ЛР2 ЭД

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Электродинамика»

Тема: МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Студенты гр. 5207		Иванов А.Д.
		Савин Б.С.
		Кремнев Д.Д.
		Зеленова И.С.
Преподаватель		Дроздовский А.В.

Санкт-Петербург

2017

Цель работы: исследование МПЛ и МПР на их основе. Приобретение практических навыков работы с генератором качающейся частоты в комплексе с индикатором КСВН и ослаблений.

1. Схемы измерений

2. Теоретическая часть

Микрополосковая линия (МПЛ) (рис. 2.1, а) – это двухпроводная полосковая линия с поперечным сечением в виде параллельных прямых, имеющая одну плоскость симметрии, параллельную направлению распространения энергии (на рис. 2.1, а: 1 – проводящая полоска, 2 – экран (земляной электрод), 3 – подложка из диэлектрика). МПЛ – в настоящее время наиболее широко применяемая СВЧ-линия передачи при разработке миниатюрных устройств СВЧ. Основным типом в МПЛ является квазиТЕМ-волна, однако могут быть возбуждены и волны высших типов. Одной из важнейших характеристик МПЛ является волновое сопротивление, определяемое геометрическими размерами линии и диэлектрической проницаемостью подложки. Для полосок нулевой толщины (t/h→0)

при соотношении w/h<1

при соотношении w/h>1

где t – толщина микрополска, h-толщина д/э, w – ширина микрополска, - эффективная д/э проницаемость. В статическом случае

Следует отметить, что эффективная диэлектрическая проницаемость определяется распределением энергии распространяющейся электромагнитной волны между диэлектрической подложкой с относительной проницаемостью εr и воздушным пространством. Соответственно, значения ε_эф лежат в пределах от ε_r до 1.

Анализ показывает, что увеличивается с ростом частоты от при до при . Для частот менее 10 ГГц мало отличается от .

Одним из простейших и, в то же время, важнейших элементов СВЧ схем на основе МПЛ является микрополосковый резонатор (МПР), представляющий собой отрезок МПЛ резонансной длины l. По конструкции МПР делятся на замкнутые (например, кольцевой), а также короткозамкнутые и разомкнутые на конце. Короткозамкнутые на концах МПР используются редко из-за технологических трудностей обеспечения короткого замыкания между проводниками МПЛ. На рис.3 показаны примеры линейного разомкнутого на концах МПР (а) и кольцевого МПР (б). Основными характеристиками резонатора являются резонансная частота и добротность Q. Экспериментально эти характеристики могут быть получены из измерения характеристик передачи резонатора. Резонансная частота МПР определяется длиной резонатора l и диэлектрической проницаемостью подложки. Для линейного резонатора

,

где с – скорость света в вакууме, – эффективная диэлектрическая проницаемость, n = 1,2,… – число полуволн, укладывающихся на длине резонатора.

Нагруженная добротность резонатора определяется как

,

где – ширина резонансной кривой, измеренная по уровню 3 дБ от максимума. Для МПР характерны невысокие величины добротности (100 – 500 ). Основные преимущества МПР – миниатюрность, совместимость с линиями передачи СВЧ и активными планарными элементами (диодами, транзисторами и т.д.).

Описание экспериментальной установки.

Для измерения длины волны в МПЛ используется измерительная линия. Блок – схема показана на рис.2. Микрополосковая измерительная линия представляет собой МПЛ в металлическом экране, по которому скользит каретка зонда, связанная с измерительной линейкой. Для измерения характеристик микрополоскового резонатора используется панорамный измеритель КСВ и ослаблений – прибор, предназначенный для наблюдения на экране и измерения частотных зависимостей КСВ и ослаблений (модуля коэффициента передачи). Прибор обеспечивает измерение КСВ в пределах от 1,0 до 6,0. Прибор обеспечивает измерение коэффициента передачи четырехполюсников от 0 до –40 дБ. Частотный диапазон прибора от 1 ГГц до 10 ГГц (со сменными СВЧ блоками).

Схема измерительной установки в режиме измерения КСВ и характеристики передачи показана на рис.1(а) и (б) соответственно.

Панорамный измеритель КСВ состоит из следующих основных блоков и узлов: генератора качающейся частоты 1, индикатора КСВ и ослаблений 2 и блока направленных ответвителей 3, 4, 5 с детекторами 8. Принцип действия панорамного измерения КСВ состоит в следующем. Генератор СВЧ 1 вырабатывает СВЧ колебания с частотой, изменяющейся по пилообразному закону. Значения начальной и конечной частот устанавливаются ручками “” и “”. Мощность СВЧ поступает на блок направленных ответвителей 3. Направленный ответвитель 3 ответвляет часть мощности, пропорциональную падающей мощности и направляет в детектор 6. Направленный ответвитель 4 ответвляет часть отраженной от объекта исследования 7 мощности и направляет в детектор. Сигналы, соответствующие величинам падающей и отраженной мощностей, после детектирования подаются в индикаторный блок. В индикаторном блоке производится усиление и сравнение двух сигналов. В результате выделяется отношение и подается на индикатор. При изменении частоты на экране появляется зависимость от частоты. Для удобства измерений шкала индикатора проградуирована в единицах КСВ и переключается при изменении пределов измерений переключателем «Пределы». Механический визир шкалы и совмещенный с ним электронный визир, представляющий собой светящуюся линию на экране индикатора, перемещается с помощью ручки «Отсчет».

Блок-схема установки для измерения частотной зависимости коэффициента передачи показана на рис.1 (б). Направленный ответвитель 5 ответвляет часть мощности, прошедшей через исследуемый элемент СВЧ тракта 7, и направляет в детектор. Поступившие в индикаторный блок 2 сигналы, соответствующие мощности падающей и прошедшей волн, обрабатываются в блоке 2, в результате чего на экране индикатора наблюдается АЧХ исследуемого элемента СВЧ тракта.

3. Обработка измерений

А) Измерение характеристик микрополоскового резонатора в режиме измерения передачи

f₀=3,365 ГГц

f₁=3,354 ГГц

f₂=3,378 ГГц

Q = f₀/(f₂-f₁)= 3,365/(3,378-3,354)=140

Рисунок 4 - АЧХ микрополоскового резонатора в режиме измерения передачи

Длина полоска резонатора L=15мм

Толщина подложки d=0,1 мм

Б) Измерение характеристик микрополоскового резонатора в режиме измерения КСВ.

f₀=3,367 ГГц

f₁=3,356 ГГц

f₂=3,377 ГГц

Q = f₀/(f₂-f₁)= 3,367/(3,377-3,356)=160

Рисунок 5 - АЧХ микрополоскового резонатора в режиме измерения КСВ

В) Результаты исследования МПЛ.

_, где мы подогнали так, чтобы теоретический график и экспериментальные данные максимально совпали

Таблица 1 - Расчет длины волны и волнового числа

f, ГГц	х1, см	х2, см	х3, см	λ, см	λтеор, см	k, см-1	kтеор, см-1
4	2,5	3,7	5,1	2,6	2,795	2,417	2,248
3,7	2	3,6	5,2	3,2	3,022	1,963	2,079
3,4	1,6	3,2	4,8	3,2	3,288	1,963	1,911
3,1	0,9	2,8	4,7	3,8	3,607	1,653	1,742
2,95	1,5	3,5	5,3	3,8	3,790	1,653	1,658
2,8	2,2	4,4	6,3	4,1	3,993	1,532	1,574
2,65	0,9	3	5	4,1	4,219	1,532	1,489

Рисунок 6 - График зависимости длины волны от частоты в МПР

Рисунок 7 - Закон дисперсии для МПР

Вывод: в работе мы получили экспериментальное на основе измерения резонансной частоты и длины резонатора. Экспериментальный и теоретический закон дисперсии совпадают при _. Данное значение отклоняется на 18.5% от теоретического_. Это можно объяснить тем, что длина резонатора измерялась линейкой, которая не может обеспечить достаточной точности.

Для МПР характерны относительно невысокие значения добротности (100…500), в нашем случае она не выходит за эти рамки (Q=140), исходя из чего можно сделать вывод, что МПР в хорошем состоянии.