4.2. Описание экспериментальных схем

Блок-схемыустановокдляизмеренияпараметроврезонансного вентиляи циркулятора показаны на рис. 4.2, а, б, соответственно.

4

а

6

б

Рис. 4.2

В состав установки входят следующие основные элементы: 1 – генератор СВЧ; 2 – встроенный переменный аттенюатор; 3 – исследуемый вентиль (рис. 4.2, а) или исследуемый циркулятор (рис. 4.2, б); 4 – детектор; 5 – милливольтметр; 6 – согласованная нагрузка.

4

Рис. 4.3

Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 4.3. При калибровкеСВЧгенераторприпомощикабеля,черездиод,соединяетсясмилливольтметром.

21

4.3.Задание и порядок выполнения работы

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

2.Включить генератор СВЧ и милливольтметр и подготовить их к работе согласно инструкции.

3.Собратьизмерительнуюустановкусогласнорис.4.4,включитьвентиль

впрямомнаправлении, адетектор измерительной линииподключить к милливольтметру.

4.Подключить детектор прошедшей волны к милливольтметру и измерить частотные характеристики ослабления с помощью аттенюатора методом замещения. С помощью аттенюатора установить показания индикатора на уровень 0,1…0,2 шкалы при максимальной чувствительности милливольтметра. Изменяя частоту генератора через 50…100 МГц и поддерживая с помощью аттенюатора постоянное выбранное значение показаний индикатора, записать полученное значение затухания Aи12 на всех частотах в пределах ра-

бочего диапазона генератора.

5.Собрать измерительную установку согласно рис. 4.4.

6.Провести калибровку установки в диапазоне частот генератора (на частотах измерений). Для этого установить аттенюатором новое значение затухания Aк, при котором показания индикатора будут соответствовать значе-

ниям, выбранным в п. 5. Найти значения затухания, вносимого измеряемым устройством, по формуле A12 = Aк − Aи12.

7. Собрать измерительную схему согласно рис. 4.2. Включить вентиль в «обратномнаправлении»иповторитьизмеренияп.5.Найтизначенияразвязки вентиля по формуле A21 = Aк − Aи21.

8.Подключить детектор измерительной линии к милливольтметру и повторить измерения по п. 4.

9.Собрать измерительную установку согласно рис. 4.4, б.

10.Провести измерения характеристик передачи циркулятора в диапазоне частот генератора (на частотах калибровки). Для этого установить аттенюатором значение затухания Aи , при котором показания индикатора будут

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

11. Подключить детектор прошедшей волны последовательно к следующим выходам циркулятора и повторить измерения п. 6.

22

12.Подключить генератор к другим плечам циркулятора и повторить измерения по пп. 12 и 13.

13.Определить затухание между соответствующими входами–выходами

циркулятора по формуле A = Aк − Aи.

14.Рассчитать рабочую полосуциркулятора при условии, что ослабление

врабочемтрактенедолжно превышать –2дБ,аразвязкадолжнабытьне более

–10 дБ.

4.4.Содержание отчета

1.Схемы экспериментальных установок.

2.Тип и основные характеристики использованной аппаратуры.

3.Краткое описание объектов исследования.

4.Расчетные соотношения и результаты расчета характеристик резонансного вентиля.

5.Расчетные соотношения и результаты расчета характеристик циркуля-

тора.

4.5.Контрольные вопросы

1.Объяснить принцип действия резонансного вентиля и методику измерения его характеристик.

2.Назвать основные блоки и узлы измерительных схем и их функциональное назначение.

3.Пояснить методику калибровки схемы при измерении коэффициентов передачи.

4.Какую информацию об исследуемых объектах несут частотные характеристики ослабления?

5.Имеется ли связь между характеристиками коэффициента передачи?

6.Объяснить происхождение неравномерности характеристик ослабле-

ния.

7.Как определить полосу рабочих частот резонансного вентиля по частотным характеристикам ослабления, наблюдаемым в данных экспериментах?

8.Объяснить принцип действия циркулятора.

9.Имеется ли связь между характеристиками передачи циркулятора?

10.Объяснитьпроисхождениенеравномерностихарактеристикпередачи.

23

11. Как определить развязку и прямые потери циркулятора по частотным характеристикам передачи, наблюдаемым в данных экспериментах?

Лабораторная работа № 5 ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ СВЧ-СИГНАЛОВ

Цель работы: изучение основных способов измерения несущей частоты СВЧ-сигнала и анализа спектра; приобретение практических навыков работы по работе с измерительной аппаратурой.

5.1. Основные положения

Одной из важнейших задач измерительной техники является измерение частоты. Одним из самых распространенных методов ее измерения – гетеродинный метод измерения частоты. Суть данного метода заключается в следующем: сигнал неизвестной частоты fx суммируется с сигналом гетеродина из-

вестной частоты f0 . Суммарный сигнал подается на вход нелинейного элемента – смесителя (как правило, детекторного диода). Выходной сигнал после нелинейного элемента содержит несколько гармоник с частотами: fx ; f0 ; fx + f0 ; fx − f0 ; 2 fx ; 2 f0 . Рассмотрим это преобразование более подробно.

При подаче суммы двух сигналов Ux cos(ωxt)+U0 cos(ω0t) на нелинейный элемент (диод) с квадратичной характеристикой Id = αUd2 через нагрузку

2) постоянные(выпрямленные)токинагрузкиотпервого = αU 2 и вто-

Ix 2x

рого =αU 2 генераторов.

I0 20

Измеряя разностную частоту можно определить неизвестную частоту ωx по известной частоте ω0 . Измеряя амплитуду Ix в режиме детектора можно определить мощность генератора 1 или 2. Измеряя амплитуду тока Iпр – в ре-

жиме преобразования можно определить мощность исходного сигнала и его изменение при изменении Ux .

Для идентификации сигнал разностной частоты, которую часто называют частотой биений, подают на индикатор, в качестве которого могут служить осциллограф или цифровой частотомер. На рис. 5.1 показана диаграмма зависимости разностной частоты ∆f = ωx −ω0 /(2π) от частоты опорного генера-

тора f0 = ω0 / (2π).

При условии, что сигнал частоты f лежит в рабочем диапазоне частот измерительных приборов (рис. 5.1 – диапазон частот между ∆fп и ∆f = 0 ) на

экране осциллографа наблюдаются колебания с периодом T =1/ ∆f , а на индикаторечастотомеравиднозначениеизмереннойчастоты f. Неизвестнаячастота fx находится как fx = f0 в + ∆f , или fx = f0 н −∆f , где f0 н и f0 в– соответственно, нижнее и верхнее значения частот опорного генератора, при которых наблюдается частота биений f.

25

5.3.Порядок выполнения работы

1.Изучить устройство и принцип действия приборов, входящих в измерительную установку (см. инструкцию по эксплуатации).

2.Включить приборы и подготовить их к работе согласно инструкции.

3.Собрать измерительную установку согласно рис. 5.2.

4.Измерить частоту СВЧ-генератора 1 (для этого, меняя частоту опорного СВЧ-генератора 2, добиться исчезновения биений частоты на экране осциллографа и нулевого значения измеряемой частоты на частотомере):

● установить аттенюаторы обоих генераторов в положение

α = –30 дБ;

●установить режим работы обоих генераторов «непрерывный»;

●изменяя частоту f0 генератора 2 получить биения на осциллографе,

определитьчастотубиенияпочастотомеру, именяячастотугенератора f0 , установить частоту биений ∆f , близкой к нулю. Далее уменьшая

частоту f0 генератора 2 ступенями по 5 МГц, измерить частоту биения по частотомеру, до достижения ∆f 30 МГц. Затем, увеличивая частоту f0 генератора 2 ступенями по 5 МГц, измерить частоты биений. По результатам всех измерений определить среднее значение fx cp .

5.Варьированием частоты СВЧ-генератора 2 оценить погрешность измерений частоты по отдельности для осциллографа и для цифрового частотомера.

6.Произвести сравнение характеристик преобразователя СВЧ-сигналов в амплитудном детекторе и смесителе.

6.1.Измерить характеристики амплитудного детектора:

●выключить генератор 1, переведя его в режим внешней импульсной

= –30 дБ). Изменяя скорость развертки осциллятора, установить устойчивую картину меандра. Измерить амплитуду сигнала, пользуясь масштабом осциллографа;

27

●увеличивая значение затухания аттенюатора ступенями по 3 дБ, фиксировать амплитуду сигнала на экране осциллографа, увеличивая его чувствительность до появления шумовой дорожки приблизительно равной половине амплитуды меандра. В этом случае достигается соотношение сигнал/шум =1 (Это соответствует α = –60 дБ).

6.2.Измерить характеристики в режиме смесителя:

●установить аттенюатор генератора 1 в исходное (–30 дБ) положение

иперевести его в непрерывный режим работы;

●включить генератор 2 в непрерывном режиме и установить аттенюатор в положение –30 дБ;

● установить разность частот генераторов 1 и 2 в пределах

∆f =0.5...3 МГц;

● переключитьгенератор1 врежиммеандраиизмеритьегоамплитуду. Уменьшая мощность генератора 1 ступенями по 3 дБ, измерить амплитуду меандра до появления шумовой дорожки приблизительно равной половине амплитуды меандра.

5.4.Содержание отчета

1.Схемы экспериментальной установки.

2.Тип и основные характеристики использованной аппаратуры.

3.Краткое описание методики исследования.

4.Значения частоты со значениями погрешности, полученные различными способами.

5.Графики измеренных спектров модулированного сигнала.

6.Графические зависимости амплитудного детектора и преобразователя частот.

5.5.Контрольные вопросы

1.Объяснить способы измерения частоты, использованные в данной ра-

боте.

2.Назвать основные блоки и узлы измерительных схем и их функциональное назначение.

3.Объяснить происхождение погрешностей при измерении частоты.

4.Зачем в измерительной схеме нужен смеситель, как он работает?

28

5.Какие основные источники погрешностей имеются при определении частоты монохроматического СВЧ-сигнала в данной работе?

6.Чем отличается спектр непрерывного СВЧ-сигнала от спектра ампли- тудно-модулированного СВЧ-сигнала?

29

Список рекомендуемой литературы

Основные издания

Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника: учеб. для вузов. СПб.: Лань, 2007.

Чернушенко А. М., Майбородин А. В. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн. М.: Радио и связь, 1986.

Дополнительная литература

Абубакиров Б. А., Гудков К. Г., Нечаев А. В. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. М.: Радио и связь, 1986.

Измерения в электронике: справ. / В. А. Кузнецов, В. А. Долгов, В. М. Коневских и др.; под ред. В. А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ: в 2. Т. 1. М.: Высш. шк., 1970. Милованов О. С., Собенин Н. П. Техника сверхвысоких частот. М.: Ато-

миздат, 1980.

Харитонов А. А. Микроволновые устройства в системах подвижной радосвязи. СПб.: ГУАП, 2007.

30