LS-Sb87957

мощность, падающую на нее, а входное сопротивление плеча 3 (коаксиальный кабель) Z3 = Zвх (2.2). Тогда входное сопротивление всего тройника

можно определить обычной формулой для параллельного соединения сопротивлений:

Одно из параллельно включенных сопротивлений является частотнонезависимым (Z2), а второе (Z3) зависит от постоянной распространения

(волнового числа) в коаксиальной линии = 2 / , где – длина волны в линии, являющаяся частотно-зависимой: = с/(εr1/2f), где εr – диэлектрическая проницаемость диэлектрика кабеля. Соответственно, частотно-зависимым оказывается и коэффициент отражения от тройника со стороны плеча 1:

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 l = 2m , где m = 0, 1, 2… (см. (2.1а)), т. е. когда на отрезке коаксиального кабеля укладывается целое число полуволн. Тогда из (2.1б) следует, что на данной частоте в х = 0 имеется ноль полного тока. Значит, входное сопротивление отрезка на этой частоте бесконечно велико и подводящая линия оказывается нагруженной только на согласованное сопротивление Z2, т. е. Z = Z2 (см. (2.3)). Это означает, что ко-

эффициент отражения на входе тройника = 0, и вся мощность от генератора уходит в плечо 2. Аналогичная картина наблюдается и для случая, когда на отрезке кабеля укладывается нечетное число полуволн, т. е. l = (2m + 1) (см. рис. 2.3, в). В этом случае также = 0.

Теперь представим, что частота сигнала такова, что на входе отрезка кабеля имеется ноль полного напряжения. Это наблюдается на частоте, для которой l = n + /2 (см. (2.1а)), где n = 0, 1, 2…, например для случая l = = 2m + /2 (см. рис. 2.3, б). Полный входной ток на данной частоте по абсолютному значению Í(0) = 2 Úпад(0)/z0 0, и входное сопротивление кабеля Z3 = 0. Следовательно, подводящая линия оказывается короткозамкну-

11

той на конце Z = 0 (см. (2.3)) и модуль коэффициента отражения макси-

мален ( = – 1, см. (2.4) и (2.5)).

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

Рис. 2.5

Определим значения волновых чисел, соответствующих двум соседним минимумам на частотах fn и fn+1: n = 2 / n = 2 fn εr1/2 /с; n+1 = 2 / n+1 = 2 fn+1εr1/2/с. Изменение волнового числа, соответствующее переходу из одного минимума в другой,

= n+1 n= 2 (fn+1 fn)εr1/2/с.

В то же время в соответствии с (2.6), nl = n , n+1l = (n+1) , или = = /l. Отсюда получим

Определим время группового запаздывания сигнала в отрезке коаксиального кабеля длиной l при распространении волны в прямом и в обратном

12

направлениях, воспользовавшись известным соотношением для групповой скорости vg = / 2 f / . Тогда = 2l / vg 2 / (2 f).

Выберем изменение волнового числа между двумя соседними минимумами = n+1 n = /l и получим следующее соотношение:

1 / (fn+1 fn).

Таким образом, наблюдая за частотной характеристикой результирующей амплитуды двух интерферирующих сигналов, можно определить разницу группового времени запаздывания одного сигнала относительно другого (в данном случае падающего и отраженного сигналов).

2.3.Задание и порядок выполнения работы

1.Изучить устройство и принцип действия панорамного измерителя КСВ и ослабления (см. инструкцию по эксплуатации измерителя).

2.Включить панорамный измеритель КСВ и ослабления и подготовить его

кработе согласно инструкции.

3.Провести калибровку схемы на измерение КСВ. Для этого соединить приборы и элементы схемы, как показано на рис. 2.2.

4.Измерить длину короткого кабеля № 1.

5.Собрать измерительную установку согласно рис. 2.1, подключив короткий кабель № 1 и измерив его длину.

6.Провести измерения КСВ в диапазоне частот, указанном преподавателем. Измерить и записать частотное положение и значение КСВ в каждых минимуме и максимуме характеристики (5 – 6 идущих подряд максимумов и минимумов).

7.Подключить детектор прошедшей волны ко входу КСВ индикаторного блока.

8.Провести измерения частотной характеристики прошедшей волны и записать положение и величину каждого максимума и минимума характеристики передачи в децибелах по визиру индикаторного блока.

9.Подключить вместо кабеля № 1 длинный кабель № 2 и повторить измерения по пп. 6 – 8.

10.Рассчитать диэлектрическую проницаемость диэлектрика кабеля № 1.

11.Пользуясь полученными значениями диэлектрической проницаемости, рассчитать длину кабеля № 2. Рассчитать время группового запаздывания.

13

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 КСВ и прошедшей мощности 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.Объясните принцип действия панорамного измерителя КСВ и ослабления.

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

3.Поясните методику калибровки схемы при измерении КСВ и ослабления.

4.Какую информацию об исследуемом объекте несут частотные характеристики КСВ и ослабления?

5.Имеется ли связь между характеристиками КСВ и ослабления?

6.Объясните происхождение осцилляций на характеристиках КСВ и ослабления.

7.Как определить групповое время запаздывания по частотным характеристикам КСВ и ослабления, наблюдаемым в данных экспериментах?

8.Какое влияние оказывает затухание волны в кабеле на характеристики КСВ и ослабления?

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

14

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. 1 2

нии, 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). Так как направленный ответвитель является взаимным устройством, аналогичные характеристики могут быть определены при подаче мощности на другие входы – 2, 3 или 4 соответственно.

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: СВЧ-ге- нератор 1, исследуемый направленный ответвитель 2, детектор 3, согласованные нагрузки 4, усилитель с индикатором 5. Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 3.3. Измерения выполняются методом замещения.

15

8.Рассчитать характеристики направленного ответвителя (переходное затухание и направленность).

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.Объясните принцип действия направленного ответвителя.

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

3.Поясните методику калибровки схемы при измерении коэффициентов передачи.

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

5.Имеется ли связь между характеристиками передачи?

6.Объясните 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.

17

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 мощности 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 (см. рис. 4.1): A12 = 10 lg(Pвых 1 / Pвх 2). КСВ характеризует отражения, вносимые вен-

тилем в СВЧ-тракт, и определяется со стороны соответствующего плеча при наличии согласованной нагрузки в другом плече. Полоса рабочих частот определяет диапазон частот, в пределах которого неравномерность ослабле-

циркулятора, причем элементы связи располагаются таким образом, чтобы в результате интерференции отраженная волна поступа-

ла только во вспомогательный тракт. Циркулятор является многополюсником с числом полюсов не менее шести.

18

Основными характеристиками циркулятора являются прямые потери, развязка, КСВ и рабочая полоса частот. Прямые потери между плечами 1 и 2 циркулятора находятся как отношение мощности на выходе 2 к мощности, поданной на вход 1: A21 = 10 lg(P2 / P1), а развязка – как отношение мощно-

сти на входе 1 к мощности, поданной на вход 2 при условии, что плечо 3 нагружено на согласованную нагрузку: A12 = 10 lg(P1 / P2). Аналогично

находятся прямые потери и развязка и для других плеч (с учетом направления циркуляции). КСВ характеризует отражения, вносимые циркулятором 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, развязка и КСВ не превышают заданных значений. Для измерения характеристик циркулятора также используется метод замещения.

4.2. Описание экспериментальных схем

Блок-схемы установок для измерения параметров резонансного вентиля и циркулятора показаны на рис. 4.3.

7

8

б

Рис. 4.3

В состав установки входят следующие основные элементы: генератор СВЧ 1,

19

вентиль 2, измерительная линия 3, исследуемый резонансный вентиль 4 (рис 4.4, а) или исследуемый циркулятор (рис 4.4, б), переменный аттенюатор 5, детектор 6, милливольтметр 7, согласованная нагрузка 8.

7

66

Рис. 4.4

Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 4.4.

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.Собрать измерительную установку согласно рис. 4.4, включить вентиль в прямом направлении, а детектор измерительной линии подключить к милливольтметру.

4.Измерить частотные характеристики КСВ с помощью измерительной линии. Для этого, изменяя частоту генератора ступенями по 50…100 МГц, измерить отношение амплитуд стоячей волны в максимуме и в минимуме

спомощью измерительной линии на каждой частоте в пределах диапазона генератора.

5.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 показа-

20