Копия файла ЭД_лаб

Лабораторная работа 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО СОГЛАСОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ

И СВЧ-ГЕНЕРАТОРА

Цель работы – расчет схемы согласующего тракта на основе микрополосковой линии передачи, обеспечивающего широкополосное согласование источника СВЧ-сигнала и активной нагрузки.

5.1. Основные положения

Согласование сопротивлений является одной из важнейших задач техники СВЧизаключаетсявобеспечениинаиболееэффективнойпередачисигналаизис- точникаСВЧ-мощностивполезнуюнагрузкувусловиях,когдаихсопротивления различны. Такое различие сопротивлений нагрузки и источника ведёт к отражению части падающей мощности и, следовательно, снижению эффективности передачи.Задачасогласованиявобщемслучаеможетбытьрешенасозданиемсогласующих схем на основе активных и реактивных сосредоточенных элементов, а применительно к СВЧ – на основе трансформаторов сопротивлений, разработанныхс использованием теориидлинных линий.Согласование нагрузки и подводящей линии передачи, имеющих сопротивления Zн и Zл соответственно, может быть выполнено с помощью λ/4 (четвертьволнового) трансформатора. Трансформаторпредставляетсобойодиночныйотрезоклиниипередачиилипоследовательное соединение N отрезков, длина каждого их которых равна λ/4 (электрическая длина– /2),гдеλ–длинаволнывданномотрезкелиниипередачи,асопротивле- ние каждого из которых Zтр,n (n = 1,2,… N).

l

Рис. 5.1

Для линии передачи (с пренебрежимо малыми потерями) длиной l с волновым сопротивлением Z0, нагруженной на сопротивление Zн (рис. 5.1), справедлива формула трансформации сопротивлений:

31

где = 2π/λ – постоянная распространения.

Когда длина линии равна l = λ/4, выражение (5.1) упрощается до вида

Из условия вывода выражения (5.2) видно, что полное согласование с помощью одиночного отрезка достигается на единственной частоте f0, для кото-

рой /4 = l. Во многих случаях уровень рассогласования, вызванный отклонением частоты от заданного значения, недопустим. Поэтому возникает задача широкополосного согласования, при котором обеспечивается полоса частот, в пределах которой отражение не превышает заданного значения. Эта задача решается применением многоступенчатого /4-трансформатора.

Теория длинных линий показывает, что при двухкаскадном (N = 2) соединениитрансформаторов(рис.5.2)волновыесопротивлениякаждогоизнихмогут быть определены, исходя из следующих соотношений:

Zтр1 4Zн Zвх3 ; Zтр2 4Zвх Zн3 . (5.4)

Рис. 5.2

В интегральных схемах СВЧ используются планарные линии передачи, плоские проводники которых формируются на поверхности диэлектрической подложки методами интегральной технологии с применением фотолитографии для получения необходимого рисунка топологии. Наибольшее применение нашла микрополосковая линия (МПЛ), поперечное сечение которой

32

представлено на рис. 5.3. МПЛ относится к категории неоднородных линий передачи, для которых вводится понятие эффективной диэлектрической про-

странстве 0 = с/f на частоте f к длине волны в линии передачи на той же частоте f: эф = ( 0/ )2. Введение эф позволяет описывать рассматриваемую линию как некоторую эквивалентную, имеющую такие же геометрические размеры, но однородное диэлектрическое заполнение.

В литературе приводится множество аналитических выражений для расчета параметров МПЛ, полученных обработкой результатов либо экспериментальным исследованием, либо численным моделированием.Можно найти геометрические параметры трансформатора на основе МПЛ, необходимые для решения задачи согласования: ширину полоска w и длину отрезка l = /4, где0 эф на частоте согласования. Для расчетов можно воспользоваться

формулами (2.1) и (2.3).

5.2.Порядок выполнения работы

1.Ознакомитьсясисходнымиданнымисвоеговарианта(таблица),выданного преподавателем. Рассчитать для своего варианта значения волновых сопротивлений одноступенчатого и двухступенчатого трансформаторов в соответствии с формулами (5.3) и (5.4).

2.Запустить программный пакет AWR Design Environment.

3.ПровестимоделированиехарактеристикS11однокаскадногоидвухкаскадного четвертьволнового трансформатора в декартовой системе координат (тип

33

графика – rectangular) и в полярных координатах (тип графика – Smith Chart). Последовательность действий аналогична описанной в2.3.2.Для моделирования использовать элемент библиотеки «LOAD»для задания активнойнагрузки.

4. Проанализировать полученные зависимости. В случае необходимости провести корректировкугеометрических размеров МПЛ для лучшего согласования на заданной частоте.

5.3. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Теоретические сведения.

3.Схемные модели согласующей цепи.

4.Протокол наблюдений.

5.Результаты расчёта: волновые сопротивления и геометрические размеры элементов согласующих цепей.

6.Результаты моделирования частотных зависимостей коэффициента отражения для одноэлементной и двухэлементной согласующих цепей в декартовой и цилиндрической системах координат.

7.Выводы.

5.4.Контрольные вопросы

1.В чём заключается задача согласования?

2.Что такое четвертьволновый трансформатор? В каких условиях он может применяться?

3.Для чего используются многоступенчатые трансформаторы? Каковы их преимущества и недостатки?

4.Каким образом геометрические параметры отрезков трансформатора связаны с их волновым сопротивлением?

Список рекомендуемой литературы

Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио, 1971. ГуптаК.,ГарджР.,ЧадхаР.МашинноепроектированиеСВЧ-устройств.М.:Радиоисвязь,1987. НикольскийВ.Д.,Никольская Т.И.Электродинамикаираспространениерадиоволн.М.:Наука, 1989.

Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника. СПб: Лань, 2007.

Вендик О. Г., Самойлова Т. Б. Электродинамика. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006.

34

35

Светлана Петровна Зубко, Андрей Геннадиевич Алтынников, Виталий Валерьевич Витько, Александр Геннадиевич Гагарин, Роман Андреевич Платонов, Андрей Викторович Дроздовский, Наталья Юрьевна Медведева

Электродинамика Учебно-методическое пособие

Редактор И. Г. Скачек

__________________________________________________________________

Подписано в печать ХХ.ХХ.ХХХХ. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,25.

Гарнитура «Times New Roman». Тираж ХХ экз. Заказ ХХ.

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197022, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5Ф

36