Метода / Метода на лабы
.pdf
Поясним этот факт подробнее. Пусть частота сигнала FN генератора та- кова, 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. То- гда 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 согласован- ное 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 ка- беля имеется ноль полного напряжения. Это наблюдается на частоте, для ко- торой 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 Iɺ(0) = 2Uɺпад(0) / Z0 ≠ 0 , и входное сопротивление кабеля Z3 = 0. Следова-
тельно, 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:
Γ |
|
max =1, |
βNL = Nπ+π/2, N = 0, 1, 2, ...; |
|
|||
|
|||
|
|
|
(2.5) |
Γ |
|
min =1, |
βML = Mπ, M = 0, 1, 2, ... . |
|
Качественная картина изменения модуля коэффициента отраженияΓ от частоты приведена на рис. 2.4.
11
|
|
|
βML = Mπ |
|
|
Γ |
|
||
|
|
βNL = Nπ + π / 2 |
βN+1L = (N+1)π + π / 2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
||
1
F
Рис 2.4
|
|
|
|
|
|
|
|
Z0 |
|
|
|
Z0 |
|
|
Zвх |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис 2.5
При наличии затухания в кабеле коэффициент отражения в max меньше 1, а в min больше 0. Измеряя коэффициент отражения в max и min можно опре- делить затухание кабеля:
КСВmax = U П +U0 max . UП −U0 max
Надо учесть второе плечо, где часть мощности уходит, так как
|
|
|
|
Z0Zвх max |
− Z |
0 |
|
|
|
Z0Zвх max − Z02 − Z0Zвх max |
|
|||||
Г = |
|
Z0 + Zвх max |
|
|
|
= |
= |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
Z0Zвх max |
|
+ Z0 |
|
|
Z0Zвх max + Z02 + Z0Zвх max |
|||||||
|
|
|
|
Z0 + Zвх max |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
= |
|
|
|
−Z02 |
|
|
= |
|
|
|
−Z0 |
= Гmin ; |
||||
Z0 (2Zвх max + Z0 ) |
|
2Zвх max + Z0 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Гmax = − |
Z0 |
|
. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2Zвх min + Z0 |
|||
12
|
Определим значения волновых чисел, соответствующих двум соседним |
|||||||||
|
|
|
|
|
FM+1 : βM = 2π/λM = 2πFM |
|
/C ; |
|||
минимумам на |
частотах |
FM и |
εR |
|||||||
βm +1 = 2π/λm +1=2πFm +1 |
|
/c . |
|
|||||||
εr |
Изменение волнового числа, соответствую- |
|||||||||
щее |
переходу |
из |
одного |
минимума |
в |
другой, |
||||
∆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
∆β = 2π( FM+1 − FM ) |
|
|
|
|||||||||||
εR /C = π/L . |
(2.6) |
|||||||||||||
Выражение (2.6) позволяет определить одну из неизвестных характери- |
||||||||||||||
стик кабеля − εR или L: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L = C / 2 |
|
( FM+1 − FM ); |
|
|
||||||||||
εR |
|
(2.7) |
||||||||||||
|
|
|
= C / 2L ( |
|
|
|
− F |
|
) |
. |
|
|||
|
ε |
R |
F |
M+1 |
M |
(2.8) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Определим время группового запаздывания сигнала τ в отрезке коакси- ального 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- мами ∆β = βM+1 − βM = π/L и получим следующее соотношение:
τ ≈1 / ( FM+1 − FM ). |
(2.9) |
Итак, следовательно, измеряя частотную характеристику результирую- щей амплитуды двух интерферирующих сигналов, можно определить разницу группового времени запаздывания одного сигнала относительно другого (в данном случае падающего и отраженного сигналов на входе коаксиального ка- беля).
2.3.Порядок выполнения работы
1.Изучить устройство и принцип действия векторного анализатора цепей «Обзор TR1300/1» (далее «анализатор цепей») производства фирмы ООО
«ПЛАНАР».
2.Включить панорамный «Обзор» и подготовить его к работе согласно инструкции.
13
3.Включить на компьютере программу TRVNA. Включить режим сви- прования анализатора цепей по частоте (меню «Стимул» => «Запуск»). Задать частотный диапазон свипирования от 300 кГц до 1300 МГц, установив соот- ветствующие 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 ко- роткий кабель № 1.
7.Провести измерения передаточной характеристики, фазо-частотной ха- рактеристики и группового времени задержки коэффициента передачи в диа- пазоне частот, указанном преподавателем. Для этого на экране анализатора щелчком мышки нажать на тип измерений «S11» и выбрать тип измерений «S21». Переключение между типом измеряемой характеристики производится аналогично, путем нажатия на соседний индикатор «Ампл. лог» и выбором со- ответствующих пунктов: «Ампл. лог» (передаточная характеристика); «Фаза расш» (фазо-частотная характеристика); «ГВЗ» (групповое время задержки). Все вышеперечисленные характеристики записать в виде соответствующих файлов с расширением «*.csv». Для этого необходимо, выставив на экране со- ответствующую зависимость, выйти в главное меню прибора путем нажатия правой верхней кнопки в меню и выбрать «Система» => «Сохранить» => «Со- хранить данные графика».
8.Собрать измерительную установку согласно рис. 2.1. б, подключив ко- роткий кабель № 1.
9.Провести измерения передаточной характеристики и группового вре- мени задержки коэффициента отражения в диапазоне частот, указанном пре- подавателем. Для этого на экране анализатора щелчком мышки нажать на тип измерений «S21» и выбрать тип измерений «S11». Измерения проводятся ана- логично п. 7.
10.Подключить вместо кабеля № 1 длинный кабель № 2 и повторить из- мерения 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 фазо-частотной характеристики.
13.Пользуясь полученными значениями диэлектрической проницаемо- сти, рассчитать длину кабеля № 2. По измерениям частот 5–6 максимумов и минимумов рассчитать время группового запаздывания для кабелей № 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, груп- пового времени задержки и фазы от частоты.
5.Расчетные соотношения и результаты расчета характеристик кабелей № 1 и № 2 (определить диэлектрическую проницаемость из измерений харак- теристик кабеля № 1 и длину кабеля № 2 по полученному значению диэлек- трической проницаемости).
2.5.Контрольные вопросы
1.Объяснить принцип действия работы векторного анализатора цепей.
2.Какую информацию об исследуемом объекте несут частотные характе- ристики фазы, группового времени задержки и ослабления?
3.Имеется ли связь между характеристиками группового времени за- держки и ослабления?
4.Объяснить происхождение осцилляций на характеристиках группового времени задержки и ослабления.
5.Пояснить связь длины кабеля и вида фазо-частотной характеристики.
6.Как определить групповое время запаздывания по частотным характери- стикам коэффициента ослабления, наблюдаемым в данных экспериментах?
7.Какое влияние оказывает затухание волны в кабеле на характеристики ко- эффициента отражения?
15
Лабораторная работа № 3 ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ
Цель работы: изучение характеристик направленного ответвителя; при- обретение практических навыков работы с СВЧ-аппаратурой.
3.1. Основные положения
Направленный ответвитель (НО) – элемент СВЧ-тракта, предназначен- ный для направленного ответвления части мощности падающей или отражен- ной волн из основного тракта во вспомогательный. Принцип действия направ- ленного ответвителя основан на интерференции волн, возбуждаемых во вспо- могательной линии, причем элементы связи располагаются таким образом, чтобы в результате интерференции во вспомогательной линии волна распро- странялась лишь в одном направлении.
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
В данной работе исследуется микро- |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полосковый шлейфный направленный от- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ветвитель, схематически изображенный на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рис. 3.1. Основными характеристиками |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
направленного ответвителя являются: пе- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реходное ослабление, направленность, раз- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вязка, КСВ и рабочая полоса частот. Пере- |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
ходное ослабление определяется отноше- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рис. 3.1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
нием мощности, ответвленной в рабочее |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
плечо вторичной линии, к входной мощности первичной линии (на входе 1):
A |
=10 lg (P / P ). Направленность характеризуется отношением мощностей |
|
41 |
4 |
1 |
на |
выходах |
рабочего 4 и нерабочего 3 плеч вторичной линии: |
A |
=10 lg (P / P ). Развязка НО определяется отношением мощности в нера- |
|
43 |
4 |
3 |
бочем плече |
вторичной линии к мощности на входе первичной линии: |
|
A |
=10 lg (P / P ). Направленность, переходное ослабление и развязка явля- |
|
31 |
3 |
1 |
ются связанными характеристиками. Поэтому направленность можно опреде- лить, например, следующим образом: H = A41 − A31. Так как направленный от- ветвитель является взаимным устройством, аналогичные характеристики мо- гут быть определены при подаче мощности на другие входы – 2, 3 или 4 соот- ветственно.
16
КСВ характеризует отражения, вносимые НО в СВЧ-тракт, и определя- ется со стороны соответствующего плеча при наличии согласованных нагру- зок в других плечах. Полоса рабочих частот определяет диапазон, в пределах которого неравномерность переходного ослабления и направленность не пре- вышают заданных значений.
3.2. Описание экспериментальной схемы
Блок-схема установки для измерения параметров направленного ответви- теля показана на рис. 3.2.
В состав установки входят следующие основные элементы: 1 – СВЧ-ге- нератор; 2 – исследуемый направленный ответвитель; 3 – детектор; 4 – согла- сованные нагрузки; 5 – усилитель с индикатором (или милливольтметр). Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 3.3. Изме- рения выполняются методом замещения.
4 4
5 |
5 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
3 |
|
|
|
Рис. 3.2 |
Рис. 3.3 |
В качестве образцового аттенюатора используется внутренний аттенюа- тор генератора. Это значительно упрощает измерительную схему. Данный ат- тенюатор является перестраиваемым.
3.3.Порядок выполнения работы
1.Изучить устройство и принцип действия генератора СВЧ (см. инструк- цию 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 показа- ния индикатора на уровень 0,1…0,2 шкалы при максимальной чувствительно- сти. Изменяя частоту генератора с шагом 50…100 МГц и поддерживая с помо- щью аттенюатора постоянное выбранное значение показаний индикатора, за- писать 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 ответви- теля в диапазоне частот генератора (на частотах калибровки). Для этого уста- новить аттенюатором генератора новое значение затухания Aи , при котором
показания индикатора будут соответствовать калибровке. Найти значения за- тухания, вносимого измеряемым устройством, по формуле A = Aк − Aи .
6.Подключить детектор прошедшей волны последовательно к следую- щим выходам направленного ответвителя и повторить измерения.
7.Подключить генератор к другим плечам направленного ответвителя и повторить измерения по пп. 5 и 6.
8.Рассчитать характеристики направленного ответвителя (переходное за- тухание 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 направ- ленного ответвителя.
3.5.Контрольные вопросы
1.Объяснить принцип действия направленного ответвителя.
2.Назвать основные блоки и узлы измерительной схемы и их функцио- нальное назначение.
3.Пояснить методику калибровки схемы при измерении коэффициентов передачи.
4.Какую информацию об исследуемом объекте несут частотные характе- ристики 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 направлен- ного ответвителя по частотным характеристикам передачи, наблюдаемым в данных экспериментах?
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НЕВЗАИМНЫХ ФЕРРИТОВЫХ ПРИБОРОВ
Цель работы: изучение характеристик резонансного вентиля и полоско- вого 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 ферромагнит- ного резонанса и зависимости поглощенной мощности от направления поля- ризации электромагнитной волны при ее распространении в прямоугольном волноводе в прямом и в обратном направлениях. Основными характеристи- ками вентиля являются переходное ослабление, развязка, КСВ и рабочая по- лоса 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): |
||
A |
|
=10 lg (P |
/ P |
). КСВ характеризует отражения, вносимые вентилем |
12 |
вых 1 |
вх 2 |
|
|
в СВЧ-тракт, и определяется со стороны соответствующего плеча при наличии согласованной нагрузки в другом плече. Полоса рабочих частот определяет
19
диапазон частот, в пределах которого неравномерность ослабления, развязка
P P |
|
P |
P |
|
|||
вхвх1 1 |
|
|
вых 2 |
|
|
|
вых 2 |
|
|
|
|
Вентиль
P P |
|
P |
|
||
вых 1 |
|
вх 2 |
вых 1 |
|
|
|
|
Рис. 4.1
и КСВ не превышают заданных (необходимых) значений. Для измерения ослабления и развязки используется метод замещения, а КСВ можно опреде- лять с помощью измерительной линии.
Вторым прибором, исследуемым в данной работе, является полосковый циркулятор. Он схематически изображен на рис. 4.2. Циркулятор (Ц) – элемент СВЧ-тракта, предназначенный для направления мощности отраженной волны из основного тракта во вспомогательный. Принцип действия циркулятора ос- нован на интерференции и невзаимных свойствах волн, возбуждаемых в фер- ритовом вкладыше циркулятора, причем элементы связи располагаются таким образом, чтобы в результате интерференции отраженная волна поступала только во вспомогательный тракт. Циркулятор является многополюсником с числом полюсов не менее шести.
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, по-
данной на вход 1: A |
=10 lg (P / P ), а развязка – как отношение мощности на |
|
21 |
2 |
1 |
входе 1 к мощности, поданной на вход 2 при условии, что плечо 3 нагружено
на согласованную нагрузку: A |
=10 lg (P / P ). Аналогично находятся прямые |
|
12 |
1 |
2 |
потери и развязка и для других плеч (с учетом направления циркуляции). КСВ характеризует отражения, вносимые циркулятором в СВЧ-тракт, и определя- ется со стороны соответствующего плеча при наличии согласованных нагру- зок в других плечах. Полоса рабочих частот определяет диапазон, в пределах которого неравномерность переходного ослабления, развязка и КСВ не превы- шают заданных значений. Для измерения характеристик циркулятора также используется метод замещения.
20