Милованов Лабораторный практикум по СВЧ 2007

Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ)

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКЕ

Рекомендовано УМО "Ядерные физика и технологии" в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2007

УДК 621.385.6(076.5) ББК 32.851я7 Л12

Лабораторный практикум по СВЧ-электронике: Учебное посо-

бие./ О.С. Милованов, Н.П. Собенин, И.С. Щедрин, М.В. Лалаян, А.В. Прокопенко. – М.: МИФИ, 2007. – 92 с.

Учебное пособие содержит из описания шести лабораторных работ с краткими методическими рекомендациями по их выполнению. Учебное пособие в целом охватывает основную тематику курсов "СВЧ-техника" и "СВЧ-электроника" и позволяет студентам, учитывая ограниченность специальной литературы, углубить свои знания, а также практически познакомиться с базовыми основами СВЧ-электроники непосредственно в условиях физической лаборатории. В процессе выполнения предлагаемых работ студенты знакомятся с физическими основами измерений на сверхвысоких частотах и генераторами СВЧ. Разделы практикума структурированы для лучшего освоения материала.

Практикум предназначен для студентов старших курсов и дипломников факультета «А», а также для студентов радиофизических и технических факультетов других вузов.

Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.

Рецензент канд. техн. наук А.А. Завадцев

ISBN 978-5-7262-0793-3

© Московский инженерно-физический институт (государственный университет) , 2007

______

3

Р а б о т а 1

СОГЛАСОВАНИЕ НАГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ И ДИАФРАГМЫ

Цель: выработка навыков работы с измерительной линией и определения по круговой диаграмме полных проводимостей неизвестного значения проводимости нагрузки по результатам измерения коэффициента стоячей волны и положения минимума стоячей волны.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Режим согласования и его реализация

Под режимом согласования понимают равенство волнового сопротивления линии передач Z0 и сопротивления нагрузки Zн. В этом случае в линии будет отсутствовать отраженная волна, (Г = 0) в соответствии с выражением

коэффициент отражения Г равен нулю.

Указанный режим согласования предполагает также согласование генератора с линией передач, что практически всегда можно реализовать установкой взаимного или невзаимного развязывающего устройства на выходе генератора.

Для согласования нагрузки с линией передач применяют согласующие четвертьволновые трансформаторы, одноили многошлейфовые трансформаторы. Можно согласовать нагрузку и с помощью фазовращателя и диафрагмы, включенных между нагрузкой и измерительной линией, как изображено на функциональной схеме установки (рис. 1.1). Соответствующие пояснения по процедуре согласования даны на круговой диаграмме проводимостей (рис. 1.2).

4

Рис. 1.1. Функциональная схема установки

Рис. 1.2. Пояснения по процедуре согласования на круговой диаграмме проводимостей

Пусть значения проводимостей нагрузке, приведенное к волно-

вой проводимости Y0(Y0=1/Z0), ~A = ~A + ~A , представлено в виде

Y

G

iB

точки А на круговой диаграмме полных проводимостей. Процедура согласования состоит из двух операций. Сначала фазовращателем вводится такой фазовый сдвиг Δϕ, чтобы приведенное значение активной составляющей проводимости, определенное на выходном фланце измерительной линии (в плоскости условного конца измерительной линии) равнялось единице. На круговой диаграмме эта операция представлена перемещением из точки А в точку Б по окружности постоянного значения коэффициента стоячей волны (КСВ) напряжения (ρ), равного значению ρ от согласуемой нагрузки (предполагается, что фазовращатель не вносит дополнительных отражений). Приведенная проводимость в точке Б запи-

ровать реактивную составляющую проводимости путем перемещения между фланцами измерительной линии и фазовращателя согласующей диафрагмы (в данном случае емкостной диафрагмы),

Для реализации режима согласования необходимо измерять сопротивления (проводимости). В данной работе предлагается определять проводимости на основе измерения КСВ и положения минимума стоячей волны с помощью щелевой измерительной линии. Измерительная линия состоит из отрезка прямоугольного волновода на волне Н10 с узкой щелью в середине широкой стенки и диодной камеры с зондом, входящим в волновод через щель. Камера укреплена на подвижной каретке.

Отметим источники погрешностей измерения КСВ и положения минимума стоячей волны при работе с измерительной линией. К ним, прежде всего, относится зонд, который можно представить в виде некоторой шунтирующей проводимости. Реактивная составляющая этой проводимости смещает положение максимума стоячей волны. Для уменьшения возникающей из-за этого погрешности следует настраивать диодную камеру в резонанс по максимальному показанию прибора, связанного с диодной камерой. В таком случае входная проводимость диодной камеры со стороны зонда окажется активной. Настойку на резонанс осуществляют с помощью двух поршней, предусмотренных в конструкции. Влияние активной проводимости зонда снижается при ослаблении связи зонда с линией. Однако это не всегда возможно из-за потери чувствительности.

Среди других источников погрешностей, свойственных щелевым измерительным линиям, отметим:

•погрешность измерения тока детектора в минимуме и в максимуме волны в линии;

•погрешность определения положения минимума стоячей волны; погрешность при определении КСВ и положения минимума стоячей волны, вызванную непостоянством глубины погружения зонда из-за неточности механизма перемещения каретки;

•погрешность в КСВ и положении минимума стоячей волны изза собственных отражений линии от фланцев, зонда, щели;

•погрешность из-за затухания волны в измерительной линии,

6

• погрешность в волновом сопротивлении линии из-за допусков на размеры и др.

С учетом перечисленных погрешностей все измерительные линии можно отнести к одному из трех классов. Для класса 1 характерна погрешность измерения КСВ менее двух с погрешностью 2–3%, а фазы – 1–10°. Для класса II – погрешность в фазе 6–28°, а для класса III – погрешность в КСВ ≤ 2 7–10%.

2. Работа измерительной линии

При работе с измерительной линией необходимо провести ее градуировку, т.е. найти зависимость показаний прибора, связанного с диодной камерой Iд, от напряженности электрического поля в месте расположения зонда камеры |Ey|. Для этого в линии создают режим стоячей волны путем закорачивания выходного фланца измерительной линии металлической пластиной. Модуль y-й составляющей напряженности поля в такой закороченной линии |Ey| меняется по длине волновода в соответствии с выражением

λв – длина волны в волноводе; а – размер широкой стенки волновода (а = 23 мм в трехсантиметровом диапазоне и а = 72 в десятисантиметровом диапазоне); z – текущая координата; |Ey max| – значение напряженности y-й составляющей электрического поля в максимуме стоячей волны; zmin0 – положение условного конца измерительной линии, отстоящего на целое число полуволн от выходного фланца линии, к которому присоединена неизвестная нагрузка.

Процедура градуировки измерительной линии состоит из ряда операций. Сначала настраивают диодную камеру на заданной частоте на максимальное показание прибора, связанного с этой камерой. Устанавливают каретку с зондом в максимуме стоячей волны и добиваются изменением уровня мощности от генератора полного отклонения светового луча индикаторного прибора (например, Iд = = 100 делений).

7

Затем находят положение условного конца измерительной линии zmin0 методом «вилки», т.е. как среднее арифметическое двух положений зонда относительно zmin0, соответствующих равным показаниям индикаторного прибора. Поскольку на длине щели укладывается не один узел стоячей волны, то с целью исключения искажающего влияния краев щели следует в качестве zmin0 выбрать узел в средней части щели.

Далее экспериментально определяют значение длинны волны в волноводе λв. Для этого отмечают также методом вилки положение

максимума стоячей волны zmax. Тогда λв = 4|zmах – zmin0|. Если так определенное значение длины волны отличается от рассчитанного по

формуле (1.3) более чем на 3 %, уменьшают глубину погружения зонда, восстанавливают в максимуме стоячей волны полное отклонение индикаторного прибора, связанного с диодной камерой, и вновь измеряют λв.

Теперь снимают зависимость |Ey|=F(Iд). В основе ее определения лежит выражение (1.2), где следует положить |Eymax| = 100, если выбрано Iдmax=100. Можно задаться дискретным набором коорди-

нат зонда z от zmin0 до zmax = zmin0+λв/4 и отмечать в каждом случае значение Iд от 0 до 100 и для каждого Iд определить координату z. В

том и в другом случае достаточно ограничиться десятью значениями z и Iд. Однако, учитывая нелинейность зависимости |Ey| = F(Iд) вблизи минимума стоячей волны, следует на начальном участке этой зависимости применять меньший шаг разбиения.

3.Определение сопротивления нагрузки по результатам измерений с использованием круговой диаграммы полных сопротивлений

Рассмотрим особенности определения сопротивления (проводимости) нагрузки по результатам измерения КСВ и положения минимума стоячей волны с использованием круговой диаграммы полных сопротивлений (проводимостей).

В соответствии с выражением (1.1) искомое приведенное значение сопротивления нагрузки может быть выражено через коэффициент отражения в виде

8

Модуль коэффициента отражения записывается через измеренное значение коэффициента стоячей волны:

Фазовый сдвиг ϕн между отраженной и падающей волнами в месте присоединения нагрузки к выходному фланцу измерительной линии можно вычислить по результатам смещения положения минимума стоячей волны относительно условного конца измерительной линии zmin0:

где

kz = 2π/λв; zmin1

– положение ближайшего в сторону генератора минимума стоячей волны относительно условного конца измерительной линии.

На рис. 1.3,а показано распределение модуля напряженности электрического поля |Ey| по длине линии при ее коротком замыкании, на рис. 1.3,б – аналогичная зависимость, но при нагружении линии на сопротивление Zн, отличающееся от Z0.

Формулу (1.7а) можно записать в виде

ϕн = π−2kz|zmin2−zmin0|, (1.7б)

где zmin2 – положение ближайшего в сторону нагрузки минимума стоячей волны относительно zmin0.

Если подставить в уравнение (1.4) выражения для |Гн| (1.6) и ϕн (1.7а), то получим нормированное значение сопротивления нагрузки через измеренные величины

где zmin1=|zmin1–zmin0|.

9

Рис. 1.3. Распределение модуля напряженности электрического поля по длине линии при коротком ее замыкании (а) и нагрузке на сопротивление Zн ≠Z0 (б)

Определение искомого сопротивления нагрузки по результатам измерения ρ и zmin1 может быть значительно упрощено, если воспользоваться круговой диаграммой полных сопротивлений (проводимостей). В случае нагрузки, для которой распределение |Ey| по длине измерительной линии указано на рис. 1.3,б, процедура состоит в следующем. Сначала из центра диаграммы вычерчивается окружность радиусом, равным измеренному значению КСВн. Затем из точки на диаграмме, соответствующей нулевому сопротивлению, в сторону нагрузки отсчитывается относительное изменение положения минимума стоячей волны

Можно вместо zmin1/λв отложить подсчитанную по формуле (1.7а) фазу ϕн. Заметим, что в точке с нулевым сопротивлением (в точке короткого замыкания, т.е. в узле стоячей волны) фаза равна

± 180°, а в пучности волны – нулю. Далее соединяют отмеченную на окружности (см. рис. 1.2) точку А с центром диаграммы. Пересечение этого отрезка с окружностью радиуса, соответствующего

10