Лаба №2 / Лаб2

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский

государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

кафедра ЭИВТ

Отчёт по лабораторной работе № 2.

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ.

Работу выполнил

студент группы 0221

Голиков А.Н.

Преподаватель:

Никольский М.А.

Санкт-Петербург

2002

Цель работы. Исследование микрополосковых линий передачи и резонаторов. Приобретение практических навыков работы с генератором качающейся частоты(СВИП-генератором) в комплексе с индикатором КСВН и ослаблений.

1. Микрополосковые линии передачи и микрополосковые резонаторы.

Микрополосковая линия (МПЛ) ( рис.1 а) – это двухпроводная полосковая линия с поперечным сечением в виде параллельных прямых, имеющая одну плоскость симметрии, параллельную направлению распространения энергии (на рис.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. В МПЛ основным типом является квази – ТЕМ волна, однако могут быть возбуждены и волны высших типов. Структура поля в поперечном сечении МПЛ показана на рис.1 б.

Одной из важнейших характеристик МПЛ является волновое сопротивление, определяемое геометрическими размерами линии и диэлектрической проницаемостью подложки. Для полосок нулевой толщины

при

при

,

где – эффективная диэлектрическая проницаемость. В статическом случае .

Строго говоря МПЛ является дисперсионной линией и все ее характеристики зависят от частоты. Длина волны в МПЛ определяется выражением

.

Точное определение частотных зависимостей, и других параметров МПЛ требует решения краевой задачи с использованием численных методов и применения ЭВМ. Для приближенного учета дисперсии квази-Т волны можно использовать аппроксимационную формулу

,

которая дает неплохие качественные оценки.

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.2. 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 (рис.2а)

(1),

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.).

2. Описание экспериментальной установки.

Для измерения длины волны в МПЛ используется измерительная линия (рис.3). Блок – схема показана на рис.4. 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.5(а) и 5(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.5 (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 результатов.

Измерение характеристик микрополоскового резонатора.

На экране индикатора КСВ получили резонансную характеристику передачи МПР.

f₀=3.993 ГГц

f₁=3.972 ГГц

f₂=4.014 ГГц

Q = f₀/(f₂-f₁)= 95

Длина полоска резонатора l=15мм

Исследование микрополосковой линии.

Распределение амплитуды стоячей волны вдоль МПЛ.

z,мм	11	22	37	51	66	81	95	110
U,мВ (f=4.1ГГц)	0.2	12	0.1	12	0.1	11	0.1	12
ср=14.14мм		ген=73мм			ген /ср=5.16
z,мм	24	37	53.8	67	81.6	94.1	105	111
U,мВ (f=5.5ГГц)	8.4	2.4	9	2.7	6.8	1.8	8.31	5.3
ср=12.43мм		ген=55мм			ген /ср=4.38

4. Выводы.

1. Добротность хорошего микрополоскового резонатора при малых потерях в диэлектрике и металле равна 500. У нас получилось 95. Объяснить это просто. Наш микрополосок - приклеенная медная фольга, качество которой оставляет желать лучшего. Кроме того, свой вклад делает и сам клей, добавляющий дополнительные диэлектрические потери. Хорошие результаты могут быть достигнуты при работе с МПР с напыленными микрополосками. Тем не мение, 95 тоже достойная величина.

2. Полученное распределение поля вдоль МПЛ показало, что это действительно синус, плавда, сильно искареженный от помех, создаваемых старым оборудованием.

3. Зависимость длины волны от частоты не является линейной функцией. Это объясняется изменяющейся с частотой _eff.