные блоки и узлы измерительной схемы и их функциональное назначение.

3.Пояснить методику калибровки схемы при измерении коэффициентов передачи.

4.Какую информацию об исследуемом объекте несут частотные характеристики передачи между различными входами и выходами?

18

5.Имеется ли связь между характеристиками передачи?

6.Объяснить происхождение осцилляций на характеристиках передачи.

7.Как определить направленность и переходное затухание направленного ответвителя по частотным характеристикам передачи, наблюдаемым в данных экспериментах?

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НЕВЗАИМНЫХ ФЕРРИТОВЫХ ПРИБОРОВ

Цель работы: изучение характеристик резонансного вентиля и полоскового циркулятора, приобретение практических навыков работы по измерению параметров многополюсников на СВЧ.

4.1. Основные положения

Резонансный вентиль предназначен для подавления отраженной волны в СВЧ-трактах. Принцип действия вентиля основан на явлении ферромагнитного резонанса и зависимости поглощенной мощности от направления поляризации электромагнитной волны при ее распространении в прямоугольном волноводе в прямом и в обратном направлениях. Основными характеристиками вентиля являются переходное ослабление, развязка, КСВ и рабочая полоса частот.

Затухание определяется отношением выходной мощности к входной при прямом направлении волны (рис. 4.1): A21=10 lg(Pвых 2 / Pвх 1) .

Развязка вентиля определяется отношением мощности на выходе вентиля к мощности на входе при обратном распространении волны (рис. 4.1): A12=10 lg(Pвых 1 / Pвх 2). КСВ характеризует отражения, вносимые вентилем

вСВЧ-тракт,иопределяетсясосторонысоответствующегоплечаприналичии согласованной нагрузки в другом плече. Полоса рабочих частот определяет диапазон частот, в пределах которого неравномерность ослабления, развязка и КСВ не превышают заданных (необходимых) значений.

19