LS-Sb87957

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

СВЧ-ТЕХНИКА И ИЗМЕРЕНИЯ

Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам

«Микроволновая техника и измерения» и «СВЧ-техника и измерения»

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2012

Лабораторная работа 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

СВЧ-ТРАКТА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Цель работы: определение полного сопротивления элементов 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 элементов СВЧ-трактов необходимы при решении задач согласования, а также 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 волновому сопротивлению линии z0, то в ней устанавливается режим бегущей волны (отсутствуют отраженные волны). В случае, если Zн z0, в передающей 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. Гн = E0 / Eп.

В общем виде коэффициент отражения является комплексным числом: Гн = Гн exp(i н), где Гн – модуль отношения напряжений; н – фазовый сдвиг между падающей и отраженной волнами на исследуемом объекте. Комплексный коэффициент отражения связан с полным сопротивлением Zн= =Rн + iXн соотношением

Гн = (Zн z0) / (Zн + z0).

3

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

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

жение ближайшего от нагрузки минимума напряжения в линии zmin. Через эти параметры можно легко определить модуль и фазу коэффициента отражения:

Гн = ( 1) / ( + 1);

н = 4 zmin / в,

(1.2)

где в – длина волны в линии, которая определяется как расстояние между

ближайшими минимумами.

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

Z' = R' + iX'=[1 + Гн exp(i н)] / [1 Гн exp(i н)] =

= [1+ Гн 2 + i2 Гн sin н]/[1 Гн 2 i2 Гн cos н]. (1.3)

Полное сопротивление удобно находить с помощью круговых диаграмм полных сопротивлений, где все вышеуказанные параметры ( , zmin, Гн ) 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 СВЧ-генератор, 2 – частотомер, 3 – регулируемый аттенюатор, 4 – измерительная линия, 5 – индикатор, 6 – исследуемый элемент, 7 – согласованная нагрузка.

Рис. 1.1

Для исследования режимов бегущей и стоячей волн вместо элементов 6 и 7 помещаются эталонная нагрузка или короткозамыкатель соответственно.

4

1.3.Задание и порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой, входящей в экспериментальную установку.

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

3.Изучить круговую диаграмму полных сопротивлений и методику определения с ее помощью полного сопротивления и проводимости.

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

5.Настроить измерительную линию на заданную частоту. Для этого собрать схему (см. рис. 1.1), заменив в ней исследуемый элемент на короткозамыкатель. От генератора подать в линию высокочастотный сигнал и с помощью ручек настройки диодной и зондовой резонансной камер ИЛ получить 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 расчет-

ной (см. (1.3)).

7.Провести измерения, необходимые для определения полного сопротивления. Для этого зафиксировать положение z1 одного 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 фазовый сдвиг определяется соотношением zmin/ в = (z2 z1)/ в. Для определения КСВ необходимо установить зонд в положение минимума и зафиксировать показания индикатора (U1); затем, установив зонд

вположение максимума, увеличить затухание аттенюатора до получения прежних показаний индикатора (U1) и определить разность в децибелах

по шкале аттенюатора: А2 А1 = А. Значение КСВ в децибелах опреде-

5

ляется А, а с учетом того, что А=20 lg ( Emax / Emin ), получим

= Emax / Emin =10 А/20.

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 (zmin, ,

в).

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

1.4.Содержание отчета

1.Схема измерительной установки.

2.Основные технические характеристики измерительных приборов.

3.Графики распределения напряженности электрического поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки, короткозамыкателя и исследуемого элемента. На графиках указать значение в и КСВ.

4.Эскиз исследуемого элемента с указанием основных геометрических размеров.

5.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.Почему длина волны в волноводе отличается от 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?

6

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: изучение характеристик коаксиального кабеля и приобретение практических навыков работы с панорамными измерителями КСВ и ослаблений.

2.1. Основные положения

Панорамный измеритель КСВ и ослаблений предназначен для наблюдения на экране электронно-лучевой трубки и измерения частотных характеристик КСВ и ослабления элементов СВЧ-трактов на среднем уровне мощно-

сти (0,1…1 мВт).

Прибор обеспечивает измерение КСВ в пределах от 1,02 до 5,0. Пределы индикации КСВ – от 1 до . Благодаря прибору возможно измерение ослабления согласованных (КСВ < 1,2) четырехполюсников в пределах от 0 до – 35 дБ. Пределы индикации ослабления от + 2 до – 40 дБ.

Панорамный измеритель состоит из следующих основных блоков и узлов: индикатора КСВ и ослабления, генератора качающейся частоты и измерительного СВЧ-тракта (в который могут входить направленные ответвители с детекторами, согласованные нагрузки, аттенюаторы, переходы и др.). Измерения основаны на выделении направленными ответвителями (НО) части падающего на исследуемый объект и отраженного от него (при измерении КСВ) или падающего и прошедшего (при измерении ослабления) СВЧ-сигналов. Выделенные сигналы детектируются детекторными головками и подаются в индикаторный блок.

В индикаторе осуществляются усиление детектированных напряжений падающей и отраженной (прошедшей) волн на частоте модуляции СВЧ-сиг- нала, определение отношения амплитуд падающего/прошедшего или отраженного/прошедшего СВЧ-сигналов, детектирование, индикация на экране ЭЛТ и измерение по шкалам КСВ и ослабления. При измерении сигнал, пропорциональный падающей мощности, из индикаторного блока подается в генераторный блок для автоматической регулировки уровня мощности

7

(АРМ) и поддержания ее постоянной при изменении частоты. Шкалы индикатора градуированы в значениях КСВ и ослаблений (в децибелах), что позволяет производить непосредственный отсчет измеряемых величин. Панорамный измеритель КСВ и затуханий позволяет проводить измерения ам- плитудно-частотной характеристики (АЧХ) и КСВ СВЧ-приборов и устройств, кроме того может быть использован для определения других характеристик приборов, устройств и материалов СВЧ-техники (например, группового времени запаздывания в СВЧ-трактах) при наличии соответствующей измерительной схемы.

2.2. Описание экспериментальной схемы

Блок-схема установки для измерения параметров коаксиального кабеля показана на рис. 2.1. В состав установки входят следующие основные элементы: 1 – индикаторный блок, 2 – генератор качающейся частоты, 3 – направленный ответвитель падающей волны, 4 – направленный ответвитель отраженной волны, 5, 6, 7 – детекторы падающей, отраженной и прошедшей волн соответственно, 8 – исследуемый коаксиальный кабель, 9 – коаксиальный тройник, 10 – аттенюатор (согласованная нагрузка). Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 2.2.

7

1

Uпад Uотр

Рис. 2.1

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 Úпад(0) (рис. 2.3), то напряжение падающей волны на

8

1Uотр

Uотр

АРМ

=Úпад(0) exp(–i l), где – постоянная распространения волны в коаксиаль-

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

9

С другой стороны, от разомкнутого конца линии должна отражаться полностью вся мощность, падающая на него. Отсюда можно сделать вывод, что модуль комплексного коэффициента отражения = exp(i )=Úотр/Úпад равен единице (иначе бы отражалась не вся мощность), а фаза коэффициента отражения = 0 (т. е. отражение волны напряжения происходит без изменения знака: Úотр(l) = Úпад(l) и наблюдается максимум напряжения на конце

линии). Таким образом, Úотр(l) = Úпад(0)·exp(–i l).

Отраженная волна напряжения распространяется от конца линии навстречу падающей волне. В сечении c координатой x ее комплексная амплитуда

где z0 – волновое сопротивление коаксиального кабеля. Отсюда можно определить входное сопротивление отрезка коаксиальной линии как

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 стороны плеча 1, которое имеет волновое сопротивление z0,

будет наблюдаться параллельное включение двух входных сопротивлений плечей 2 и 3. Входное сопротивление плеча 2 – Z2 = z0, так как оно нагружено на согласованную нагрузку (аттенюатор и детектор) и поглощает всю

10