Метода / Метода на лабы
.pdf
4.2. Описание экспериментальных схем
Блок-схемы установок для измерения параметров резонансного вентиля и циркулятора показаны на рис. 4.2, а, б, соответственно.
4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
|
|
5 |
|
|
|
||||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 – милливоль- тметр; 6 – согласованная нагрузка.
|
|
4 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.3
Функциональная схема для калибровки установки показана на рис. 4.3. При калибровке СВЧ генератор при помощи кабеля, через диод, соединяется с мил- ливольтметром.
21
4.3.Задание и порядок выполнения работы
1.Изучить устройство и принцип действия генератора СВЧ (см. инструк- цию 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
впрямом направлении, а детектор измерительной линии подключить к милли- вольтметру.
4.Подключить детектор прошедшей волны к милливольтметру и изме- рить частотные характеристики ослабления с помощью аттенюатора методом замещения. С помощью аттенюатора установить показания индикатора на уровень 0,1…0,2 шкалы при максимальной чувствительности милливольт- метра. Изменяя частоту генератора через 50…100 МГц и поддерживая с помо- щью аттенюатора постоянное выбранное значение показаний индикатора, за- писать 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 ча- стотах измерений). Для этого установить аттенюатором новое значение зату- хания Aк , при котором показания индикатора будут соответствовать значе-
ниям, выбранным в п. 5. Найти значения затухания, вносимого измеряемым
устройством, по формуле A |
= A − A |
. |
12 |
к и12 |
|
7. Собрать измерительную схему согласно рис. 4.2. Включить вентиль в «обратном направлении» и повторить измерения п. 5. Найти значения развязки вентиля по формуле A21 = Aк − Aи21.
8.Подключить детектор измерительной линии к милливольтметру и по- вторить измерения по п. 4.
9.Собрать измерительную установку согласно рис. 4.4, б.
10.Провести измерения характеристик передачи циркулятора в диапа- зоне частот генератора (на частотах калибровки). Для этого установить атте- нюатором значение затухания Aи , при котором показания индикатора будут
соответствовать калибровке. Найти значения затухания, вносимого измеряе- мым устройством, по формуле A = Aк − Aи .
11. Подключить детектор прошедшей волны последовательно к следую- щим выходам циркулятора и повторить измерения п. 6.
22
12.Подключить генератор к другим плечам циркулятора и повторить из- мерения по пп. 12 и 13.
13.Определить затухание между соответствующими входами–выходами циркулятора по формуле A = Aк − Aи .
14.Рассчитать рабочую полосу циркулятора при условии, что ослабление
врабочем тракте не должно превышать –2 дБ, а развязка должна быть не 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 резонанс- ного вентиля.
5.Расчетные соотношения и результаты расчета характеристик циркуля-
тора.
4.5.Контрольные вопросы
1.Объяснить принцип действия резонансного вентиля и методику изме- рения его характеристик.
2.Назвать основные блоки и узлы измерительных схем и их функцио- нальное назначение.
3.Пояснить методику калибровки схемы при измерении коэффициентов передачи.
4.Какую информацию об исследуемых объектах несут частотные харак- теристики 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 ча- стотным характеристикам ослабления, наблюдаемым в данных эксперимен- тах?
8.Объяснить принцип действия циркулятора.
9.Имеется ли связь между характеристиками передачи циркулятора?
10.Объяснить происхождение неравномерности характеристик передачи.
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 – гетеро- динный метод измерения частоты. Суть данного метода заключается в следу- ющем: сигнал неизвестной частоты F x суммируется с сигналом гетеродина из- вестной частоты F0 . Суммарный сигнал подается на вход нелинейного эле- мента – смесителя (как правило, детекторного диода). Выходной сигнал после нелинейного элемента содержит несколько гармоник с частотами: F x ; F0 ; F x + F0 ; F x − F0 ; 2 F x ; 2 F0 . Рассмотрим это преобразование более подробно.
При подаче суммы двух сигналов U x cos(ωx t) +U0 cos(ω0 t) на нелиней-
ный элемент (диод) с квадратичной характеристикой Id = αUd2 через нагрузку
протекает ток Id = α(U x cos(ωx t) +U0 cos(ω0 t))2 . После тригонометрических преобразований получаем:
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
= α |
U x |
+ |
U0 |
|
+ 2U U |
|
cos (ω |
|
− ω |
|
)t + 2U U |
cos (ω |
|
+ ω |
|
)t |
+ |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
d |
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
x 0 |
|
|
|
|
|
|
x |
|
0 |
|
x 0 |
|
x |
|
0 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
U x |
cos(2ω |
x |
t) + |
U0 |
cos(2ω |
0 |
t) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наибольший интерес в данной лабораторной работе представляют следу- |
||||||||||||||||||||||||||||||
ющие составляющие: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
1) |
|
Ток |
|
нагрузки |
|
|
|
|
разностной |
(преобразованной) |
частоты: |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
U U |
cos (ω |
x |
− ω |
0 |
)t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
In = α |
|
x 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
24
2) Постоянные (выпрямленные) токи нагрузки от первого Ix = α |
U x2 |
и |
|||
|
|||||
|
|
|
2 |
|
|
второго I0 |
= α |
U02 |
генераторов. |
|
|
|
|
||||
|
2 |
|
|
|
|
Измеряя разностную частоту можно определить неизвестную частоту ωx по известной частоте ω0 . Измеряя амплитуду I x 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 U x .
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 зави- симости 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 (см. рис. 5.1 – диапазон частот между ∆Fп и ∆F = 0 ) на экране осциллографа наблюдаются колебания с периодом T =1 / ∆F , а на
индикаторе частотомера видно значение измеренной частоты F. |
Неизвестная |
частота 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
Рис. 5.1
При очень узкой полосе пропускания фильтра нижних частот биения Fп наблюдаются практически при совпадении частот Fо = Fх. Уменьшение полосы пропускания Fп фильтра нижних частот дает возможность провести анализ спектрального состава СВЧ-сигналов.
5.2. Описание экспериментальной схемы
Блок-схема установки для измерения частоты показана на рис. 5.2. В со- став установки входят следующие основные элементы: 1 – СВЧ-генератор,
1 |
|
|
|
|
4 |
U x , Fx + |
||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Σ |
|
+U0 , F0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U0 , F0 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
5 |
||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆F |
|
6 |
|
|||
8 |
|
|
|
|
|
|
∆F |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
9 |
|
∆F |
|
|
7 |
|
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.2
генерирующий сигнал неизвестной частоты; 2 – СВЧ-генератор известной ча- стоты; 3 – модулятор СВЧ-сигнала; 4 – сумматор; 5 – детекторный СВЧ-диод;
26
6 – усилитель; 7 – разветвитель сигнала; 8 – осциллограф; 9 – частотомер циф- ровой.
5.3.Порядок выполнения работы
1.Изучить устройство и принцип действия приборов, входящих в изме- рительную 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 опор- ного СВЧ-генератора 2, добиться исчезновения биений частоты на экране ос- циллографа 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
определить частоту биения по частотомеру и меняя частоту генератора F0 , частоты биений ∆F установить 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 ре- зультатам всех измерений определить среднее значение Fx cp .
5.Варьированием частоты СВЧ-генератора 2 оценить погрешность изме- рений частоты по отдельности для осциллографа и для цифрового частото- мера.
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 модуляции (кнопка 
);
● перевести генератор 2 в режим меандра (кнопка 
). Установить аттенюатором генератора 1 мощность близкую к максимальной (α = = –30 дБ). Изменяя скорость развертки осциллятора, установить устой- чивую картину меандра. Измерить амплитуду сигнала, пользуясь мас- штабом осциллографа;
27
● увеличивая значение затухания аттенюатора ступенями по 3 дБ, фик- сировать амплитуду сигнала на экране осциллографа, увеличивая его чувствительность до появления шумовой дорожки приблизительно равной половине амплитуды меандра. В этом случае достигается соот- ношение сигнал/шум =1 (Это соответствует α = –60 дБ).
6.2. Измерить характеристики в режиме смесителя:
●установить аттенюатор генератора 1 в исходное (–30 дБ) положение и перевести его в непрерывный режим работы;
●включить генератор 2 в непрерывном режиме и установить аттенюа- тор в положение –30 дБ;
● установить разность частот генераторов 1 и 2 в пределах ∆F = 0.5 ... 3 МГц;
● переключить генератор 1 в режим меандра и измерить его амплитуду. Уменьшая мощность генератора 1 ступенями по 3 дБ измерить ампли- туду 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 различ- ными 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 функцио- нальное 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 электрон- ных приборов дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн. М.: Ра- дио 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 ра- досвязи. СПб.: ГУАП, 2007.
30