Лабы Дроздовский / 4 Лаба / Маликов БИ ЛР №4 МВТиИ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «МВТиИ»

Тема: Измерение характеристик невзаимных ферритовых приборов

Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.

_________________ Горбунова А.Н.

_________________ Щубрет С.Л.

Преподаватель _________________ Дроздовский А.В.

Санкт-Петербург

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение характеристик резонансного вентиля и полоскового циркулятора, приобретение практических навыков работы по измерению параметров многополюсников на СВЧ.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ 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 при прямом направлении волны (рис. 4.1): A₂₁ =10lg₍P_ВЫХ2 / P_ВХ1).

Рис. 1 – Схема резонансного вентиля

Развязка вентиля определяется отношением мощности на выходе вентиля к мощности на входе при обратном распространении волны (рис. 1): A₁₂ =10lg₍P_ВЫХ1 / P_ВХ2). КСВ характеризует отражения, вносимые 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 ослабления, развязка и КСВ не превышают заданных (необходимых) значений. Для измерения ослабления и развязки используется метод замещения, а КСВ можно определять с помощью измерительной линии.

Вторым прибором, исследуемым в данной работе, является полосковый циркулятор. Он схематически изображен на рис. 2. Циркулятор (Ц) – элемент СВЧ-тракта, предназначенный для направления мощности отраженной волны из основного тракта во вспомогательный. Принцип действия циркулятора основан на интерференции и невзаимных свойствах волн, возбуждаемых в ферритовом 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.

Рис. 2 – Схема полоскового циркулятора

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 мощности 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.

СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Блок-схемы установок для измерения параметров резонансного вентиля и циркулятора показаны на рис. 3, а, б, соответственно.

Рис. 3 – Схема для измерения параметров резонансного вентиля (a) и циркулятора (б)

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.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Графики коэффициента передачи резонансного вентиля в прямом и обратном направлениях

Рис. 4 – Графики коэффициента передачи резонансного вентиля в прямом (S₂₁) и обратном (S₁₂) направлениях

2. Графики коэффициента передачи полоскового циркулятора в прямом и обратном направлениях

S₂₁

S₁₂

Рис. 5 – Графики коэффициента передачи полоскового циркулятора в прямом (S₂₁) и обратном (S₁₂) направлениях

S₃₂

S₂₃

Рис. 6 – Графики коэффициента передачи полоскового циркулятора в прямом (S₃₂) и обратном (S₂₃) направлениях

S₃₁

S₁₃

Рис. 7 – Графики коэффициента передачи полоскового циркулятора в прямом (S₃₁) и обратном (S₁₃) направлениях

ВЫВОД

Анализируя графики коэффициента передачи резонансного вентиля в прямом (S₁₂) и обратном (S₂₁) направлениях (рис. 4), делаем вывод, что, в случае, когда феррит намагничен и располагается так, чтобы эффективно взаимодействовать с электромагнитной волной, то есть направление вращения магнитного момента феррита совпадает с направлением магнитного поля волны, соответственно, происходит резонансное поглощение энергии вблизи частоты ферромагнитного резонанса (почти вся энергия передается ферриту). Таким образом, анализируя график S₁₂, можем заметить, что частотой ферромагнитного резонанса является значение частоты порядка 5 ГГц (так как на данной частоте происходит наибольшее поглощение энергии). В случае изменения направления распространения электромагнитной волны, резонансного поглощения энергии не происходит (направление вращения магнитного момента феррита не совпадает с направлением магнитного поля волны). Соответственно, волна без всяких затруднений проходит через феррит.

Также, анализируя графики коэффициента передачи полоскового циркулятора в прямом (S₂₁, S₃₂, S₃₁) и обратном (S₁₂, S₂₃, S₁₃) направлениях (рис. 5, рис. 6 и рис. 7, соответственно) делаем вывод, что электромагнитная волна, при поступлении на один из портов циркулятора, доходя до разветвления, делится на две части, и каждая из частей волны начинает огибать феррит с разных сторон (по часовой и против часовой стрелки). Соответственно, феррит будет восприниматься разными частями волны как материал с магнитной проницаемостью и . И, как результат, две часты волны будут иметь разные фазовые набеги при прохождении одинакового расстояния. Так, путем подбора материала феррита, поля подмагничивания и геометрии структуры, добиваются синфазного сложения двух волн в случае 2 порта и противофазного сложения двух в случае порта 3 (если 1 порт – входной).