УДК 621.385.6Пристрої i техніка НВЧ / В.Г. Удачин, І.П. Заїкiн, 0.0. Зеленський, С.В. Хуторненко. – Навч.посібник до лаб.практикуму. Харків: Держ. аерокосмічний ун-т "Харк. авїац. Ін-т", 1998. 226 с.

Систематизовано теоретичні відомості та матеріал для виконання дванадцяти лабораторних робіт, теми яких відповідають оcновним розділам курсу.Відображено питання техніки безпеки, сформульовано правила поведінки студентів у лабораторії, вимоги щодо оформлення звітів.Для студентів технічних вузів, що навчаються за фахом "Конструювання i технології радіоелектронних засобів", "Радіоелектронне обладнання ЛА", "Біотехнічні та медичні апарати і системи".

Іл. 89. Табл. 15. Бібліогр.: 25 назв

Р е ц е н з е н т и : д-р техн. наук, проф. В.Г. Ягуп,канд. фіз.-мат. наук А.П. Касьяненко

Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського"Харківський авіаційний Інститут", 1998

ПЕРЕДМОВА

Мета лабораторного практикуму – вивчення властивостей пристроїв НВЧ, методики вимірювання їх параметрів, а також набуття навичок роботи з вимірювальною апаратурою та самими пристроями НВЧ.

Кожен опис лабораторної роботи містить: теоретичний матеріал стосовно принципу роботи досліджуваних пристроїв НВЧ; відомості про особливості конструктивного виконання даного пристрою та його типові технічні характеристики; методичні вказівки щодо проведення роботи на вимірювальній установці; завдання на попередній розрахунок типових характеристик пристрою НВЧ, а також перелік контрольних запитань і список рекомендованої літератури.

Технічні описи основних вимірювальних приладів подано у додатках 1 – 3.

Лабораторні роботи сприяють закріпленню навчального матеріалу, викладеного в лекційному курсі. Загальні положення, наведені в посібнику, необхідно вивчити до початку лабораторних занять. До занять допускаються студенти, які вивчили матеріал теми, опис до лабораторної роботи і виконали попереднє розрахункове завдання.

Автори висловлюють щиру подяку випускникам І студентам РТФ Сивульку Ю.М., Голінку Ю.М., Волощуку Д.В., Бондарю 0.0., Лук"янову Р.Г., Єременку І.Г., Шевченку В.М., Ємельяненку С.М., Барбаашну В.С., Колеснику О.В. за велику допомогу при підготовці рукопису.

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

0.1. Правила виконання лабораторних робіт

Кожен студент допускається до виконання роботи тільки після опитування його викладачем на початку занять. Під час опитування студент зобов'язаний показати, що він виконав попереднє розрахункове завдання, ясно уявляє собі мету роботі, твердо знає теорію питання та методику вимірювань, відповідно до вимог Держстандарту вміє накреслити функціональну схему вимірювальної установки і поводитися з вимірювальними приладами.

З метою одержання найбільшої користі від виконання лабораторних робіт, запобігання псуванню радіоапаратури 1 для того, щоб не завдати шкоди здоров’ю, необхідно виконувати такі правіла:

1. Ознайомитись з правилами техніки безпеки і суворо їх додержувати.2. До приходу в лабораторію вивчити конструкцію та властивості

пристроїв, використовуючи опис лабораторної роботи і технічну літературу, вказану в ньому, а також виконати попереднє розрахункове завдання.

3. У процесі підготовки дослідів ознайомитись з принципом роботи вимірювальних приладів і з інструкцією щодо їх експлуатації.

4. Після закінчення кожної лабораторної роботи повністю оформлений звіт здати викладачеві.

5. Приступати до виконання роботи 1 залишати лабораторію після роботи лише з дозволу викладача.

6. При виявленні зіпсованості в приладі або лабораторному макеті негайно вимкнути прилад, припинити роботу і сповістити про це викладача або лаборанта.

0.2. Основні правила техніки безпеки в лабораторії НВЧ

У лабораторії слід остерігатись ураження високими напругами та шкідливого впливу на організм електромагнітного поля сантиметрового діапазону.

Систематичне опромінювання сантиметровими хвилями може викликати у людини ряд функціональних розладів, у першу чергу – нервової системи.

Їх прояви: підвищена втомленість, головний біль, роздратованість, сонливість. Спостерігаються також уповільнення пульсу, зниження кров'яного тиску. Іноді сантиметрові хвилі негативно впливають на очі (особливо на кришталик). функціональні розлади досить швидко зникають після припинення роботи в умовах опромінення (через 3-4 тижні). Тільки інтенсивне опромінення може викликати необоротні зміни нервової та судинної систем.

Вживання елементарних запобіжних заходів є захистом людини від інтенсивного опромінення на робочому місці:

а) при опроміненні протягом усього робочого дня – не більш ніж 10 мкВт/см2 (0,01 мВт/см2);

б) при опроміненні протягом всього двох годин за робочий день – не більш ніж 100 мкВт/см2 (0,1 мВт/см2) при обов'язковому використанні захисних окулярів;

в) при опроміненні протягом 15...20 хв за робочий день – не більш ніж 1000 мкВт/см2 (1 мВт/см?) при обов'язковому користуванні захисними окулярами.

Щоб виключити шкідливий вплив опромінення на здоров’я осіб, які працюють у лабораторії, а також запобігти пошкодженню апаратури, необхідно виконувати такі правила техніки безпеки:

1. Працювати в умовах сантиметрового опромінення, яке перевищує граничні норми, ЗАБОРОНЕНО.

2. Не визначати наявність генерації потужності за тепловим ефектом, який сприймається рукою.

3. Усі роботи проводити при мінімально можливих, достатніх для їх виконання потужностях.

4. Не знаходитись поблизу джерел інтенсивного випромінювання сантиметрових хвиль, відкритого кінця хвилеводу, антени, у напрямку головного максимуму діаграми направленості антени, не дивитись у випромінюючі хвилеводи та антени незахищеними очима.

5. Не вмикати генератор сантиметрових хвиль доти, доки не буде повністю зібрано схему досліду.

6. Не залишати без необхідності відкритими кінці хвилеводів, по яких проходить електромагнітна хвиля.

7. Вимикати генератори сантиметрових хвиль слід негайно після закінчення досліду.

8. Не знаходитись у полі випромінювання антени особам, які не беруть участі у проведенні досліду.

9. Не торкатися деталей та дротів, які знаходяться під напругою (наприклад, корпус і відбивач клістрона).

10. Не ремонтувати і не розбирати електричні схеми при ввімкненому живленні, а хвилеводні системи – при працюючих генераторах.

11. Не вмикати в мережу несправні схеми, макети та прилади, а також пристрої, технічний стан яких невідомий.

12. При зникненні напруги в мережі привести схему в початковий стан, тобто усі прилади вимкнути і повідомити про це викладача.

13. У схемах, які мають лампи з підігрівними катодами, не вмикати напругу без попереднього прогріву лампи.

0.3. Вимоги щодо оформлення звіту з лабораторної роботи

Звіт являє собою акуратно оформлені на спеціальному бланку результати виконання завдання.

Звіт з лабораторної роботи необхідно здати в кінці лабораторного заняття. Без звіту студенти не допускаються до виконання наступної роботи. На заголовному аркуші звіту слід вказати номер і назву роботи, прізвище студента, групу. Звіт підписує той, хто його складає.

У звіті потрібно навести такі дані, які свідчать про виконання завдання:- функціональну схему вимірювальної установки;- результати попередніх розрахунків характеристик пристрою НВЧ,

подані у вигляді формул, таблиць і графіків;- ескіз або схематичне зображення конструкції пристрою, який

випробовується, з позначенням характерних розмірів та їх числових значень;- таблиці та графіки виміряних величин з поясненням умовних

позначень;- висновки з роботи, в яких коротко сформульовано її результати,

проаналізовано розрахунки та вимірювання, а також проведено порівняння розрахункових характеристик з експериментальними.

Результати розрахунків і вимірювань характеристик пристроїв слід подати у вигляді таблиць і графіків. Таблиці повинні містити достатню кількість даних, необхідних для побудови як монотонних, так і особливих ділянок залежностей (екстремумів, стрибків, перегинів тощо). Виправлення в таблиці не вносити -неправильний результат потрібно залишити з відповідною поміткою, наприклад "неправильно", а в додатковий рядок або стовпець таблиці записати правильні значення.

Якщо весь дослід виконано неправильно, він повторюється, знову заноситься у звіт, причому помилкові дані не закреслюються, а зберігаються.

Характеристики необхідно будувати в прямокутній системі координат із сіткою, вказуючи розмірності величин, а також виділяючи достатньо великими (1...2 мм) символами (наприклад, трикутниками, ромбами або кружечками) точки, за якими будують залежності. На графіках показують усі незмінні параметри, при яких виконувався дослід. Нанесені на графік точки не завжди лежатимуть вздовж плавної кривої (що пояснюється помилками спостереження, неможливістю зберігати незмінними умови роботи). Однак криві потрібно проводити так, щоб відхилення від цих точок було найменшим. Якщо одна з цих точок не відповідає плавному або передбачуваному характеру кривої (наприклад при грубій помилці), то при побудові кривої її можна не враховувати, але вона має бути ясно нанесеною на графік 1 у звіті спеціально про це треба застерегти.

За розрахунковими даними слід будувати теоретичні залежності в одній системі координат з аналогічними експериментальними залежностями. Якщо будь-яка величина підраховується за теоретичними формулами і та ж сама

величина визначається дослідним шляхом, то для наочності порівняння обидві величини потрібно записати поруч. У випадку розбіжностей між теоретичними і дослідними даними необхідно навести міркування про те, які причини викликали ці розбіжності. Графіки та схеми виконуються відповідно до вимог держстандартів.

Заповнений звіт подається в кінці заняття викладачеві для затвердження.

Лабораторна робота №1ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ХВИЛЬ І ПОВНИХ ОПОРІВ У ТРАКТАХ

НВЧ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ЛІНІЇ

Мета роботи – вивчення конструкції, методики застосування вимірювальних ліній, практичних прийомів вимірювання параметрів хвиль i повних опорів хвилеводних елементів, набуття навичок користування круговою діаграмою.

1.1. Загальні відомості

Хоча існує багато пристроїв для вимірювання основних параметрів трактів НВЧ (коефіцієнта стоячої хвилі, довжини хвилі в лінії передачі, повних опорів, коефіцієнта відбиття тошо), вимірювальна лінія залишається одним з найпоширеніших приладів.

Рис. 1.1. Спрощена конструкція вимірювальної лінії

Вимірювальна лінія (рис. 1.1) являє собою відрізок хвилеводу із вузькою щілиною, прорізаною вздовж його осі. Через щілину в середину хвилеводу поміщено тонкий металевий зонд 2, який пересувається за допомогою каретки 3. Детектор 4 і два коаксіальних резонатори складають вимірювальну головку. Внутрішній стержень 6 є продовженням зонда 2 і разом з внутрішньою трубкою 5 і поршнем 7 складає внутрішню коаксіальну лінію – контур зонда, а внутрішня трубка 5 і зовнішня 8 разом з поршнем 9 – зовнішню коаксіальну лінію, яка є контуром детектора. В основі

вимірювальної головки є фланець для кріплення детекторної головки. Кристалічний детектор входить в отвір зовнішньої трубки вимірювальної головки і одним з кінців контактує з внутрішньою трубкою. Напруга, що існує в лінії детектора, випрямляється і подається в індикаторний прилад.

Промисловістю випускаються вимірювальні лінії на прямокутних хвилеводах, коаксіальних та симетрично-смужкових лініях передач.

Принцип вимірювання параметрів еквівалентних схем НВЧ пристроїв за допомогою вимірювальної лінії базується на відомій залежності між опором навантаження та розподілом напруженості електричного поля хвилі вздовж однорідної лінії передачі, яка з’єднує навантаження з генератором. Якщо опір навантаження 2Н відрізняється від опору передавальної лінії 2Х, то в лінії встановлюється так званий режим змішаних хвиль.Поле хвилі будь-якого типу, що поширюється в лінії передачі, може бути подано у вигляді суперпозицій падаючої та відбитої хвиль. Під падаючою розуміють біжучу (тобто ту, що поширюється в одному напрямку) хвилю, яку створює генератор НВЧ. Відбитою називають біжучу хвилю в лінії передачі, породжену навантаженням або нерегулярністю і яка поширюється а напрямку, зворотному до падаючої хвилі. Накладаючись на падаючу, відбита хвиля створює максимуми 1 мінімуми, які повторюються в поздовжніх розподілах напруг і струмів, формуючи карану частково стоячих хвиль (рис. 1.2). Припустимо, що в деякій точці Q існує нерегулярність (наприклад ZH ≠ ≠ Zx), яка відбиває частину енергії падаючої хвилі. У цьому випадку в бік джерела сигналу прямує відбита хвиля з амплітудою, меншою за падаючу. За цієї умови ліворуч від точки відбиття встановиться частково стояча хвиля.

Аналізуючи процеси у хвилеводах кінцевої довжини, користуються методами теорії довгих ліній, які грунтуються на концепції падаючих і відбитих хвиль.

Напруга і струм в лінії розглядаються як сума напруг і струмів падаючої та відбитої хвиль:

(1.1)(1.2)

де z – відстань від кінця лінії до перерізу, який розглядається; U(z), І(z) – комплексні амплітуди напруги і струму в цьому перерізі;Uo, І0 – амплітуди напруга і струму в падаючій хвилі;β = 2π/λв – стала поширення;λв – довжина хвилі у хвилеводі;Г – коефіцієнт відбиття.

Рис. 1.2. Частково стояча хвиля в лінії:а) розподіл характерних точок; б) розподіл напруги

Відношення амплітуд напруги і струму біжучої (падаючої) хвилі дорівнює хвильовому опорові лінії:

. (1.3)

Одним з основних понять теорії довгих ліній є поняття про еквівалентний опір лінії.

Еквівалентним опором лінії Z(Z) називають відношення:

. (1.4)

Еквівалентний опір має такий фізичний зміст: якщо лінію обрізати в площині Z і навантажити частину лінії, що залишилась (від генератора до перерізу з координатою z), на опір, що дорівнює Z(z), то розподіл напруги і струму в лінії залишиться незмінним. Еквівалентний опір для перерізу, що відповідає, наприклад, входу лінії (z = l), називають вхідним опором лінії:

. (1.5)

Відношення еквівалентного опору до хвильового опору лінії називають нормованим еквівалентним опором лінії. Воно має такий вигляд:

. (1.6)

Відповідно величини:

(1.7)i

. (1.8)

називатимемо нормованим вхідним опором лінії і нормованим опором навантаження. Нормований (виражений у відносних одиницях) опір хвилеводу можна знайти так само, як і у випадку будь-якої іншої лінії передачі, за формулою:

. (1.9)

З виразу (1.9) видно, що еквівалентний опір лінії, в тому числі i вхідний, є періодичною функцією з періодом п/β = λв/2 (рис. 1.3). Це означає, що подовження або вкорочення лінії на відрізок, кратний λв/2, не змінить величини вхідного опору. Передумовою формули (1.9) є те, що початок відліку знаходиться в кінці лінії. Якщо початок відліку розташувати у вузлі напруги, то залежність (1.9) набуває вигляду:

. (1.10)

Режим частково стоячих хвиль в лінії передачі характеризують за допомогою коефіцієнта відбиття по напрузі (Г), коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) або коефіцієнта бїжучої хвилі (КБХ). Перший коефіцієнт являє собою відношення комплексних амплітуд напруги (напруженості електричного поля) відбитої та падаючої хвиль у заданій точці лінії передачі:

, (1.11)

другий – відношення напруг (напруженості електричного поля) у максимумі і мінімумі стоячої хвилі:

. (1.12)

Рис. 1.1. Активна та реактивна складові еквівалентного опору лінії передачі

Напруги падаючої 1 відбитої хвиль на опорові навантаження лінії передачі довжиною ℓ можна подати такими рівняннями:

, (1.13)

. (1.14)

Тоді коефіцієнт відбиття навантаження лінії передачі:

(1.15)

Оскiльки , то:

. (1.16)

Розглядаючи рівняння (1.16), можна виділити три найхарактерніші випадки:

1. При ZH = ZX, Гн = 0, тобто коли опір навантаження дорівнює хвильовому, в лінії передачі відбиті хвилі відсутні.

2. При ZH = 0, Гн = – 1, тобто при короткому замиканні лінії передачі відбита хвиля напруги по амплітуді дорівнює падаючій і знаходиться у протифазі з нею.

3. При ZH = , Гн = 1, тобто при розімкненій лінії передачі відбита хвиля напруги синфазна з падаючою, а по амплітуді цi хвилі рівні.

1.2. Вимірювання КСХ навантажень

У загальному випадку КСХ навантажень визначається співвїдношенням:

де Umax і Umin – показання індикаторного приладу відповідно при положеннях зонда у максимумі і мінімумі напруги стоячої хвилі в лінії передачі (див. рис. 1.3).

Характеристика детектора при малих струмах (близько 10 мкА і менше) квадратична, тому на практиці слід користуватися формулою:

(1.17)

Для точних вимірювань КСХ будують градуювальну криву детектора (з конкретним індикатором і при певному рівні вхідної потужності). При великих КСХ (три і більше) динамічний діапазон шкали індикатора (наприклад мікроамперметра) не може забезпечити вимірювання потрібної величини. При цьому необхідно знати характеристику детектора в широкому динамічному діапазоні. Крім того, при великій чутливості індикатора достовірність вимірювання малих значень напруги в мінімумі стоячої хвилі стає сумнівною, тому що в цьому випадку неможливо уникнути паразитних наводок у колах детектора та індикатора.

Ці труднощі можна подолати,застосувавши інший метод вимірювання КСХ – так званий метод "подвоєного мінімуму". Якщо чутливість індикаторного пристрою недостатня для чіткого спостереження мінімуму, то при вимірюванні за допомогою цього методу можна збільшити глибину занурення зонда, тому що похибка за рахунок шунтованої дії зонда в даному випадку в загальну похибку вимірювання КСХ не входить. Для реалізації цього методу необхідно встановити каретку вимірювальної лінії в мінімум напруженості поля стоячої хвилі і визначити відстань α між двома положеннями зонда по обидва боки мінімуму, в яких показання індикатоpa в два рази більші, ніж його показання в мінімумі. КСХ обчислюють за співвідношенням:

, (1.18)

де d – відстань між двома положеннями зонда;λх – довжина хвилі у хвилеводі.

Довжину хвилі у хвилеводі вимірюють за допомогою вимірювальної лінії або обчислюють за формулою:

, (1.19)

де λ – довжина хвилі у вільному просторі;λкр – критична довжина хвилі у хвилеводі, яка визначається як

подвоєна довжина широкої стінки хвилеводу для хвилі основного типу Н10.

При значеннях пd/λв < 0,12 вираз (1.18) доцільно замінити простішим (з похибкою менше 1%):

. (1.20)

Похибку вимірювання КСХ цим методом можна оцінити за формулою:, (1.21)

де Δd – похибка вимірювання положення зонда.

Залежність (1.20) є наближеною і не враховує похибки за рахунок загасання потужності НВЧ і похибки, яка виникає при визначенні довжини хвилі у хвилеводі. Вимірювати КСХ можна також методом заміщення. Він дозволяє вимірювати як малі (близько 1,05), так і великі (близько 100) значення КСХ, але непридатний для вивчення пристроїв, КСХ яких залежить від рівня потужності в тракті (наприклад, детекторних і термісторних головок). Для реалізації цього методу необхідно каретку вимірювальної лінії встановити в мінімум поля, а стрілку індикатора – на вибрану мітку першої половини шкали індикатора. При цьому вимірювальний атенюатор тракту (наприклад вхідний) повинен знаходитись на нульовому послабленні. Показання індикатора записується. Пересуваючи каретку в максимум поля, за допомогою вимірювального атенюатора змінюють загасання до встановлення стрілки індикатора в початкове положення. Визначають послаблення за шкалою атенюатора і знаходять КСХ за формулою:

, (1.22)

де N – послаблення атенюатора, дБ.

1.3. Вимірювання довжини хвилі у хвилеводі

Довжина хвилі у хвилеводі вимірюється за відстанню Lmin між сусідніми вузлами (мінімумами) напруги стоячої хвилі:

. (1.23)

На перший погляд метод досить простий. Проте існує ряд особливостей, які необхідно враховувати при вимірюванні. В усіх випадках, коли дозволяють умови вимірювання, Ах знаходять при короткозамкненому кінці лінії. Точне положення мінімуму напруги повинно визначатися методом "вилки". Положення мінімуму знаходять як середнє для двох положень зонда вздовж лінії (по обидва боки від мінімуму), при яких показання індикатора значно відрізняються від показань у мінімумі і однакові за величиною. Як правило, для відліку вибираються такі точки на кривій розподілу, де зміна напруги має максимальну крутість. Показання індикатора розраховують за співвідношенням:

, (1.24)

де К – виміряний КСХ у лінії;АІ – величина двох однакових значень струму, за якими положення

мінімуму визначатиметься з найменшою похибкою;Amіn – величина струму детектора, що відповідає мінімуму напруги.

Похибку вимірювання довжини хвилі у відсотках можна оцінити за формулою:

, (1.25)

де Δl – похибка визначення положення зонда.

1.4. Вимірювання повних опорів

Повний опір пристрою НВЧ або елемента тракту – одна з найважливіших характеристик, яка дозволяє об’ективно судити про його властивості. Можна виділити два способи визначення повних опорів, що грунтуються на вимірюванні КСХ і фазового кута коефіцієнта відбиття.

Фазовий кут знаходять шляхом вимірювання відстані від площини приєднання досліджуваного навантаження до першого мінімуму стоячої хвилі у вимірювальній лінії. Практично зручно шукати величину зміщення мінімуму ℓ (рис. 1.4).

Визначивши i КСХ, можна розрахувати активну та реактивну складові опору навантаження (перший спосіб):

, (1.26)

, (1.27)

де β = 2π/λх;К – коефіцієнт стоячої хвилі;ZH – хвильовий опір лінії.

Рис. 1.4 Епюри напруги електричного поля в лінії: 1 – для лінії, яка має навантаження ZH = 0; 2 – для лінії, яка має навантаження ZH·ZX

У випадку, коли в прямокутному хвилеводі поширюється хвиля основного типу Но, можна користуватись одним з означень хвильового опору, розрахованого як відношення квадрата максимальної амплітуди напруги до подвоєної потужності. Для повітряного заповнення розрахунок ведеться за формулою:

, (1,28)

де а і b – розміри широкої та вузької стінок хвилеводу;λ – довжина хвилі у вільному просторі;λх – довжина хвилі у хвилеводі.

На основі результатів вимірювання КСХ навантаження та зміщення мінімуму повний опір (і його складові) часто визначають іншим способом – за допомогою кругової діаграми опорів (рис. 1.5).

На круговій діаграмі нанесено три сімейства кривих:1) кола R = const з центрами на вертикальній осі;2) дуги кіл Х = const з центрами на горизонтальній осі;3) концентричні кола КСХ = const з центрами в центрі діаграми.

Для зручності роботи в діаграмою масштаб КСХ = const наносять на прозору пластмасову лінійку, яка обертається навколо центра.

Кожній точці площини діаграма відповідає єдине конкретне значення комплексного опору, виражене у відносних одиницях (Z' = Z/Zx = R ± iX), і визначається точкою перетину перелічених кривих.

На зовнішньому колі діаграми вказано відстані до генератора (в частках довжини хвилі) і фазовий кут коефіцієнта відбиття (в градусах). Зовнішнє коло одиничного радіуса (з центром у точці R/Zх = 1) відповідає випадку, коли |Г| =1 або КСХ = ).

Рис. 1.5. Кругова діаграма повних опорів

Модуль коефіцієнта відбиття дорівнює одиниці при короткому замиканні, холостому ході або при чисто реактивному навантаженні лінії.

Точки холостого ходу і короткого замикання відповідають точкам перетину вертикальної осі із зовнішнім колом одиничного радіуса, і тому таке коло с геометричним місцем тільки реактивних опорів лінії. Права півплощина (див. рис. 1.5) відповідає позитивним, тобто індуктивним, ліва – ємнісним опорам.

Кола з центром у точці на вертикальній осі, позначеній одиницею, є лініями сталого КСХ або лініями сталого модуля коефіціента відбиття |Г|.

Сітка з кривими R = const і X = const являє собою дві сім'ї взаємно ортогональних кіл. Кола R = const мають одну спільну дотичну в точці, де вхідний опір лінії передачі прямує до нескінченності (Z ). Центри цих кіл розміщені на дійсній осі, а центри кіл X = const – на прямій, паралельній уявній осі і яка проходить через точку холостого ходу Z = 0.

Кола з КСХ = const (звичайно їх на діаграму не наносять) перетинають дійсну (вертикальну) вісь у точках, через які проходять кола з R = const, причому R = КСХ або R = 1/КСХ виражені у відносних одиницях. Це пояснюється тим, що величини опорів у максимумі та мінімумі стоячої хвилі дорівнюють відповідно:

, (1.29)

. (1.30)

Таким чином, для визначення кола заданого КСХ необхідно знайти відповідно кола R = const і провести з центра діаграми коло, дотичне до кола постійного активного опору.

За початок відліку кутів беруть точку R = X = 0, а шкалу кутів наносять на зовнішню сторону великого кола. Кути на зовнішньому колі виражають в одиницях l/λх, або в градусах фазового кута коефіцієнта відбиття, а всі вказані опори на діаграмі (в тому числі й опори навантаження ZH) – у відносних одиницях (відносно хвильового опору лінії Zx) [1]:

, (1.31)

де Zх = 1 – хвильовий опір лінії передачі у відносних одиницях.

Тоді коефіцієнт відбиття навантаження можна обчислити за формулою:

. (1.32)

Розглянута полярна діаграма повних опорів універсальна і придатна для роботи з будь-якими передавальними лініями, якщо ця лінія збуджена на хвилі одного типу.

Координатна сітка діаграми може бути застосована для зображення повних провідностей у відносних одиницях:

, (1.33)де , (1.34)

. (1.35)

При використанні діаграми для визначення провідностей залишаються в силі всі числові позначення. Змінюється тільки фізичний зміст характерних точок, наприклад, точка режиму холостого ходу (Zн = ) означає тепер режим короткого замикання (Zн = 0).

Для знаходження провідності за заданим опором достатньо перенести відповідну точку в діаметрально протилежну точку на колі даного КСХ.

1.5. Опис вимірювальної установки

Схема вимірювальної установки зображена на рис. 1.6. Джерелом потужності НВЧ є генератор, який працює в сантиметровому діапазоні хвиль. Потужність генератора через атенюатор, вентиль i вимірювальну лінію подається на неоднорідність (кінцеве навантаження).

Примітка. Лабораторну.роботу виконують одночасно всі студентигрупи Про перелік кінцевих навантажень для кожного лабораторного макета повідомляє викладач.

1.6. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

1. Проведіть розрахунок довжини хвилі у хвилеводі для діапазону 9...11ГГц.

2. За даними табл. 1.1 визначте опір навантаження для двох випадків, які відповідають задачам № 1 і 2.

Дані до п.2 беруться з табл. 1.1 відповідно до номера, під яким записано прізвище студента в груповому журналі.

3. Використовуючи дані, одержані в п.2, розрахуйте нормований еквівалентний опір лінії в межах півхвилі з кроком 0,05λх від навантаження в бік генератора.

4. Проведіть вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі або КБХ чотирьох НВЧ навантажень, вказаних викладачем, і одночасно вимірювання фазового кута кожного навантаження. Вимірювання виконайте двома способами, описаними в теоретичній частині лабораторної роботи. При вимірюваннях користуйтесь методами максимуму-мінїмуму та заміщення.

Таблиця 1.1№ КСХ Задача №1 Задача №2

п/п Напрямок змiщення Напрямок змiщення1 5 0,08 До генератора 0,16 До навантаження2 10 0,12 - " - 0,18 - " -3 6,6 0,16 - " - 0,2 - " -4 3,3 0,18 - " - 0,24 - " -5 5 0,2 - " - 0,15 - " -6 4 0,24 - " - 0,04 - " -7 5 0,2 - " - 0,18 - " -8 3,18 0,3 - " - 0,16 - " -9 5 0,2 - " - 0,18 - " -10 10 0,1 - " - 0,2 - " -11 6,6 0,15 - " - 0,23 - " -12 3,33 0,3 - " - 0,08 - " -13 10 0,25 - " - 0,08 - " -14 5 0,2 - " - 0,17 - " -15 4 0,2 - " - 0,12 - " -16 3,2 0,3 - " - 0,12 - " -17 10 0,1 - " - 0,15 - " -18 5 0,2 - " - 0,05 - " -19 3,3 0,3 - " - 0,21 - " -20 4 0,22 - " - 0,19 - " -21 10 0,15 - " - 0,17 - " -22 6,6 0,2 - " - 0,16 - " -23 5 0,11 - " - 0,07 - " -24 4 0,15 - " - 0,11 - " -25 3,3 0,2 - " - 0,08 - " -

5. Проведіть вимірювання та розрахунок активної, реактивної складових і повного опору НВЧ навантажень, вказаних викладачем, користуючись способом на основі розрахунку за формулами (1.26) і (1.27), а також круговою діаграмою. На основі виконаних вимірювань визначте активну, реактивну та повну провідності НВЧ навантажень за круговою діаграмою.

6. Для кожного пункту завдання розробіть таблиці, які б відображали проміжні та кінцеві етапи вимірювань і розрахунків. За одержаними результатами побудуйте графіки.

1.7. Порядок виконання роботи

1. Зібрати вимірювальний тракт НВЧ відповідно до рис. 1.6. До виходу вимірювальної лінії приєднати металеву пластину (лінія закорочена на кінці).

2. Увімкнути генератор для десятихвилинного прогріву.3. Пересуваючи каретку, користуючись вимірювальною лінією, за

допомогою методу вилки визначити положення двох мінімумів, розміщених поруч, і розрахувати довжину хвилі у хвилеводі.

4. Для вимірювання повного опору або провідності навантажень провести такі операції:

- визначити умовний кінець лінії, для чого до вихідного фланця лінії приєднати метелеву пластину і встановити положення першого мінімуму з боку вихідного фланця методом "вилки" (це положення і є умовним кінцем лінії);

- приєднати довихідного фланця лінії одне а конкретних навантажень;- визначити відстань ℓ від умовного кінця лінії до першого мінімуму

(використовуючи метод "вилки");- виміряти КСХ навантаження.Потім за формулами (1.26), (1.27) розрахувати складові RH, Хн і повний

опір досліджуваних навантажень.Безпосередній відлік відстані від навантаження до першого вузла

напруги незручний, а часто неможливий. Проте в однорідній передавальній лінії величини еквівалентних опорів повторюються через кожну півхвилю. Тому початок відліку припадає на ціле число півхвиль від навантаження. Для цього закорочують лінію в тому перерізі, де приєднується навантаження, і на вимірювальній лінії відмічають положення будь-якого вузла напруги. Під час приєднання навантаження відмічається зміщення вузла, величана якого с шуканою величиною (див. рас. 1.4). Зміщення вузла можна відлічити і в бік генератора (ℓ1), і в бік навантаження (ℓ2). Обчислюючи навантаження, наприклад за формулою (1.10), слід вважати величину ℓ1 додатною, а ℓ2 – від'ємною.

5. Користуючись круговою діаграмою, визначити складові RH і Хн для всіх навантажень (три діафрагми – ємнісну, індуктивну, резонансну, а також поглинаюче навантаження).

1.8. Контрольні запитання

1. Що таке коефіцієнти відбиття біжучої та стоячої хвиль і від чого вони залежать?

2. Куди зсувається найближчий мінімум напруги в лінії відносно мінімуму напруги при короткому замиканні, чисто ємнісному, індуктивному і активному навантаженнях на кінці лінії?

3. Від чого залежить довжина хвилі у хвилеводі?

4. Що називається еквівалентним нормованим опором довгої лінії хвилеводу?

5. В чому полягають методи вимірювання повного опору наваг таження лінії?

6. На основі яких критеріїв здійснюється узгодження опору навантаження з хвильовим опором лінії?

7. Який принцип дії та конструкція вимірювальної лінії?8. В чому полягає метод вимірювання повних опорів, оснований на

застосуванні кругових діаграм?

1.9. Список використаної та рекомендованої літератури

Лебедев И.В. Техника а приборы СБЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1. Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М., 1972.

1.10. Розв'язання практичних задач за допомогою кругової діаграми повних опорів (провідностей)

Задача 1. Дано: опір навантаження ZH = RH + iXн, хвильовий опір лінії Zx

довжина ℓл і довжина хвилі в лінії λх

Знайти вхідний опір і величину КСХ (КБХ).Розв'язання:1. Визначаємо нормований опір навантаження:

2. На круговій діаграмі відмічаємо точку, яка відповідає знайденим значенням R'н і Х'н.

3. Покажчик діаграми ставимо так, щоб радіус, накреслений: на ньому, проходив через знайдену точку (початкове положення покажчика).

4. Повертаємо покажчик на кут, що відповідає довжині лінії ℓл/λх в бік генератора (за годинниковою стрілкою), і відмічаємо нову точку на колі, а також значення КСХ (КБХ).

Відповідні цій точці значення R і X є шуканими значеннями активної та реактивної складових нормованого вхідного опорулінії. Для одержання абсолютних значень опору необхідно знайдені значення помножити на Zx.

Приклад. Дано: Zx = 600 Oм; ZН = (300 + і300) Oм; λх = 30 мм; Lп = 36мм. Знайти Zвх і КСХ (КБХ).

Розв'язання.1. Дано ZH = (0,5 + і0,5) Oм.

2. Відповідна точка діаграми лінії на колі КСХ = 2,63 (КБХ = 0,38). Обертовий покажчик, який проходить через знайдену точку, проходить і через відмітку 0,088 на зовнішньому колі діаграми.

3. Обертаємо покажчик від цього положення за годинниковою стрілкою на кут, який відповідає відстані ℓл/λх = 36/30 = 1,2. Оскільки криві опору вздовж лінії передані з півхвильовим періодом, то ціле число півхвиль виключаємо і поворот здійснюємо на довжину 0,2.

4.Нова відмітка на зовнішньому колі дорівнює 0,088 + 0,2 = 0,288. Шуканий опір знаходимо як точку перетину кола КСХ = 2,63 (КБХ = 0,38) зі стрілкою покажчика, яка проходить через відмітку 0,288.

5.Знайденій точці перетину відповідають RBX і Xвх, які дорівнюють 2 та – і.

Відповідь: Z6X = 2 – і; ZBX = (2 – і)600 = (1200 – i600) Ом.

Задача 2. За даними задачі № 1 визначити опір у вузлі та в пучності напруги.

Розв’язання.КСХ у попередній задачі дорівнює 2,63 (КБХ = 0,38). Коло КСХ = 2,63

перетинає вертикальну вісь у точках R' = 0,38 і R'= 2,6. Таким чином, опір у вузлі Rmin= 0,38·600 = 228 Oм, а опір у пучності Rmax = 2,6·600 = 1560 Ом.

Задача 3. Дано: вхідний опір лінії, довжина хвилі, хвильовий опір лінії, довжина лінії – Zx = 100 Ом; Zвx = (40 – і55) Ом; λх = 10 см; ℓл = 26,19 см. Визначити опір навантаження.

Задача розв'язується так само, як і задача № 1. Але, на відміну від задачі № 1, обертовий покажчик діаграми повертають у бік навантаження (проти годинникової стрілки).

Відповідь: Zx = (180 – і100) Ом.

Задача 4. Положення вузла при короткому замиканні лінії визначено. Потім було ввімкнено навантаження і знайдено відстань від вузла при короткому замиканні до найближчого вузла при навантаженні (цю відстань в подальшому називатимемо зміщенням вузла відносно вузла при короткому замиканні).

Проведемо вимірювання КСХ (КБХ). Знайти опір навантаження при відомих λх і ZX

а). Вузол при ввімкненні навантаження зсунувся відносно вузла при короткому замиканні у бік генератора на величину ℓ= 0,06 λх; КСХ = 3,0; Zx = = 100 Ом.

Розв’язання.Повертаємо обертовий покажчик діаграми проти годинникової стрілки

(до навантаження) на кут, який відповідає відстані ℓ = 0,06 λх.

Нормований опір навантаження визначимо як точку перетину стрілки покажчика з колом КСХ = 3,0. Тоді Z'H = (0,38 – і0,34). Помноживши Z'H на Zx, знаходимо ZH.

Відповідь: ZH= (38 – і34) Ом.б) Вузол при ввімкненні навантаження зсунувся відносно вузла при

короткому замиканні у бік навантаження на величину ℓ = 0,076·λх; КСХ = 5,7. Знайти нормований опір навантаження.

Розв’язання.Повертаємо покажчик за годинниковою стрілкою (до генератора) на кут,

що відповідає 0,076·λх. Знаходимо точку перетину лінії покажчика з колом КСХ = 5,7.

Відповідь: Z'H = 0,22 + і0,5.

Лабораторна робота № 2УЗГОДЖЕННЯ В ЛІНІЯХ ПЕРЕДАЧІ НВЧ

Мета роботи – вивчення основних методів 1 пристроїв для узгодження в лініях передачі НВЧ за допомогою взаємних пристроїв (компенсуючих реактивностей).

2.1. Загальні відомості

Під узгодженням у трактах НВЧ прийнято розуміти умови, за яких від генератора в навантаження через лінію передачі підходить максимальна потужність. Узгодження в лінії передачі полягає в заглушенні відбитих від навантаження хвиль. Лінія в цьому випадку працює в режимі біжучих хвиль з коефіцієнтом відбиття Г, який дорівнює нулю (КСХ = 1), а опір навантаження Zн дорівнює хвильовому опору лінії ZA.

В узгодженому режимі потужність, що надходить у навантаження від генератора, який, в свою чергу, повинен бути також узгодженим з лінією, досягає максимального значення. Якщо навантаження не узгоджене з лінією, то це призводить до ряду небажаних ефектів.

Розглянемо основні причини, через які намагаються досягнути найкращого узгодження, тобто наблизити КСХ до ідеальної величини, що дорівнює одиниці.

2.2. Потужність, що надходить у навантаження

Потужність, що передається у навантаження, яке знаходиться на кінці лінії, без втрат можна визначити в будь-якому перерізі лінії за допомогою співвідношення:

, (2.1)

де U і I – амплітуди напруги та струму в даному перерізі;φ – фазовий кут між ними.

У перерізі, де знаходиться максимум стоячої хвилі напруги, є мінімум струму І і φ = 0. Тому:

. (2.2)

Напруга в максимумі та струм у тому ж перерізі дорівнюють:

, (2.3)

, (2.4)

де Zx – хвильовий опір лінії;Г – коефіцієнт відбиття.

Підставляючи вирази (2.3) і (2.4) в рівняння (2.2), одержимо:

. (2.5)

Нехай генератор є узгодженим, тобто має внутрішній опір Zr = Zx. Тоді відбита від навантаження хвиля, що надходить до генератора, не відбивається від нього і не може змінити амплітуду {Unaд}. Таким чином, можна вважати, що [Unaд] ≠ f ([Г]).

У випадку узгодження навантаження а лінією Г = 0. Тоді потужність має максимальну величину:

. (2.6)

Отже, при неузгодженому навантаженні у випадку узгодженого генератора потужність, що надходить у навантаження, менша, ніж при узгодженому навантаженні, тобто:

. (2.7)

Потужність, що надходить у навантаження, за законом збереження енергії дорівнює різниці між потужністю падаючої хвилі Рпад і потужністю відбитої хвилі Рвідб , причому:

,

. (2.8)

Таким чином, потужність відбитої хвилі:

. (2.9)

Звідси одержуємо потужність, що надходить у навантаження:

. (2.10)

Цей вираз збігається з формулою (2.7), оскільки величина Рпад відповідає найбільшій потужністі, яку можна одержати в розглянутому режимі при ідеальному узгодженні навантаження з лінією.

2.3. Електрична міцність лінії при неузгодженому навантаженні

У випадку неузгодженого навантаження пробивна міцність лінії зменшується за рахунок перенапруження в максимумах стоячої хвилі. Для кількісної оцінки необхідно врахувати, що пробій виникає в режимі, коли напруженість електричного поля в максимумі стоячої хвилі стає такою, що дорівнює пробивній напруженості:

, (2.11)

де Uпроб – пробивна напруга лiнiї за даних умов.Позначимо через [Uпад]проб амплітуду напруги падаючої хвилі, при якій в

лінії починається електричний пробій.Згідно з рівняннями (2.3) і (2.11) одержимо:

. (2.12)

Потужність Pпроб, при якій відбувається пробій, є границею потужності, що передасться у навантаження. За співвідношенням (2.5) маємо:

. (2.13)

Якщо відставити в що формулу залежність (2.12), то дістанемо:

.

тобто у випадку неузгодженості пробивна потужність дорівнює:

. (2.14)

Таким чином, електрична потужність передавальної лінії при неузгодженому навантаженні знижується в КСХ раз порівняно з електричною потужністю узгодженої лінії. При передачі великих рівнів потужності намагаються забезпечити КСХ менше 1.5.

2.4. Втрати в лінії з неузгодженим навантаженням

При передачі енергії генератора до навантаження втрати в лінії визначаються за виразом:

, дБ, (2.15)

де ℓ – геометрична довжина лінії між генератором і навантаженням;α – стала загасання хвилі, що розглядається.

За відсутності відбиття за формулою (2.15) втрати дорівнюють:

, дБ. (2.16)

Чим більше величина |Г|, тим, згідно з виразом (2.7), більші втрати і менший коефіцієнт корисної дії передачі.

Стала загасання для хвилі основного типу H10 може бути визначена за рівнянням:

, (2.17)

де σсm – провідність матеріалу стінки хвилеводу; ε0 – діелєктрична проникність вакууму.

За співвідношенням (2.17) можна розрахувати загасання в хвилеводах, виконаних з неферомагнітного матеріалу.

2.5. Робота електронних приладів НВЧ при неузгодженому навантаженні

Залежність пробивної потужності і втрат у лінії передачі від узгодження з навантаженням сама по собі вказує на необхідність роботи активних приладів НВЧ при узгодженому навантаженні. Узгодження відіграє особливо важливу роль для якісної роботи потужних джерел НВЧ коливань. Однак існують і інші причини, через які вимоги до узгодження навантажень активних приладів стають жорсткими.

При зміні опору навантаження, на яке працюють активні прилади, в більшості випадків спостерігаються зміни як потужності, так і частоти, що генерується. Це явище прийнято називати затягуванням частоти. Так, наприклад, при КСХ, яка дорівнює 1,5, частота коливань, що генеруються магнетроном трисантиметрового діапазону, може змінитися на 15 МГц.

Максимально допустима величина КСХ для багатьох потужних генераторів не перевищує 1,5. У цьому режимі стабільність частоти знаходиться в допустимих границях при достатній величині потужності, яка віддається.

З викладеного випливає, що у більшості випадків доводиться вирішувати проблеми одержання найкращого узгодження окремих ланок і високочастотних трактів у цілому.

2.6. Методи та пристрої узгодження в трактах НВЧ

Забезпечення узгодження є однією з найпоширеніших задач техніки надвисоких частот. Необхідність узгодження має місце у тих випадках, коли з передавальною лінією з'єднується неузгоджене навантаження або при з'єднанні ліній з різними хвильовими опорами.

Принципи узгодження можна пояснити за допомогою рис. 2.1.Якщо опір навантаження не дорівнює хвильовому опору, то поблизу навантаження треба ввімкнути узгоджуючий чотириполюсник, що трансформує активний 1 реактивний опори навантаження з перерізу "вг" у переріз "аб" до величини:

Рис. 2.1. Узгоджуючий чотириполюсник в лінії передачі з довільним навантаженням

Таку трансформацію, що усуває відбиті хвилі, можна виконати двома методами:

1. Метод створення додаткових відбиттів, сумарна амплітуд яких дорівнює амплітуді відбитої хвилі від пристрою, що узгоджується, а фаза відрізняється на 180°, тобто Uвідб = U′відб = U″відб = 0

Такий метод реалізує недисипативний чотириполюсник, який має властивості ідеального трансформатора, що перетворює високочастотні напруги, струми та повні опори з перерізу "вг" у переріз "аб" (див. рис. 2.1) без внесення активних втрат. Такий вид узгоджуючих пристроїв одержав назву трансформаторів повних опорів.

Як найпростіші фіксовані трансформатори типу шунтуючих реактивних провідностей застосовуються індуктивні та ємнісні діафрагми, індуктивні, ємнісні та резонансні штирі, одно- і багатошлейфові трансформатори, а також пластинчасті діелектричні трансформатори повних опорів.

Для узгодження ліній передачі з різними хвильовими опорами використовуються чвертьхвильові трансформатори (переходи). Для такого узгодження часто також застосовуються фіксовані трансформатори у вигляді відрізка неоднорідних ліній передачі. Прикладом таких трансформаторів є конічний і експоненціальний переходи, які можна віднести до граничного випадку багатосхідчаотого чвертьхвильового трансформатора.

2. Метод поглинання відбитої хвилі, який базується на ввімкненні перед навантаженням або іншим пристроєм, що узгоджується, поглинаючого чотириполюсника. Чотириполюсник може бути як взаємним (наприклад фіксований атенюатор), так і невзаємним (феритовий вентиль). Узгодження за допомогою поглинаючого чотириполюсника (взаємного) можна застосовувати лише у тому випадку, коли втрати потужності в тракті не відіграють вирішальної ролі, наприклад, у вимірювальних трактах. Значно кращі результати з енергетичної точки зору дає невзаємний чотириполюсник, наприклад феритовий вентиль. Загасання, яке вноситься вентилем для хвилі,

що падає у прямому напрямку (до навантаження), у багато разів менше, ніж для хвилі відбитої, яка поширюється у зворотному напрямку (до генератора).

2.7. Узгодження за допомогою реактивних трансформаторів

Таке узгодження реалізує перший метод – метод створення додаткових відбиттів. Реалізація цього методу полягає у знаходженні такого перерізу хвилеводу, в якому активна складова провідності дорівнює хвильовій провідності хвилеводу:

або . (2.18)

У цей переріз хвилеводу вмикають реактивний елемент, провідність якого Yp.e дорівнює за величиною і протилежна за знаком реактивній провідності в даному перерізі хвилеводу.

Сумарна провідність Yz у цьому перерізі буде активною і дорівнюватиме хвильовій провідності хвилеводу:

(2.19)

або, у зведених значеннях:

. (2.20)Розглянемо конкретні типи узгоджуючих пристроїв, які застосовуються,

наприклад, у прямокутних хвилеводах, що працюють на основній хвилі.1. Діафрагма – це металева пластина, яка поміщена поперек хвилеводу і

частково перекриває його. Товщина пластини в багато разів менша за довжину хвилі в хвилеводі. Залежно від характеру провідності розрізняють ємнісні та індуктивні діафрагми. На рис. 2.2, а, г, д показано індуктивні, а на рис. 2.2, б, в – ємнісні діафрагми та їх еквівалентні схеми. За розміщенням вікна діафрагми відносно середньої лінії поперечного перерізу хвилеводу розрізняють симетричні та несиметричні діафрагми.

У площині індуктивної діафрагми електричне поле має такий самий характер, як і в основному хвилеводі, а магнітні силові і лінії деформуються. Це пояснюється тим, що струми, які наводяться на діафрагмі, збуджують у хвилеводі хвилі Нmn вищих типів. Для коливань типу Hmn, що не поширюються, хвильовий опір хвилеводу реактивний і має індуктивний характер. У зв'язку з цим поблизу діафрагми переважає магнітна енергія, і, відповідно, еквівалентна схема такої діафрагми – це індуктивність, яка включається в лінію паралельно. Ємнісна діафрагма збуджує хвилі вищих типів Еmn і має відповідну еквівалентну схему.

Величина реактивної провідності діафрагми залежить від розміру d вікна. Чим менше розмір вікна, тим більші відбиття та реактивна провідність діафрагми. Якщо d = 0, то провідність діафрагми дорівнює нескінченності, що відповідає короткому замиканню хвилеводу (повне відбиття). Найчастіше застосовуються симетричні діафрагми. Величину зведеної провідності таких діафрагм визначають за такими співвідношеннями:

, (2.21)

, (2.22)

де а, в – розміри широкої та вузької стінок хвилеводу відповідно; t – товщина діафрагми;d – розмір вікна діафрагми.

Розмір діафрагми і місце її включення залежать від амплітуди і фази відбитої хвилі у хвилеводі. Розрахунок здійснюють у такій послідовності.

Визначають зведений опір навантаження:

На круговій діаграмі знаходять точку, яка відповідае цьому опорові. Припустимо, що зведений опір навантаження характеризується на діаграмі точкою 1 (рис. 2.3). Переходячи до діаграми провідностей, одержують точку 2.

Для визначення місця включення потрібно пересуватись від навантаження (точка 2) у бік генератора по лінії постійного КСХ на таку зведену відстань, щоб задовольнялась умова Y'= 1 + іВ'. На діаграмі ця умова виконується в точках 3 і 4, які відповідають перетину даного кола КСХ з колом зведеної активної провідності, що дорівнює одиниці. У перерізі хвилеводу, який відповідає точці 3, реактивна складова провідності має iндуктивний характер, і тому в цей переріз необхідно вмикати ємнісну діафрагму з реактивною провідністю В'с = –(– В'3) = В'3. Відстань від навантаження до місця включення діафрагми дорівнює ℓ1 = ℓ1λх. Якщо узгодження проводиться за допомогою індуктивної діафрагми, то її слід включати в переріз хвилеводу, де реактивна складова провідності має ємнісний характер (точка 4 на діаграмі). При цьому величина зведеної провідності діафрагми Bi = B'4, а відстань до місця включення ℓ2 = ℓ'2λх. Знаючи зведене значення провідності, за формулами для визначення В'с і B'L

можна розрахувати розмір вікна діафрагми.Аналогічний розрахунок проводять, якщо відомий розподіл амплітуд

поля вздовж хвилеводу. При цьому зведену відстань до місця включення (ℓ'3

або ℓ'4) визначають відносно мінімуму напруженості електричного поля (точка 5), найближчого до навантаження.

2. Реактивний штир можна розглядати як окремий випадок діафрагми (іноді використовується термін "штирьова діафрагма"). Штирі являють собою круглі металеві стержні, розміщені в поперечному перерізі хвилеводу перпендикулярно до його стінок. Штир, установлений паралельно вузьким стінкам (рис. 2.4, а, б, г, д), має індуктивну, а штир, розміщений паралельно широким стінкам (рис. 2.4, в), – ємнісну провідності. Величина провідності штирів залежить від діаметра індуктивного штиря і, крім того, від його місця в поперечному перерізі, оскільки інтенсивність електромагнітного поля вздовж широкої стінки не постійна. Розглянуті штирі та діафрагми мають загальний недолік – їх не можна перестроювати в процесі налагодження або експлуатації тракту. Як реактивні елементи, що можна перестроювати, у хвилеводах використовують штирі зі змінюваною глибиною занурення. Такі штирі найчастіше встановлюють у центрі широкої стінки хвилеводу. Величина і характер реактивності такого штиря залежить не лише від діаметра, але й від глибини занурення. При глибині занурення ℓ < λх/4 – опір ємнісний, а при ℓ > λХ/4 – індуктивний. Якщо довжина штиря ℓ = λХ/4, то реактивний опір дорівнює нулю, тобто штир виявляється еквівалентним послідовному коливальному контуру, настроєному в резонанс. Для ефективного узгодження в діапазоні частот встановлюють декілька (до 3-5)

Рис.2.2. Ємнісні та індуктивні діафрагми

Рис. 2.3. Використання кругової діаграми для визначення місця включения узгоджувального трансформатора

штирів, рознесених на відстані λХ/4 один від одного. Недолік таких штирів полягає у тому, що вони знижують електричну міцність хвилеводу. Змінюваний реактивний опір можна створити на основі хвилеводних шлейфів, які являють собою короткозамккутий відрізок хвилеводу змінної довжини, ввімкнений в широку або вузьку стінку основного хвилеводу (рис.2.5, 2.6).

Шлейф, подібно до діафрагми, є вузькосмуговим і для узгодження в смузі частот потрібно підбирати не лише довжину, але й місце його включення. Пересування шлейфа в процесі роботи практично неможливе, тому для узгодження в смузі частот використовують два або три шлейфи. У першому випадку відстань між шлейфами береться такою, що дорівнює непарному

числу λХ/8, якщо застосовуються три шлейфи, то λХ/4. Такі узгоджуючі пристрої називають хвилеводними шлейфовими трансформаторами.

3. Поширеними пристроями узгодження є трансформатори з діелектричними пластинами. Як приклад розглянемо коаксіальний трансформатор з двома діелектричними пластинами (шайбами), схематично зображений на рис. 2.7. Кожна з цих шайб має довжину λ/( ), де ε – відносна діелектрична проникність матеріалу шайби, λ – робоча довжина хвилі у вільному просторі. Шайби можуть пересуватись як одна відносно іншої (зміна L), так і спільно при незмінній відстані між ними. Якщо шайби зсунуті разом, то ділянка лінії, заповнена діелектриком, складає половину довжини, і тому трансформація опору відсутня. При відстані L між шайбами, яка дорівнює чверті довжини хвилі, трансформація опору виявляється найбільшою. Можна показати, що максимальна величина КСХ, при якій можливе узгодження за допомогою такого трансформатора, дорівнює квадрату відносної діелектричної проникності речовини, з якої виготовлено пластини.

Для виготовлення таких трансформаторів використовують діелектрики з порівняно високою діелектричною сталою і малими високочастотними втратами, наприклад топлений кварц.

При виконанні подібних трансформаторів на хвилеводах необхідно враховувати довжину хвилі λx, яка визначається за співвідношенням:

, (2.24)

де λ – довжина хвилі у вільному просторі.

Конструкції пластинчастого та інших типів трансформаторів повних опорів показано на рис. 2.7, 2.8.

2.8. Опис вимірювальної установки

Функціональна схема вимірювальної установки складається а генератора НВЧ коливань, підключеного через зовнішній атенюатор і перехід до вимірювальної лінії, на виході детекторної секції якої ввімкнено широкосмужний вимірювальний підсилювач. На виході НВЧ тракту вимірювальної лінії підключаються досліджувані неоднорідності та компенсуючі елементи (рис. 2.9).

Рис. 2.4. Реактивні індуктивні та ємнісні штирі в прямокутному хвилеводі

Рис. 2.5. Одношлейфові Ε- ІН-трансформатори

Рис. 2.6. Двошлейфовий трансформатор

Рис. 2.7. Узгоджуючий трансформатор з діелектричними пластинами

1

Рис. 2.8. Конструкції різноманітних трансформаторів повних опорів

2.9. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

1. Розрахуйте зведену провідность ємнісної та iндуктивної симетричних діафрагм залежно від розміру вікна d та її товщини t у 10 – 15 точках. Розмір хвилеводу 23·10 (товщину діафрагми змінювати в межах t = 0,2...5 мм).

Розрахунок виконується під час домашньої підготовки до лабораторної роботи. У звіті необхідно подати розрахунки та рисунки таких залежностей: В'L = f(d); В'L = f(t)'; B'с = f(d); B'c = f(t).

2. Виміряйте фазовий кут і КСХ комбінованого навантаження, яке складається з послідовно ввімкнених реактивного штиря та узгодженого навантаження. Вимірювання проводяться в 10 — 12 точках діапазону зміни довжини штиря.

3. Виконайте такі самі вимірювання для комбінованого навантаження з Індуктивною діафрагмою.

4. На основі одержаних результатів п.2 і 3 та за допомогою кругової діаграми визначте зведені значення активної та реактивної складових навантаження, а також розрахуйте його повний опір і коефіцієнт відбиття.

5. Для фіксованого положення штиря (ємнісний характер опору) та індуктивної діафрагми встановіть величину компенсуючої реактивності та місце її ввімкнення в лінію, використовуючи кругову діаграму і результати п.2 – 4.

6. Виконайте операції узгодження генератора з навантаженням і визначте КСХ до і після узгодження.

2.10. Порядок виконання роботи

1. Підготувати до роботи вимірювальну апаратуру.2. До виходу вимірювальної лінії приєднати металеву пластину

(лінія закорочена на кінці) і, користуючись методом "вилки", визначити умовний кінець лінії.

3. Приєднати до виходу вимірювальної лінії комбіноване навантаження, яке складається з реактивного штиря змінюваної довжини та узгодженого навантаження. Провести вимірювання КСХ і фазового кута в 10 – 12 точках, змінюючи глибину занурення штиря.

4. Виконати такі ж самі вимірювання для комбінованого навантаження з індуктивною діафрагмою.

5. Визначити активну та реактивну складові повного опору досліджуваних навантажень (в нормованих величинах і в омах).

6. Для трьох фіксованих положень штиря та Індуктивної діафрагми встановити величину компенсуючої реактивності на місце її ввімкнення в лінію, використовуючи кругову діаграму та результати п. 2 – 5 (див. підрозд. 2.12).

7. Виконати узгодження лінії з навантаженням, змінюючи положення регулюючих елементів за допомогою двох-трьох узгоджуючих трансформаторів різної конструкції, які є на робочому місці. Провести вимірювання КСХ до 1 після узгодження на частоті 10 ГГц.

Як навантаження використовуються поглинаюче навантаження, ємнісний штир (глибина занурення 2 мм) та індуктивна діафрагма, ввімкнені послідовно з поглинаючим кінцевим навантаженням.

2.11. Контрольні запитання

1. Як змінюється потужність, що надходить у навантаження при зміні узгодження?

2. Від чого залежить електрична міцність лінії при неузгодженні?3. Як визначаються втрати в лінії з неузгодженим навантаженням?4. Як впливає неузгоджене навантаження на роботу електронних

приладів?5. В чому полягає метод узгодження, який базується на поглинанні

відбитої хвилі?6. В чому полягає метод узгодження, який базується на створенні

додаткових відбиттів?7. Які узгоджуючі елементи та пристрої Ви знаєте?8. Яка будова і принцип дії узгоджуючого трансформатора

діелектричними пластинами?9. Як визначається місце вмикання узгоджуючих елементів?

2.12. Розв'язання практичних задач

По визначенню величини і місця ввімкнення узгоджуючих елементівПеревірка одержаних результатівЗадача № 1. Задано опір навантаження Ζн і Ζх. Необхідно знайти величину

і місце паралельного вмикання в лінію індук тивного опору узгодження лінії та навантаження.

Розв'язання.A. Визначаємо на діаграмі точку, яка відповідає опорові навантаження

Б. Знаходимо значення провідності Υ'Η = gн + ibн, повертаючи покажчик на 180° відносно початкового положення.

B. Визначаємо кут, на який необхідно повернути покажчик, щоб потрапити в точку перетику кола КСХ, де знаходяться точки Ζ'Η і Y'1, з правою половиною кола R = 1 (g = 1).

Г. Знайдена точка визначає провідність лінії в місці вмикання реактивного опору (у = 1 + іb).

Д. Провідність елемента настроювання:

Ε. Відстань, яка відповідає куту, що визначається в п. В. дорівнює відстані і від точки, в якій був вузол при короткому замиканні, до точки, в якій потрібно паралельно підключити індуктивний опір для настроювання лінії на біжучу хвилю. При цьому, якщо при визначенні відстані в п. В покажчик діаграми обертався за годинниковою стрілкою (в бік генератора), то шукана точка знаходиться на відстані ℓ від вузла при короткому замиканні в бік генератора (або на відстані (λχ/2 – ℓ) в бік навантаження). Якщо покажчик обертався проти годинникової стрілки (в бік навантаження), то шукана точка знаходиться на відстані ℓ від вузла при короткому замиканні в бік навантаження ( або на відстані (λχ/2 – ℓ) в бік генератора).

Πρиκлад.Дано ΖΗ = (90 – і80) Ом; Ζx = 50 Ом. Знайти величину і місце вмикання

індуктивного опору для настроювання лінії на біжучу хвилю.Ρозв'язання.Визначаємо Ζ'Η = 1,8 – і1,6. Відповідна точка на круговій діаграмі

лежить на колі КСХ = 3,33. Повертаючи покажчик на 180°, знаходимо Υ'Η = = 0,311 + і0,28. При цьому стрілка покажчика проходить через відмітку 0,046 на зовнішньому колі діаграми. Визначаємо перетин кола КСХ = 3,33 а правою половиною кола R = G = 1 і цим самим – нормовану провідність лінії в шуканій точці Υ = Ι + і1,3. Стрілка покажчика, яка проходить через цю точку, перетинає зовнішнє коло діаграми в точці з відміткою 0,17. Отже, для настроювання лінії на біжучу хвилю можна ввімкнути паралельно індуктивний опір:

Ом

на відстані

у бік генератора від точки, яка відповідає вузлу при короткому замиканні.Задача № 2. Дано опір навантаження ΖΗ і хвильовий опір лінії Zx.

Потрібно знайти величину і місце паралельного вмикання ємнісного опору для одержання в лінії біжучої хвилі.

Ρозв'язання: Задача розв'язується так само, як і попередня. Відмінність полягає в тому, що в даному випадку шукають перетин відповідного кола КСХ = const з лівою половиною кола R = 1.

Пρиκлад. Дано ZН = (45 + і150) Ом. Знайти величину і місце вмикання елемента настроювання (X < 0).

Ρозв'язання. Ζ'н = 0,3 + і1,0; КСХ = 6,66; Y'н = 0,25 – і0,92; Υ' = 1,0 – – jі2,19; Y'настр = і2,19; Z'настр = 150/2,19 = і69 Ом.

У бік навантаження ℓ = 0,074 λχ (або ℓ = 0,426 λχ – У бік генератора).Таким чином, реактивний опір Ζ настр = – і69 Ом, ввімкнений паралельно

на відстані ℓ = 0,074λχ у бік навантаження від точки, в якій при короткому замиканні є вузол напруги, забезпечує настроювання лінії на біжучу хвилю.

Задачі для самоперевірки

Задача № 3. Встановлено, що при вмиканні навантаження вузел напруги зсунувся відносно вузла напруги при короткому замиканні на величину ℓ = = 0,15λх у бік генератора, а коефіціент стоячої хвилі в лінії КСХ = 5,0.

Визначити величину і місце вмикання ємнісного опору, який забезпечить настроювання лінії на біжучу хвилю, при Zx = 80.

Відповідь: ℓ = 0,215λχ у бік генератора, Zнacтp = – і43,2 Oм.Задача №4. Те ж саме для випадку індуктивного опору. Відповідь: ℓ =

= 0,084 λχ у бік генератора, Ζнacтp = і43,2 Oм.Задача № 5. Розв'язати задачу № 3 за умови, що зсув вузла напруги

відбувся у бік навантаження.Відповідь: ℓ = 0,084 λx у бік навантаження, Ζнастр = – і43,2 Ом.

2.13. Список використаної та рекомендованої літератури

Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика.Μ., 1971.Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1972. Т. Конструкция

СВЧ устройств и экранов / Под ред. А.М. Чернушенко. Μ., 1990.

Лабораторна робота № ЗДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ГЕНЕРАТОРА НВЧ

НА ОСНОВІ ДІОДА ГАННА

Мета роботи – вивчення принципу дії та конструкції напівпровідникового генератора сантиметрового діапазону хвиль на діоді Ганна, а також експериментальні дослідження його основних характеристик.

3.1. Загальні відомості

Одна з найактуальніших задач техніки НВЧ – створення надійної та економічної малогабаритної апаратури – вирішується мініатюризацією активних приладів i коливальних систем, застосуванням напівпровідників i створенням iнтегральних схем. Напівпровідникові генераторні діоди, які з’явились в кінці 60-х років, склали серйозну конкуренцію транзисторам завдяки успіхам в галузі технології. Зараз існує окремий клас електронних приладів – генераторні напівпровідникові діоди НВЧ, які мають серйозні переваги стосовно верхньої межі частоти генерації, вихідної потужності на частотах вище 5 ГГц, технологічності та масогабаритних показників.

До напівпровідникових генераторних діодів НВЧ, або діодів з негативним опором, належать лавинно-пролітні діоди (ЛПД), діоди Ганна або діоди з міждолинним переносом електронів (МПД) та інжекційно-пролітні(ІПД).

Діоди з негативним опором працюють у діапазоні частот 0,1...340 ГГц, забезпечуючи потужність від 6...8 Вт в сантиметровому діапазоні при безперервному режимі до кількох кіловат у дециметровому діапазоні при імпульсному режимі.

На цей час накопичено досвід застосування діодних генераторів(ДГ) у приймально-передавальних модулях, активних фазових антенних гратках (АФАГ), радіомаяках, генераторах накачки параметричних підсилювачів, зв'язкових і телеметричних передавачах, когерентних РЛС малої потужності, вимірювальній техніці.

Діод Ганна – кристал однорідного напівпровідника, найчастіше – арсенід галія (Ga As) n-типу, розташований між двома омічними контактами. Часто діоди Ганна називають напівпрйвідниковими приладами з об'ємною нестійкістю або з міждолинним переносом.

Зупинимось на властивостях напівпровідників, які застосовуються на НВЧ, конкретно на арсеніді галію, для якого вперше була обгрунтована можливість одержання негативної диференціальної рухомості.

У техніці НВЧ найпоширенішими є такі напівпровідники, як кремній, германій, арсенід галію та антимонід індію. Ці сполуки мають структуру алмазу і кубічну симетрію.

Відомо, що в напіпровідниках і твердих кристалічних тілах електрони в атомах займають дискретні енергетичні рівні. У результаті взаємодії атомів рівні формуються в зони, які складаються з дуже близько розміщених атомів. Електрофізичні властивості напівпровідника суттєво залежать від ширини зони та її заповнення. Зона провідності відділена від верхньої заповненої зони енергетичною щілиною Еg, яка називається забороненою зоною. У широкозонних напівпровідниках – германій, кремній та арсенід галію – ці зони відповідно дорівнюють 0,66; 1,12; 1,42 еВ.

Антимонід індію належить до вузькозонних напівпровідників (ширина забороненої зони 0,23 еВ).

У зоні провідності електрони дещо рухоміші, ніж дірки у валентній зоні. Їх взаємодія з ґратками кристалу приводить до того, що вони досить швидко віддають свою надлишкову кінетичну енергію, опускаючись на дно зони провідності.

У будь-якій точці зони провідності швидкість електрона і (або дірки у валентній зоні) визначається, виходячи із кванта механічних положень атомної фізики. Зміст ефективної маси елі трона (дірки) має величина:

,

де h – стала Планка (h = 1,054·10 -34 Дж·с);ε – енергія;k – 2п/λ;λ – дебройлївська довжина хвилі, яка залежить від маси та швидкості

частинки, λ = h/mV.

У кристалах напівпровідників можуть існувати електрони і хвильовою функцією (Ψ ~ eі( )) тільки певних частот. Це визначається періодичністю електричного потенціалу граток, атоми яких розміщені на відстані й у паралельних площинах. Сталі ґраток ( ) германію, кремнію та арсеніду галію дорівнюють відповідно 5,657 А; 5,430 А; 5,653 А. Якщо відстань а дорівнює половині довжини хвилі, електронна хвиля, що описує ся хвильовою функцією Ψ, відбивається від указаних площин, складається синфазно і поширюватись не може. Тому при довжині хвилі Am = 2a, що задовольняє співвідношення:

електронна хвиля переносити енергію не може.Смуги частот, на яких можливе поширення електронної хвилі,

називаються зонами. Зона хвильових векторів , яка обмежує простір частот, що поширюються, називається першою зоною Бриллюена. Для цієї зони дисперсійна залежність W( ) є періодичною функцією з періодом 21T/km.

Рис. 3.1 Структура енергетичних зон арсеніду галію

Тривимірний простір, в якому будуються енергетичні поверхні hw(k), називається k-простором. Мінімуми в k-просторі називаються долинами.

Перехід електронів з основного мінімуму зони провідності з відносно великого рухомістю в побічні високі енергетичні мінімуми з меншими рухомостями називається ефектом міждолинного переходу електронів. Для того, щоб зрозуміти, як цей ефект приводить до появи негативного диференціального питомого опору, розглянемо залежності енергії від хвильового вектора k (рис. 3.1). З рисунка видно, що зона провідності складається з кількох підзон. Дно зони провідності відповідає точці k = 0, Перша, більш високоенергетична підзона, розміщена в напрямку /IІI/(L), а наступна – вздовж ocі /І00/(X). Величина енергетичного зазору між

мінімумами зони провідності арсеніду галію ΔΕ = 0,31 еВ. Послідовність підзон в арсеніді галію – Γ – L – X.

Наближене співвідношення між дрейфовою швидкістю і напруженістю електричного поля одержимо, спираючись на припущення про рівність електронних температур Те у нижній та верхній долинах. Введемо такі позначення: m1* i m2* – ефективні маси, μ1 і μ2 – рухомості, n1 i n2 – концентрація електронів у нижній та верхній долинах відповідно. Повна концентрація носіїв заряду – n = n1 + n2.

Відношення заселеності верхньої та нижньої долин, розділених енергетичним зазором ΔΕ, таке:

,

де k1 – стала Больцмана;k1*Tе – л теплова енергія;R – відно-швння щільності станів.

Величина R визначається за формулою:

,

де М1 і М2 – число верхніх і нижніх долин відповідно. Використовуючи значення ефективних мас електронів у арсеніді галію m1* = 0,067 Μе і m2* = = 0,55 Me, одержимо R = 94.

Оскільки електричне поле прискорює електрони і збільшує їхню кінетичну енергію, електронна температура Те перевищує температуру граток Τ. У цьому випадку електрони назяваються гарячими.

Використовуючи наведений нижче вираз, можна розрахувати залежиість Те від напруженості електричного поля при заданій ве-личині Τ :

, (3.1)

де q – заряд електрона;То – час релаксації енергії (припускається таким, що дорівнює 10-12с);Ε – напруженість електричного поля.

Співвідношення між дрейфовою швидкістю і полем має вигляд:

. (3.2)

Типові залежності V від Ε, розраховані за допомогою виразів (3.1) і (3.2) при трьох температурах граток наведено на рис. 3.2 (суцільні лінії). Заселеність верхньої долини як функція напруженості електричного поля показано штриховою кривою.

Рис. 3.2. Залежності дрейфової швидкості від напруженості електричного поля в Gа As при трьох температурах ґраток

З рис. 3.1 і 3.2, а також з наведених вище рівнянь видно, що в слабких електричних полях електрони перебувають у рівновазі (див. рис. 3.1) і знаходяться в нижній долині. Із збільшенням напруженості поля дрейфова швидкість швидко зростає і визначається звичайною рухомістю (μ = μ1; m = = m1* ). Коли енергія електронів досягає певної величини, при деякому полі Εn*, яке називається пороговим, відбувається їх iнтенсивний перехід у верхню долину, в якій ефективна маса більша за (m*2 > m*1). Порогова величина напруженості електричного поля Εn, що визначає початок ділянки негативного диференціального опору, дорівнює ~3,2 кВ/см для Ga As і 10,5 кВ/см – для ІnР. Максимальна величина дрейфової швидкості 2,2·107 см/с – для надчистих кристалів арсеніду галію і 2,5·107 см/с – для фосфіду індію, а час міждолинного переходу τ = 2·10-12. Більшій ефективний масі відповідає більша щільність станів. Тому при Е > Еп значна кількість електронів виявляється у верхній долині, а швидкість їх спадає. Для простоти вважатимемо, що при Ε > Εn електрони виявляються у верхній долині. Згідно

з цими міркуваннями залежність швидкості від поля (рис. 3.3) при слабких електричних полях Е < Еn буде подано ділянкою кривої, що збігається із штриховою лінією 1, а при великих напруженостях Ε > Еn – із штриховою лінією 2. Поблизу порогового поля Е = Еn залежно від напруженості поля повинен відбуватися перехід від прямої 1, що відповідає рухомості μ1, до прямої 2, що відповідає рухомості μ2. Цей перехід залежно від V(E) має від'ємну похідну. Ocкільки струм пропорційний швидкості частинок, а напруга U і прикладена до зразка, – електричному полю Ε, то такий самий N – подібний вигляд матиме і статистична вольт-амперна характеристика, на якій спостерігається ділянка з негативною диференціальною провідністю (опором).

Рис. 3.3. Зміна густини струму

Подібні вольт-амперні характеристики є і в інших напівпровідниках (фосфіді індію, телуриді, кадмії і т.д.). Найперспективніший з цих матеріалів – фосфід індію. Особливості побудови зони провідності цього матеріалу дозволяють сподіватись на одержання більш високих значень вихідної потужності внаслідок більш високих значень порогових полів міждолинного переходу Еn = 10,5 кВ/см. Енергетична щілина у фосфіді індію Δ = 0,53 еВ (розміщена, як і в арсеніді галію), рухомість в долинах – такого ж порядку, як і в арсеніді галію.

Наявність падаючої ділянки на вольт-амперній характеристиці зразка напівпровідника є необхідною, але недостатньою умовою для виникнення в ньому коливань НВЧ. Поява таких коливань означае, що в зразку з'являеться нестійкість хвильових збуджень. Але умови для такої нестійкості залежать також від параметрів напівпровідникового зразка: концентрації носіїв, швидкості їх дрейфу, довжини зразка та ін.

Процес виникнення коливань НВЧ у діоді Ганна полягає в такому. Нехай до діода прикладено таку напругу, що напруженість поля в ньому близька до критичної, але не досягає її. Через неоднорідність матеріалу в діоді завжди є області, які мають підвищений опір. Падіння напруги в цій області буде більшим, ніж на інших ділянках, внаслідок чого напруженість поля в ній може перевищити критичне значення. Ефективна маса електронів у цій області зростає, а їх рухомість μ2 і швидкість V знижуються, через що виникає домен – тонкий шар негативного об'ємного заряду, який рухається від катода до анода і має більший електричний опір порівняно з іншою частиною діода. Тому напруженість поля в іншій частині діода зменшується, що, в свою чергу, перешкоджус створенню в ній нових доменів. Електрони, що знаходяться поза доменом, мають більшу швидкість і тому більш близькі до анода,віддаляються від домена, а ті, що знаходяться між катодом і доменом, – наздоганяють їх, збільшуючи концентрацію заряду в ньому. Досягнувши анода, домен зникає, і в діоді створюються умови, необхідні для утворення нового домена. Необхідністю, при якій формуються домени, звичайно служить катод-контакт Ga As з металевим виводом, до якого підключений мінус джерела живлення. Домен, який утворюється поблизу домена, зразу ж зникає.

Рух домена в діоді викликає появу імпульсу наведеного струму в зовнішньому колі. Пролітна частота появи доменів, які віддають енергію в гальмівні півперіоди змінного поля при підключенні діода Ганна до коливальної системи, визначатиме частоту генерованих коливань. Цю частоту можна наближено визначити за формулою:

де L – довжина пролітної зони, мкм; f – частота, що генерується, ГГц.

Процеси виникнення домена та його пересування під дією змінного та постійного полів проходять по-різному, залежно від амплітуди поля і співвідношення періоду НВЧ коливань, часу прольоту носіїв через активну область кристалу та часу формування і домена. У зв'язку з цим розрізняють декілька режимів роботи генераторів на діодах Ганна.

Пролітний режим характеризується рівністю періоду генерованих коливань Τ, часу прольоту доменів τ і реалізується при розміщенні діода в низькодобротний резонатор. У цьому випадку амплітуда НВЧ поля, значно менша, ніж напруга живлення, не впливав на утворення та дрейф домена. Частота генерованих коливань визначається лише довжиною діода та напругою живлення. У цьому режимі ККД генератора малий.

Режими з придушенням або затримкою доменів реалізуються при поміщенні діода у високодобротний резонатор, коли амплітуда НВЧ

коливань сумірна з напругою живлення. Тому протягом частини періоду напруга на діоді стає меншою, ніж критична. Якщо період коливань менший за час прольоту домена через діод (Τ < τ), то при негативній півхвилі поля НВЧ зниження напруги домен досягає анода. Домен при цьому придушується, віддає енергію, а наступний виникає, коли напруга позитивної півхвилі перевищить критичне значення. У режимі із затримкою домена (Τ > > τ) протягом позитивного півперіоду домен встигає пройти весь діод, віддаючи енергію полю НВЧ. Однак зародження нового домена затримуватиметься доти, доки повна напруга на діоді залишатиметься нижчою за критичну. Використання високодобротного резонатора дозволяє підвищити стабільність частоти коливань і частоти спектру при цих режимах.

У режимі обмеженого накопичення об’емного заряду (OHOЗ) передбачено роботу діода Ганна за умови, що домен не встигає сформуватися. Для одержання цього режиму до діода, що розташований у високодобротному резонаторі, підводиться постійна напруга, більша за критичну, І коливальна система настроюється на частоту, в багато разів більшу за пролітну. У встановленому режимі амплітуда НВЧ коливань така, що протягом деякої частини негативного півперіоду τ, напруга на діоді стає меншою за критичну. В останню частину періоду Τ – τ1 домен не встигає повністю сформуватися, хоча напруга i перевищує критичне значення. У результаті цього вздовж кристалу одночасно дрейфують десятки слабких доменів, частота слідування яких визначається настройкою резонатора. Довжина кристалу для роботи в режимі OHOЗ може бути в десятки-сотні разів більшою, ніж у випадку пролітного режиму. У зв'язку з цим напруга живлення, опір діода та ККД збільішуються. Максимально можлива частота коливань у режимі OHOЗ обмежується часом міждолинного переходу. У цьому режимі пристрої з діодами Ганна можуть працювати на частотах до кількох сотен гігагерц і перестроюватись у широкій смузі частот. Потужність генераторів у режимі OHOЗ складає одиниці ват у безперервному режимі при ККД 15...20% і одиниці кіловат – в імпульсному режимі.

Діоди Ганна можуть працювати також і в гібридних режимах, які займають проміжне положення між режимом OHOЗ і доменними режимами. Вони не такі чутливі до змін навантаження і параметрів схеми, як режим OHOЗ, і тому знаходять широке застосування на практиці.

Основні вимоги до електромагнітних кіл генератора на діоді Ганна (ГДГ) зводяться до забезпечення заданих робочої частоти і режиму роботи, стійкості та максимального контурного ККД. Часто і задаються додаткові вимоги щодо радіаційної стійкості, рівня шумів, екранування, відводу тепла тощо.

Задана робоча частота і режим роботи забезпечуються певним і вхідним опором зовнішнього кола, активна і реактивна складові якого повинні задовольняти співвідношення:

де Zк – повний опір зовнішнього кола;Zv – повний опір діода на першій гармоніці.

З цього рівняння випливають рівняння балансу амплітуд і балансу фаз вільного автогенератора:

,

Реалізація зазначених співвідношень потребує підключення таких необхідних елементів конструкції, як резонатор, зв'язаний з діодом і навантаженням, пристрій зв'язку діода з резонатором, НВЧ трансформатора опорів, коло живлення діода з фільтром иижніх частот.

Рис. 3.4. Еквівалентна схема діода Ганна

При інженерному проектуванні в межах одного режиму звичайно використовують спрощену модель діода у вигляді еквівалентної схем зображеної на рис. 3.4, де діодний проміжок подано паралельним з'єднанням нелінійної ємності С(U), яка відображає процес накопичення заряду і нелінійною негативною провідністю q(U), для яких вольт-амперна і вольт-фарадна характеристики визначені усередненням результат розрахунку на ЕОМ і апроксимацією цих характеристик. Повна еквівалентна схема діода Ганна враховує і параметри патрона LпT, CпT. Задана робоча частота і режим роботи генератора забезпечуються певним повним вхідним опором зовнішнього кола, який задовольняє умови балансу амплітуд і фаз. Для цього використовують резонатор, утворений відрізком лінії передачі певної

довжини, зв'язаної з діодом і навантаженням. Узагальнену структурну схему діодного генератора показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Узагальнена структурна схема електромагнiтного кола дiодного генератора

Конструктивне виконання генераторів визначається вибраним типом лінії передачі. Коливальні системи діодних генераторів можуть бути виготовлені на прямокутних хвилеводах, коаксіальних і смужкових лініях передачі. Існують також комбіновані хвилеводно-коаксіальні конструкції.

Хвилеводна конструкція (рис. 3.6) характеризується малими втратами, зручна при використанні в багатодіодних генераторах, порівняно проста у виготовленні. Діод і встановлюється в середині широкої стінки прямокутного хвилеводу 2 за допомогою циліндричного штиря-тримача 3, який одночасно проводить струм і забезпечує відведення тепла, Зв'язок з навантаженням здійснюється через ідуктивну або ємнісну діафрагму 4, розміщену на відстані ℓн від діода. Настроювання по частоті здійснюється за допомогою діелектричного штиря 5, який вводиться в порожнину короткозамкнутого хвилеводу довжиною ℓp. Напруга живлення підводиться через штир-тримач, ізольований від корпуса блокуючою ємністю 6.

Рис. 3.6. Хвилеводна конструкція генератора на діоді Ганна

3.2. Опис вимірювальної установки

Функціональну схему вимірювальної установки зображено на рис. 3.7.Генератор Ганна, який являє собою відрізок прямокутного хвилеводу з

розміщеними у ньому діодом і елементом настроювання, з'єднаним через узгоджувальну трьохелементну секцію і плавний хвилеводний перехід із затягуючим об’емиим резонатором. Режим живлення по постійному струму контролюється міліамперметром:і цифровим вольтметром. Секція "генератор – узгоджувальний пристрій – резонатор" з'єднана через вентиль, Е-трійник, атенюатор і вимірювальну лінію з навантаженням, яке являє собою тем місторний перетворювач ватметра потужності, що поглинається. Як індикатор використовується термісторний міст типу П2М-64. плеча Е-трійника через атенюатор і хвилеводно-коаксіальний перехід підключено електронно-лічильний частотомір.

3.3. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

1. Зніміть вольт-амперну характеристику діода Ганна.2. Одержіть експериментальну залежність вихідної потужності та

частоти генерації від напруги живлення діода.3. Розрахуйте потужність, що споживається, і коефіцієнт корисної дії у

діапазоні зміни напруги живлення (від 6,5 до 8,5 В).4. Зніміть характеристику затягування частоти генератора об'ємним

резонатором при зміні його настроювання.

5. Одержіть залежність рівня вихідної потужності генератора від частоти настроювання стабілізуючого резонатора, тобто від положення елемента настроювання резонатора, при його пересуванні в бік збільшення і зменшення резонансної частоти.

6. Визначіть КСХ у тракті при вихідній потужності від 7 до 1 мВт і настроюванні стабілізуючого резонатора на резонансну частоту.

3.4. Порядок виконання роботи

1. Підготувати вимірювальну апаратуру до роботи:- встановити ручки регулювання U та І блока живлення в крайнє ліве

положення, перемикач меж'вимірювання мосту вимірю вача потужності – в положення "Выкл.";

- атенюатор Д5-5 встановити в положення максимального загасання;- увімкнути вентилятор обдуву секції генератора.2. Увімкнути тумблер "Сеть" всіх вимірювальних приладів і прогріти їх

протягом 30 хв.3. Встановити перемикач меж вимірювань ватметра в положення, яке

відповідає верхній межі вимірювань. Користуючись ручками "Установка нуля", встановити нуль ватметра (при повні відсутності НВЧ сигналу на вході перетворювача).

При вимірюваннях на межах, менших від 5 мВт, необхідно попередньо встановити нуль на межі 5 мВт, після чого ввімкнути послідовно межі 1,5; 0,5; 0,15 мВт з добалансуванням мосту ручками "Установка нуля" і "Точно".

4. Для зняття вольт-амперної характеристики діода Ганна ручку і блока живлення повернути приблизно на 1/8 оберта вправо і ручкою U встановити робочу напругу 8,5 В i робочий струм 430 А. Переконавшись у наявності генерації по частотоміру і ватметру, зняти вольт-амперну характеристику в межах 2...8,5 В.

5. При зміні вихідної потужності слід пам'ятати, що термісторний перетворювач М5-42 мав максимальний рівень вимірювання потужності не більше 10 мВт. Тому введення необхідного загасання атенюатором Д5-5 ОБОВ'ЯЗКОВЕ. При використанні атенюатора потужність, що вимірюється, можна розрахувати за формулою:

де Pвідрах – потужність, яка визначається за шкалою мосту; ВΚеф – коефіцієнт ефективності перетворювача (для перетворювача

М5-42 Κеф= 1 ± 0,05);Pвим – послаблення атенюатора.

6. Виміряти частоту ЕЛЧ 43-38, для чого встановити:- перемикач "Род работы" – в положення "Блок";- перемикач "Аттенюатор" – в положення "Частота";- ручку "Уровень" – в середнє положення;- ручку настроювання перетворювача "ГГц" – в положення 8,5 ГГц.Плавно обертаючи ручку настроювання перетворювача "ГΓц" (за

годинниковою стрілкою), добитись максимального відхилення стрілки стрілочного індикатора настроювання, яке має бути не менше 20 мкА. За допомогою лімба приладу і цифрового табло частотоміра розрахувати частоту:

де f χ – частота, що вимірюється; f пер – покази на лімбі блоку перетворювача; fчacrn – різницева частота, виміряна частотоміром.

3.5. Контрольні запитання

1. Які властивості напівпровідників, що використовуються для діодів Ганна?

2. Пояснити причини виникнення падаючої ділянки на вольт-амперній характеристиці діода Ганна.

3. Який принцип виникнення коливань НВЧ у діоді Ганна?4. Які режими роботи генераторів на діодах Ганна Ви знаєте?5. Режим OHOЗ, переваги 1 недоліки.6. Які основні вимоги до електромагнітних кіл діодного генератора?7. Описати конструкції діодних генераторів на різних лініях передачі.

3.6, Список використаної та рекомендованої літератури

Давидова Н.С., Данюшевский Ю.3. Диодные генераторы и усилители СВЧ. Μ., 1986.

Царапкин Д.П. Генератори СВЧ на диодах Ганна. Μ., 1962. Левитский С.М., Кошевская С.В. Вакуумная и твердотельная электроника СВЧ. Киев, 1986.

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А.

Твердотельнне устройства СВЧ в технике сзязи. Μ., 1988.

Лабораторна робота № 4ДОСЛІДЖЕННЯ МОСТОВИХ СХЕМ НВЧ

Мета роботи – ознайомлення з принципом дії основних мостових cxeм, що використовуються в діапазоні НВЧ, дослідження основннх характеристик щілинного моста і подвійного хвилеводного трійника.

4.1. Загальні відомості

Мостом у техніці НВЧ називається чотириплечовий пристрій (восьмиполюсник), в якому енергія, підведена до будь-якого плеча, ділиться порівну між двома іншими, не надходячи в четверте. Таке плече розв'язане відносно того, яке живиться.

На рис. 4.1 зображені схема моста і розподіл потужності, де І – плече, що живиться; ІІ – розв'язане плече; III і IV – вихідні плечі.

Рис. 4.1. Розподіл потужності в мостовому пристрої

Мостові схеми широко застосовуються в техніці НВЧ як елементи фільтрів, балансних детекторів, модуляторів, антенних перемикачів, як подільники або пристрої складання потужності від декількох генераторів.

У загальному випадку в кожній підвідній лінії моста, розрахованій на поширення хвилі єдиного типу, існують хвилі як біжучі (падаючі) до багатополюсника, так і відбиті, які поширюються в протилежному напрямку Тому кожне плече багатополюсника може бути охарактеризовано відношенням комплексних амплітуд відбитої та падаючої хвиль, тобто коефіцієнтом відбиття.

Іншою важливою характеристикою багатополюсника є рівень зв’язку між окремими його плечима, який визначається відношенням комплексних амплітуд хвиль в плечах і називається коефіцієнтом передачі.

Аналіз багатополюсників НВЧ, який базується на методах теорії кіл і теорії електромагнітного поля, показує, що всі властивості багатополюсника можуть бути описані, якщо відомі падаючі та відбиті хвилі в усіх плечах, тобто всі коефіцієнти від биття та передачі.

Сукупність усіх коефіцієнтів відбиття та передачі, розміщених у вигляді прямокутної таблиці, називається матрицею розсіювання багатополюсника НВЧ.

Для восьмиполюсника матриця розсіювання має вигляд таблиці із шістнадцяти коефіцієнтів, яка складається із чотирьох рядків і чотирьох стовпців:

. (4.1)

Елемент Sрр матриці, що стоїть на перетині р-го стовпця і р-го рядка, є коефіцієнтом відбиття в р-му плечі, якщо інші плечі узгоджені.

Елемент Spq матриці, що стоїть на перетині р-го рядка q-го стовпця, є коефіцієнтом передачі по напрузі з q-гo леча в р-те плече за тих самих умов.

Отже,

, , (4.2)

де Uвідб, Uпад – комплексні амплітуди падаючої та відбитої хвиль.

Нижче наведено характеристики, які використовуються при дослідженні мостів НВЧ.

1. Перехідна характеристика – величина, що характеризується відношенням потужності, яка підводиться до моста, до потужності в одному із вхідних плечей при повністю узгоджених. Інших плечах моста (див. рис.4.1):

, (4.3)

де P1, P4 – потужності а плечах 1 і 4;S41 – коефіцієнт передачі з плеча 1 в плече 4.

В ідеально узгодженому мості Р4 = 0,5 Р1; С41 = 3 dB.Якщо С41 = 3 dB, то потужність, що надходить на вхід моста, не ділиться

порівну між вихідними плечима. За величиною відхилення перехідної характеристики від 3 dB можна визначити ступінь ідеальності моста.

2. У літературі мости іноді характеризуються коефіцієнтом поділу:

. (4.4)

Коефіцієнт поділу може бути виражений в децибелах:

У ідеально узгодженого моста Δ = I, ΔдБ = 0.3. Загасання (розв'язка) характеризується відношенням пoтужностей в

плечах 1 і 2:

. (4.5)

У ідеально виконаного моста розв’язка повинна бути нескінченно великою. Величина С21 показує, яка доля потужності, що надходить в плече 1 моста, потрапляє в розв'язане плече.

4. Робоча смуга частот визначається залежністю перехідної характеристики від частоти. При цьому граничні частоти смуги f1 і f2

знаходять за заданим відхиленням перехідної характеристики від 3 dВ. Наприклад, якщо припустиме відхилення складає 0,5 dВ, то частоти F1 і F2

знаходять з умови:

. (4.6)

Звідси виходить, що ширину робочої смуги частот визначають частотного залежністю коефіцієнта S41 даного моста.

4.2. Щілинний хвилеводний міст

Конструктивно міст виконують з двох відрізків хвилеводу, розрахованих на поширення хвилі Н10 і з'єднаних по вузькій стінці, в якій прорізається щілина (рис. 4.2).

Нехай до плечей 2, 3, 4 підключено узгоджені навантаженняВважаємо, що в плечі 1 збуджена хвиля Н10 з амплітудою 2U, а в плече 2

енергія не надходить. Роботу моста можна про аналізувати, вважаючи, що в

Рис. 4.2. Конструкція щілинного моста

плечі 1 існують дві синфазні Е'1, Е"1, а в плечі 2 – дві протифазні E'і, Е"іі хвилі Н10 з амплітудою U (рис. 4.3).

Пара протифазних хвиль E"i, E"ii каналів 1 і 2 складає одну хвилю Н20, яка має вузол електричного поля на середній лінії щілини (х = а) і поширюється в широкому хвилеводі (0 < Z < ℓ).

Рис. 4.3. Розподіл хвиль у каналах щілинного моста

Синфазні хвилі E'1, Е'11 можуть збуджувати лише хвилі типу Н10, Н30, Н50

з пучністю електричного поля в площині X = а.Для нормальної роботи моста в хвилеводі подвоєної ширини 2а мусять

збуджуватись лише хвилі Н10 і Н20, а вищі типи хвиль, починаючи з Н30, не повинні в ньому поширюватись. І вимога задовольняються в діапазоні хвиль, визначеному з умови:

. (4.7)

При виконанні даної умови та узгодженні у вихідних плечах енергія синфазних хвиль E'1, Е"11 трансформується в енергію хвилі Н10, а енергія протифазних хвиль E'1, E'11 – в енергію хвилі Н20.

Поширюючись у широкому хвилеводі (0 ≤ Ζ ≤ ℓ), хвиля Н10 одержує фазовий набіг:

, (4.8)

а хвиля Н20 – набіг:

, (4.9)

де β1 , βг – коефіцієнти фази;λ, λz – довжини хвиль Н10 і Н20 в хвилеводі з широкою стінкою, що

дорівнює 2a, знаходяться за такими виразами:

, (4.10)

Хвиля Н10 збуджує в плечах 3 і 4 сикфазні поля Е'ш і Е'IV, які мають фазу φ1, а хвиля Н20 – протифазні поля E"III E"IV з фазою φ2.

Визначають сумарні поля ЕIII і ЕIV у перерізі z = l у каналах 3 і 4, враховуючи фазування збуджених хвиль, показане на векторній діаграмі (рис. 4.4):

Рис. 4.4. Векторна діаграма щілинного моста

Після додавання одержимо:

, (4.11)

, (4.12)

де

Отже, у вихідних плечах моста збуджуються хвилі, зсунуті за фазою на 90°, причому хвиля в каналі 4 має відстаючу фазу.

Коефіцієнт поділу щілинного моста знаходять, враховуючи рівняння (4.4) і (4.11):

. (4.13)

Для того щобпотужність поділялася між каналами 3 і 4 порівну, необхідно, щоб кут Q = π/2. Звідси визначають довжину щілини:

, (4.14, а)

та коефіцієнт передачі з плеча 1 в плече 4:

. (4.14, б)

Тому перехідна характеристика моста, визначена за формулою (4.3), має вигляд:

. (4.15)

Оскільки фазові швидкості хвилі Н10 в області щілини 1 плечей моста різні, то в місцях переходу від вузького хвилеводу до широкого і навпаки виникають відбиті хвилі. Для їх усунення в області щілини розміщують узгоджувальні елементи.

Щілинний хвилеводний міст має просту конструкцію і добрі електричні параметри в широкому діапазоні частот.

4.3. Подвійний хвилеводний трійник

У техніці НВЧ широко застосовується подвійний хвилевода трійник, або Т-міст (рис. 4.5). Міст утворюється суміщення в єдиний симетричний простір Η- і Ε-трійників. У Т-мості Е-трійник утворений плечима IІ, ІІІ, IV а Н-трійник – плечима І, ІІІ, IV.

Розглянемо роботу трійників за умови, що всі плечі узгоджені і розраховані на пропускання лише основної хвилі.

Розріз Ε-трійника показано на рис. 4.6. Він являє собою розгалуження в площині Ε основного хвилеводу ІІІ, VI.

Трійник конструктивно симетричний відносно площини Ε. Тому при подачі потужності в Е-плече розподіл магнітного поля в плечах ІІІ, IV однаковий, а електричного – однаковий за амплітудою і протилежний за фазою. Отже, в бокових плечах трійника збуджуються хвилі, в яких амплітуди векторів Е і Η однакові магнітні поля синфазні, а електричні – протифазні. Тому в узгод женому трійнику потужність, подана в плече Ε, в бокових плечах ІІІ і ІV ділиться навпіл.

Рис. 4.5. Конструкція подвійного хвилеводного трійника

Н-трійник являє собою розгалуження в Н-плошині основного хвилеводу ІІІ, ΙV. Оскільки трійник симетричний відносно площини Q, то при збудженні Η-плеча в площинах зв’язку 1-1 і 2-2 розподіл електричного поля однаковий за амплітудою і фазою, а магнітного – однаковий за амплітудою, але протифазний.

Тому в бокових плечах збуджуються однакові хвилі з синфазними електричними і протифазними магнітними полями.

Якщо в трійнику відсутні втрати, то потужність, подана в Н-плече, поділяється в бокових плечах навпіл. Для взаємного Η-трійника – навпаки: при подачі в плечі ІІІ і IV однакових хвиль з синфазними електричними полями вся потужність підсумовується в Н-плечі.

Розглянемо роботу Т-моста. Його основною властивістю є взаємна розв'язка між плечима І, II, Ш, IV.

Рис. 4.6. Спрощена конструкція Е-трійника

За аналогічним принципом працює й узгоджений Н-трійник

Рис. 4.7. Спрощена конструкція Н-трійника

Розв'язка між плечима І і II пояснюється так. При збудженні в плечі i хвилі Н10 вектор E буде паралельним поздовжній осі плеча II. При такій орієнтації в Е-плечі можуть збуджуватись хвилі Е або Η вищих типів, які в плечі i не можуть поширюватись, тому що воно розраховано на пропускання хвилі H10

При збудженні хвилі Н10 в плечі II вектор Ε паралельний широким стінкам хвилеводу плеча 1, і тому збудження хвилі Н10 у цьому плечі неможливе. Плечі ІІІ і IV також розв'язані за умови ввімкнення узгоджених навантажень в Е- і Η-плечах моста. Cправедливість даного твердження можна пояснити таким чином. Припустимо, що живиться плече ІІІ, а в плечі IV потужність відсутня. Нехай в плечі ІІІ амплітуда електричного поля дорівнює 2А. Тоді можна вважати, що в плечі ІІІ існують дві синфазні хвилі з амплітудами А, а відсутність потужності в плечі IV еквівалентна наявності в ньому двох однакових за амплітудою і протилежних зa фазою хвиль, тобто хвиль з амплітудами ±А. Відповідно до викладеного вище napа хвиль з однаковими фазами з плечей ІІІ і IV надходить в Η-плече, а пара хвиль з протилежними фазами – в Е-плече.

Таким чином, подвійний трійник працює як міст: при подачі потужності в Н(Е)-плече потужність надходить у бокові плечі і не проходить в Е(Н) – плече.

Для забезпечення нормальної роботи Τ-моста необхідно його узгоджувати. З цією метою в Н- і Е-плечі вводять різноманітні узгоджувальні елементи – штирі, діафрагми і т.ін. Такий узгоджений міст часто застосовується в різних пристроях НВЧ. Його характеристики при повній конструктивній симетрії зберігаються в широкому діапазоні частот, точніше – у смузі узгодження Н- і Ε-плечей.

4.4. Опис вимірювальної установка

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 4.8.На виході генератора, який працює в діапазоні частот 8,9...12,8 ГГц,

включені атенюатор, вимірювальна лінія з підсилювачем та iндикатором, хвилвводний перехід, відгалужувач направлений з детектором та індикатором і міст а детекторними секціями та індикаторами в двох плечах. Відгалужувач направлений і міст об'єднані в єдиний вузол і підключаються по мірі їх дослідження до вихідного фланця переходу.

Вимірювання характеристик моста зводиться до вимірювання рівня сигналу, пропорційного потужності, індикаторами плечей 3 і 4 щілинного моста і подвійного хвилеводного трійника. Рівень сигналу в плечі 1 контролюється однотапним індикатором з детекторною секцією, встановленою в одному із плечей відгалужувача направленого.

4.5. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

1. Розрахуйте довжину щілини l щілинного моста, яка б забезпечила поділ потужності навпіл на частоті f0.

2. Побудуйте перехідну характеристику моста з довжиною щілини, розрахованою в п.1, в діапазоні частот f0(1 ± 0,3). При розрахунках слід враховувати, що хвилевід мас переріз 23х10 мм.

Частоту f0 видирають з табл. 4.1 (номер варіанта збігається з порядковим номером прізвища студента в журналі).

Τаблиця 4.1№п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

f,ГГц 9 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10 10,1 10,2

№п/п 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

f,ГГц 10,3 10,4 10,5 10,6 10,7 10,8 10,9 11,0 11,1 11,5 12,0 12,5

3. У робочому діапазоні частот ганератора виміряйте амплітудно-частотні та перехідні характеристики на виходах 3,4 шілинного моста і подвійного хвилеводного трійника.

4. За одержаними експериментальними результатами розрахуйте коефіцієнт поділу потужності робочого діапазону щілинного моста.

5. Виконайте вимірювання КСХ у трьох точках.

4.6. Порядок виконання роботи

1. Скласти схему відповідно рис. 4.8. Увімкнути генератор та вимірювальний підсилювач для 15-хвилянного розігріву.

2. Підтримуючи рівень сигналу на вході моста постійним, виконати необхідні вимірювання сигналів, пропорційних потужності в плечах 3 і 4.

3. Настроюючи вимірювальну лінію на відповідну частоту діапазону, виміряти КСХ у робочому діапазоні моста.

4.7. Контрольні запитання

1. Що Ви називаєте мостом НВЧ?2. Який фізичний сенс мають елементи матриці розсіювання?3. Якими параметрами характеризуються мости?4. Поясніть принцип дії щілинного моста.

5. Які типи хвиль поширюються у ділянці щілини щілинного моста?

6. Яким чином визначається довжина щілини у щілинного моста?7. Нарисуйте і поясніть частотну характеристику щілини моста.8. Накресліть векторні діаграми полів у вихідних плечі узгодженого

моста.9. Чому у щілинному мості треба вмикати узгоджуючі елементи?10. В якому з вихідних плечей щілинного моста хвиля запізнюється і

чому?11. Нарисуйте графік зміни коефіцієнта поділу узгодженого щілинного

моста від частоти.12. Як розподілиться потужність у щілинному мості, якщо його вихідних

плечах на однаковій відстані від щілини поставлені короткозамикачі?13. Пояснити принцип дії Т-моста.14. Як працюють Е- і Н-трійники?15. Який взаємний зсув фаз між полями у вихідних плечах моста при

живленні з боку Ε-плеча? з боку Н-плеча? 16. Як розподілиться потужність в узгодженому Т-мості якщо генератор

вмикається в Η-плече? Е-плече? в одне з бокових плечей?17. Куди надійде потужність двох синфазних або двох протифазних

хвиль однакової амплітуди А, поданих в бокові плечі узгодженого Τ-моста?18. Як увімкнути пару генераторів однакової потужності якою мав бути

фаза збуджених ними полів, щоб потужність склалась в бокових плечах 4 і 3 Т-моста?

19. У Т-міст, який живиться з боку Η-плеча, в бокові плечі ввімкнено короткозамикачі, які віддалені від площини симетрії на відстань ℓ2 i ℓ3. Куди надійде потужність, якщо:

i ( λX – довжина хвилi H10)?

4.8. Список використаної та рекомендованої літератури

Вольман В.И., Пименов Ю.В, Техничеекая. электродинамика. Μ., 1971.Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по елементам

волноводной техники. Μ., 1967.Конструкция СВЧ устройств и экранов / Под ред. A.M. Чернушенко. М.,

1990.Надточиев А.И. Исследование мостових схем СВЧ, М., 1978.

Лабораторна робота № 5ДОСЛІДЖЕННЯ ХВИЛЕВОДНИХ ФАЗООБЕРТАЧІВ НВЧ

Мета роботи – вивчення принципу дії, конструкцій та характеристик хвилеводних фазообертачів, а також засвоєння методики вимірювання фазового зсуву.

5.1. Загальні відомості

Фазообертачем називають пристрій, призначений для зміни фази хвилі, яка проходить через нього. Використовуються фазообертачі для узгодження навантажень і хвилеводних трактів, а також при формуванні сигналів у різних пристроях вимірювальної техніки та приймально-передавальних пристроях.

Відомо, що величину різниці фаз на виході та вході фазообертача можна описати виразом:

, (5.1)

де ℓ відстань – між входом і виходом;λх – довжина хвилі в хвилеводі.

З формули (5.1) випливає, що для зміна фази достатньо змінити параметр ℓ або λх, і тому фазообертачі бувають двох типів: перші основані на зміні геометричної довжини лінії, другі – на зміні довжини хвилі в хвилеводі.

За характером внесеного фазового зсуву фазообертачі поділяються на фіксовані та регульовані (дискретні та плавні). За конструктивним оформленням розрізняють фазообертачі для прямокутних, круглих і коаксіальних хвилеводів, а також для смужкових і мікросмужкових ліній.

Основними характеристиками фазоповертачів є величина внесеного фазового зсуву, границі зміни фази, рівень припустимої потужності, точність калібрування фази.

На практиці більше поширені хвилеводні діелектричні фазообертачі, оскільки вони малогабаритні і мають просту конструкцію.

В основі роботи діелектричного фазообертача лежить принцип зміни фазової швидкості хвилі при проходженні її через діелектрик, в якому:

, (5.2)

де С – швидкість світла у вільному просторі;ε, μ – відповідно діелектрична та магнітна проникності хвилеводу з

діелектричним заповненням;λо – довжина хвилі у вільному простори;

λκρ – критична довжина хвилі в хвилеводі (для хвилі Н10 λκρ= 2а, де а – розмір широкої стінки хвилеводу).

Враховуючи, що довжина хвилі в хвилеводі з діелектриком дорівнює:

, (5.3)

вираз різниці фаз на вході та виході фазообертача матиме вигляд:

. (5.4)

Отже, величина різниці фаз пов'язана з параметрами діелектрика та його розмірами в хвилеводі. Найбільший фазовий зсув можна одержати, помістивши діелектричну пластину в хвилеводі відстань а/2 від вузької стінки хвилеводу (рис. 5.1), де aмплітуда поля максимальна для хвилі типу Н10.

Фазова швидкість хвилі в цьому випадку має бути найменшою. Отже, пересуваючи діелектричну пластину всередині хвилеводу, на змінювати довжину хвилі в ньому і регулювати електричну довжину лінії (відношення геометричної довжини хвилеводу до довжини хвилі λχ). Очевидно, що електрична довжина розглянутого фазообертача не залежить від напрямку руху енергії по хвилеводу. Такий фазоповертач πίдпорядковується принципу взаємності.

Рис. 5.1. Діелектричний фазообертач

Рис. 5.2. Фазообертач відбивного типу

На рис. 5.2 зображено відбивний фазообертач, принцип дії якого базується на зміні довжини шляху, який проходить сигнал зі входу на вихід, при постійній довжині хвилі в лінії. Фазовий зсув у такому фазообертачі пропорційний величині зміни довжини шляху Δℓ, який проходить сигнал зі входу на вихід.

На рис. 5.3 зображено Фазообертач, який називається "стискна лінія".·Конструктивно він являє собою відрізок прямокутного хвилеводу, в середині кожної з широких стінок якого прорізано одна над одною поздовжні щілини. До вузьких стінок хвилеводу за допомогою спеціального пристрою прикладають механічне зусилля F, яке деформує хвилевід і звужує широку стінку хвилеводу а.

З виразу (5.4) випливає, що при зміні λκρ = 2а змінюється рівниця фаз сигналу на вході та виході "стискної лінії".

Методика вимірювання зсуву фази хвилі грунтується на вимірвванні просторових зміщень вузлів і пучностей потужності електричного поля, наприклад, при пересуванні діелектричної пластиии фазообертача. Вимірювання просторового зміщення вузлів aбо пучностей при цьому виконують за допомогою вимірювальної лінії а фазовий зсув обчислюють за формулою:

. (5.5)

Рис. 5.3. Фазообертач типу "стискна лінія"

Один із недоліків діелектричного фазообертача є залежність послаблення від фазового зсуву Δφ сигналу, яке визначається за виразом:

, (5.6)

де h – висота діелектричної пластини;Rs – поверхневий опір матеріалу діелектричної пластини;Zx – хвильовий опір лінії передачі;а' – відстань від стінка хвилеводу до длаcтини;

Із співвідношення (5.6) випливає, що величина послаблення сигналу залежить від матеріалу пластини, частоти сигналу та від положення пластини всередині хвилеводу. Максимального значення ос досягне при а' = а/2, тобто коли пластина знаходитиметься посередині широкої стінки хвилеводу.

На практиці використовуються фазообертачі на базі Т-моста з рухомими поршнями. Керування зсувом фази при проходженні сигналу через плечі 5 і 4 здійснюється рухомими поршнями в плечах 1 і 2 (Ε і Η) за умови, що початкове положення поршнів повинно відрізнятись на λχ/4. Для виключення впливу Τ-моста в колі вимірювання необхідно поршень у плечі Η поставити в положення 0, а в плечі Е- у положення λх/4.

5.2. Опис вимірювальної установки

Коливання НВЧ генератора трисантиметрового діапазону хвиль (хвилевід 23 х 10) (рис. 5.4) подаються через феритовий вентиль на вхід хвилеводного трійника Η-типу. До вихідних плечей трійника підключений кільцевий хвилеводний тракт, який складається з відрізків хвилеводу, поворотів у площині Η, двох атенюаторів, вимірювальної лінії та досліджуваних фазообертачів.

5.3. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

1. Зніміть залежність внесеного фазового зсуву від положення діелектричної пластини в хвилеводі на частоті 11 ГГц. Пластина пересувається від вузької стінки до а/2 широкої стінки хвилеводу (переріз 23x10).

2. Зніміть залежність послаблення, яке вноситься діелектричним фазообертачем, від положення діелектричної пластини в хвилеводі на частоті 11 ГГц.

3. Одержіть залежність фазового зсуву з хвилеводі від положення рухомих короткозамкнутих поршнів, підключених до Н- і Е-плечей Т-моста при їх одночасному пересуванні на частоті 12 ГГц. Пересування поршнів здійснювати одночасно від 0 до 20 мм з кроком 1 мм.

5.4. Порядок виконання роботи

1. Принцип дії діелектричного хвилеводного фазообертача НВЧ базується на зміні фазової швидкості хвилі при введенні в хвилевід діелектрика, який має діелектричну проникність більше одиниці. У зв'язку з тим, що при збудженні кільцевого тракту НВЧ двома зустрічними біжучими хвилями, які існують на виході Н-трійника , встановлюється режим стоячих хвиль, мірою фазового зсуву при введенні діелектрика в хвилевід може служити зміщення вузла напруженості поля ΔХ. Зміщення вузла напруженості поля визначається за допомогою відлікового пристрою вимірювальної лінії.

Фазовий зсув обчислюється за формулою:

,

де Х1 і Х2 – координати вузлів при Δφ1 = 0 (діелектрик не введено у хвилевід) і Δφ2 ≠ 0 (діелектрик введено на задану відстань);

λχ – довжина хвилі в хвилеводі.

2. Загасання, яке вноситься діелектриком, введеним у хвилевід, вимірюється одночасно з вимірюванням фазового зсуву за амплітудою сигналу, яка фіксується вимірювальним підсилювачем. Загасання обчислюється за виразом:

,

де Un – поточне значення сигналу в пучності;U1 – перше значення сигналу в пучності при розміщенні

діелектричної пластини в нульовому положенні покажчика.

3. Якщо плечі Е і Η Т-моста, ввімкнуто в кільцевий НВЧ тракт (або мін генератором і навантаженням), короткозамкнуті, наприклад, рухомими поршнями, то пристрій можна розглядати як чотириполюсник, властивості якого залежать від положення короткозамикачів. Пересуваючи короткозамикачі одночасно, можна змінювати фазовий зсув у тракті. Початкові положення поршнів повинні відрізнятись на λχ/4.

5.5. Контрольні запитання

1. Яке призначення фазообертача?2. Основні області застосування фазообертачів.3. Які конструкції фазообертачів Ви знаєте? На яких лініях передачі

вони застосовуються?4. Пояснити методику вимірювання фазового зсуву в даній лабораторній

роботі.5. Які похибки вимірювання кута зсуву фаз має методика, що

пропонується в лабораторній роботі? 6. Пояснити принцип дії фазообертача на подвійному хвиле водному

трійнику.7. Пояснити принцип дії і властивості діелектричного фазообертача.

5.6. Список використаної та рекомендованої літератури

Виноградов В.Е. Конструкции и техника СВЧ: Учеб. пособие по лаб. практикуму. Харьков, 1977.

Заикин И.П., Зеленский Α.А., Тоцкий А.В., Удачин В.Г. Κонструкции и твхника СВЧ. Харьков, 1986.

Конструкции СВЧ устройств и экранов / Под ред. A.M. Чернушенко. Μ., 1990.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1

Лабораторна робота № 6ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРИТОВОГО

ХВИЛЕВОДНОГО ВЕНТИЛЯ

Мета роботи – вивчення принципу дії, конструкції та основних характеристик резонансного феритового вентиля, виготовлені го на основі прямокутного хвилеводу сантиметрового діапазону хвиль.

6.1. Загальні відомості

У техніці НВЧ вентилем називають пристрій (чотириполюсник) вносиме загасання якого залежить від напрямку поширення хвилі ідеальний вентиль – це лінійний невзаємний чотириполюсник, який пропускає НВЧ енергію в одному напрямку і не пропускає ЕМ хвилю, що рухається в зворотному напрямку (відбиту від навантаження). Резонансні вентилі мають порівняно вузьку робочу смугу частої (15...20%) при загасанні 15...30 дБ і прямих втратах 0,5...1,5 дБ при КСХ = 1,1...1,3. Розширення робочої смуги до 30...50% досягається введенням у конструкцію пристрою разом з феритами діелектричних вкладишів.

6.2. Властивості феритів.Резонансний феритовий вентиль

Феритами називають хімічні сполуки оксиду заліза з оксидами Інших, так званих характеризуючих металів.

Хімічний склад фериту визначається за формулою:

, (6.1)

де Me – характеризуючий метал;k, n, km/2 – цілі числа.

Залежно від складу розрізняють ферошпінелі (Me = Ni, Co, Μη, Ζn та ін., k = 2, m = 1, n = 1), ферогранати ( Me = Іt, Ga та ін., де k = 3, m = 6, n = 5) i

гексаферити (Me = Рb, Βa, де k = 2, m =1, n = 6). Щоб одержати необхідні властивості, до складу фериту вводять декілька характеризуючих металів у певних пропорціях.

Ферити являють собою тверді кристалічні речовини. Ферогранати і ферошпінелі мають кубічну елементарну комірку, а гексаферити – гексагональну.

Основну масу феритових виробів виготовляють методом опікання. Для цього тонко помолоті порошки оксидів відповідних металів змішують зі зв’язувальною речовиною і з одержаної маси пресують заготівки потрібної форми. Потім заготівки випалюють при високій температурі. При цьому зв’язувальна речовина вигоряє, а оксиди вступають в хімічні сполуки. Після випалювання заготівки за необхідності піддають механічній обробці – різанню та шліфуванню. Одержаний за такою технологією керамічний матеріал має полікристалічну структуру. Розмір її зернин (кристалітів) і число пор між зернинами (щільність) визначаються режимом пресування, температурою, тривалістю випалювання і деякими іншими факторами. Зерна в полі кристалічному фериті мають розмір 10-3...10-1 мм і являють собою монокристали, орієнтовані хаотично.

При спіканні фериту в постійному магнітному полі утворюються текстуровані ферити, зерна яких орієнтовані таким чином, що напрямок однієї з кристалографічних осей кристалітів збігається з напрямком магнітного поля. Тому текстуровані ферити мають анізотропнї властивості і після зняття зовнішнього поля.

Монокристалічні ферити виготовляють відомими методами вирощування монокристалів (витягуванням із розплаву, зонною плавкою та ін.). Для надання потрібної форми монокристали ріжуть, шліфують і полірують.

На якість фериту суттєво впливав його електропровідність яка визначається в основному вмістом заліза Fe, що виникає при відновленні оксиду Fe2O3 у процесі випалювання. Тому ви лювання ведуть в окислювальній атмосфері.

У ненамагніченому стані кожен кристаліт або монокристал фериту містить одну або декілька областей (доменів), в яких і магнітні моменти всіх атомів орієнтовані таким чином, що за наявності декількох доменів у зразку результуючий момент дорівнюе нулю. Такий стан відповідає мінімуму енергії внутрішньої магнітного поля.

Характерна властивість феритів – поєднання магнітних властивостей феромагнетика та електричних властивостей діелектрика (НВЧ ферити мають ε2 = 5...20, tgδ = 10-4). У постійна магнітному полі ферит є анізотропним середовищем. Ця особливість дозволяє використовувати їх у техніці НВЧ для створення невзаємних пристроїв.

Властивості феритів на НВЧ виявляються при взаємодії власного магнітного моменту електрона із зовнішнім полем постійного та змінного

магнітних полів. Під дією постійного магнітного ля Но (рис. 6.1) спіни електронів намагаються орієнтуватись у напрямку прикладеного поля, прецесуючи, подібно до гіроскопа навколо осі, що збігається за напрямком з вектором Но і, утворюючи з ним правогвинтову систему. Частота вільної прецесії ωo = γНо, де γ = 2,21·105 м/А·с – гіромагнітне відношення.

Наявність магнітних втрат приводить до того, що кут Ψ (рис. 6.1) швидко зменшується, вектори магнітних моментів ус атомів орієнтуються у напрямку прикладеного постійного магнітного поля Но і ферит намагнічується до насичення.

Розглянемо випадок дії на намагнічений ферит високочастотного магнітного поля з круговою поляризацією (орієнтованого перпендикулярно до постійного поля Н0), кругова частота якого близька до частоти прецесії ω0

(див. рис. 6.1).Якщо напрямок обертання вектора Н збігається з прецесією магнітного

моменту Μ, то кут Ψ збільшується.

Рис. 6.1. Прецесія магнітного моменту електрона в постійному магнітному полі

Зростання кута обмежується магнітними втратами. У результаті цього настає режим ψ = const, при якому енергія високочастотного магнітного поля розсіюється у вигляді тепла в кристалічних ґратках фериту. Якщо частоти ω і ω0 не збігаються, то ефект взаємодії зменшується і втрати у фериті знижуються. У випадку протилежних напрямків обертання вектора Н~ і магнітного моменту Μ поглинання енергії у фериті практично не відбувається. Величина магнітної проникності – комплексна:

, (6.2)

На рис. 6.2 показано зміну відносної магнітної проникності Фериту для хвиль кругової поляризації правого (позитивного) μ+ і лівого (негативного) μ-

напрямків обертання залежно від напруженості постійного магнітного поля Но при незмінній частоті ω. Легко бачити, що значення уявної частини магнітної. проникності μ+ для хвиль з позитивним напрямком обертання в точці Но = Нрез різко зростає, що свідчить про збільшення втрат енергії у фериті. Залежність втрат від Но носить резонансний характер, у зв'язку з чим розглядуване явище називають феромагнітним резонансом. Значення дійсної частини магнітної проникності для хвиль позитивного обертання також сильно змінюється.

Рис. 6.2. Характер залежності активної та реактивної складових μ магнітної проникності фериту для хвиль з лівої μ- і правою μ+ круговими

поляризаціями від напруженості магнітного поля

Якщо змінне магнітне поле має лінійну поляризацію, то його можна подати як суму двох полів лівої та правої кругових поляризацій. За відсутності фериту в хвилеводі хвилі лівої та правої кругових поляризацій поширюються з однаковими фазовими швидкостями і в сумі дають хвилю з незмінним положенням площини полі ризації. Якщо ж у хвилеводі розмістити феритовий стержень, намагнічений у поздовжньому напрямку постійним магнітним полем Но, то при Но = Hрез хвилі кругової поляризації

правого напрямку обертання поширюватимуться з більшою фазовою швидкістю ніх лівого:

, (6.3)

При цьому відбувається поворот площини поляризації хвилі Ефект обертання площини поляризації електромагнітної хвилі, що проходить через діелектрик (в нашому випадку – ферит) за наявності постійного поля, називається ефектом Фарадея.

Завдяки цим властивостям ферита використовуються для створення широкого класу невзаємних пристроїв, які вносять фазовий зсув обертання площини поляризації, невзаємні втрати і т.ін. Залежність параметрів феритів від напруженості зовнішнього магнітного поля дозволяє створювати на їх основі керовані НВЧ-пристрої і перемикачі, модулятори, перестроювані фільтри, регульовані фазообертачі, атенюатори тощо.

Хвилеводний пристрій, вносимо загасання якого залежить від напрямку руху хвилі через нього, називають феритовим вентилем. Основними його характеристиками є загасання хвиль у прямому і зворотному напрямках, смуга робочих частот, припустимий рівень потужності, коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ), тип і розміри хвилеводного тракту.

У прямокутному хвилеводі, що працює на хвилі Н10, існують дві поздовжні площини, паралельні вузькій стінці хвилеводу, де магнітне поле має кругову поляризацію. Ці площини знаходяться на відстані:

(рис. 6.3) від вузьких стінок хвилеводу. Напрямок обертання вектора Η у кожній зі вказаних поздовжніх площин взаємно протилежний і залежить від напрямку руху хвилі по хвилеводу. Розташуємо в одній із цих плошин хвилеводу феритову пластинку, намагнічену перпендикулярно до широкої стінки хвилеводу (рис. 6.4) при Но = Hpeз. У цьому випадку Ферит поглинатиме потужність хвилі, яка створює правополяризоване високочастотне магнітне поле.

Рис. 6.3. Характер поляризації хвилі Н10 у прямокутному хвилеводі

Рис. 6.4. Спрощена конструкція резонансного феритового вентиля: 1 – прямокутний хвилевід; 2 – постійний магніт; 3 – феритова пластина; 4 –

діелектрична пластина

Хвиля, що поширюється вздовж хвилеводу в протилежному напрямку, майже не загасає. Серійно випускаються феритові вентилі, які в смузі частот 15...20% f0 забезпечують у прямому напрямку загасання не більш ніж 1,5 дБ, у зворотному – 30 дБ і КСХ = 1,1...1,3.

6.3. Опис вимірювальної установки. Методика вимірювання параметрів феритового резонансного вентиля

Функціональну схему вимірювальної установки для дослідження власти-

востей феритового резонансного вентиля зображено на рис. 6.5.Вимірювальна установка містить генератор НВЧ трисантиметрового

діапазону хвиль (хвилевід 23 х 10) з регульованою вихід ною потужністю і частотою, калібрований (в децибелах) вимірювальний атенюатор, вимірювальну лінію з детекторною секцією, підключену до вимірювального підсилювача, та навантаження у вигляді реактивного штиря із змінною глибиною занурення у хвилевід, узгоджене навантаження поглинаючого типу – ввімкнення 1.

Ввімкнення 2 складається із вентиля, неоднорідності, узгодженого навантаження, а при ввімкненні 3 замість узгодженого навантаження під'єднується детекторна секція, ввімкнена у вимірювальний підсилювач.

Зміною глибини занурення реактивного штиря в хвилеводі виситься неузгодженість між генератором і навантаженням. За допомогою вимірювальної лінії та підсилювача можна кількісно оцінити ступінь неузгодженості генератора і навантаження, вимірюючи значення КСХ.

Важливим параметром феритового вентиля є КСХ, що вноситься ним самим, і який прийнято вимірювати з боку входу або виходу вентиля. Для вимірювання КСХ феритового вентиля необхідно зібрати установку за схемою рис. 6.5 (ввімкнення 2).

Для вимірювання КСХ феритового вентиля з боку входу вентиль вмикають у прямому напрямку, а з боку виходу – в зворотному.

Ввімкнення 3 приладів дозволяє оцінити втрати вентиля в прямому (прямі втрати) і зворотному (зворотні втрати) напрямках.

При ввімкненні 5 прямі та зворотні втрати феритового вентиля можна виміряти двома способами.Перший спосіб полягає у вимі рянні прямих αпр і зворотних αзв втрат з наступним розрахунком за формулами:

, (6.4)

де α2 – показання індикатора вимірювального підсилювача за відсутності досліджуваного вентиля у вимірювальній схемі;

α1′, і α1" – відповідно показання індикатора вимірювального підсилив ча при ввімкненні вентиля у вимірювальну схему в прямому і зворотному напрямках.

Другий спосіб (заміщення) полягає у використанні вимірювального атенюатора, градуйованого в децибелах, при цьому прямі та зворотні втрати дорівнюють:

, , (6.5)де β2 – показання шкали атенюатора за відсутності вентиля у

вимірювальній схемі, дБ;

β1', і β1" – відповідно показання шкали вимірювального атенюатора при ввімкненні вентиля в прямому і зворотному напрямках.

Величину β2 визначають при максимальній вихідній потужності вимірювального генератора. При цьому загасання атенюатора збільшується до максимально можливого придушення потужності. ремикач вимірювального підсилювача "ВХ.УРОВЕНЬ. mV" встановлюється в положення 1,5...5, а стрілка приладу – на поділку 4 або 6. При визначенні прямих і зворотних втрат вентиля цим способом спочатку знаходять β2, а потім β'1 (прямі втрати). Зворотні втрати (β1") визначаються в останню чергу.

6.4. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

1. Проведіть вимірювання залежності КСХ від глибина занурення у хвилевід реактивного штиря і положення поршня реактивного шлейфа (ввімкнення і ).

2. Виконайте п.1 для вентиля, ввімкненого в прямому напрямку (ввімкнення 2 ).

3. Виконайте вимірювання КСХ феритового вентиля, ввімкненого в прямому і зворотному напрямках (ввімкнення 2 ).

4. Визначіть втрати феритового вентиля, ввімкненого у прямому і зворотному напрямках (ввімкнення 3 ), у діапазоні частот 9,0...12,5 ГГц.

6.5. Порядок виконання роботи

1. Вимірювання КСХ залежно від положення реактивного штиря 1 поршня шлейфа виконати методом заміщення.

Каретку вимірювальної лінії встановити в мінімум поля, а стрілку індикатора – б полохання, зручне для спостереження. Вимірювальний атенюатор (на вході лінії) має бути в положенні "0" послаблення. Після запису показань індикатора пересунути каретку вимірювальної лінії в максимум поля, змінюючи загасання за допомогою вимірювального атенюатора до встановлення стрілки індикатора в початкове положення. Визначивши послаблення за шкалою атенюатора, обчислити КСХ за формулою:

, (6.6)

де N – послаблення атенюатора, дБ.

2. Вимірювання прямих і зворотних втрат вентиля також провести методом заміщення.

До вимірювальної лінії підключити детекторну секцію, вихід якої з'єднати зі входом підсилювача. При максимальних вихідній потужності та коефіцієнті підсилення вимірювального підсилювача ввести загасання в тракт за допомогою атенюатора, встановивши стрілку індикатора на одну з перших поділок. Записавши показання атенюатора та індикатора, ввімкнути вентиль у прямому напрямку 1, змінюючи загасання в тракті за допомогою атенюатора, встановити стрілку в попереднє положення. Втрати в прямому напрямку визначити як різницю показань за шкалою атенюатора до ввімкне вентиля 1 після. Ті ж самі операції виконати і при визначенні зворотних втрат.

6.6. Контрольні запитання

1. Які призначення феритового вентиля та області його за стосування?2. Пояснити явище феромагнітного резонансу.3. Які умови поглинання відбитої хвилі у хвилеводі?4. Пояснити принцип дії феритового резонансного вентиля.5. Яка методика вимірювання основних параметрів феритового вентиля?6. Порівняти характеристики вентилів, що працюють на ефектах

Фарадея і вміщення поля.7. Якими основними параметрами характеризується феритовий вентиль?

6.7. Список використаної та рекомендованої літератури

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1.Виноградов В.Е. Конструкции и техника СВЧ. Харьков, 1977.Заикин И.П., Зеленоний А.А., Тоцкий А.В., Удачин В.Г. Конструкции и

техника СВЧ. Харьков, 1988.Конструирование СВЧ-устройств и экранов / Под ред. А.М.

Чернушенко. Μ., 1990.

Лабораторна робота №7ДОСЛІДЖЕННЯ ХВИЛЕВОДНИХ СМУГОВИХ ФІЛЬТРІВ

Мета роботи – вивчення властивостей, конструкцій і xapaктеристик смугових фільтрів у сантиметровому діапазоні хвиль.

7.1. Загальні відомості

Фільтром називають пристрій, призначений для передачі потужності в

деякій смузі частот, яку називають смугою пропускання, в узгоджене навантаження.

За розміщенням смуг пропускання і загородження фільтри поділяються на такі: фільтри нижніх частот (ФНЧ), що пропускають сигнали нижче заданої частоти та придушують сигнали на інших частотах; фільтри верхніх частот (ФВЧ), які пропускають сигнали на частотах вище заданої і придушують сигнали нижче цієї частоти; смугові фільтри (СФ), що пропускають сигнали в межах між двома заданими частотами; режекторні фільтри (РФ), які придушують сигнали на частотах у межах заданої смуги (рис. 7.1).

Основні параметри фільтрів: смуга пропускання, смуга загородження, середня частота, коефіцієнт загасання в смузі пропускання, коефіцієнт загасання в смузі загородження, крутість частотної характеристики на схилах смуги, коефіцієнти відбиття від входу і виходу.

У хвилеводному тракті застосовуються ФВЧ, СФ і РФ. Фільтри нижніх частот на хвилеводах можна створити лише на основі вафельних і рифлених відрізків.

Рис. 7.1. Частотні характеристики фільтрів

Найпоширенішими частотними характеристиками загасання фільтрів є чебишевська і максимально плоска.

Для чебишевської характеристики функція загасання (в децибелах) описується виразом:

, (7.1)

де Тп (ω′) – поліном Чебишева першого роду n-го порядку;h – амплітудний множник;ω′ – частотна змінна.

Функція загасання максимально плоскої характеристики описуеться співвідношенням:

, (7.2)

де n – кількість ланок фільтра.

При однаковій кількості ланок і однаковій смузі частот крутість спаду частотної характеристики для чебишевського фільтра більша, ніж для максимально плоского. Однак чебишевський фільтр має суттєву нерівномірність частотної характеристики смузі пропускання.

Більшість типів смугових фільтрів, виконаних на хвилеводах, являють собою відрізки хвилеводів з реактивними неоднорідностями у вигляді діафрагм. Розміщення неоднорідностей та їх провідності вибирають таким чином, щоб на резонансній частоті fp фільтра хвилі, відбиті від неоднорідностей, компенсували одна одну. Iншими словами, при f = fp вхідна провідність повинна дорівнювати хвильовій провідності хвилеводу:

. (7.3)

У цьому випадку коефіцієнт відбиття фільтра дорівнює нулю, тому вся потужність проходитиме через фільтр до навантаження.

На інших частотах рівність (7.3) не виконуватиметься, а тому з'явиться відбита хвиля і через фільтр проходитиме менша потужність.

7.2 Принцип роботи і конструкції фільтрів

Найпростішими смуговими частотними фільтрами, що мають практичне значення, є резонансні діафрагми в хвилеводі, зокрема діафрагми з різною формою вікон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Деякі види резонансних діафрагм

Такі діафрагми розглядаються як комбінація ємнісної та індуктивної діафрагм, тому еквівалентну схему зручно подати у вигляді паралельного контуру, ввімкненого в лінію паралельно.

При рівності ємнісної та індуктивної провідностей коливальний контур настроєно в резонанс і його опір за відсутності втрат нескінченно великий. Тому при паралельному ввімкненні він не впливає на поширення енергії в лінії передачі.

Резонансна частота такого найпростішого фільтра визначається формою та розміром вікна. У діафрагмі з прямокутним вікном резонанс настає за умови рівності хвильових опорів основного хвилеводу і звуженої ділянки, тобто

,

де а, b – розмір широкої та вузької стінок хвилеводу;а', b' – відповідні розміри діафрагми;λ – довжина хвилі у вільному просторі.

Оскільки резонансні діафрагми мають невелику добротність, вони не дозволяють одержати вузьку смугу пропускання і добру вибірність. Тому найпоширенішими є смугові фільтри, утворені декількома реактивностями, ввімкненими у хвилевід на певній відстані одна від одної. Дві сусідні реактивності утворюють хвилеводну резонансну камеру (резонатор). Залежно від кількості реактивностей розрізняють однокамерні, двокамерні і т.п. фільтри.

Як смугові хвилеводні фільтри використовуються окремі резонатори або їх каскадне з'єднання. В останньому випадку зв’язок резонаторів буде безпосереднім або здійснюватиметься через відрізки ліній передачі (рис. 7.3).

При конструюванні хвилеводних фільтрів широко використовуються трансформуючі властивості чвертьхвильових відрізків хвилеводу. В теорії фільтрів чвертьхвильовий відрізок хвилеводу називають інвертором опорів. На рис. 7.4 наведено найпоширеніші типи можливих інвертувань опорів.

У техніці НВЧ широко застосовуються хвилеводні смугові фільтри, виконані за східчастою схемою. Еквівалентна схема таких фільтрів збігається зі схемою східчастих фільтрів з реактивними елементами і зосередженими параметрами (рис. 7.5).

Рис. 7.3. Смугові хвилеводні фільтри

При реалізації такої схеми в діапазоні НВЧ основним елементом смугового фільтра є прохідний резонатор (резонатор з діафрагмами на вході та виході), еквівалентний паралельному контуру, і ввімкненому в лінію паралельно.

Як послідовний контур, ввімкнений в лінію послідовно, використовуеться паралельний контур (див. рис. 7.4, д), до входу і виходу якого під'єднані чвертьхвильові відрізки лінії передачі або відрізки, що дорівнюють непарному числу чвертей хвилі на центральній частоті смуги

Рис. 7.4. Можливі варіанти інвертуючих властивостей чвертьхвильових відрізків лінії передачі

пропускання фільтра. Аналіз показує, що коефіцієнти передачі обох схем, зображених на рис. 7.4, д, мають однакову частотну залежність. У зв'язку з цим еквівалентну схему смугового фільтра (див. рис. 7.5) можна подати у вигляді, зображеному на рис. 7.6.

Принцип роботи смугового фільтра розглянемо на прикладі відрізка хвилеводу, обмеженого двома, наприклад індуктивними, діафрагмами.Якщо в деякому перерізі 1 узгодженого хвилеводного тракту встановити індуктивну діафрагму з провідністю В11, то сумарна зведена провідність Υ1

' у цьому перерізі така:

. (7.5)

Рис 7.5. Схема східчастого фільтра

Рис. 7.6. Еквівалентна схема смугового фільтра з чвертьхвильовими відрізками хвилеводів

Діафрагма створить відбиту хвилю, що рухатиметься в бік генератора, тобто в хвилеводному тракті встановиться режим змішаних хвиль. Знаючи трансформуючі властивості відрізків довгих ліній, можна стверджувати, що існує деякий переріз 2, розміщений на відстані ℓк від перерізу 1, в якому реактивна складова провідності дорівнює за величиною і протилежна за знаком реактивній складовій провідності в перерізі 1, тобто:

. (7.6)

Якщо в перерізі 2 ввімкнути таку саму індуктивну діафрагму, як і в перерізі 1, то сумарна зведена провідність Υ'

112 у перерізі 2 дорівнюватиме:

або . (7.7)

Отже, провідність у перерізі 2, тобто вхідна провідність фільтра, дорівнює хвильовій провідності, і тому в хвилеводному тракті від перерізу 2 у бік генератора встановиться режим біжучих хвиль. Однак це справедливо лише для резонансної частоти fp. При зміні частоти (наприклад зменшенні) вхідна провідність фільтра матиме комплексний характер з індуктивною складовою реактивної провідності. При збільшенні частоти реактивна складова вхідної провідності має ємнісний характер.

З розглянутого вище випливає, що резонансна камера, утворена двома індуктивними діафрагмами, в діапазоні частот поводиться як смуговий фільтр. Тому резонансна камера, подібно до резонансної діафрагми, еквівалентна паралельному контуру, ввідененому в лінію паралельно.

Навантажену добротність резонансної камери, утворену індуктивними діафрагмами, можна визначити за формулою:

. (7.8)

При великих провідностях ([B'L] > 10)

, a . (7.9)

Тоді рівняння (7.8) можна записати так:

. (7.10)

Як видно із співвідношення (7.10), для підвищення добротностi потрібно збільшувати провідність діафрагми, тобто зменшувати розмір вікон. Отже, смуга пропускання фільтра залежить від величини провідності (розміру вікон) діафрагм.

Від величини провідності діафрагми залежить також і довжина камери:

. (7.11)

де ℓ′к – зведена відстань між діафрагмами при резонансній чаcтоті.

Довжина камери, як правило, менша за λх/2, тобто:

. (7.12)

Із виразу для вхідної провідності фільтра при f = fp визначається

, (7.13)

і тоді:

. (7.14)

Робота фільтра не порушиться, якщо відстань між діафрагмами збільшити на ціле число півхвиль. При збільшенні довжини камери зменшуються спотворення частотної характеристики фільтра, викликані взаємодією полів хвиль вищих типів, що збуджуються діафрагмами. Збільшення довжини камери приводить і до підвищення добротності, тому що добротність об'ємних резонаторів пропорційна їх довжині.

Однокамерні смугові фільтри не дозволяють одержати достатньо вузьку (менше 10%) смугу пропускання. Це пов'язано з тим, що для звуження смуги пропускання (підвищення добротності) слід значно збільшити реактивність діафрагм. При цьому розмір вікон діафрагм зменшується, КСХ у камері зростає, а електрична міцність тракту погіршується.

Щоб одержати вузьку смугу пропускання і добру вибірність, застосовують багатокамерні фільтри.

Багатокамерні хвилеводні фільтри утворюються з двох, трьох і більшого числа резонансних камер, зв'язаних між собою. Залежно від способу зв’язку сусідніх камер розрізняють багатокамерні фільтри з безпосереднім та об'ємним зв'язками. У фільтрах з безпосереднім зв’язком камери зв’язані через спільну реактивність, величина якої визначає ступінь зв’язку. При

об'ємному зв'зку камери зв'язуються відрізками хвилеводів. Ступінь зв’язку в цьому випадку зумовлюється довжиною цього відрізка.

Найчастіше застосовуються фільтри, що мають симетричну структуру, бо вони дозволяють одержати краще узгодження на резонансній частоті і зручніші в конотруктивному відношенні. У симетричних фільтрах перша і остання, друга і передостання камери і т.д. – однакові.

Багатокамерний хвилеводний фільтр має не одну, а декілька резонансних частот. Кількість резонансних частот дорівнює кількості камер. Тому частотна характеристика може мати декілька максимумів, що відповідають кількості резонансних частот. Розміщення максимумів залежить від ступеня зв'язку камер. Наприклад, для двокамерного фільтра при зв’язку, більшому за критичний, кількість максимумів дорівнює двом, при критичному зв'язку вони суміщуються і маємо максимально плоску частотну характеристику. Якщо зв'язок менший за критичний, то маємо один максимум, але за величиною він менший, ніж максимум, що відповідає критичному зв'язку. Таким чином, частотна характеристика двокамерного фільтра збігається з частотною характеристикою двох зв'язаних контурів.

На рис. 7.7 зображено двокамерний смуговий фільтр з безпосередніми зв'язками, утворений трьома індуктивними діафрагмами, і схему його заміщення.

Хвилеводний смуговий фільтр з об'ємним зв'язком (рис. 7.8) складається із самостійних, резонансних камер довжиною ℓк.

Кожна камера утворена двома ідентичними діафрагмами. Камери зв'язані між собою відрізками хвилеводів довжиною ℓ.

Таким чином, камери зв'язані не через спільні діафрагми, а через деякий об’ем, утворений відрізком хвилеводу ℓ. Практично відстань між камерами береться приблизно такою, що дорівняє (1/4) λx, або, в загальному випадку, – (2m + 1) λχ/4. Тому часто такі фільтри називаються фільтрами з чвертьхвильовими зв'язками. У радіолокаційній техніці часто використовуються фільтри, що складаються з двох резонансних діафрагм, ввімкнених на відстані λχ/4 одна від одної. Кожна резонансна діафрагма еквівалентна паралельному контуру.

Тому камера, утворена двома діафрагмами, еквівалентна Г-подібному півланцю смугового фільтра (паралельний контур, ввімкнений паралельно в лінію, і послідовний – послідовно). Часто такі камери виконують дві функції – фільтра і високочастотного розрядника. Для цього камеру герметизують і заповнюють розрідженим інертним газом (наприклад аргоном). При передачі по хвилеводу великої потужності відбувається іонізація газу (високочастотний розряд), що рівноцінно короткому замиканню. У цьому випадку енергія через фільтр не проходить.

Багатокамерні смугові фільтри з об'емними зв'язками простіші у виробництві, тому що окремі камери можуть настроюватись незалежно одна від одної.

Недоліком таких фільтрів є те, що їх габарити на 25...40% більші за габарити відповідних фільтрів з безпосереднім зв'язком. Для зменшення габаритів доцільно використовувати резонансні діафрагми. Однак, як вже зазначалось, вони мають малу добротвість і не можуть застосовуватись у вузькосмугових фільтрах.

7.3. Порядок розрахунку смугового фільтра

Смуговий фільтр у діапазоні НВЧ можна створити шляхом певного ввімкнення декількох прохідних об'ємних резонаторів у лінію передачі. Коефіцієнт передачі Τ і величина внесеного фільтром загасання Вф, зв'язані співвідношенням Вф = 10lg 1/[Т]2, залежать від кількості резонаторів та їх навантажених добротностей. Під час розрахунку смугового фільтра кількість резонаторів та їх навантажені добротності визначаються з умови, щоб загасання, яке вноситься фільтром (fn < f < f+n), не перевищувало заданої величини (Bф < Bфmax), а в смузі загородження (f > f+3 і f < f-3) було б не меншим за задану величину (Вф > Вфmin). Виконати ці умови можна різними способами, вибираючи вид характеристики фільтра. Найпоширеніші два види смугових фільтрів: фільтри з максимально плоскою характеристикою (рис.7.9, а) і фільтри з чебишевською характеристикою (рис.7.9, б). Необхідно відмітити, що фільтр з чебишевською характеристикою містить менше резонаторів, ніж фільтри з максимально плоскою характеристикою, при одних і тих самих електричних параметрах До недоліків фільтрів з чебишевською характеристикою слід віднести порушення лінійності фазової характеристики фільтра в смузі пропускання.

Величина загасання, що вноситься фільтром з максимально плоскою характеристикою, описується виразами:

, (7.15)

(7.16)

. (7.17)

Рис. 7.7. Двокамерний смуговий фільтр з безпосередніми зв'язками і схема його заміщення

Рис. 7.8. Хвилеводний смуговий фільтр з об'ємним зв'язком і схема його заміщення

Число резонаторів n для такого фільтра:

, (7.18)

де ;

Вфmin, Вфmax – загасання, виражені в децибелах.

Навантажені добротності резонаторів для фільтра з максимально плоскою характеристикою визначаються за формулою:

, (7.19)

де m – порядковий номер резонатора (m = 1,2,З,.... n).

Рис. 7.9. максимально плоска і чебишевська характеристики смугових фільтрів

Величина загасання, що вноситься фільтром з чебишевською характеристикою:

, (7.20)

де h, η, η, визначаються з рівнянь (7.16), (7.17);Тn – поліном Чебишева порядку n.

Необхідна кількість резонаторів для чебишевського фільтра:

(7.21)

Навантажені добротності резонаторів з чебишввською характеристикою можна знайти за формулою:

; m = 1, 2, 3,..., n, (7.22)

де

При розрахунках фільтра можна виділити кілька основних моментів: 1. Вихідними даними для розрахунку є величини f0, fn, f3, Bфmax, Bфmin;2. Виходячи з додаткових вимог щодо фазової характеристики або

габаритів фільтрів, задаємось формою амплітудно-частотної характеристики i визначаємо потрібну кількість резонаторів.

3. За формулами (7.19) і (7.22) розраховуємо необхідні добротності всіх контурів еквівалентної схеми (див.рис. 7.6).

4. Оскільки на НВЧ еквівалентна схема реалізується за допомогою прохідних резонаторів, ввімкнених через відрізки лінії передачі (2к + 1) λχ/4, то з урахуванням вибіркових властивостей чвертьхвильових з'єднуючих відрізків знайдену в попередньої пункті добротність можна подати як:

, (7.23)

де Q'm – початкова навантажена добротність резонатора m;Q' – приріст навантаженої добротності, який визначається

вибірковими властивостями чвертьхвильових відрізків

. (7.24)

Для визначення Q' першого і останнього резонаторів фільтра можна скористатись формулою:

. (7.25)

Для будь-якого іншого резонатора, крім першого і останнього:

. (7.26)

Еквівалентна провідність діафрагм

, (7.27)

де r – радіус iндуктивного стержня;q – кількість стержнів у діафрагмі;α – розмір широкої стінки хвилеводу.

Знаючи провідність діафрагм, легко визначити відстань між діафрагмами

, (7.28)

де p = 1,2,З, ... .

Відстань між двома сусідніми резонаторами розраховують так:

, (7.29)

де ℓ′m(m+1) – відстань між m і (m + 1) резонаторами;ℓ m і ℓ m+1 – відстань між діафрагмами m і ( m + 1) резонаторів.

Для даного розрахунку рекомендується вибирати:

, p = 1

7.4. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

1. За заданими геометричними розмірами індуктивних стержньових діафрагм і резонансною частотою f0 розрахуйте основні параметри смугового фільтра (рис. 7.10) (дані беруться з табл.7.1,причому номер варіанта завдання збігається з порядковим номером студента в груповому журналі), f3 = (f0+ + 800) МГц, fn = (f0 + 180) МГц.

Резонатори фільтра виконані на прямокутному хвилеводі з розмірами а = = 23 мм, в = 10 мм.

2. Зніміть залежність КСХ = F(f) для двох багатоланкових фільтрів на об’емних резонаторах.

3. Зніміть залежність КСХ = F(t) для смугового фільтра з діафрагмами на iндуктивних стержнях (за вказівкою викладача).

4. За одержаними результатами побудуйте резонансні криві КСХ = F(f) і |T|2 = F(f)i визначіть навантажену добротність.

Примітка. Резонансна характеристика фільтра може бути побудована експериментально – шляхом вимірювання потужності, що надходить через резонатор фільтра в навантаження при різних частотах. Однак у випадку малих втрат у резонаторі про його резонансні властивості можна судити і за залежністю відбитої потужності від частоти. Це можливо у зв'язку з тим, що для реактивного чотириполюсника без втрат справедливе співвідношення |Т|2 = 1 – |Г|2, де Τ – коефіцієнт передачі резонатора; |Г| – коефіцієнт відбиття від його входу. Коефіцієнт відбиття зв'язаний з КСХ залежністю

. (7.30)

Таблиця 7.1Параметри основного фільтра

№варiанта

Кiлькiсть стержнiв у дiафрагмi

Радiус одного стержня r, мм

Резонансна частота f0,

МГц, дБ , дБ

1 1 1,5 10400 30 0,42 2 1,0 11550 55 1,53 3 1,0 11750 60 54 4 0,75 8300 50 15 1 1,5 8400 40 0,56 2 1,0 8500 32 0,67 3 1,0 8600 30 0,58 4 0,75 8700 35 0,89 1 1,5 8800 40 110 2 1155 8900 45 1,5

11 3 1,0 9000 50 312 4 1,0 9100 45 0,513 1 2,0 9200 35 0,614 2 1,5 9300 40 0,815 3 1,0 9500 30 116 4 1,0 9700 35 1,217 1 2,0 9900 40 1,418 2 1,5 10000 45 1,619 3 1,0 10200 50 1,820 4 1,0 10300 55 121 1 2,0 10500 60 322 2 1,5 10700 55 223 3 1,5 10900 50 1,624 4 1,0 11000 45 1,525 5 0,75 11200 40 1,4

Рис. 7.10. Конструкція хвилеводного смугового фільтра на iндуктивних стержнях

7.5. Опис вимірювальної установки і порядок виконання роботи

На рис. 7.11 зображено структурну схему вимірювальної установки. Досліджуваний фільтр включають як чотириполюсник з узгодженим навантаженням. Вимірювання виконують за допомогою панорамного вимірювача КСХ типу Р2-6І, призначеного для вимірювання та відтворення на екрані ЕПТ частотних характеристик КСХ і для вимiрювання послаблення

елементів хвилеводних трактів. Фільтр з узгодженим навантаженням вмикається на виході направлених відгалужувачів "падаюча – відбита".

Користуючись технічним описом та iнструкцією по експлуатації Р2-6І, необхідно підготувати прилад до вимірювань і виконати вимірювання заданих характеристик фільтрів. При проведенні вимірювань після встановлення характеристики фільтра на екрані слід звузити смугу качання до мінімально можливої, а вимірювання величин КСХ проводити на найчутливішій шкалі.

7.6. Контрольні запитання

1. Як реалізується на НВЧ еквівалентна схема у вигляді послідовного контура, ввімкненого послідовно?

2. Як вимірюється навантажена добротність?3. Яка еквівалентна схема прохідного резонатора, ввімкненого

послідовно?4. Нарисувати структуру поля коливання Н101 у резонаторі, виконаному

на відрізку прямокутного хвилеводу.5. Визначити найнижчий тип коливань у резонаторі.6. Які переваги та недоліки смугових фільтрів з максимально плоскою і

чебишевською характеристиками?7. Як визначається відстань між діафрагмами в прохідному резонаторі

фільтра?8. Як вибирається відстань між резонаторами в смуговому фільтрі?9. З яких міркувань вибирається кількість резонаторів у смуговому

фільтрі?10. Нарисувати схему вимірювальної установки для дослідження

смугового фільтра.

7.7. Список використаної та рекомендованої літератури

Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая злектродинамика. Μ., 1971.Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенян И.П. Техника сверхвысоких

частот. М., 1974.Конструкция СВЧ-устройств и экранов / Под ред. A.M. Чернушенко. Μ.,

1990.Дьяконов В.П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах М.,

1989.

Лабораторна робота № 8ДОСЛІДЖЕННЯ OБ'ЄМНИХ РЕЗОНАТОРІВ НВЧ

Мета роботи – вивчення резонансних властивостей i характеристик об'ємних резонаторів у сантиметровому діапазоні хвиль.

8.1. Загальні відомості

У діапазоні НВЧ важко створити коливальні контури із зосереджених елементів з високою добротністю. Тому в цьому діапазоні коливальні системи будують із елементів з розподіленими параметрами (відрізки двоправідної, коаксіальної, смужкової лінії хвилеводів та ін.). Із рівнянь Максвелла [1] випливає, що в ізольованому від зовнішнього простору об'ємі, заповненому середовищем без втрат, може існувати, як і у звичайному резонансному контурі без втрат, незатухакяий коливальний процес. Такі системи одержали назву об'ємних резонаторів. Наприклад, резонатором буде об'ем, обмежений з усіх боків металевою поверхнею (короткозамкнутий відрізок коаксіальної лінії або металевого хвилеводу). Основною перевагою об'ємного резонатора порівняно з контурами із зосереджених елементів є відсутність втрат на випромінювання через повне екранування поля стінками резонатора і втрат у діелектрику, тому що принципово введення діелектриків в середину резонатора не є необхідним. Теплові втрати в металевій оболонці резонатора також значно менші, ніж у провідниках звичайних контурів із зосереджених елементів, завдяки великій внутрішній поверхні, по якій протікають високочастотні струми.

Слід зазначити, що, на відміну від звичайних контурів, об'ємні резонатори резонують не на одній частоті, а на нескінченній множині дискретних частот, причому кожній резонансній частоті відповідає певна структура поля в резонаторі. Нижнім коливанням називають таке, якому при заданих розмірах резонатора відповідає певна структура поля в резонаторі при мінімальній резонансній частоті. Якщо резонансні частоти двох або декількох видів коливань однакові між собою, то такі види коливань називаються виродженими. Основними параметрами, що характеризують об'ємні резонатори, є: 1) резонансна довжина хвилі (або резонансна частота fp); 2) добротність Q; 3) активна провідність G. У загальному випадку резонансну довжину хвилі та структуру поля в об'ємному резонаторі знаходять, розв'язуючи хвильове рівняння за граничних умов, які визначаються формою та геометричними розмірами резонатора. Розв'язання такої задачі суттєво спрощується, якщо резонатор утворений із відрізка лінії передачі з відомою структурою електромагнітного поля.

Добротність об'ємного резонатора визначається за формулою:

, (8.1)

де Wср – середнє за період значення енергії, яка запасається в резонаторі;

ΔW – зміна енергії, яка запасається в резонаторі за період.

У загальному випадку втрати в резонаторі дорівнюють:

, (8.2)

де Wcp – енергія втрат за період коливань в оболонці резонатора;∆Wg – енергія втрат за період коливань у середовищі, що заповнює

резонатор;∆WE – енергія, що віддається резонатором у зовнішні пристрої;∆Wвипр – енергія, що випромінюється.

Основним параметром є власна, або ненавантажена добротність Qo, що визначаеться як відношення енергії яка запасається в: системі, до енергії втрат за період коливань тільки всередині резонатора. На відміну від неї, навантажена добротність Qн враховує розсіювання енергії як в резонаторі, так і у підвідних колах. Зрештою, відношення енергії, яка запасається, до втрат за період тільки у зовнішніх кодах визначає так звану зовнішню добротність Qзовн. Між названими видами добротності існує певний зв'язок:

У техніці НВЧ широко поширені об'ємні резонатора у вигляді короткозамкнутих відрізків регулярних ліній передачі. У цьому випадку резонатор утворюється відрізком лінії передачі довжино ℓ, з обох боків замкнутим накоротко за допомогою iдеально провідних металевих пластин, перпендикулярних до поздовжньої осі лінії. При збудженні коливань у такому резонаторі вздовж його осі встановлюється стояча хвиля, в якій відповідно до граничних умов на торцевих закорочуючих пластинах знаходяться вузли поперечної складової напруженості електричного поля. Тому довжина об'ємного резонатора дорівнює цілому числу півхвиль коливання, що поширюється по регулярній лінії передачі:

, (8.3)

де ρ = 1, 2, 3, ..., .

Підставивши сюди вираз для , визначимо резонансну

довжину хвилі резонатора:

, (8.4)

де λкр – критична довжина хвилі, що поширюється по лінії передачі;ρ – кількість півхвиль стоячої хвилі, яка встановлюється вздовж осі

резонатора.

Класифікація коливань у таких об'ємних резонаторах здійснюється відповідно до типу хвилі. Щоб розрізняти коливання з різною кількістю півхвиль, вводять додатковий індекс ρ, що дорівнює кількості півхвиль у стоячій хвилі. Оскільки в передавальних лініях можуть поширюватись хвилі ТЕМ, Hmn, Emn, то в резонаторах існують коливання видів ТЕМ p, Hmnp, Emnp. Виходячи з граничних умов, неважко показати, що для коливань ТЕМр і Hmnp

індекс ρ > 1, а для Emnp > 0.Як і у випадку хвилеводів, як елементи зв'язку з об'ємними

резонаторами застосовують електричні та магнітні вібратори, отвори зв'язку. Знаючи структуру потрібного коливання в резонаторі, легко вибрати орієнтацію збуджуючого штиря або рамки.

Отвір зв'язку слід прорізати в такому місці об'ємного резонатора, де є або максимум нормальної до площини отвору електричної складової поля, або максимум дотичної до площини отвору складової магнітного поля.

На рис. 8.1 показано деякі приклади збудження об'ємних резонаторів, а на рис. 8.2 – структури електричних і магнітних полів у коаксіальному півхвильовому, прямокутному і циліндричному резонаторах.

8.2. Прохідний об'ємний резонатор

Прохідним резонатором назввають об'ємний резонатор. утворений двома плоскими неоднорідностями, розміщеними на відстані l одна від одної (рис. 8.3).

Таким неоднорідностями можуть бути ініуктивні або ємнісні діафрагми, гратка з реактивних штирів, отвори зв'язку тощо.

Рис. 8.1. Приклади збудження об’емних резонаторів: а – коливання виду ТЕМf; б – коливання виду Н101; в – коливання виду Ε101; г – коливання

типу H101

Навантажена добротність такого прохідного резоштора визначається за формулою:

, (8.5)

де f0,5 – розстроєння, при якому потужність, що надходить в узгоджене навантаження, ввімкнене на виході резонатора, вдвічі менша за потужність, що надходить у це навантаження на резонансній частоті.

Визначимо частотну характеристику резонатора, тобто залежність потужності, що надходить в узгоджене навантаження, ввімкнене на виході резонатора, від частоти. Кожну з плоских неоднорідностей, що стоять на вході та виході резонатора, можна охарактеризувати за допомогою матриці розсіювання:

, (8.6)

де S11 – коефіцієнт відбиття від кожної неоднорідності;S21 – коефіцієнт передачі.

Розглянемо випадок,коли на вході і виході резонатора стоять однакові неоднорідності (наприклад,однакові ґратки з індуктивних штирів або два отвори). Нехтуючи втратами енергії в неоднорідноcтях і стінках резонатора, можна записати:

. (8.7)

Нехай на вхід резонатора надходять падаюча хвиля з амплітудою Εпад. Частина енергії падаючої хвилі відбивається від першої неоднорідності, а частина проходить у резонатор: Е1відб = S11 εпад, Е1пр = S21 Епад. Хвиля Е1пр

поширюється по резонатору, доходить до другої неоднорідності, одержавши фазовий зсув βl, частково відбивається від неї і, ще раз пройшовши резонатор, повертається до першої, неоднорідності з фазовим зсувом 2βℓ, частково проходить через неї і створює відбиту хвилю на вході резонатора:

Проводячи аналогічні міркування для хвиль всередині резонатора, можна показати, що на вході резонатора буде нескінченна кількість відбитих хвиль, а на виході – тих, що пройшли. Підсумовуючи всі відбиті хвилі, маємо:

. (8.8)

Аналогічно сумарне поле на виході резонатора:

. (8.9)

Рис. 8.2. Структура електричних і магнітних полів у півхвильовому коаксіальному, прямокутному і циліндричному резонаторах

Рис. 8.3. Умовне подання прохідного об'ємного резонатора

При |S11| < І ряди (8.8) i (8.9) – геометричні прогресії, що сходяться. Підсумувавши нескінченні ряди, одержимо вираз для результуючого коефіцієнта відбиття на вході Γ І для коефіцієнта передачі резонатора Τ:

(8.10)

У результаті підстановки виразу (8.7) у рівняння (8.10) одержимо:

, (8.11)

де S11 = |S11|eіφ1

Із формули (8.11) випливає, що вся енергія падаючої хвилі надходить на вихід резонатора, тобто |Т|2 = 1, коли:

, (8.12)

де ρ = 1, 2, 3.

Підставивши у залежність (8.12), знайдемо резонансну довжину

резонатора:

, (8.13)

Тільки на частоті, при якій виконується рівність (8.12) (це резонансна частота резонатора fp), |T|2 = 1, при відхиленні від неї амплітуда хвилі, що пройшла, зменшується. На рис. 8.4 зображено частотну характеристику коефіцієнта передачі. З умови, що на межі смуги 2Δf0,5 = 0,5, можна обчислити 2Δf0.5 i визначити навантажену добротність прохідного резонатора. Аналогічну частотну залежність коефіцієнта передачі має паралельний контур, увімкнений в лінію паралельно.

Рис. 8.4.Частотна характеристика,коефіцієнта Τ передачі прохідного резонатора

Власну добротність прямокутного об'емного резонатора з коливанням Н101 за відсутності в ньому діелектричних втрат можна визначити за формулою:

, (8.14)

де а, б, ℓ – внутрішні розміри порожнини резонатора; – глибина проникнення поля в метал.

Прохідний резонатор або близький до нього резонатор з одним отвором зв'язку часто реалізується у вигляді відрізка хвилеводу прямокутного перерізу. В такому резонаторі збуджується основний тип коливань Н101, тобто по довжині резонатора укладається одна півхвиля електромагнітного поля. Наявність зв'язку (наприклад, діафрагми або отвору) приводить до того, що довжина Резонатора дещо відрізняється від половини довжини хвилі. Якщо Розглядати резонатор з урахуванням шунтуючої дії діафрагми, то Резонансна частота виражається таким співвідношенням:

, (8.15)

де с – швидкість світла;ℓ – довжина резонатора;а – розмір широкої стінки хвилеводу;

α – коефіцієнт загасання в хвилеводі, частина якого утворює резонатор;

X – коефіцієнт зв’язку, що визначається відношенням провідності передавальної лінії γ0 до зведеного значення активної провідності резонатора.

Коефіцієнт загасання можна обчислити за формулою, дБ/м:

, (8.16)

де б – провідність стінок резонатора, (Ом .Μ)-1;ω = 2π·f , рад/с;а і b – розміри широкої та вузької стінок хвилеводу, м;

.

За розрахованим значенням коефіцієнта загасання величина власної добротності резонатора:

, (8.17)

де λ0, λχ – відповідно резонатора довжина хвилі та довжина хвилі в хвилеводі, що утворює резонатор.

Значення зовнішньої та навантаженої добротностей можна знайти за допомогою коефіцієнта зв’язку X :

, (8.18)

Крім розрахункового визначення добротності існують три основних методи експериментального визначення добротності порожню·тих резонаторів:

1) повних опорів (вимірювання Q за допомогою вимірювальної лінії);2) визначення за резонансною характеристикою;3) вимірювання декремента затухання.Вимірювання добротності за резонансною характеристикою

застосовується у тих випадках, коли допускається ввімкнення об'єкта дослідження за схемою чотириполюсника, тобто є два зв’язки з передавальними лініями. Метод декремента загасання використовується переважно для вимірювання досить великих добротностей порожнистих резонаторів з надпровідних структур.

Метод повних опорів дозволяє одержати значення власної, навантаженої та зовнішньої добротностей системи. Звичайно вимірювання цим методом

добротностей у діапазоні від кількох сот до десятка тисяч не пов'язано з труднощами. Вимірювання більш низьких значень добротностей потребує модифікації методу.

Якщо резонатор має тільки один елемент зв'язку, то вимірювання проводять методом двополюсника. Один із досить поширених способів вимірювань добротностей цим методом оснований на вимірюванні коефіцієнта стоячої хвилі в лінії, на кінці якої знаходиться резонатор, залежно від довжини хвилі генератора.

Активна провідність резонатора поблизу резонансної частоти практично незмінна. Тому можна вважати, що вхідна провідність резонатора при збільшенні довжини хвилі змінюється на полярній круговій діафрагмі повних провідностей по колу С = const. Залежність КСХ у лінії від довжини хвилі зображено на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Залежність КСХ у лінії передачі, навантаженій на резонатор, залежно від довжини хвилі

Найменша величана КСХ, позначена через р0, відповідає резонансній довжині хвилі λ0 і дорівнює або G, aбo 1/G, де G – активна провідність у площині вхідного вікна, виражена у відносних одиницях.

Щоб визначити параметри резонатора, необхідно розв'язати невизначеність між G = Ро і G = 1/р. З цією метою звичайно розглядають фазову характеристику порожнистого резонатора, яка являє собою залежність положення мінімуму стоячої хвилі в підвідній лінії від довжини хвилі генератора. Типовий вигляд фазових характеристик зображено на рис.8.6.

Через ℓmln тут позначено відстань між резонатором i одним із найближчих мінімумів напруги. Як видно з рис. 8.6, а, у випадку перезв'язку резонатора з вихідною лінією (G < І), коли коло G = const на рис. 8.6, а

охоплює центр кругової діаграм, різке розстроювання генератора відносно резонансу приводить до зміщення мінімуму на величину ±λx/4 Таким чином, при G < 1 фазова характеристика резонатора зазнає поблизу резонансу повного зміщення, яке наближається до половини довжини хвилі в розглядуваній лінії.

Рис. 8.6. Фазові характеристики резонаторів при різному зв'язку

Рис. 8.7. Кругові діаграми для резонаторів при різному зв'язку:Інша справа в режимі недозв'язку (G > 1), коли коло G = const на рис.8.7,

б не охоплює центра кругової діаграми.

a – G < 1; б – G > 1

Мінімум стоячої хвилі при різкому розстроюванні в обидва боки від резонансу повертається в положення, де він знаходився при резонансі. Максимальне відхилення фазової характеристики у цьому випадку завжди менше λχ/4, як показано на рис. 8.6, б.

Звідси випливає, що, маючи експериментально зняту криву p = f(λ) і визначивши додатково за точками вид фазової характеристики ℓmіn = f(λ), можна знайти важливий параметр порожнистого резонатора – активну провідність G, приведену до входу лінії та виражену у відносних одиницях.

Діапазонні характеристики р = f(λ) і ℓmin = f(λ) дають можливість визначити добротності резонатора.

Із теорії відомо таке:

, (8.19)

, (8.20)

, (8.21)

де B – реактивна провідність резонатора, виражена у відносних одиницях і виміряна відносно тієї ж площини відліку, для якої визначено активну провідність G .

Величини λ0 i G, що входять до рівнянь (8.19) – (8.21), можна безпосередньо розрахувати за допомогою експериментально знятих графиків (див. рис. 8.5 і 8.6, а, б). Щоб обчислити значення Q, необхідно знати додатково величину dB/dλ або, в силу лінійності залежності B = f(λ), величину [B]/Δ λ. 3 цією метою можна використовувати графік ρ = f(λ), показаний на Рис. 8.5. Виберемо на графіку будь-яку з точок, що відповідає Довжині хвилі λχ i не дорівнює λ0. Проведемо на круговій дiаграмі коло ρ = = const, яке відповідав виміряній величині КСХ (див. рис. 8.7). Точка перетину кіл р = const і G = const визначає абсолютну величину реактивної провідності В при даному розстроюванні:

∆λ = |λχ – λ0|

Після цього можуть бути обчислені величини, які нас цікавлять, із таких рівнянь:

, (8.22)

, (8.23)

, (8.24)

При розрахунках добротностей достатньо здійснити відлік |B| у даній точці. Для підвищення точності, однак, можна користуватись вимірюваннями КСХ при різних значеннях довжини хвилі, вибираючи значення КСХ, зручні з практичної точки зору.

Такі ж результати можна одержати й аналітичним шляхом, обминаючи графічний розрахунок. Нескладні обчислення приводять до такого виразу, який зв’язуе абсолютну величину реактивної провідності B з модулем коефіцієнта відбиття Γ:

, (8.25)

Після визначення величини Б добротності Qo, QH i Qзовн розраховуються за рівняннями (8.22) – (8.24) і (8.25).

8.3. Опис вимірювальної установки

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 8.8. Дослідження резонаторів виконується за допомогою панорамного вимірювача КСХ Р2-6І, призначеного для вимірювання та відтворення частотних характеристик КСХ і послаблення елементів хвилеводних трактів (див. технічний опис вимірювача КСХ Р2-6І). Резонаторі вмикаються або на "прохід" (як чотириполюсник) з наступним приєднанням узгодженого навантаження, або як двополюсник у вигляді навантаження тракту направлених відгалужувачів ("падаюча" і "відбита").

8.4. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

1. Розрахуйте резонансні частоти півхвильового резонатора, виконаного з відрізка прямокутного хвилеводу, з критичним зв'язком (X = 1) для трьох різних матеріалів стінок (дані для розрахунку беруть з табл. 8.1, причому номер варіанта завдання збігається з порядковим номером студента в груповому журналі).

Таблиця 8.1

№п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9

, мм 18,0 18,4 18,8 19,0 19,2 19,4 19,6 19,8 20,0

№п/п 10 11 12 13 14 15 16 17 18

, мм 20,2 20,4 17,6 20,8 21,0 21,2 21,4 17,0 21,8

№п/п 19 20 21 22 23 24 25 26

, мм 22,0 17,2 16,4 16,0 15,8 15,0 15,2 15,5

Розміри хвилеводу: Q = 23,0 mm; b = 10,0 мм.Матеріали стінок резонатора:

срiбло – σ = (1,6·10-8)-1 (Ом·м)-1, μС = 1;алюмiнiй – σ = (3,2·10-8)-1 (Ом·м)-1, μС = 1;сталь – σ = (20·10-8)-1 (Ом·м)-1, μС = 12;ε0 = (8,85·10-12 Ф/м.

2. Знайдіть значення власної добротності резонаторів.3. Зніміть залежність КСХ від частоти і розрахуйте κοефіціент передачі

від частоти Τ = F(f) для прямокутного, циліндричного та сферичного резонаторів, увімкнених за прохідною схемою (схемою чотириполюсника), а також перестроюваного циліндричного резонатора, ввімкненого на відсмоктування (адсорбційне ввімкнення, що характеризується мінімумом проходження сигналу при резонансі).

4. Ввімкніть прямокутний резонатор за схемою двополюсника. Зніміть залежність КСХ – F(f) i обчисліть Τ = F(f) для діафрагм з одним, двома i трьома отворами зв'язку. Резонатор збирають з відрізка прямокутного хвилеводу з рухомим поршнем і відповідною діафрагмою. На основі

одержаних експериментальних даних визначіть модуль коефіцієнта передачі та відбиття, а також розрахуйте навантажену добротність.

8.5. Порядок виконання роботи

1. Зібрати вимірювальний НВЧ тракт відповідно до схеми на рис. 8.8. До виходу вимірювального тракту під'єднати один із прохідних резонаторів. На виході резонатора ввімкнути узгоджене навантаження.

2.Підготувати до роботи і ввімкнути блоки Р2-61 для прогріву протягом 15 хв.

3. Виміряти характеристики КСХ = F(f) Щоб підготувати прилад до цих вимірювань, потрібно:

а) натиснути кнопку F1, F0 ручкою F1, F0 встановити на табло генератора хиткої частоти (ГКЧ) нижню частоту смуги, користуючись даними табл. 8.2;

б) натиснути кнопку F2, АF ручкою F2, АF встановити на табло ГКЧ верхню частоту смуги коливання, користуючись даними табл. 8.2.

Таблиця 8.2

Данi для разрахунку№п/п Вид резонатора F1, F0,

ГГцF2, ΔF,

ГГц1 Прямокутний 10,0 11,5

2 Сферичний 8,5 12,0

3 Цилiндричний 10,5 12,0

4 Цилiндричний перестроюваний 10,5 12,0

5Перестроюваний з прямокутнимкороткозамикаючим поршнем(довжина 19...21 мм)

9,0 10,5

4. Користуючись технічним описом Р2-61, переконатись у наявності частотних міток і можливості їх регулювання. Встановити амплітуду і частоту міток за інструкцією.

5. Для більш точного вимірювання КСХ у діапазоні робочих частот резонатора звузити діапазон коливання частоти ГКЧ до MІнімального значення. Частотний інтервал між точками вибирати з урахуванням крутості характеристики досліджуваного резонатора. Вимірювання КСХ проводити за найчутливішою шкалою індикатора.

6. Користуючись експериментальними результатами, визначити модуль коефіцієнта відбиття і передачі за формулами

а також навантажену добротність досліджуваних резонаторів.

8.6. Контрольні запитання

1. Чому дорівнює зовнішня добротність резонатора?2. З якої умови визначається довжина резонатора?3. Чим визначається iснування певного типу коливань у резонаторі?4. Як вимірюється резонансна довжина хвилі?5. Як вимірюється навантажена добротність резонатора?6. Чому дорівнює навантажена добротність резонатора?7. Яка еквівалентна схема прохідного резонатора, ввімкненого в лінію

послідовно?8. Нарисувати схему збудження коливання H101 у циліндричному

резонаторі.9. Нарисувати схему збудження коливання Н101 у прямокутному

резонаторі.10. Від чого залежить коефіцієнт передачі резонатора при заданій

власній добротності?11. Яка добротність прохідного резонатора вимірюється в даній

лабораторній роботі?12. Нарисувати схему вимірювальної установки для дослідження

резонатора, що застосовується в цій роботі.13. Від чого залежить власна добротність об'ємного резонатора?

8.7. Список використаної та рекомендованої літератури

Вольман В.И., Пимеиов Ю.В. Техническая электродинамика. Μ., 1971.Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких

частот. Μ., 1974.Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ. М., 1970.Муравцов А.Д. Изучение резонансних свойств объемных резонаторов.

Μ., 1977.

Лабораторна робота №9ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРАВЛЕНОГО ВІДГАЛУЖУВАЧА

Мета роботи – вивчення побудови направленого відгалужувача і його основних характеристик.

9.1. Загальні відомості

Направленим відгалужувачем називається пристрій, який дозволяє відгалужувати частину потужності в додатковий хвилевід, а також роздільно вимірювати iнтенсивності падаючої та відбитої хвиль у хвилеводі.

Принцип направленого зв'язку пояснює рис. 9.1, на якому зображено ділянку двох нескінченно довгих хвилеводів із спільною для них вузькою стінкою. У цій стінці є два однакових отвори, які мають настільки малий діаметр, що майже не створюють відбиття у хвилеводах. Відомо, що поблизу вузької стінки хвилеводу для хвилі Η10 існує тільки магнітна складова поля, і тому зв'язок хвилеводів через отвори буде теж тільки магнітним.

Рис. 9.1. Хвилеводи, зв’язанi двома отворами зв’зку

Припустимо, що електромагнітна хвиля у верхньому хвилеводі поширюється зліва направо, а нижній хвилевід електромагнітної хвилі не має.

Під дією поля верхнього хвилеводу отвори поводитимуться як випромінювачі малих розмірів, і від них у нижньому хвилеводі в обидва боки від кожного отвору розходяться електромагнітні хвилі.

Задача полягає в тому, щоб визначити сумарні поля нижнього хвилеводу справа і зліва від ділянки з отворами.

Позначимо напруженість магнітного поля верхнього хвилеводу в перерізі 1 буквою Н1. Тоді в перерізі 2 поле запізнюватиметься на кут αℓ і визначиться виразом:

, (9.1)

де ℓ – відстань між отворами;

– стала поширення;

λх – довжина хвилі у хвилеводі.

Такі ж фази матимуть поля в нижньому хвилеводі, в перерізах 1 і 2. Їх амплітуди Н'1 і Н'2 однакові, оскільки отвори однакові, але значно менші за Н1. Вводячи коефіцієнт пропорційності Κ, знайдемо напруженості полів нижнього хвилеводу в перерізах 1 і 2:

, . (9.2)

Виберемо а нижньому хвилеводі нові перерізи 5 і 4, що знаходяться на відстанях z від старих.

Складові поля в перерізі 4 такі:

вiд отвору 1 ;

вiд отвору 2 .

Їх сума дасть поле так званої прямої хвилі, напруженість якої:

. (9.3)

Аналогічно знайдемо складові поля в перерізі 3:

вiд отвору 1 ;

вiд отвору 2 .

Сумарне поле в перерізі 3 являтиме собою так звану зворотну хвилю:

. (9.4)

З цього виразу видно, що амплітуда поля зворотної хвилі залежить від відстані між отворами.

Останню можна вибрати такою, щоб зворотна хвиля зникла, наприклад, при l = λХ/4. Тоді у нижньому хвилеводі електромагнітна енергія буде присутня лише в правій половині.

Якщо змінити напрямок поширення електромагнітної хвилі в верхньому хвилеводі на протилежний, то у нижньому хвилеводі хвиля поширюватиметься тільки ліворуч від ділянки з отворами, а праворуч поле дорівнюватиме нулю.

Якщо у верхньому хвилеводі існують хвилі обох напрямків, наприклад, зліва направо поширюється падаюча хвиля, а справа наліво – відбита, то у нижньому хвилеводі їх поля розділяться: у правій половині буде поле, створене падаючою хвилею, а в лівій – відбитою.

У цьому полягають явища направленого зв'язку.Побудову направленого відгалужувача зображено на рис. 9.2. Він

складається з двох відрізків хвилеводів 1 і 2. В основний хвилеводний тракт, по якому відбувається передача, включається хвилевід 1. Хвилевід 2 зв'язаний з ним отворами 3. Один кінець другого хвилеводу є виходом відгалужувача. Він зігнутий під прямим кутом і має фланець. Другий кінець закритий узгодженим навантаженням 4. Наявність цього навантаження є необхідною умовою роботи направленого відгалужувача. Якщо порівняти рис. 9.1 і 9.2, то видно, що навантаження заміняє ліву частину нижнього хвилеводу, в якій поглинається хвиля, що йде ліворуч (утворена відбитою

Рис. 9.2. Перерiз направленого вiдгалуджувача з двома отворами зв’зку

хвилею). Якщо на, вантаження погано узгоджене, то ця хвиля частково відіб’ється і відбита доля енергії поширюватиметься праворуч, домішуючись до прямої хвилі. У результаті цього робота направленого відгалужу, вача значно погіршиться. Є ще ряд причин погіршення направленості. Існують також способи покращання роботи направленого відга-лужувача. Наприклад, деякий виграш направленості одержимо, якщо застосуємо для зв’язку не одну пару отворів, а дві, розмістивши їх уздовж хвилеводу одну за одною, як показано на рис. 9.3. Відстань між отворами кожної пари робиться такою, що дорівнює λХ/4, а відстань між центрами пар – непарному числу чвертей хвилі. Кожна пара отворів створює направлений зв’язок. Через неідеальну направленість від кожної пари утвориться залишок зворотної хвилі, пропорційний H3вор. Обидві залишкові зворотні хвилі поширюються ліворуч.

Фазова різниця між ними дорівнює непарному числу π. Отже, вони додатково послаблюватимуть одна одну, і результуюче поле зворотної хвилі у нижньому хвилеводі зміниться. Хвилі, що поширюються праворуч, підсилюють одна одну, внаслідок чого направленість зростає.

Якщо зменшити відстань між центрами пар до λх /4, то ближні отвори сумістяться і одержимо направлений відгалужувач з трьома отворами.

Від середнього відгалужувача має бути хвиля з амплітудою, вдвічі більшою, ніж від кожного з крайніх. Тому середній отвір роблять більшого

діаметра. Переріз направленого відгалужувача з трьома отворами зображено на рис. 9.4.

Рис. 9.3. Зв’язок за допомогою чотирьох отворів

Рис. 9.4. Направлений вiдгалуджувач з трьома отворами зв’зку

Можливе й подальше підвищення направленості шляхом аналогічного об'єднання двох відгалужувачів, що мають по три отвори. В результаті такого об'єднання одержимо відгалужувач з чотирма отворами. Потім можна об'єднати два відгалужувача з чотирма отворами і т.д.

Характеристики направленого відгалужувача:а) коефіцієнт передачі або перехідне послаблення;б) коефіцієнт просочування або направленість;в) коефіцієнт стоячої хвилі в первинному хвилеводі.У цій лабораторній роботі досліджуються перші два показники

відгалужувача.Коефіцієнтом передачі направленого відгалужувача називається

відношення прямої хвилі у відгалужувачі до потужності в первинному хвилеводі:

або , (9.5)

де Ρ'пад – потужність прямої хвилі відгалужувача в додатковому хвилеводі, який приймає падаючу хвилю з первинного хвилеводу;

Рпад – потужність падаючої хвилі в первинному хвилеводі;Р'відб – потужність прямої хвилі у відгалужувачі, орієнтованому на

приймання відбитої хвилі з первинного хвилеводу;Ρ відб – потужність відбитої хвилі в первинному хвилеводі.

Перехідним послабленням називається величина, обернена коефіцієнту передачі і виражена в децибелах:

aбо. (9.6)

Коефіцієнт передачі відгалужувача залежить від розміру та кількості отворів, а також від частоти.

На рис. 9.5 зображено залежність перехідного послаблення від частоти для направленого відгалужувача з трьома отворами.

З цього графіка можна вивести залежність коефіцієнта передачі від частоти.

Із збільшенням розміру та кількості отворів коефіцієнт передачі збільшується.

Коефіцієнтом просочування направленого відгалужувача називається відношення комплексних амплітуд на його виході при зворотному та прямому включеннях первинного хвилеводу, якщо в обох випадках відбита хвиля в ньому відсутня:

, (9.7)

де Hзвop – комплексна амплітуда поля на виході відгалужувача при зворотному включенні первинного хвилеводу, тобто коли на виході ідеального відгалужувача поле повинно було б бути відсутнім;

Ηпрям – комплексна амплітуда поля на виході відгалужувача при прямому включенні первинного хвилеводу.

Рис. 9.5. Залежнiсть перехiдного послаблення направленого вiдгалуджувача вiд частоти

Амплітуди Нз6ор і Нпрям, що входять в рівняння (9.7), збігаються з позначеними на рис. 9.1.

Коефіцієнт просочування характеризує якість направленого зв’язку відгалужувача, показує величину небажаної компоненти поля, що просочується на вхід відгалужувача.

Коефіцієнт просочування – комплексна величина. Його модуль значно менший за одиницю.

Направленість – відношення потужностей на виході відгалужувача при прямому і зворотному включеннях первинного хвилеводу, якщо в обох випадках у ньому немає відбитої хвилі:

, (9.8)

де Рпрям – потужність на виході відгалужувача при прямому включенні первинного хвилеводу;

P3воp – те саме при зворотному включенні первинного хвилеводу.

Направленість і коефіцієнт просочування зв’язані між собою залежністю:

, (9.9)

і тому:

. (9.10)

Коефіцієнт просочування є більш універсальною характеристикою, ніж направленість. Так, наприклад,якщо потрібно визначити потужність на виході відгалужувана за наявності в первинному хвилеводі падаючої та відбитої хвиль одночасно, то треба враховувати фазові співвідношення між амплітудами прямої хвилі та зворотної, що просочилась. Тому необхідно користуватись коефіцієнтом просочування, в якому фазові співвідношення враховані.

Коефіцієнт просочування визначається в основному такими факторами:а) неідентичністю отворів;б) неточністю їх розміщення один відносно одного;в) відхиленням частоти генератора, в колі якого знаходиться

відгалужувач;г) неточністю узгодження кінцевого навантаження відгалужувача.Роль перших двох факторів розглянемо на прикладі відгалужувана з

двома отворами.Неідентичність отворів приводить до відмінності коефіцієнтів Κ при

одержаних полях у формулі (9.2). Позначивши ці коефіцієнти К1 і К2, перешиємо вираз (9.2) у зміненому вигляді:

;

Відповідно змінюються і рівняння (9.3) і (9.4):

;

.

Тепер, якщо вважати , то в останньому виразі зникає перший доданок. Другий залишиться при будь-яких ℓ і визначатиме залишок зворотної хвилі:

Використовуючи видозмінені залежності (9.3) і (9.4), знайдемо коефіцієнт просочування:

, (9.11)

Ще легше показати вплив неточності розміщення отворів на коефіцієнт просочування.

Скористаємось для цього виразом (9.4) і замінимо в аргументі косинуса ℓ на λх/4 + ∆f. Тоді:

Вважаючи , замінимо синус його аргументом. Тоді одержимо залишок зворотної хвилі:

. (9.12)

Поділивши рівняння (9.12) на (9.3), дістанемо коефіцієнт просочування, зумовлений неточністю відстаней між отворами:

. (9.13)

Зміна частоти викликав такий самий ефект, як і неточність розміщення отворів.

Припустимо, що у відгалужувана з двома отворами при частоті ω0

відстань між отворами i .Змінимо частоту w = wo + Δw. Тоді ос зміниться на Δα, аргумент

косинуса стане , а коефіцієнт просочування:

. (9.14)

Отже, направленість буде максимальною при частоті ω0 i в міру відхилення від цієї частоти зменшується. Це означає, що направлений відгалужувач з двома отворами придатний лише для роботи у вузькій смузі частот, на краях якої направленість не падав нижче за допустиму величину.

Можна показати, що відгалужувач з трьома отворами мас дещо кращі діапазонні властивості. Для цього повернемось до рис. 9.3 і простежимо, як залежатиме від частоти коефіцієнт просочування зображеної системи з двома парами отворів.

Позначимо відстань між отворами кожної пари буквою ℓ1, a відстань між центрами пар – ℓ2.

Перерізи, в яких розглядаються поля, знаходяться на відстані Ζ від крайніх отворів.

Поле прямої хвилі від усіх чотирьох отворів дорівнюватиме:

. (9.15)

Ліва пара отворів утворює зворотну хвилю, поле якої:

. (9.16)

Аналогічно одержимо поле зворотної хвилі від правої пари:

. (9.17)

Результуюче поле зворотної хвилі дорівнюватиме:

. (9.18)

Тепер перейдемо до відгалужувача з трьома отворами, замінивши ℓ1 = = ℓ2= ℓ і вважаючи :

, (9.19)

, (9.20)

. (9.21)

Оскільки , то буде ще меншим і смуга придатності направленого відгалужувача дещо розшириться. Нам залишилось розглянути вплив неузгодженості прикінцевого навантаження направленого відгалужувача. Із цією метою скористаємось рис. 9.4.

Якщо в первинному хвилеводі відгалужувача, зображеного на цьому рисунку, є тільки біжуча хвиля, що поширюється зліва направо, то на виході відгалужувача одержимо поле Нпрям.

Якщо тепер повернути відгалужувач на 180°, то хвиля, що пройде через отвори в нижній хвилевід, матиме таку ж саму напруженість, але буде направлена в закритий кінець, а не на вихід відгалужувача.

При неточному узгодженні навантаження в закритому кінці хвиля відіб'ється. Відбита хвиля досягне виходу відгалужувача і утворить там поле:

. (9.22)

Звідси коефіцієнт просочування:

. (9.23)

У виразах (9.22) і (9.23) коефіцієнт відбиття від кінцевого навантаження відгалужувана позначений Гвід2. Зміст ℓi i Z1 зрозумілий з рис. 9.4.

Стосовно необхідності хорошого узгодження слід також мати на увазі таке. Як уже зазначалось, один із способів збільшення направленості

відгалужувача – це збільшення кількості отворів зв'язку. Цей спосіб неефективний, якщо причиною недостатньої направленості є відбиття від кінцевого навантаження. Отже, якщо для збільшення направленості доводиться збільшувати кількість отворів зв'язку, то необхідно одночасно підвищувати вимоги до якості кінцевого навантаження. Направленість типових відгалужувачів буває близько 25...35 dB. Цим цифрам відповідає коефіцієнт просочування ξ = 0,05...0,02.

9.2. Опис вимірювальної установки

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 9.6. Вона складається з генератора, змінного атенюатора, вентиля, вимірювальної лінії, направленого відгалужувача з узгодженим навантаженням і детекторної секції з вимірювальним підсилювачем. Основний хвилевід направленого відгалужувача включається між генератором i навантаженням так, щоб вiдгалужувач приймав падаючу хвилю (пряме включення).

На вихід відгалужувача включається детекторна секція з вимірювальним підсилювачем, яка служить для індикації величини напруги, пропорційної потужності на виході відгалужувача.

9.3. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

1. Виміряйте і обчисліть коефіцієнт передачі та коефіцієнт загасання багатодіркового направленого відгалужувача в діапазоні частот 9...11 ГГц.

2. Виміряйте і визначіть направленість і коефіцієнт просочування багатодіркового направленого відгалужувача на частоті 10 ГГц.

З. Виміряйте коефіцієнт загасання п'ятидіркового направленого відгалужувача в діапазоні частот 9...11 ГГц.

4. Виміряйте КСХ для п'яти- і багатодіркового відгалужувачів, включених у прямому і зворотному напрямках з узгодженим навантаженням на частоті 10 ГГц методами заміщення та "максимуму-мінімуму".

9.4. Порядок виконання роботиА. Дослідження багатодіркового відгалужувача

1. Зібрати схему за рис. 9.6. До плеча 4 направленого відгалужувача підключити узгоджене навантаження, до плеча 2 приєднати хвилеводно-коаксіальний перехід з детекторною секцією.

2. Ввімкнути генератор і підсилювач у мережу для десятихвилинного прогріву.

3. Настроїти генератор на частоту 9 ГГц.4. Визначити залежність коефіцієнта передачі η і коефіцієнта загасання

В від частоти таким чином:

а) виміряти рівень потужності в плечі 2 (Рпрям), вважаючи показання вольтметра підсилювача величиною, пропорційною цьому рівню;

б) поміняти місцями детекторну секцію та узгоджене навантаження плечей 2 і 4;

в) виміряти рівень відгалуженої потужності в плечі 4;г) обчислити коефіцієнт передачі η і коефіцієнт загасання В за

формулами:

, ;

д) виконати вимірювання та обчислити за п. 4, а-г для частот: 9; 9.5; 10; 10.5; 11 ГГц, підтримуючи однаковим рівень вихідної потужності генератора на всіх частотах;

с) провести вимірювання коефіцієнта загасання для вказаних частот методом заміщення (див. Б, п.2);

5.Визначити коефіцієнт просочування ξ і направленість D;а) настроїти генератор на частоту 10 ГГц і встановити максимальний

рівень вихідного сигналу генератора;б) до плеча 4 підключити детекторну секцію, а до плеча 2-узгоджене

навантаження;в) виміряти рівень відгалуженої потужності Рпрям;г) включити відгалужувач у зворотному напрямку, тобто включити

плече 2 до виходу вимірювальної лінії, а до плеча 1 підключити узгоджене навантаження (див. рис. 9.6);

д) виміряти рівень відгалуженої потужності при зворотному вмиканні Pзвop;

e) обчислити направленість ξ і коефіцієнт просочування D за формулами:

,

Б. Дослідження п'ятидiркового відгалужувача

1. Увімкнути відгалужувач у прямому напрямку (частота генератора 9 ГГц).

2. Вимірювання коефіцієнта загасання B провести методом заміщення:а) підключити детекторну секцію до плеча 2, а узгоджене навантаження

– до плеча 4;б) встановити максимальне загасання атенюатора, зупинивши стрілку

iндикатора підсилювача, наприклад, на позначці "10" шкали 1,5...5 mV;в) поміняти місцями детекторну секцію та узгоджене навантаження

(плечі 2 i 4 );

г) зменшуючи загасання атенюатора, підвести стрілку iндикатора підсилювача до раніше зафіксованого рівня;

д) різниця показань атенюатора дорівнюватиме коефіцієнту загасання В відгалужувача;

3. Виконати вимірювання за п.2 для частот 9; 9.5; 10; 10.5; 11 ГГц.4. На частоті 10 ГГц провести вимірювання КСХ для кожного

відгалужувача при прямому і зворотному включеннях методами максимуму і заміщення.

5. За експериментальними даними скласти таблиці та побудувати графіки.

9.5. Контрольні запитання

1. Хід виконання роботи та схеми вимірювань. Діапазон частот, в якому проводиться робота.

2. Що таке направлений відгалужувач і які його характеристики?3. Принцип дії направленого відгалужувача з двома отворами. Як ці

отвори мають бути розміщені? Навіщо потрібно узгоджене навантаження в одному кінці відгалужувача? Як впливає точність їх виконання на роботу відгалужувача?

4. Принцип дії направленого відгалужувача з трьома і більше отворами. Чому із збільшенням кількості отворів зростає направленість і збільшується частотний діапазон відгалужувача?

5. Що таке коефіцієнт передачі? Як залежить його величина від розмірів і кількості отворів зв'язку? Що таке перехідне послаблення?

6. Що таке коефіцієнт просочування? Які фактори впливають на коефіцієнт просочування? Залежність між направленістю і коефіцієнтом просочування. Способи збільшення направленості.

7. Вимірювання перехідного послаблення направленого відгалужувача. Яку роль виконує атенюатор, включений у первинний хвилевід? Від чого залежить похибка вимірювання перехідного послаблення?

8. Що відбудеться, якщо в процесі вимірювання коефіцієнта просочування зміниться частота?

Побудова і робота атенюатора, основаного на принципі направленого відгалужувача. Інші практичні застосування направленого відгалужувача.

9.6. Список використаної та рекомендованої літератури

Чернушенко A.M., Меланченко М.Е., Малорацкий Л.Г. Конструирование экранов и СВЧ-устройств / Под ред. A.M. Чернушенко. М., 1990.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1972. Т.1.

Лабораторна робота № 10ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЛЬТРІВ НИЖНІХ ЧАСТОТ НА СМУЖКОВИХ ЛІНІЯХ

Мета роботи – вивчення основних властивостей несиметричної смужкової лінії, а також фільтрів нижніх частот, що застосовуються в НВЧ діапазоні.

10.1. Загальні відомості10.1.1. Несиметрична смужкова лінія передачі (НСЛ)

НСЛ – це двопровідна смужкова лінія передачі з поперечним перерізом

у вигляді паралельних прямих, яка має одну площину симетрії (площину 1 на рис. 10.1), паралельну напрямку поширення енергії.

На рис. 10.1: 1 – металева смужка; 2 – металевий екран; 3 – підложка з діелектрика а параметрами εо2, μ02, простір над смужкою, заповнений діелектриком з параметрами εа1, μα1. НСЛ є найпростішою і найпоширенішою лінією. У цієї лінії провідники знаходяться в однорідному ізотропному діелектрику, де εa1 = εа, μa1 = μa. На практиці часто таку лінія використовують з повітряним заповненням (εα = εо, μα1 = μ0), що дозволяв зменшувати загасання енергії, яка передається (відсутні втрати в діелектрику), і збільшити пропускання потужності, що проходить по лінії.

Рис. 10.1. Несиметрична смужкова лiнiя з дiелектричним заповненням

Однак, оскільки лінія не екранована, в ній постерігається підвищений рівень втрат на випромінювання через різноманітні неоднорідності в лінії. Ширину екрана звичайно вибирають з умова:

. (10.1)

причому поле поблизу країв така мале, що ним можна знехтувати, і характеристики такої лінії практично не відрізнятимуться від характеристик лінії з нескінченно широким екраном,

По НСЛ з однорідним заповненням можуть поширюватись хвилі типів Τ, Ε, Η. Нижчим, або основним типом, який використовується на практиці для передачі енергії по такій лінії, є хвиля типу Τ за умови, що ширина екрана задовольняє умову (10.1)

На рис. 10.2 показано структуру електричних і магнітних силових ліній хвилі Τ у поперечному перерізі лінії. Хвиля Τ має λкр = ∞ і може поширюватись на будь-якій частоі. Фазова швидкість такої хвилі:

, (10.2)

де .

Рис. 10.2. Структура електричних і магнітних силових ліній НСЛ

Довжина хвилі в лінії:

. (10.3)

Хвильовий опір Ζх НСЛ з однорідним заповненням у випадку t/h = 0 і а = = ∞ визначається за заданими геометричними розмірами і параметрами діелектрика за допомогою таких виразів:

при

, (10.4)

при

. (10.5)

Формули (10.4) і (10.5) можна застосовувати для НСЛ з вельми тонкими смужками t/h < 0,005. У випадку товстіших смужок (t/h < 0,1) можна використовувати співвідношення (10.4) і (10.5), замінивши в них ω на ωеф, де

ефективна ширина смужки зв'язана з геометричними розмірами за допомогою рівняння:

, (10.6)

де x = h при ω/h ≥ 1/(2π), Χ = 2πω при ω/h < 1/(2π).

Геометричні розміри НСЛ з однорідним заповненням за заданим Zx

можна визначити так:

при Ом

, (10.7)

при Ом

. (10.8)

Як видно із виразів (10.4) і (10.5), один і той самий Ζx можна одержати при рівних ω і h. Для того, щоб в НСЛ не могли поширюватись вищі типи хвиль, тобто щоб НСЛ працювала в однохвильовому режимі, на поперечні розміри, лінії накладають такі обмеження:

i , (10.9)

де λ визначається із виразу (10.3).10.1.2. Мікросмужкова лінія (МСЛ)

Для зменшення втрат на випромінювання між смужкою та екраном (область 2 на рис. 10.1) розміщують підложку, виготовлену і з діелектрика з високим εa2. Область 1 над смужкою заповнюють діелектриком з меншою діелектричною проникністю εа1·(εa1 < εа2). Частіше на практиці використовують повітряне заповнення для цієї області. При цьому поле сильніше концентрується в підложці між смужкою та екраном, що знижує втрати на випромінювання. Оскільки МСЛ – це лінія з неоднорідним діелектричним заповненням, хвиля Τ поширюватись в ній не може: на межі двох діелектриків виникають поздовжні складові векторів Ε і Η. Тому основною хвилею в МСЛ є гібридна хвиля (суперпозиція хвиль Е і Н ). Однак і розрахунок, і експерименти показують, що для практичних конструкцій

МСЛ на частотах f < 10 ГГц поздовжні складові полів досить малі порівняно з поперечними,і при розрахунках ними можна знехтувати, тобто вважати, що основна хвиля МСЛ – квазі-Т хвиля. Структуру полів квазі-Т хвилі в МСЛ показано на рис 10.3. Для неї λкр = ∞, тобто вона може поширюватись на будь-якій частоті. Основна відмінність цієї хвилі від хвилі Τ полягає в тому, що характеристики квазi-Т хвилі залежать від частоти.

На практиці на частотах f < 10 ГГц такою залежністю нежтують i наближено вважають, що характеристики квазі-Т хвилі від частоти не залежать. Як видно з рис. 10.3, при поширенні квазі-Т хвилі по МСЛ частина енергії рухається в області 1 з параметрами εα1, μαι, а частина – в області 2 з параметрами εa2, μ2. Тому фазова швидкість квазі-Т хвилі більша за швидкість Τ хвилі в діелектрику з εa2, μ2:

Тому, використовуючи вираз (10.2) для квазі-Т хвилі, можна записати:

. (10.10)

Рис. 10.3. Структура поля мікросмужкової лінії передачі

Для випадку звичайних немагнітних діелектриків (μа1 = μа2 = μ0) i:

, (10.11)

де εrеф – ефективна діелектрична проникність МСЛ, εГ1 < εгеф < εr2.

Основні характеристики МСЛ з квазі-Т хвилею Vφ, λ, ΖΧ можна визначити за формулами (10.2) – (10.8), замінивши скрізь εr на εreф.

Ефективна діелектрична проникність МСЛ εreф залежить від співвідношення енергій, що поширюються в областях 1 і 2, а тому і від параметрів і геометричних розмірів лінії. У випадку , , :

. (10.12)

Геометричні розміри МСЛ за відомим хвильовим опором можна визначити таким чином. Спочатку знаходять допоміжні величини:

,

Потім розраховують, щопри α > 2,1:

. (10.13)

При :

. (10.14)

Похибка обчислень sa виразом (10.13) на перевищує 1%, а за формулою (10.14) – 2%.

10.2. Порядок розрахунку фільтрів нижніх частот (ФНЧ)

У техніці НВЧ широко застосовуються східчасті відбивні ФНЧ. Еквівалентна схема таких фільтрів збігається зі схемою ФНЧ, які виготовляються із реактивних зосереджених елементів (рис. 10.4) і застосовуються на порівняно низьких частотах. Коефіцієнт передачі Τ і, відповідно, величана загасання Bφ, яка вноситься фільтром, зв’язані співвідношенням:

, (10.15)

Рис. 10.4. Еквівалентна схема ФНЧ

І залежать від розміру реактивності та кількості реактивних елементів у схемі. Кількість реактивних елементів у схемі та їх величина вибираються з умови, щоб загасання, яке вносить ФНЧ у смузі пропускання f < fn, не перевищувало заданої величини Вф < Вфmах, а в смузі загородження f < fз було не менше Bф < Bфrnіn. Задовольнити такі вимоги можна різними способами. Найширше застосування в техніці одержали два види ФНЧ: ФНЧ з максимально плоскою амплітудно-частотною характеристикою і ФНЧ з чебишевською амдлітудно-частотною характеристикою (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Види амплітудно-частотних характеристик ФНЧ

Слід зазначити, що ФНЧ з чебишевською характеристикою містить меншу кількість реактивних елементів, ніж ФНЧ з максимально плоскою характеристикою, при одних і тих самих вихідних параметрах. Частотна

характеристика загасання, яке вноситься ФНЧ з максимально плоскою характеристикою, описується виразом, дБ:

, (10.16)

де ;fn – вища частота смути пропускання.

Кількість реактивних елементів у еквівалентній схемі ФНЧ з максимально плоскою характеристикою можна обчислити за формулою:

. (10.17)

Нормування величини реактивних елементів такого ФНЧ:

, (10.18)

де і = 1, 2, 3...n.

Якщо ФНЧ навантажений на активний опір Rн, то величина Індуктивностей та ємностей реактивних елементів еквівалентної схеми визначається із співвідношень:

, Гн, (10.19)

де і = 1, 2, 3, ..., ( n – 1 )/2.

, Ф, (10.20)

де і = 1, 2, 3, ..., ( n + 1 )/ 2.

Частотна характеристика загасання, яке вноситься ФНЧ з чебишевською характеристикою, описується виразом, дБ:

, (10.21)

де ρ знаходяться із формули (10.16);Тn – поліном Чебишева 1-го роду і-го порядку.

Кількість реактивних елементів у еквівалентній схемі такого ФНЧ дорівнює:

, (10.22)

де , .

Нормування величина реактивних елементів при цьому визначається таким чином:

; , (10.23)

де і=1, 2, 3, ..., n – 1;

; ; .

Якщо n – непарне, то qn = q1, якщо n – парне, то:

Величини індуктивностей та ємностей у цьому випадку визначаються із виразів (10.19), (10.20). Таким чином, за формулами (10.16) – (10.23) можна повністю розрахувати еквівалентну схему ФНЧ, якщо задано вид амплітудно-частотної характеристики і fn, fз, Вфmax, Вфmin (див. Рис. 10.5).

10.3. Реалізація еквівалентної схеми ФНЧ у діапазоні НВЧ

Розглянемо реалізацію еквівалентної схеми ФНЧ у смужковому виконанні з використанням МСЛ (див. рис. 10.4). Для реалізації обчислених індуктивностей та ємностей еквівалентної схеми в діапазоні НВЧ звичайно використовують таку властивість короткого відрізка передавальної лінії: відрізок МСЛ довжиною ℓ з хвильовим опором Ζκ можна розглядати або як Π-подібну (рис. 10.6, а,б), або як Т-подібну схеми (рис. 10.6, б, в), що складаються з елементів із зосередженими сталими x, B:

Рис. 10.6. Еквівалентні перетворення відрізка мікроскужкової лінії

Якщю відрізок досить κοроткий (ℓ < λ/4 ), то вважають таке:

, ;

,

Очевидно, що якщо Zx відрізка лінії велике, то наближено такий відрізок еквівалентний iндуктивності:

; , тобто

Якщо ж Zx відрізка лінії малий, то наближено цей відрізок еквівалентний ємності:

, , тобто

МСЛ зменшується із збільшенням ω/h, тобто МСЛ з широкою смугою має малий Ζχ, а з вузькою – високий Ζχ.

Таким чином, реалізувати еквівалентну схему ФНЧ у діапазоні НВЧ можна шляхом послідовного включення відрізків МСЛ, які чергуються: відрізки з низьким хвильовим опором Ζx мають ширину смужки ωн, відрізки з високим хвильовим опором Ζχ – ширину смужки ωв, лінії, які підводять, з хвильовим опором – ширину смужки ω (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Конструкція ФНЧ на мікросмужковій лінії

Зв'язки між величинами індуктивностей та ємностей елементів еквівалентної схеми та геометричними розмірами відрізків МСЛ встановлюються таким чином:

1) для ємнісних провідностей:

;

; (10.24)

і т.д., де Cf – ємність за рахунок крайового ефекту в МСЛ, Ф.

де εгеф визначається для відрізка МСЛ з Ζхв і Ζхв; VΦΗ і Vфв – фазові швидкості для відрізків з Ζхн і Zχβ, відповідно;

2) для індуктивних опорів:

;

; (10.25)

.

Довжину відрізків ℓ1, ℓ2, ℓ3, ..., які утворюють ФНЧ, звичайно розраховують методом послідовних наближень:

1. Визначають у першому наближенні довжина парних відрізків МСЛ, використовуючи рівність:

, звiдки , (10.26)

i = 2, 4, 6,...

2. Одержані з виразу (10.26) величини підставляють у рівняння (10.24) і знаходять довжини непарних відрізків ℓ1, ℓ3, ℓ5.

3. Знайдені величини непарних відрізків підставляють у вираз (10.25) і визначають уточнені значення для парних відрізків ℓ2, ℓ4, ℓ6, ...

4. Уточнені значення довжин парних відрізків підставляють у залежність (10.24) і обчислюють уточнені значення довжин непарних відрізків ℓ1, ℓ3, ℓ5...і т.д.

10.4. Порядок розрахунку ФНЧ для діапазону НВЧ

1. Вихідні дані для розрахунку ФНЧ беруть із табл. 10.1, номер варіанта збігається з номером студента в груповому журналі.

2. За допомогою вихідних даних і використовуючи формули (10.17) або (10.22) визначають кількість реактивних елементів еквівалентної схеми ФНЧ. Знайдене значення округляють до цілого числа в бік збільшення.

Таблиця 10.1Вихідні дані для розрахунку ФНЧ

№п/п

ПiдложкаФорма АЧХ fn,

МГцfз,

МГц,

dB,

dBМарка h, мм1 ФФ-4 2 2 Плоска 3000 4000 3 102 ФАФ-4 2,5 1,5 Плоска 2900 4100 3 93 Кварц 3,76 1 Плоска 2800 4150 2 104 ПТ-5 5 1 Плоска 2500 3900 2,5 8

5 Полiкор 9,6 0,5 Плоска 2400 3950 2,7 96 ПТ-10 10 0,5 Плоска 2350 3950 3 117 ФФ-4 2 2,5 Плоска 2700 4150 2 98 ФАФ-4 2,5 2 Плоска 2650 4200 2,5 109 Кварц 3,76 1,5 Плоска 2600 4250 1,8 710 ПТ-5 5 1 Плоска 3100 4900 1,9 811 Полiкор 9,6 1 Плоска 3050 4950 2,2 912 ПТ-10 10 1 Плоска 3200 5000 1,7 813 ФФ-4 2 1,5 Чебишевська 3150 4800 2 914 ФАФ-4 2,5 2,5 Плоска 3250 4700 7,8 1115 Кварц 3,76 1,5 Плоска 3300 4750 2,6 1216 ПТ-5 5 1 Плоска 2950 4050 3 1517 Полiкор 9,6 0,5 Плоска 2750 4000 2,4 1318 ПТ-10 10 0,5 Плоска 2850 4200 2 1419 ФФ-4 2 2 Плоска 2550 4000 2,3 1220 ФАФ-4 2,5 2 Плоска 2540 4100 1,5 1121 Кварц 3,76 0,5 Плоска 3350 4900 2,4 1822 ПТ-5 5 1 Плоска 3400 4800 3 1523 Полiкор 9,6 1 Плоска 3150 4700 2,5 1224 ПТ-50 10 1 Плоска 3000 4150 2,3 1325 ФФ-4 2 2,5 Плоска 2950 4260 1,6 1026 ФАФ-4 2,5 2 Плоска 2900 4300 3 2027 Кварц 3,76 1,5 Плоска 2850 4100 1,2 1028 ПТ-5 5 1 Плоска 2800 4350 1 929 Полiкор 9,6 0,5 Плоска 2750 4000 1,3 1130 ПТ-5 10 0,5 Плоска 2700 4050 1,4 15

3. За формулами (10,18) aбo (10.23) розраховують нормовані значення реактивних елементів q1, q2, q3, qn

4. За виразами (10.19), (10.20) визначають величини індуктивностей і ємностей реактивних елементів еквівалентної схеми.

5. Задають величини хвильових опорів відрізків МСЛ ZXH і ZXB (див. рис. 10.7). Звичайно, виходячи із конструктивних міркувань, вибирають ΖΧΒ= = (130...180) Ом, ΖΧΗ = (20...40) Oм; хвильовий опір провідних ліній беруть Ζχ= 50 Ом. За вибраними величинами Ζх, ΖΧΗ, ΖΧΒ визначають ω, ωΗ, ωΒ (див. pис. 10.7). Із рівнянь (10.13), (10.14), вважаючи ZX = RH.

6. За формулою (10.11) знаходять швидкість поширення хвилі по провідних лініях, а також у межах кожного відрізка; εrеф обчислюють за виразом (10.12).

7. У першому наближенні із формули (10.26) визначають довжини парних відрізків ℓ2, ℓ4, ℓ6, ...

8. Із залежності (10.24) знаходять довжини непарних відрізків ℓ1, ℓ3, ℓ5,...9. Підставляючи знайдені значення ℓ1, ℓ3, ℓ5, ... у вираз (10.25), знаходять

уточнені значення довжин відрізків ℓ2, ℓ4, ℓ6,... .10. Ширину екрана a визначають за формулою (10.1).

10.5. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

1. За вихідними даними (беруть із табл. 10.1, причому номер варіанта збігається з номером студента в груповому журналі) розрахуйте еквівалентну схему, а також геометричні розміри МСЛ для заданого діапазону частот. За допомогою одержаних даних нарисуйте еквівалентну схему, а також (у відповідному масштабі) ескіз ФНЧ (див. рис. 10.7) з зазначенням на ньому всіх геометричних розмірів.

2. Зніміть залежність коефіцієнта стоячої хвилі на вході ФНЧ-1 і ФНЧ-2 від частоти. За одержаними експериментальними даними розрахуйте, нехтуючи втратами у фільтрі, модуль коефіцієнта передачі ФНЧ за формулою:

, (10.27)

де модуль коефіцієнта відбиття від входу ФНЧ визначається так:

. (10.28)

3. Обчисліть за допомогою виразу (10.15) і побудуйте залежність загасання, що вноситься досліджуваним фільтром, від частота в заданому діапазоні.

10.6. Порядок виконання роботи

1. Зібрати вимірювальний тракт відповідно до функціональної схеми (ряс. 10.8).

2. Ввімкнути панорамній осцилограф і генератор хиткої частоти, дати їм прогрітись протягом 10 хв.

3. Виміряти KСX на вході ФНЧ, для чого:а) натиснути кнопку F1F0 перемикача і ручкою встановити на табло ГХЧ

нижню частоту смуги коливання (для ФНЧ-1 F1 = 3700 МГц, для ФНЧ-2 F1 = = 4300 МГц);

б) натиснути кнопку F2F перемикача і ручкою встановити на табло ГХЧ верхню частоту смуга коливання (для ФНЧ-1 F2 = 4900 МГц, для ФНЧ-2 F2 = 4700 МГц);

в) встановити перемикачем "ВР.ПЕРЕСТРОЙКИ" період перестроювання, що дорівнює 0,08 с;

г) перемикач "ПРЕДЕЛЫ" поставити в положення, при якому характеристика КСХ досліджуваного ФНЧ повинна розміщуватись на середині екрана ЕПТ;

д) сумістити ручкою "ОТСЧЕТ" лінію електричного візира на екрані ЕПТ з потрібною точкою на характеристиці КСХ досліджуваного ФНЧ і за шкалою "КСВ" відлікового пристрою індикатора відлічиті виміряне значення;

e) для визначення частоти у точці вимірювання характеристики КСХ натиснути кнопку М1, ручкою М1 сумістити частотну мітку з цією точкою і на табло ГХЧ відлічити зазначення частота;

ж) одержані значення КСХ і частоти записати в табл. 10.2.

Таблиця 10.2Результати експерименту

F, МГц KCX |Г| |T| Bф, dB

4. Повторити п.З для всього заданого діапазону частот.5. Використовуючи експериментальні результати, за формулами (10.27),

(10.28), (10.15) обчислити і занести в табл. 10.2 величини [Г], [Т], Вф.6. Побудувати частотну залежність Вф для досліджуваного ФНЧ.

10.7. Контрольні запитання

1. Нарисувати конструкцію НСЛ і МСЛ.2. Як вибирається ширина екрана НСЛ?3. Нарисувати структуру силових ліній основного типу хвилі в НСЛ з

однорідним заповненням.4. Основні властивості нижчого типу хвилі в НСЛ з однорідним

заповненням.5. Від чого залежить хвильовиі опір НСЛ з однорідним заповненням?6. Нарисувати структуру силових ліній основного типу в МСЛ з

однорідним заповненням.7. Від чого залежить фазова швидкість основної хвилі в MCЛ.8. Що називається ефективною діелектричною проникністю в МСЛ?9. Чим визначається хвильовий опір МСЛ?

10. Як за заданою частотою генератора розрахувати довжину хвилі в НСЛ з однорідним заповненням і в МСЛ?

11. Який пристрій називається ФНЧ?12. Еквівалентна схема ФНЧ.13. Чим визначається кількість реактивних елементів еквівалентної схеми

ФНЧ?14. Види амплітудно-частотних характеристик ФНЧ, які частіше

застосовуються в НВЧ діапазоні.

15. Як реалізується в діапазоні НВЧ індуктивний реактивний елемент еквівалентної схеми?

16. Як реалізується в діапазоні НВЧ ємнісний реактивний елемент еквівалентної схеми?

17. Як експериментально знімається частотна характеристика загасання, яке вносить ФНЧ у заданому діапазоні частот?

18. Як експериментально визначається коефіцієнт відбиття від входу ФНЧ на заданій частоті?

19. Що таке смуга пропускання ФНЧ і як її можна визначити експериментально?

20. Що таке смуга загородження ФНЧ і як її можна визначити експериментально?

10.8. Список використаної та рекомендованої літератури

Чернушенко A.M., Меланченко М.Е., Малорацкий Л.Г. Конструирование экранов и СВЧ-устройств / Под ред. A.M. Чернушенко. М., 1990.

Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот / Под ред. В.М. Седых. Харьков, 1974.

Малорацкий Л.Г., Явич Л.В. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. Μ., 1972.

Лабораторна робота № 11МЕТОДИКА ЗАСТОСУВАННЯ ТА ГРАДУЮВАННЯ

ВИМІРЮВАЛЬНИХ ЛІНІЙ НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ

Мета роботи – вивчення хвилеводної вимірювальної лінії та приладів вимірювальної установки, визначення похибки вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі та фази коефіцієнта відбиття, градуювання вимірювальної лінії.

11.1. Загальні відомості

Вимірювальними лініями називаються прилади для вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ), повних опорів, втрат у фідерах і хвилеводах, довжини хвилі та добротності коливального кола, основані на визначенні розподілу поля всередині передавальної лінії. Як вимірювальні використовують коаксіальні, хвилеводні та смужкові лінії.

Сучасні вимірювальні лінії мають точність вимірювання КСХ 2...10%. На рис. 11.1 зображено схему хвилеводної вимірювальної лінії.

У відрізку хвилеводу по осьовій лінії однієї з його широких стінок зроблено поздовжню щілину, в яку занурено елемент зв'язку – зонд. Ширина щілини вибирається достатньо малою, що дозволяє уникнути помітного випромінювання енергії через неї. Для регулювання ступеня зв’язку зонда з електричним полем у лінії передбачено можливість зміни глибини занурення зонда у хвилевід.

Рис. 11.1. Вимірювальна лінія: 1 – хвилевід; 2 – зонд; 3 – пересувна каретка; 4 – детектор; 5 – внутрiшнiй резонатор; 6 – внутрiшнiй стержень

резонатора; 7 – поршень внутрiшнього резонатора; 8, 9 – зовнiшнiй коаксiальний резонатор з поршнем

Еквівалентну схему вимірювальної лінії зображено на рис 11.2.

Рис. 11.2. Еквiвалентна схема вимірювальної лінії: Yr – вихiдна провiднiсть генератора; YH – провiднiсть навантаження; YЗ – провiднiсть

зонда вимірювальної лінії, причому G – активна, а В – реактивна її частини

Енергія коливань, що відбирається зондом з лінії, поглинається в провідності G і передається далі до кристалічного детектора. Значна величина В не бажана, бо це дуже шунтуватиме лінію. Тому в конструкцію вимірювальних ліній вводять пристрій настроювання елемента зв’язку камери зонда (5 на рис. 11.1). Цей пристрій звичайно являє собою коаксiальну лiрiю з короткозамикаючим поршнем, при встановленні якого на відстані приблизно (2К + 1)/4 від вводу зонда, послідовно з В буде ввiмкнено малу реактивну провідність настроювального пристрою. Внаслідок цього сумарна реактивна провідність буде близькою до нуля.

У ряді конструкцій є можливість настроювання детекторної секції, принцип дії якої аналогічний настроюванню камери зонда. Струм детектора реєструється вимірювальним приладом, показання якого:

, (11.1)

де Κ – коефіцієнт пропорційності;Ід – струм детектора.

У загальному випадку струм детектора зв’язаний з напругою, що по подається на нього, співвідношенням:

, (11.2)

де U – напруга, що підводиться до детектора;А – коефіцієнт пропорційності.

У кристалічних детекторів, як правило, n = 2, тобто детектор квадратичний, але це обов'язково перевіряється експериментально (проводять градуювання детектора). Основне призначення вимірювальних ліній полягає у визначенні за їх допомогою КСХ. Якщо n = 2, то лінія має:

, (11.3)

де Umах і Umin – відповідно максимальне і мінімальне значення напруженості електричного поля в лінії; αmах і αmіn – показання індикаторного приладу, що відповідають Umax і Umin.

Як iндикатор можна використовувати вимірювальний підсилювач, хоча в цьому випадку відлік проводиться по вольтметру, показання якого пропорційні напрузі, яка утворюється струмом детектора на вхідному опорі приладу. Градуювання детектора справедливе лише для певного значення підсилювання (градуюється практично не тільки детектор, але й підсилювач). Необхідно також, щоб у цьому випадку коливання високої частоти були модульовані.

Принцип вимірювання параметрів еквівалентних схем НВЧ – пристроїв за допомогою вимірювальної лінії – базується на відомому зв'язку між опором навантаження i розподілом напруженості електричного поля хвилі вздовж однорідної лінії передачі, яка з'єднує вимірюване навантаження з генератором. Якщо опір навантаження ZH відрізняється від опору передавальної лінії Ζχ, то в ній встановлюється так званий режим змішаних хвиль.

Поле хвилі будь-якого типу, що поширюється в лінії передачі, може бути подано у вигляді суперпозиції падаючої та відбитої хвиль. Під падаючою розуміють біжучу (тобто таку, що поширюється в одному напрямку) хвилю, створювану генератором НВЧ. Відбитою називають біжучу хвилю в лінії передачі, що породжується навантаженням або нерегулярністю і поширюється в напрямку, зворотному падаючій хвилі. Накладаючись на падаючу, відбита хвиля приводить до утворення повторюваних максимумів i мінімумів у поздовжніх розподілах напруг і струмів, формуючи картину частково стоячих хвиль (рис. 11.3).

При аналізі процесів, що відбуваються у хвилеводах скінченної довжини, звичайно користуються методами теорії довгих ліній. основаної на концепції падаючих і відбитих хвиль. Напруга і струм у лінії розглядаються як сума напруг і струмів падаючої та відбитої хвиль:

, (11.4), (11.5)

де Ζ – відстань від кінця лінії до перерізу, який розглядається;U (Ζ), І (Ζ) – комплексні амплітуди напруги і струмів в цьому

перерізі;Uo , Іо – амплітуди напруги і струму в падаючій хвилі;β – стала поширення;λх – довжина хвилі у хвилеводі;Γ – коефіцієнт відбиття.

Рис. 11.3. Частково стояча хвиля в лінії: а) розподіл характерних точок;б) розподіл напруги

Відношення амплітуд напруги і струму біжучої хвилі дорівнює хвильовому опору лінії:

. (11.6)

Одним з основних понять теорії довгих ліній є поняття про еквівалентний опір лінії. Еквівалентним опором лінії Ζ(Ζ) називають відношення:

. (11.7)

Фізичний зміст еквівалентного опору полягав в такому: якщо лінію обрізати в площині Ζ і решту лінії (від генератора до перерізу з координатою Ζ) навантажити на опір, що дорівнює Ζ(Ζ), то розподіл напруги і струму в лінії залишиться попереднім. Еквівалентний опір, розрахований для перерізу, що відповідає, наприклад, входу лінії, називають вхідним:

. (11.8)

Відношення еквівалентного опору до хвильового опору лінії прийнято називати нормованим еквівалентним опором лінії:

. (11.9)

Нормований опір хвилеводу може бути знайдений так:

. (11.10)

У цій формулі передбачається, що початок відліку знаходиться в кінці лінії. Якщо початок відліку помістити у вузлі напруги, то формула (11.10) набуде вигляду:

. (11.11)

Режим частково стоячих хвиль у лінії передачі прийнято характеризувати за допомогою коефіцієнта відбиття за напругою (Г), коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) і коефіцієнта біжучої хвилі (КБХ). Перший являє собою відношення комплексних амплітуд напруги відбитої та падаючої хвиль у заданій точці лінії:

, (11.12)

другий – відношення напруг у максимумі та мінімумі стоячої хвилі:

, . (11.13)

11.2.Призначення і принцип дії короткозамкнутого рухомого навантаження НКП-8

Короткозамкнуте навантаження призначене для визначення величини власного КСХ лінії і непостійності зв'язку зонда з полем лінії. Необхідний

коефіцієнт відбиття забезпечує круглий поршень, що має секції великого і малого діаметрів. Довжина кожної секції складає приблизно одну чверть довжини хвилі. Таким чином, дросель з секції великого і малого діаметрів, що чергуються, робить неможливим поширення хвиль основного типу далі початку секції великого діаметра, чим і забезпечує великий коефіцієнт відбиття. Короткозамкнуте навантаження (рис. 11.4) являє собою хвилевід, виготовлений методом гальванопластичного нарощування i вклеєний в латунний корпус.

Рис. 11.4. Конструкція НКР-8: 1 – хвилевід; 2 – поршень; 3 – пружина; 4 – кулька; 5 – лімб; 6 – латунний корпус

Відлік переміщень поршня вздовж осі хвилеводу проводиться по шкалі, нанесеній на корпус, і поділках лімба. Ціна поділки лімба – 0,01 мм.

11.3. Основні джерела похибок i задачі градуювання вимірювальної лінії

При роботі з вимірювальними лініями похибки вимірювань спричиняються:

1. Наявністю зонда, який вносить в лінію неоднорідність, а тому й спричиняє появу відбиттів. Зазначений вплив зонда залежить від ступеня занурення його у хвилевід і симетричності розташування його відносно щілини.

2. Наявністю щілини, яка: по-перше, викликає деякі зміни хвильового опору і хвилеводної довжини хвилі порівняно з розрахунковою; по-друге, через неї випромінюється частина енергії хвилеводу; по-третє, на кікцях щілини внаслідок одержаної геометричної неоднорідності виникають відбиття. Ці відбиття та відбиття від інших неоднорідностей у вимірювальній лінії приводять до того, що навіть при добре узгодженому навантаженні лінїї. спостерігатиметься стояча хвиля; КСХ, що одержується при цьому

називають залишковим. Одна із задач градуювання вимірювальної лінії полягає у з'ясуванні її залишкового КСХ.

3. Наявністю детектора, від характеристики якого залежить закон, що зв'язує показання вихідного індикатора зі значенням напруженості поля в лінії. 3'ясування питання про характеристику детектора – друга основна задача градуювання вимірювальної лінії.

4. Наявністю суб’ективних помилок, пов’язаних з визначенням місцеположення мінімумів напруженості електричного поля, зі зніманням відліків по лінійці вимірювальної лінії та по шкалі індикатора.

11.4. Розрахунок випадкових похибок при прямих вимірюваннях

Значення шуканої величини при вимірюваннях визначається з деякою похибкою. Похибка є наслідком впливу на вимірювальну установку одного або цілого ряду факторів: зміна температури навколишнього середовища, наявність зовнішніх електричних полів, нестабільність джерел живлення, власні шуми вимірювальної схеми та ін.

Похибка може бути зумовлена частіше за все яким-небудь одним діючим фактором. У цьому випадку причину похибки можна виявити і врахувати при вимірюваннях. Такі похибки, зумовлені в основному однією причиною, називаються систематичними. Систематична похибка завжди одного знаку, вона або завищує, або занижуе значення вимірюваної величини.

Випадкова похибка є результатом одночасного впливу на вимірювальну установку великої кількості різних факторів. Beличина та знак випадкової похибки різні при кожному окремому вимірюванні, і усунути її при вимірюваннях неможливо, проте можна розрахувати і зменшити.

Для випадкових похибок, як правило, справедливий нормальний закон розподілу. Параметр нормального розподілу характеризує точність вимірювань і називається середньою квадратичною похибкою.

Для розрахунку випадкової похибки слід провести багатократні вимірювання досліджуваної величини, а потім розрахувати середньоквадратичну похибку. Цього достатньо для визначення випадкової похибки, якщо кількість повторних вимірювань більше 30. Якщо відліків менше 30, то необхідно ввести поправку, користуючись розподілом Стьюдента.

1. Кількість відліків велика ( N > 30 ) . Нехай X – дійсне значення величини, яка вимірюється за допомогою приладу. Розрахунок здійснюється так. Проводиться N вимірювань невідомої величини X. Одержують відліки А1, А2 , ..., ΑΝ . Дійсне значення x∂ вимірюваної величини визначається як середнє арифметичне з результатів окремих вимірювань:

. (11.14)

Величина А, суворо кажучи, не дорівнює X, але наближається до неї. Для кожного окремого вимірювання можна визначити абсолютну похибку:

. Середньоквадратична похибка в розглядуваному випадку визначається таким співвідношенням:

. (11.15)

Величина показує, яка похибка в середньому була при кожному окремому вимірюванні, і характеризує точність вимірювального методу.

При вимірюваннях також важливо знати, з якою точністю знайдене значення величини, що нас цікавить, тобто А, наближається до дійсного X:

. (11.16)

Величина σa – похибка середнього арифметичного і визначається таким чином:

. (11.17)

Величина σa залежить від кількості вимірювань N. Чим більше зроблено окремих вимірювань, тим вона менша, тобто тим точніше буде знайдено значення вимірювальної величини.

2. Кількість відліків мала (2 < N < 31) . При малій кількості відліків розрахунок випадкових похибок доцільно проводити за допомогою розподілу Стьюдента. Можна показати: ймовірності того, що середнє арифметичне з результатів вимірювання відрізняється від дійсного значення вимірювальної величини на ±|ξ|·σα визначається за таким виразом:

. (11.18)

Тут ρ{...} – шукана ймовірність;σа – визначається за формулою (1.17);|ξ| – шукане додатне число;S(t,k) – розподіл Стьюдента, в якому ; –

кількість відліків без одного.

Величина |ξ|σа являє собою випадкову помилку при вимірюваннях. Однак співвідношення (11.18) визначає тільки ймовірність того,і що помилка лежить у потрібних межах. Якщо ймовірність Ρ {...} = α близька до одиниці, то можна вважати, що величина являє собою випадкову похибку при вимірюваннях.

Для визначення множника необхідно розв’язати рівняння (11.18), яке при заданій величині ймовірності α = 0,8 – 0,9 має такий вигляд:

. (11.19)

Для зручності обчислень розв'язки рівняння (11.19) зведені в табл. 11.1 (таблиця Стьюдента – Фішера). При заданих α і k = n – 1 з цієї таблиці визначають множник |ξ|.

11.5. Опис вимірювальної установки

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 11.5. Коливання НВЧ генератора подаються через атенюатор і вимірювальну лінію на неоднорідність або на короткозамкнуте навантаження (НКР-8).

11.6. Завдання на експериментальну частину

1. Виміряти за допомогою вимірювальної лінії Р1-28 довжину хвилі і порівняти з хвилею, встановленою в генераторі. Вимірювання провести 5 разів.

2. Вирахувати середньоквадратичну похибку визначення хвилі за п.з (см. підрозд. 11.7).

3. Зазначити показник степеня в аналітичному виразі характеристики детектора вимірювальної лінії.

4. Оцінити похибку вимірювання КСХ і фази.5. За π. 5 і 7 (див. підрозд.11.7) побудувати графіки на міліметровому

папері.

Таблиця 11.1Таблиця Стьюдента – Фішера

α K=N-1

0,8 0,9 0,95 0,98 0,99 0,999

2 3,08 6,31 12,71 31,8 63,7 6373 1,886 2,92 4,30 6,96 9,92 31,6

4 1,638 2,35 3,18 4,54 5,84 12,945 1,533 2,13 2,77 3,75 4,60 8,616 1,476 2,02 2,57 3,36 4,03 6,867 1,440 1,943 2,45 3,14 3,71 5,968 1,415 1,895 2,36 3,00 3,50 5,409 1,397 1,860 2,31 2,90 3,36 5,0410 1,383 1,833 2,26 2,82 3,25 4,7811 1,372 1,812 2,23 2,76 3,17 4,5912 1,363 1,796 2,20 2,72 3,11 4,4913 1,356 1,782 2,18 2,66 3,06 4,3214 1,350 1,771 2,16 2,65 3,01 4,2215 1,345 1,761 2,14 2,62 2,98 4,1416 1,341 1,753 2,13 2,60 2,95 4,0717 1,337 1,746 2,12 2,58 2,92 4,0218 1,333 1,740 2,11 2,57 2,90 3,9619 1,330 1,734 2,10 2,55 2,88 3,9220 1,328 1,729 2,09 2,54 2,86 3,88

11.7. Порядок виконання роботи

1. Зібрати вимірювальний тракт НВЧ за рис. 11.5. До виходу вимірювальної лінії приєднати металеву пластину.

2. Ввімкнути генератор для 10-хвилинного прогрівання та вимiрювальний пiдсилювач – на 30 хвилин.

3. Переміщуючи каретку вздовж лінії, визначити положення вузлів напруженості електричного поля в лінії. Для підвищення точності визначення використати метод "вилки" і взяти різні вузли (див. рис. 11.6).

Рис. 11.6. Метод "вилки" для визначення вузлів

Результати вимірювань слід звести в табл. 11.2.Таблиця 11.2

Результати вимірювань

№п/п

L′1мм

L″1мм

L1= L′2мм

L″2мм

L2=

123...12

Для розрахунку σ0 необхідно користуватись такими формулами:

де λсеред – середнє арифметичне дванадцяти вимірювань;λ – середнє значення результатів вимірювань після вилучення грубих

промахів.Примітка. При обчисленні слід вилучити грубі промахи. Для цього потрібно обчислити середньоквадратичну похибку σQ, а за N і Ρ з табл. 11.2 знайти і розрахувати Δ ε:

. (11.20)

Одержаний результат порівняти з відхиленнями, які розраховуються:

, (11.21)

причому порівняння робити за модулем: якщо відхилення ΔЕN більше розрахованого, то відповідне вимірювання слід вилучити. Значення t взяти з табл. 11.3.

4. Вибрати вузол у середині вимірювальної лінії. Перемістити каретку для одержання максимального показання індикатора. Ручками вхідних атенюаторів вимірювального підсилювача добитися відхилення стрілки індикатора близького до максимального. Для десяти положень зонда між пучністю та вузлом визначити показання вимірювального приладу α, відмічаюча відповідні відстані d від цих положень до вузла напруженості по лінійці вимірювальної лінії, Повторити вимірювання для тих же значень d, відрахованих по інший бік від вузла. Скласти таблицю.

Таблиця 11.3Оцінка грубих промахів (критерій Романовського)

N P 0,05 0,02 0,01 0,005 0,001

2 15,561 38,973 77,964 779,70 779,643 4,969 8,042 11,460 36,50 36,4864 3,558 5,077 6,530 14,46 14,4685 3,041 4,105 5,043 9,43 9,4326 2,777 3,635 4,355 7,41 7,4097 2,616 3,360 3,963 6,37 6,3708 2,508 3,180 3,711 5,73 5,7339 2,431 3,053 3,536 5,31 5,31410 2,372 2,959 3,409 5,01 5,01411 2,327 2,887 3,310 4,79 4,79112 2,291 2,829 3,233 4,62 4,61813 2,261 2,782 3,170 4,48 4,48114 2,236 2,743 3,118 4,37 4,36915 2,215 2,710 3,075 4,28 4,276

5. Побудувати градуювання детектора в прямокутній системі координат, відкладаючи по осі абсцис величину , де d – абсолютна величина зміщення зонда відносно вузла, а λх – довжина хвилі в даній лінії. По oсі ординат відкласти величини, які дорівнюють α – середньому з показань iндикатора, що відповідають даному значенню d по обидва боки вузла.

6. Аналітичний вираз характеристики детектора має вигляд:

. (11.22)

Показник степеня n можна визначити методом двох відліків, використовуючи співвідношення, що зв'язує напруженість поля у будь-якій точці короткозамкнутої лінії з пучністю цїєї напруженості та відстанню точки від вузла напруженості:

. (11.23)

У такому разi маємо (рис. 11.7):

;(11.24)

Рис 11.7. Метод двох відліків

Струм детектора при положенні зонда в точках d1 і d2 дорівнюватиме відповідно:

,

, (11.25)

Звiдки:

. (11.26)

Якщо візьмемо Іδ2 = 2Іδ, потім проведемо скорочення у виразі (11.26) і прологарифмуємо, то кінцеву формулу одержимо у вигляді:

. (11.27)

Таким чином, взявши по індикатору значення U1 і U2 = 2U1 та відмітивши положення d1, і d2, можна визначити показник степеня в аналітичному виразі характеристики детектора.

7. Коефіцієнт відбиття, зумовлений неоднорідністю вимірювальної лінії, дуже малий, і визначити його шляхом дослідження картини стоячої хвилі, одержаної при роботі лінії на добре узгоджене навантаження, неможливо: надто незначні та невизначені коливання напруженості поля, які при цьому спостерігаються. Принцип визначення малих відбиттів базується на методі зміщення вузла, що пояснює рис. 11.8.

Рис. 11.8. Метод зміщення вузла

До вимірювальної лінії підключають зразковий реактивний опір, поршень якого ставлять у положення X. Якщо при цьому помістити зонд вимірювальної лінії у вузол напруженості поля (точка X), то відстань між зондом і поршнем дорівнюватиме цілому числу півхвиль:

або

де Хо – відстань від нуля шкали поршня до кінця лінійки вимірювальної лінії.

При переміщенні поршня вузол у вимірювальній лінії буде також зміщуватися. Якщо обидві лінії абсолютно однакові та у вимірювальній лінії відсутні неоднорідності, то зміщення вузла у вимірювальній лінії дорівнюватиме переміщенню поршня:

або

За наявності ж неоднорідностей зміщення не однакові, тобто .При цьому, якщо неоднорідність стаціонарна, то вона викликає

періодичні зміни величини . Методика вимірювання неоднорідностей така:

А. Поршень зразкового реактивного опору ставлять на нуль.Б. Методом "вилки" визначають вузол, найближчий до кінця

вимірювальної лінії, та відраховують положення X.В. Поступово переміщують поршень на півхвилі від кінця лінії так, щоб

вузол знову з’явився в точці X.Г. Оскільки відлік положення поршня потребує достатньої точності, то

далі діють таким чином: зміщують зонд на деяку величину ∆X1 = 2 мм в напрямку до генератора і, переміщуючи поршень, добиваються того, щоб вузол у вимірювальній лінії з'явився точно в точці χ, нового місцеположення зонда.

Відмічають нове положення поршня X.Д. Операцію п.В повторюють для ряду положень зонда (через 2 мм),

доки загальне зміщення зонда не буде більшим хоча б за одну півхвилю. Результати заносять в табл. 11.4.

Початкове положення поршня Х2 = ... .Початкове положення зонда X1 = ... .Примітка. В табл. 11.4 Χ'2а і Х'2б – відліки за шкалою поршня, при яких

одержуються однакові показання індикатора по один і другий бік від вузла (метод "вилки").

Е. На основі результатів вимірювань будують графіки:

або

Ж. За графіком визначають різницю між максимальним і мінімальним значеннями одержаної кривої. Цю різницю позначимо 2а.

Таблиця 11.4Результати вимірювань

№ x′1,

мм x′2a x′2б

123...9

З. За різницею обчислюють кут:

. (11.28)I. Цей кут визначає модуль шуканого коефіцієнта відбиття:

. (11.29)

К. КСХ визначиться з відомого виразу:

, (11.30)

8. Загальну максимальну похибку вимірювання КСХ за допомогою вимірювальної лінії визначають сумою похибок:

. (11.31)

Тут δ1 – похибка за рахунок непостійності зв'язку зонда з лінією:

, (11.32)

де αсеред – середнє арифметичне із значень максимальних показань індикатора (в пучностях стоячої хвилі) α1, ... αк при переміщенні каретки вздовж лінії;

αmах – найбільша а різниць між значеннями α1 ... αк;δ2 – похибка, що визначається шунтуючою дією зонда.

, (11.33)

де Υ – шунтуюча дія зонда, що знаходиться експеримен-тально (Υ = = 0,048 для ліній Р1-28);

КСХ – коефіцієнт стоячої хвилі вимірюваного навантаження;δ3 – похибка, зумовлена власним КСХ вимірювальної лінії.

, (11.34)

де Γ – власний коефіцієнт відбиття вимірювальної лінії, обчислений в попередньому пункті;

КСХ – коефіцієнт стоячої хвилі вимірюваного навантаження.

9. У цьому пункті потрібно оцінити похибку вимірювання КСХ і фази методом "максимуму-мінімуму". Формули для розрахунку такі:

А. Максимальна похибка у відсотках вимірювання КСХ:

, (11.35)

де б - середньоквадратична похибка вимірювання КСХ, %;δ1К = 0,7 (КСХ8ИМ – I)·100 – власний КСХ вимірювальної лінії;б2К = 0,4 δU – непостійність зв’язку зонда з полем вимірювальної

лінії;- індикаторний пристрій;

КСХВИМ – виміряний КСХ;δU – непостійність зв'язку зонда з полем вимірювальної лінії (не

перевищує 2%);η – клас індикаторного пристрою;КСХ – власний КСХ лінії (не перевищує 1,03).

Б. Максимальна похибка вимірювання фази коефіцієнта відбиття в градусах визначається за формулою:

, (11.36)

де – середньоквадратична похибка вимірювання фази

коефіцієнта відбиття, град ;

– власний КСХ вимірювальної лінії;

– непостійність зв'язку зонда з полем вимірювальної

лінії;

– індикаторний пристрій;

– пристрій визначення положення каретки.

При цьому λх – довжина хвилі у хвилеводі;Δℓ0 – похибка визначення положення каретки (0,05 мм для Р1-28).

11.8. Контрольні запитання

1. Яке призначення вимірювальних ліній НВЧ?2. Назвіть основні джерела похибок при вимірюванні за допомогою

вимірювальних ліній.3. Як впливає глибина занурення зонда на розподіл напруженості поля в

лінії?4. Що таке хвильовий опір і чим він визначається?5. Що називається еквівалентним нормованим опором хвилеводу і довгої

лінії?6. Принцип дії та конструкція вимірювальної лінії.7. Що таке критична довжина хвилі у хвилеводі?8. Яке призначення короткозамкнутого рухомого навантаження НКП-8?9. Які задачі градуювання вимірювальних ліній?

11.9. Список використаної та рекомендованої літератури

Валитов Р.А., Сретенский В.Н. Радиотехнические измерения. Методы и техника измерений в диапазоне от длинных до оптических волн. Μ., 1970.

Измерения в злектронике: Справочник / Под ред. Б.А. Доброхотова. Μ., 1965.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1.Ремез Γ .А. Курс основных радиотехнических измерений. М., 1966.Линия измерительная волноводная Р1-28: Технические описание и

инструкция по эксплуатации. Вильнюс, 1983.

Лабораторна робота № 12ПЕРЕВІРКА ПОЛЯРИЗАЦІЙНИХ АТЕНЮАТОРІВ НВЧ

Мета роботи – вивчення принципу дії та конструкції поляризаційних атенюаторів, які застосовуються в діапазоні НВЧ; часткова перевірка досліджуваних атенюаторів; дослідження частотної залежності коефіцієнта послаблення; обробка одержаних результатів.

12.1. Загальні відомості

Високочастотні послаблювачі (атенюатори) служать для зміни (зменшення) потужності сигналу, що проходить по хвилеводному або коаксіальному тракту. Основною областю застосування атенюаторів НВЧ є вимірювальна техніка.

На низьких частотах атенюатори являють собою подільники напруги потенціометричного або ємнісного типу. Зовсім інший принцип покладено в основу роботи атенюаторів НВЧ діапазону, встановлених у колах з розподіленими параметрами.

Послаблювання сигналу буває необхідним, наприклад, для створення розв'язки між генератором і навантаженням, тобто для усунення впливу вимірюваного об’єкта на потужність і частоту коливань, що генеруються.

Ступінь зменшення потужності атенюатором характеризується величиною послаблення (загасання), яка визначається відношенням потужності на виході до потужності на вході, дБ:

. (12.1)

Співвідношення між послабленням (у децибелах) і поділками шкали визначають звичайно по градуювальному графіку, який додається до атенюатора, або безпосередньо по шкалі атенюатора (у децибелах).

Вмонтовані атенюатори виявляються корисними для керування рівнем потужності з метою одержання бажаного сигналу в тому чи іншому приладі (генераторі, хвилемірі та ін.). Окрім основної вимоги, яка зводиться до зміни рівня потужності, до атенюатори діапазону НВЧ звичайно ставиться вимога щодо постійності узгодження входу і виходу послаблювана. Необхідність цієї вимоги випливае з існування явища затягування частоти генераторів НВЧ. Крім того, узгоджений по входу і виходу атенюатор виключає похибки, що виникають у процесі вимірювань за рахунок ефекту узгодження. Сама величина послаблення, яке вноситься атенюатором у тракт, однозначна за умови узгодження атенюатора з вхідною та вихідною лініями.

За принципом дії атенюатори поділяються на резисторнi, поглинальні, межові , поляризаційні, феритові та на напівпровідникових приладах; за конструкцією – на коаксіальні, хвилеводні, смужкові; за можливістю керування послабленням – на змінні (електрично або механічно керовані) і фіксовані; за рівнем послаблюваної потужності – на атенюатори низького (до 1 Вт) та високого рівнів; за точнiстю – на калібровані та некалібровані.

12.2. Основні характеристики атенюаторів

До основних характеристик атенюаторів відносяться: діапазон частот, границя зміни послаблення, похибка послаблення, що вноситься, КСХ входу, допустима потужність розсіювання, температурний діапазон, розміри та вага.

Однією з найважливіших характеристик атенюатора є похибка послаблення, що залежить в основному від похибки градуювання і відліку, а також від помилок, які виникають за рахунок розузгоджування генератора та навантаження з лінією, в яку ввімкнено атенюатор. Точність вимірювання послаблення має велике значення при використанні змінних атенюаторів. При розробці таких пристроїв особливо суттєве значення надається конструкції механізмів переміщення поглинальних опорів і відлікових пристроїв. У техніці НВЧ найширше використовуються атенюатори з похибкою відліку 0,05...0,1 дБ.

Як правило, атенюатор використовується в повному робочому діапазоні частот, який вибирається виходячи з допустимих відхилень послаблення при зміні частоти. Діапазон частот визначаеться також величиною допустимого максимального значення КСХ атенюатора.

Допустиме максимально значення КСХ зумовлено, крім того, конструкцією атенюатора. Так, у прецизійних атенюаторах значення КСХ не перевищує 1,05, а в атенюаторах для менш точних вимірювань складає 1,2...2. Робочий діапазон атенюатора захоплює звичайно ділянку частот, що відрізняється на 10...15% від середньої частоти. У випадках, коли допускається більше значення КСХ, атенюатор може використовуватись в ширшому діапазоні частот.

Для узгодженая вхідного та вихідного опорів атенюатора залежно від його типу і конструкції застосовуються різні пристрої. Так, наприклад, в атенюаторах граничного типу використовують узгоджуючі опори. У ряді випадків межові атенюатори вмикають у тракт разом з поглинальними кабелями, що мають великі втрати на НВЧ. Кабель при цьому відіграє роль додаткового постійного атенюатора. У поглинальних атенюаторах узгодження досягається за рахунок певних розмірів і форми поглинального опору.

Залежно від типу і призначення атенюатори конструюють з різними межами послаблення – від 0 до 120 дБ. Великі величини послаблень перекриваються за допомогою межових атенюаторів. Поглинальні атенюатори розраховані на значно менші послаблення -до 40...60 дБ.

Важливою характеристикою атенюаторів є допустима потужність розсіювання. При конструюванні атенюаторів її прагнуть зробити якомога більшою,однак при цьому виникає ряд труднощів, бо при більшій потужності на вході атенюатора відбувається місцеве виділення значної кількості тепла в поглинальному опорі при його малих об'ємах і поверхнях. Це спричиняє зміну градуювання атенюатора, а часто може призвести до деформації опору та випалювання на ньому поглинального шару. Збільшення ж товщини шару підвищує КСХ і погіршує інші характеристики атенюатора.

Атенюатори використовуються в певному діапазоні температур, у межах якого їх основні параметри змінюються незначно. Тому при експлуатації атенюаторів необхідно враховувати температуру навколишнього середовища. Особливо чутливі до зміни температури поглинальні кабелі, в яких після значного нагрівання або охолодження не відновлюється початкова величина загасання, тобто має місце температурний гістерезис загасання. В атенюаторах Межового типу залежність послаблення від температури визначається температурним коефіцієнтом матеріалу.

В коаксіальних і хвилеводних поглинальних атенюаторах послаблення мало залежить від температури. Температурний діапазон атенюаторів з поверхневими опорами визначається тільки властивостями діелектрика і поглинального шару, що наноситься на діелектрик, при різних температурах.

Послаблення багатьох атенюаторів залежить від вологості навколишнього середовища. Ця залежність особливо помітна в поглинальних атенюаторах з поверхневими опорами, які через це покриваються спеціальними вологозахисними плівками.

На вході та виході атенюаторів з метою забезпечення їх зручного і швидкого з'єднання з високочастотними трактами встановлюються типові високочастотні роз'єми або фланці, розміри яких відповідають стандартним перерізам коаксіальних і хвилеводних ліній передач.

Усі атенюатори, які застосовуються в техніці НВЧ, можна поділити на дві принципово різні групи – взаємні (оборотні) і невзаємні (необоротні) атенюатори, залежно від того, чи підлягають вони принципу взаємності (оборотності).

За характером послаблення розрізняють атенюатори межового (замежового) типу, що використовують властивості закритичного хвилеводу, і поглинальні атенюатори, в яких послаблення відбувається за рахунок поглинання та розсіювання у вигляді тепла частини потужності, що надходить.

Чотириполюсники, які забезпечують зміну потужності, що надходить, тільки за рахунок відбиття хвилі, наприклад, штир або діафрагма, розміщені в середині хвилеводу, звичайно як послаблювачі не розглядаються.

Найширше застосування на цей час знайшли оборотні атенюатори низького рівня потужності, розраховані на середню потужність, яка не перевищує 1 Вт.

Узгодження з боку входу та виходу у хороших конструкцій ножових послаблювачів залишається практично незмінним в усьому діапазоні керування послабленням.

12.3. Методи вимірювання послаблення

В основному всі методи вимірювання послаблення у високочастотних трактах являють собою, як правило, різновид методу заміщення (порівняння зі зразковим атенюатором). За способом включення зразкового атенюатора всі методи вимірювання послаблення, основані на принципі заміщення, поділяються на такі:

- послідовного заміщення за високою частотою;- паралельного заміщення за високою частотою;- паралельного заміщення за проміжною частотою;- послідовного заміщення за проміжною частотою;- заміщення за низькою частотою.Метод заміщення на проміжній частоті найуніверсальніший і знайшов

широке застосування у вимірюваннях послаблень.

12.3.1. Метод послідовного заміщення на НВЧ(рис. 12.1)

При цьому методі в НВЧ тракт вмикаються послідовно два атенюатори: зразковий 1 той, що перевіряється. Загасання обох порівнюється таким чином, щоб сума їх загасань залишалась сталою (у початковому положенні один атенюатор має максимальне загасання, другий – мінімальне; в кінцевому положенні – навпаки). Границі змірювань цим методом достатньо великі (до 70...80 дБ), а власна похибка мала і визначається в основному похибкою зразкового атенюатора.

12.3.2. Метод паралельного заміщення на НВЧ (рис. 12.2)

При цьому методі НВЧ тракт складається з двох паралельних каналів, в один з яких вмикається зразковий атенюатор, а в другий – той, що перевіряється. По індикатору за допомогою зразкового атенюатора встановлюється однакове загасання в обох каналах. Загасання атенюатора,

який

перевіряється, визначається за загасанням зразкового атенюатора, похибка вимірювання – похибкою зразкового атенюатора, а також похибкою за рахунок неідентичності каналів і нестабільностю генератора.

12.3.3. Метод послідовного заміщання на проміжній частоті(супергетеродинний метод) (рис. 12.3)

Метод полягає у порівнянні загасання, що вноситься досліджуваним чотириполюсником у тракт НВЧ, із загасанням зразкового атенюатора на проміжній частоті зразкової установки. Цей метод універсальний, бо дозволяв працювати в широкому діапазоні частот з одним і тим же зразковим

Рис. 12.2. Схема вимірювання послаблення методом паралельного заміщення на НБЧ

Рис. 12.3. Схема вимірювання послаблення,методом послідовного заміщення на проміжній частоті

атенюатором і забезпечує похибку вимірювання приблизно 1% від загасання (в децибелах). Межі вимірювання послаблення значні (100...120 дБ).

12.4. Конструкція та принцип роботи поляризаційного атенюатора

Поляризаційні атенюатори ДЗ-34 А, ДЗ-35 А призначені для послаблення високочастотних сигналів у хвилеводних трактах в умовах лабораторій, цехів, контрольно-ремонтних майстерень і складаються з трьох секцій хвилеводу, встановлених послідовно. Середньою секцією є круглий хвилевід (ротор), який вільно, обертається між крайніми секціями (статорами), жорстко закріпленими в корпусі. Обидві крайні секції являють собою переходи з прямокутного хвилеводу на круглий.

В середині кожної, секції розміщено поглинальну пластину так, що поглинальний шар лежить у площині симетрії хвилеводу.

Як видно з рис. 12.4, поглинальні пластини розміщені в одній площині, паралельній широкій стінці ділянки прямокутного хвилеводу. Припустимо, що кожна пластина має безмежно велику поглинальну здатність для електромагнітної хвилі, електричне поле якої тангенціальне до поверхні пластини, і відбиття від кінців пластини відсутні.

Рис. 12.4. Хвилеводний тракт атенюатора

У вхідному статорі хвиля Н10 прямокутного хвилеводу трансформується у хвилю Н11 круглого хвилеводу з амплітудою Е0 і поляризовану нормально до пластини.

При проходженні ротора хвилю Η11 можна розкласти на дві складові: нормальну до пластини ротора з амплітудою E0cosθ і тангенціальну до пластини ротора з амплітудою Ео sinθ, де θ – кут між пластинами ротора і статора.

Тангенціальна складова електричного поля повністю поглинається пластиною, і до вихідного статора надходить хвиля H11 з амплітудою Ε0 cosθ, поляризована під кутом θ до пластини статора.

На вихід атенюатора проходить нормальна до пластини складова хвилі Н11 з амплітудою Ε0 cosθ, яка трансформується у вихідному статорі у хвилю Н10 прямокутного хвилеводу.

Коефіцієнт передачі по електричному полю:

, (12.2)

залежить тільки від кута θ.Послаблення, яке вносить атенюатор, дБ:

. (12.3)

Хвилеводна частина атенюатора складається з двох плавних перехідників (статорів) і відрізка круглого хвилеводу (ротора). Статори виготовлено методом гальванопластичного нарощування та опресовано пластмасою, а ротор – з металу механічною обробкою.

Ротор обертається в радіально-упорних кулькопідшипниках і центрується посадочними поверхнями фланців статорів, які встановлюються в корпусі та фіксуються штифтами.

На роторі розміщено вінець черв'ячного колеса, з яким спряжено черв'ячний вал. Вісь черв'ячного вала виведено на лицьову панель приладу. На осі встановлено ручку керування.

Відліковий пристрій складається з прозорої шкали, жорстко зв'язаної з ротором, і проекційної оптичної системи. Шкала являє собою сектор з оптичного скла з нанесеними на ньому рисками. Шкала проградуйована безпосередньо в децибелах згідно з розрахунковою формулою, наведеною вище. Риска шкали, відмічена знаком "∞", відповідає повороту ротора на кут, що дорівнює 90°.

12.5. Оцінка випадкових похибок прямих рівноточних вимірювань

Як правило, результати багатократних спостережень при прямих вимірюваннях будь-якої фізичної величини одержуються одним оператором, в однакових умовах і за допомогою одного й того ж способу вимірювання. Такі вимірювання прийнято називати рівноточними.

За результат вимірювання приймається оцінка X, яка обчислюється за формулою:

, (12.4)

де χі – результати вимірювань;n – число спостережень.

Випадкова похибка результату кожного спостереження характеризується значенням середньоквадратичного відхилення (СΚΒ)σх. Оскільки при практичних розрахунках є можливість визначити лише значення

, (12.5)

що називаються випадковими відхиленнями результатів окремих спостережень, то для розрахунку σх застосовують рівняння:

. (12.6)

Аналогічним чином випадкову похибку результату вимірювання можна охарактеризувати значенням СКВ х. Відомо, що:

. (12.7)

Переходячи до оцінки х і скориставшись формулою (12.6), знаходимо:

. (12.8)

Одержані точкові оцінки і х хоча й дозволяють оцінити результат вимірювання та його випадкову похибку, але не містять в собі ніяких відомостей про ймовірність даних оцінок. Тому від точкових оцінок треба перейти до так званих інтервальних оцінок, пов’язаних з визначенням довірчих меж випадкової похибки вимірювання, основаних на розподiлi Стьюдента. Довірчі межі – це верхня і нижня межі інтервалу, всередині якого з заданою довірчою ймовірністю P знаходяться похибка результату вимірювання.

Для визначення довірчих меж випадкової похибки результату вимірювання, які позначаються ξ, користуються коефіцієнтом Стьюдента t. Кількісний зв'язок між ξ і t записується у вигляді:

. (12.9)

При практичних розрахунках значення ξ слід обчислювати для Ρ = 0,95. Якщо вимірювання не можна повторити, то приймають Ρ = 0,99. Тому в табл. 12.1 наведено значення t(n) для вказаних значень Ρ.

Таблиця 12.1Значення коефіцієнта t для розподілу Стьюдента, що задовольняють

ймовірність Ρ (t, n)

№ п/п P = 0,8 P = 0,9 P = 0,95 P = 0,98 P = 0,99 P = 0,9992 3,08 6,31 12,71 31,8 63,7 63,73 1,886 2,92 4,30 6,96 9,92 31,64 1,638 2,35 3,18 4,54 5,84 12,945 1,533 2,13 2,77 3,75 4,60 8,616 1,476 2,02 2,57 3,36 4,03 6,867 1,440 1,943 2,45 3,14 3,71 5,968 1,415 1,895 2,36 3,00 3,50 5,409 1,397 1,860 2,31 2,90 3,36 5,0410 1,383 1,833 2,26 2,82 3,25 4,7811 1,372 1,812 2,23 2,76 3,17 4,5912 1,363 1,796 2,20 2,72 3,11 4,4913 1,356 1,782 2,18 2,68 3,06 4,3214 1,350 1,771 2,16 2,65 3,01 4,2215 1,345 1,761 2,14 2,62 2,98 4,1416 1,341 1,753 2,13 2,60 2,95 4,0717 1,337 1,746 2,12 2,58 2,92 4,0218 1,333 1,740 2,11 2,57 2,90 3,9619 1,330 1,734 2,10 2,55 2,88 3,9220 1,328 1,729 2,09 2,54 2,86 3,88

12.6. Опис вимірювальної установки

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 12.5. Джерелом НВЧ потужності є генератор ГЧ-90, який працює в діапазоні частот 16,65...25,80ГГц. На виході генератора послідовно підключено зразковий атенюатор ДЗ-35А, два атенюатори Д3-34, які перевіряються, детекторна секція і широкосмуговий підсилювач УЗ-29. Перевірка атенюаторів зводиться до підтримки на вході підсилювача постійного рівня потужності шляхом балансування послаблень, що вкосяться зразковим атенюатором, з одному з тих, який перевіряється.

Схема установки відповідає схемі методу послідовного заміщення на НВЧ, поданого на рис. 12.1.

12.7. Завдання до експериментальної та розрахункової частин

1. Проведіть перевірку досліджуваних атенюаторів на частотах 23 і 25 ГГц.

2. Розрахуйте абсолютні та відносні похибки проведених вимірювань для кожного одержаного значення.

3. Побудуйте графіки одержаних поправок на частотах 23 і 25 ГГц.4. Визначіть значення похибки вимірювань на крайніх ділянках

діапазону. Вимірювання проводити на початку і в кінці діапазону в кількості 10 – 15 значень.

5. Проведіть обробку результатів відповідно до методики, викладеної в підрозд. 12.5 даної лабораторної роботи.

12.8. Порядок виконання роботи

1. Включити генератор і вимірювальний підсилювач і дати їм прогрітися протягом 15 хв, попередньо встановивши на зразковому атенюаторі загасання 20...25 дБ. Після прогрівання генератора відрегулювати його згідно з додатком1 і на частоту 23 ГГц.

2. Після прогрівання підсилювач треба відкалібрувати. При калібруванні ручки повинні знаходитися в таких положеннях:

"УСИЛЕНИЕ" – у крайньому лівому положенні; "РОД.РАБОТЫ" – "КАЛИБР";"BX.УPOBEHЬ, mV" – "5...10".Повертаюче ручку "УСИЛЕНИЕ", встановити стрілку мікроамперметра

на позначку "50". При повороті ручки "УСИЛЕНИЕ" можливе неплавне переміщення стрілки мікроамперметра.

3. Після калібрування встановити ручку "РОД РАБОТЫ" в положення "ОГИБАЮЩАЯ", а ручку "ВХ.УРОВЕНЬ,mV" – у крайнє ліве положення "1,5...5", що відповідає мінімальному рівню вхідного сигналу.

4. Одержати на виході генератора максимальну потужність. Для цього ручкою "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" встановити по індикатору генератора 50 поділок.

5. Встановити таке загасання зразкового атенюатора, що дорівнює 18 дБ, а загасання атенюаторів, які перевіряються, – 0 дБ, Ручку фіксованих значень загасань атенюатора, вмонтовану в генератор, встановити в положення "+7дБ". За допомогою ручки плавного керування послабленням, вмонтованої в генератор, встановити стрілку мікроамперметра підсилювача на позначку "10".

6. Провести перевірку першого атенюатора. Для цього, послідовно зменшуючи послаблення, що вноситься зразковим атенюатором, на 1 дБ, компенсувати його послабленням атенюатора, який перевіряється, тобто

підтримувати рівень сигналу на вході підсилювача постійним (для чого повернути стрілку мікроамперметра на позначку "10"). При цьому слідкувати за тим, щоб рівень потужності на виході генератора був постійним. Результати подати у вигляді таблиці. Аналогічні дії провести відносно другого атенюатора, що перевіряється, попередньо встановивши загасання першого атенюатора, який перевіряється, таким, що дорівнює 0. Результати записати у вигляді таблиці.

7. Встановити частоту генератора 25 ГГц і виконати дії, описані в п. 4 – – 6. Результати звести в таблицю.

8. Для визначення значення похибки вимірювань на початку діапазону вибрати точку з інтервалу 1...4 дБ і одержати 10 – 15 значень вибраної точки, розстроюючи атенюатор, який перевіряється біля даної точки у бік менших значень.

9. Для визначення значення похибки вимірювань в кінці діапазону вибрати точку з інтервалу 12... 19 дБ і одержати для неї таким же чином 10 – 15 значень. Результати подати у вигляді таблиці.

12.9. Контрольні запитання

1. Які основні характеристики атенюаторів?2. Як класифікуються атенюатори?3. Суть методу послідовного заміщення на НВЧ.4. Суть методу паралельного заміщення на НВЧ.5. Суть методу послідовного заміщення на проміжній частоті.6. Конструкція поляризаційного атенюатора.7. Принцип дії поляризаційного атенюатора.8. Як оцінюються випадкові похибки пpи прямих рівноточних вимірюваннях?

12.10. Список використаної та рекомендованої літератури

Измерения в электронике: Справочник / Под ред. В.А. Кузнецова. М., 1987.

Эпштейн А.Г. Измерительная аппаратура СВЧ. Л., 1965.Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ. В 2 т. М., 1970. Т.1.

Додаток 1ВСТАНОВЛЕННЯ РЕЖИМУ РОБОТИ ГЕНЕРАТОРА Г4-90

"ВНУТРІШНЯ МОДУЛЯЦІЯ МЕАНДРОМ"

1. Поставте перемикач "РЕЖИМ ГЕНЕРАТОРА" в положення "ВНУТР.", а перемикач "КОНТРОЛЬ" – у положення "ЧАСТОТА".

2. Встановіть перемикачем піддіапазонів третій піддіапазон. За шкалою попереднього встановлення частоти визначте поділку індикатора, що відповідає частоті, яка потрібна, і, повертаючі ручку "УСТАНОВКА ЧАСТОТИ GHz", встановіть цю поділку на шкалі iндикатора. При цьому похибка встановлення частота не повинна перевищувати 2...3%.

3. Встановіть баланс вимірювача потужності, для цього переведіть перемикач "КОНТРОЛЬ" у положення "МОЩНОСТЬ", ручку "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" поверніть до упору проти годинникової стрілки і ручками "БАЛАНС" встановіть стрілку індикатора на нуль.

4. Проведіть калібрування вимірювача потужності, для цього поверніть ручку "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" праворуч до упору проти годинникової стрілка. Перевірте "нуль" вимірювача потужності. Переведіть перемикач "КОНТРОЛЬ" у положення "КАЛИБРОВКА" і однойменною ручкою встановіть по індикатору 50 поділок. Поверніть перемикач у положення "МОЩНОСТЬ" і перевірте (а за необхідності підстройте) "нуль" індикатора. Знову перевірте калібрування і поверніть перемикач у положення "МОЩНОСТЬ".

5. Встановіть генерацію і настройтеся на максимум потужності, для цього, плавно повертаюча ручку "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" вправо, одержіть на індикаторі відхилення 30 – 40 поділок. Якщо досягти відхилення не вдається, то поворотом ручки "НАПРЯЖЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЯ" добийтеся максимального відхилення стрілки. Одночасно ручкою "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" утримуйте відхилення в зазначених межах. Старанне настроювання на максимум ручкою "НАПРЯЖЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЯ" є обов'язковою умовою нормальної роботи приладу в режимі модуляції меандром або короткими імпульсами.

Примітка. Найкраща якість модуляції забезпечується при напругах відбивача, що дорівнюють 40...180 В, тому надається перевага працювати на цій границі перемикача "НАПРЯЖЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЯ", якщо рівень потужності достатній.

6. Встановіть на виході приладу опорний рівень потужності. Для цього визначіть за графіком "ОПОРНИЙ РІВЕНЬ ПОТУЖНОСТІ" поділку індикатора, яка відповідає опорному рівню на даній частоті, і ручкою "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" встановіть стрілку па цю поділку. Перевірте встановлення на нуль шкали атенюатора i встановіть на виході приладу потрібний опорний рівень потужності.

Додаток 2ВИМІРЮВАЧ КСХН ПАНОРАМНИЙ Р2-61

Д.2.1. Вступ

Даний технічний опис та інструкція по експлуатації призначені для пояснення принципу дії вимірювача КСХН панорамного Р2-61 і встановлюють порядок користування цим приладом.

Умовні позначення та скорочення:- генератор хиткої частоти – ГХЧ;- електронно-променева трубка – ЕПТ;- надвисокі частоти – НВЧ;- запасне майно і належності вимірювача – ЗМВ; - автоматичне регулювання потужності – АРП;- послаблення за напругою – Аx;- детектор направлений – ДB;- коефіцієнт стоячої хвилі за напругою, в тексті – KCXH, у формулах –

Ксто;- вимірювач КСХН панорамний – вимірювач;- індикатор КСХН і послаблення – індикатор.

Д.2.2. Призначення

Вимірювач КСХН панорамний Р2-61 призначений для вимірювання та відтворення на екрані ЕПТ частотних характеристик КСХН і послаблення елементів хвилеводних каналів.

Вимірювач може застосуватись у лабораторних і цехових умовах, а також у ремонтних майстернях і перевірними органами.

Д.2.3. Технічні дані

Діапазон робочих частот вимірювача – 8,24...12,05 ГГц, переріз хвилеводного тракту – 23 Х 10 мм.

Границі вимірювання КСХН і послаблення відповідають табл. Д.2.1., а допустимі похибки вимірювання КСХН (δКсто ) і послаблення (ΔА) пасивних чотириполюсників з Κсто < 1,2 не перевищують значень, наведених у цій же таблиці.

Примітка. Нерівномірність рівня калібрування при вимірюваннях і визначенні похибки вимірювання КСХН і послаблення має бути не більше ±0,3 дБ.

Вимірювач забезпечує такі режими перестроювання частоти:- ручне перестроювання частоти;- ручне хитання частоти;- автоматичне хитання частоти з тривалістю періодів 0,08; 1; 10 с;

- разове хитання частоти з тривалістю періоду 40 с і ручним запуском.Смуга хитання частоти вимірювача така:- максимальна – повний діапазон частот;- мінімальна – не більше 120 МГц.

Таблиця Д.2.1Параметра панорамного вимірювача КСХН

Дiапазон вимiрювання

КСХН 1,05...5,00

послаблене, дБ 0...35

Межi припустимоi

похибки вимiрювання

, %

на фiксованiй частотi

±4±4

у дiапазонi частот

±5±5

ΔA, дБ

на фiксованiй частотi ± (0,05АХ + 0,3)

у дiапазонi частот ± (0,05АХ + 0,5)

Основна похибка визначення частоти та граничних частот смуга хитання не перевищує +-240 МГц.

На екрані ЕПТ індикатора спостерігаються дві частотні мітки. Амплітуда частотних міток регулюється від 0 до 5 мм (не менше).

Вимірювач забезпечує свої технічні характеристики в межах встановлених норм після самопрогріву, що дорівнює 15 хв у нормальіних умовах і 1 год – при підвищеній вологості.

Вимірювач зберігає свої технічні характеристики в межах встановленних норм при живленні його від мережі змінного струму напругою 220 t 22 В, частотою 50 t 0,5 Гц і вмістом гармонік до 5%.

Потужність, яка споживається вимірювачем від мережі при нормальній напрузі, не перевищує 180 Вт.Примітка 1. Потужність, що споживає ГХЧ, – 100 Вт.Примітка 2. Потужність, що споживається індикатором, – 80 Вт.

Вимірювач допускає безперервну роботу в робочих умовах протягом восьми годин при збережені своїх технічних характеристик у межах встановлених норм.

Напрацювання на відмову вимірювача – не менше 7000 год.

Термін служби вимірювача – не менше 5 років.

Д.2.4. Будова і робота вимірювача та його складових частин

Структурні схеми вимірювача КСХН і послаблення зображено на рис. Д.2.1- Д.2.3.

Робота вимірювача будується на принципі рефлектометра, який здійснює роздільне виділення сигналів, пропорційних потужності падаючої від генepaтopa і відбитої від об'єкта вимірювання (при вимірюванні КСХН) або такої, що пройшла череа об'єкт вимірювання (при вимірюванні послаблення) електромагнітної хвилі.

Сигнали, пропорційні падаючій та відбитій потужностям, знімаються з детекторних головок, збудованих у вторинні тракти направлених відгалужувачів.

Рівень напруги на виході детекторної головки направленого детектора падаючої хвилі підтрймується постійним системою АРП генератора.

Рівень напруги на виході детекторної головки детектора відбитої хвилі за умови квадратичного детектування пропорційний квадрату коефіцієнта відбиття змінного навантаження на частоті вимірювання.

Шкали індикатора розраховані на квадратичність детектування і проградуйовані безпосередньо у значеннях КСХН і послаблення.

Вимірювання КСХН або послаблення може проводитись як в автоматичному, так і в ручному режимах перестроювання частоти.

Основне призначення ГХЧ – генерування високочастотного сигналу із змінною частотою і стабілізованою вихідною потужністю у діапазоні частот відносно частотної характеристики датчика сигналу помилки.

Докладне описання принципу дії та роботи ГХЧ наведено в технічному описі на ГХЧ.

Індикатор КСХН і послаблення Я2Р-67 дозволяє спостерігати на екрані електронно-променевої трубки частотні характеристики КСХН і послаблення та здійснювати відлік вимірюваних величин за шкалами відлікового пристрою в автоматичному та ручному режимах перестроювання частоти ГХЧ.

Рис. Д.2.1. Схема електрична структурна калібрування приладу: 1 – перехід коаксіально-хвилеводний; 2 – детектор "Падаюча"; 3 – детектор "Відбита";4 – навантаження узгоджене "НУ; 5 – кабель; 6 – кабель з'єднувальний К-9;

7 – кабель з'єднувальний ВЧ

Рис. Д.2.2. Схема електрична структурна вимірювання КСХН: 1 – перехід коаксіально-хвилеводний; 2 – детектор "Падаюча"; 3 – детектор "Відбита";

4 – об'єкт вимірювання; 5 – кабель з'єднувальний ВЧ

Рис. Д.2.3. Схема електрична структурна вимiрювання послаблення: 1 – перехiд коаксiально-хвилеводний; 2 – детектор «Падаюча»; 3 – детектор «Вiдбита»; 4 – об’єкт вимiрювання; 5 – кабель; 6 – кабель з’єднувальний ВЧ

Докладно принцип дії та роботу індикатора наведено в "Технічному описі на індикатор".

Коаксіально-хвилеводний перехід призначений для під'єднання хвилеводного вимірювального тракту до коаксіального виходу ГХЧ.

У приладі використовуються два детектори однакової конструкції.Робота рефлектометра базується на властивості детектора виділяти

сигнал НВЧ, що поширюється в одному напрямку, i не реагувати на протилежно направлений сигнал. Величина нерівномірності частотної характеристики визначає одну з основних складових похибки приладу в діапазоні частот при роботі в автоматичному режимі перестроювання частоти.

Для одержання ідентичних частотних характеристик детекторів у детекторних кінцях є підстройка у вигляді рухомих короткозамикаючих плунжерів.

Величина направленості таких детекторів, які входять до комплекту, складає 37...38 дБ, коефіцієнт передачі – 2 мВ/кВт при струмі зміщення діода 50 мА;

Узгоджене навантаження використовується як прикінцевий поглинаючий елемент.

Короткозамикач застосовується для грубого калібрування приладу.Хвилеводні детектори являють собою два хвилеводи, що мають спільну

широку стінку з двома рядами отворів зв'язку, розміри яких підлягають

закону розподілу Чебишева. Первинний хвилевід з обох боків закінчується фланцями. У вторинному хвилеводі розміщено: в одному кінці – поглинач у вигляді піраміди, в другому вбудовано детекторну головку з діодом і рухомий плунжер із фероепоксиду.

Узгоджене навантаження являє собою відрізок хвилеводу з фланцем на одному кінці і з поглиначем – на другому.

Д.2.5. Підготовка до роботи

ГХЧ, індикатор і НВЧ-вузли з'єднуються відповідно структурній схемі, зображеній на рис. Д.2.1. Для з'єднання виходів детекторів зі входами падаючого та відбитого сигналів в індикаторі виходу АРП індикатора зі входом АРП ГХЧ використовуються з'єднувальні двопліткові кабелі К-9 із комплекту приладу.

Початкове положення органів керування індикатора:- тумблер"СЕТЬ" – нижнє (вимкнено);- перемикач “ПРЕДЕЛЫ – ПАД".;- ручки "КАЛИБР.", "ПАД."; "МЕТКА" – крайнє ліве;- ручка "ОТСЧЕТ" – положення, яке відповідав значенню 2mV за

шкалою mV індикатора;- кнопка Μ – натиснута;- кнопка"КОРРЕК.", "ЛОГ.", – 10 дБ – відтиснута;- тумблер"СМЕЩЕНИЕ" – верхнє (+);- регулятор "КОНТР.УРОВЕНЬ" – крайне ліве.Примітка. В роз'єм "БЛ0К ЦИФР0В0Й" вставлено замикач із комплекту

індикатора.Вихідне положення органів керування генератора:- тумблер "СЕТЬ" – нижнє (вимкнено);- перемикач "АМ-ВНУТР".;- перем|икач"ВР.ПЕРЕСТРОЙКА AS" – 0,08;- перемикач "РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ" – F1 – F2;- перемикач "BHEШH. – AM".;- ручка F1, F0 – крайнє ліве;- ручка F2, ΔF – крайнє праве;- ручка М1, Μ2, "АМПЛИТУДА М1 і М2" – середнє;- ручка "УРОВЕНЬ" – крайнє праве;- перемикач відліковий – будь-яке;- тумблер СВЧ – нижнє (вимкнено).Положення інших органів керування – довільне.

Д.2.6. Порядок роботиД.2.6.1. Підготовка до проведення вимірювань

1. Переконайтеся, що блоки та вузли НВЧ з'єднані відповідно структурній схемі рис. Д.2.1. Увімкніть генератор та індикатор, дайте їм прогрітися протягом 15 хв.

2. Під'єднайте до роз'єму індикатора "ОТРАЖ" вольтметр зі вхідним опором не менше 1 МОм і обертанням ручки "СМЕЩЕНИЕ" встановіть показання вольтметра 0,7...0,9 В. З'єднайте вихід ДН відбитої хвилі з роз'ємом "ОΤΡΑЖ." індикатора.

3. Відрегулюйте поворотом осей потенціометрів 0.0. – ,"УСИЛЕНИЕ Х" яскравість фокусування, положення та довжину ліній розгорнення так, щоб лінії по горизонталі займали повністю робочу частину екрана, а по вертикалі нижня лінія розгорнення була на 5...10 мм вище за нижню границю робочої частини екрана ЕПТ.

4. Натисніть кнопку F1, F0 відлікового перемикача і ручкою F1, F0 встановіть на табло ГХЧ верхню частоту смуги хитання.

Д.2.6.2. Встановлення рівня потужності ГХЧ

1. Поставте тумблер СВЧ у верхнє положення (ввімкнено);2. Встановіть ручкою "ОТСЧЕТ" візир за шкалою mV на 2 мВ;3. Сумістіть ручками "УРОВЕНЬ ГКЧ" і "ПАД", в індикаторі лінії

падаючої потужності, яка спостерігається на екрані ЕПТ, з лінією електричного візира, а на екрані ЕПТ – з лінією електронного візира. На екрані ЕПТ необхідно одержати рівну лінію.

Д.2.6.3. Регулювання амплітуди та положень частотних міток

1. Переконайтесь, повертаючи по черзі ручки "АМПЛИТУДА М1", "М2"і "МЕТКА", у можливості регулювання амплітуди міток в межах 0...5 мм, після чого встановіть зручну для роботи амплітуду (2..З мм).

2. Сумістіть ручками "М1" і "М2" мітки а початком і кінцем лінії розгорнення, яка спостерігається на екрані ЕПТ.

Д.2.6.4. Калібрування амплітуда та положень частотних міток

1. Встановіть ручкою "ОТСЧЕТ'" візир на відмітку 0 за верхньою шкалою, дБ.

2. Поставте перемикач "ПРЕДЕЛЫ" в положення 0.3. Сумістіть ручками "КАЛИБР" лінію калібрування на екрані з

відліковою лінією так, щоб остання проходила по середині лінії калібрування.

4. Досягніть найрівномірнішої (без різких викидів) лінії калібрування пересуванням короткозамикаючого плунжера в каналі "ОТРАЖЕННАЯ" направленого детектора, а якщо цього недостатньо -то й пересуванням плунжера ДН у каналі "ПАДАЮЩАЯ".

5. Поміряйте нерівномірність лінії калібрування. Для цього ручкою "ОТСЧЕТ" сумістіть лінію електронного візира з максимальними відхиленнями лінії калібрування в обидва боки. Якщо відхилення лінії калібрування, відмічені по верхній шкалі індикатора, перевищують 1 +- 0,3 дБ в робочому діапазоні частот, проведіть додаткове регулювання плунжерами ДН або корекцію за такою методикою. Натисніть кнопку "КОРРЕК." і поворотом потенціометрів "ШИР.", "ПОЛОЖ". і "АМПЛ." протигодинникової стрілки всі осі поставте в ліве крайнє положення. Потім поворотом осі потенціометра "ПОЛОЖ". верхньої групи із трьох потенціометрів сумістіть компенсуючий викид з місцем кривого калібрування, яке треба скоригувати. Ποтенціометром "АМПЛ" цієї групи встановіть полярність і величину компенсуючого викиду, а потенціометром" ШИР." добийтесь кращої компенсації нерівномірності.

Відновіть положення компенсуючого імпульсу потенціометром "ПОЛОЖ" Аналогічно проведіть корекцію нерівномірності, використовуючи інші три група потенціометрів. Після виконання корекції всіма чотирма групами потенціометрів (за необхідності) уточніть корекцію лінії калібрування обережним поворотом усіх осей потенціометрів по черзі і перевірте нерівномірність лінії калібрування.

6. Проведіть повторне калібрування згідно з описаною методикою.

Д.2.6.5. Режим роботи вимірювача

Вимірювач може працювати в таких режимах вимірювання КСХН і послаблення:

а) панорамне вимірювання в смузі робочих частот від мінімальної до максимальної в режимі автоматичного перестроювання частот з періодами 0,8; 1; 10; 40 с (рекомендується при настроюванні та регулюванні НВЧ вузлів);

б) панорамне вимірювання у вузькій (мінімальній) смузі частот з періодами перестроювання 0,08; 1; 10; 40 с (рекомендується при настроюванні та регулюванні вузькосмугових НВЧ пристроїв);

в) вимірювання в режимі ручного хитання частоти у встановленій смузі частот (у даному випадку перестроювання частоти здійснюється ручкою РУЧ., а вимірювання аналогічне вимірюванню о панорамному режимі);

г) вимірювання в режимі ручного перестроювання частоти,у цьому випадку прилад калібрується на кожній з фіксованих частот, а параметри вимірюються з підвищеною точністю).

Д.2.6.6. Панорамне вимірювання КСХН i послаблення в смузі частот

Періоди перестроювання частоти 1, 10, 40 с і робота вимірювача з натиснутою кнопкою рекомендуються при вимірюванні малих КСХН і великих послаблень (перемикач "ПРЕДЕЛЫ" – в положенні 25 або 30).

Перед вимірюванням підготуйте до роботи та відкалібруйте прилад у потрібній смузі частот.

Для вимірювання КСХН виконайте такі операції:- зберіть схему вимірювання відповідно рис. Д.2.2 і під'єднайте об'єкт

вимірювання;- встановіть перемикачем "ВР.ПЕРЕСТРОЙКИ" бажаний період

перестроювання – 0,08; 1; 10; 40 с (разовий запуск з періодом 40 с здійснюється кнопкою "ПУСК");

- перемикач "ПРЕДЕЛЫ" поставте в положення, при якому характеристика КСХН розміщується поблизу середини екрана ЕПТ;

- сумістіть ручкою "ОТСЧЕТ" лінію електронного візира на екрані ЕПТ з потрібною точкою на характеристиці КСХН і за шкалою КСХН відлікового пристрою індикатора відділіть виміряне значення;

- для визначення частоти, що відповідає потрібній точці характеристики КСХН, яка спостерігається, натисніть кнопку "М1", ручкою "М1" сумістіть частотну мітку з цією точкою i по табло ГХЧ відлічіть значення частота.

Для вимірювання послаблення після калібрування приладу зберіть схему за рис. Д.2.3 і між направленими детекторами під'єднайте об'єкт вимірювання.

Операції вимірювання послаблення аналогічні операціям при вимірюванні КСХН. Вимірюване значення послаблення визначається як алгебраїчна сума (з урахуванням знаку) величини послаблення, яке відповідає положенню перемикача"ПРЕДЕЛЫ" зі знаком мінус, і величини, відліченої за шкалою, дБ.

Д.2.6.7. Панорамне вимірювання КСХН і послаблення у вузькій смузі частот

Після підготовки приладу до вимірювань встановіть потрібну смугу частот:

- натисніть кнопку ΔF перемикача "РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ";- натисніть кнопку F2, ΔF відлікового перемикача;- обертанням ручки F2, ΔF встановіть по табло ГХЧ ширину смуги

перестроювання;- натисніть кнопку F1, F0 відлікового перемикача та обертанням ручки

F1 , F0 встановіть центральну частоту потрібної смуги хитання;- відкалібруйте прилад у смузі частот.

Складіть схему вимірювання згідно з рис. Д.2.2 (для вимірювання КСХН) або рис. Д.2.3 (для вимірювання послаблення).

Операції вимірювання аналогічні описаним (див. вимірювання КСХН і послаблення). При роботі у вузькій смузі за необхідності точнішого встановлення частоти слід користуватись зовнішнім частотоміром. Для цього потрібно:

- перемикач "AM" поставити в положення НГ, перемикач "ВР.ПЕРЕСТРОЙКИ" S – в положення "РУЧ"., ручку "РУЧ". – в крайнє ліве положення;

- з'єднати вихід ГХЧ зі входом зовнішнього частотоміра, змінити початкову частоту смуги хитання і за необхідності ручками FΔF і F1F встановити потрібну частоту;

- ручку "РУЧ". поставити в крайнє праве положення і аналогічно виміряти кінцеву частоту смуги хитання;

- вихід ГХЧ з'єднати зі входом вимірювального НВЧ тракту, перемикач AM поставити в положення "ВНУТР." і провести вимірювання у встановленій смузі частот.

Д.2.6.8. Вимірювання в режимі ручного хитання частоти

У режимі ручного хитання частоти у встановленій смузі частот підготовка до вимірювань i калібрування приладу здійснюються в режимі автоматичного перестроювання частоти.

Перед вимірюванням КСХН або послаблення перемикач "ВР.ПЕРЕСТРОЙКИ" поставте в положення "РУЧ.", обертанням ручки "РУЧ." встановіть потрібну частоту в межах заданої смуги частот і проведіть вимірювання.

Д.2.6.9. Вимірювання в режимі ручного перестроювання частоти

Для вимірювання частоти в режимі ручного перостроювання натиснітькнопку F0 перемикача "РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ" встановіть потрібну частоту генерації ручкою F1, F0 і проведіть підготовку до вимірювань і калібрування приладу.

Процес вимірювання аналогічний викладеному вище.У даному режимі калібрування приладу здійснюється окремо на кожній

частоті, тому що параметри вимірюються з підвищеною точністю. За необхідності точного встановлення частоти генерації слід користуватись зовнішнім частотоміром.

Д.2.6.10. Додаткові можливості приладу

Крім зазначених режимів роботи прилад дозволяє також проводити оцінні вимірювання (похибка вимірювання не гарантується) та спостереження досліджуваних характеристик КСХН і послаблення в таких режимах:

а) оцінні вимірювання та спостереження в логарифмічному масштабі (рекомендується при дослідженні пристроїв НВЧ, характеристики яких змінюються у великих межах у діапазоні робочих частот);

б) розширення меж оцінних вимірювань послаблення на 10 дБ;в) вимірювання послаблення неузгоджених чотириполюсників.Крім цих режимів прилад може працювати з контрольним рівнем, а

також записувати частотні характеристики на самопис.

Д.2.6.11. Вимірювання в логарифмічному режимі

Підготуйте вимірювач до роботи.Увімкніть об'єкт вимірювання у вимірювальний тракт згідно з

відповідною методикою вимірювання КСХН або послаблення (див. рис.Д.2.2, Д.2.3). Частотну характеристику КСХН і послаблення можна спостерігати безпосередньо на екрані ЕПТ.

За допомогою електронного візира проведіть відлік послаблення за логарифмічною шкалою індикатора.

При вимірюванні КСХН одержаний результат необхідно перевести із децибел в одиниці КСХН (табл. Д.2.2).

Таблиця Д.2.2α, дБ КСХН α, дБ КСХН α, дБ КСХН

1 17,4 15 1,432 29 1,0732 8,7 16 1,376 30 1,6503 5,8 17 1,328 31 1,0584 4,4 18 1,288 32 1,0525 3,56 19 1,252 33 1,0456 3,00 20 1,222 34 1,0417 2,61 21 1,195 35 1,0368 2,32 22 1,172 36 1,0329 2,099 23 1,152 37 1,02810 1,924 24 1,134 38 1,02511 1,784 25 1,119 39 1,02312 1,670 26 1,105 40 1,02013 1,576 27 1,09314 1,498 28 1,083

Д.2.6.12. Розширення меж вимірювання послаблення

Для проведення оцінних вимірювань послаблення елеминтів НВЧ а послабленням більше 35 дБ підготуйте прилад, відкалібруйте його і натисніть кнопку – 10 дБ на лицевій панелі індикатора. Ви мірювання проведіть за методикою, описаною при вимірюванні КСХН і послаблення. Виміряне значення послаблення визначається як алгебраїчна сума 10 дБ зі знаком мінус, величини послаблення, що визначається положенням перемикача "ПРЕДЕЛЫ" зі знаком мінус, і величини, відліченої за шкалою, дБ.

Д.2.6.13. Контрольний рівень

Якщо при настроюванні необхідно фіксувати верхню та нижню границі вимірювань величини одночасно, скористуйтесь лінією контрольного рівня як допоміжним візиром. Для цього візиром встановіть бажану величину КСХН або послаблення,а потім, обертаючи ручку "КОНТР.УРОВЕНЬ" (задня панель індикатора), сумістіть лінію контрольного рівня з лінією візира;

Д.2.6.14. Запис частотних характеристик на самописі

Для запису частотних характеристик КСХН і послаблення досліджуваних об'єктів, що спостерігаються на екрані ЕПТ, встановіть повільне перестроювання частоти ГХЧ (10, 40 с) і режим її ручного перестроювання.

Підготовку самописа до роботи слід проводити відповідно до інструкції по експлуатації самописа. При записуванні горизонтальне розгорнення самописа і перестроювання частоти ГХЧ вмикаються одночасно.

Д.2.6.15. Послаблення неузгоджених чотириполюсників

При вимірюванні послаблення неузгоджених чотириполюсників додаткову похибку вимірювання визначіть за графіком (рис. Д.2.4).

Рис.Д.2.4. Визначення додаткової похибки при вимірюванні послаблення неузгоджених чотириполюсників

Додаток 3ГЕНЕРАТОР СИГНАЛІВ Г4-ІІІ/6

Д.3.1. Призначення

1. Генератори сигналів високочастотні Г4-ІІІ, Г4-Ш/а, Г4-ІІІ/6 призначені для випробування різноманітних радіоелектронних пристроїв.

2. Генератори можуть працювати як в лабораторних, так 1 в польових умовах.

Робочі умови експлуатації:- температура навколишнього середовища – (р – 10...+50)°С (263...323К);- відносна вологість 95% при температурі до +30°С;- напруга мережі (220 ± 22) В.3. Генератори є джерелом НВЧ-коливань з некаліброваним за

потужністю виходом. Вони можуть працювати в режимах немодульованих коливань (безперервної генерації) і амплітудно-імпульсної модуляції, а також синхронізуватись від зовнішнього високостабільного джерела сигналу. За допомогою даних приладів можна здійснювати живлення НВЧ енергією вимірювальних ліній, весь комплекс трактових вимірювань (Кст, імпендансів та ін.), а також калібрування вимірювачів потужності, вимірювання втрат і послаблень. Генератора можна широко застосувати при перевірці радіо- електронних пристроїв і виявленні каналів побічного приймання, а також при випробуваннях напівпровідникових пристроїв типу змішувальних і помножувальних діодів, варакторів і т.д. Функціональну схему генератора Г4-ІІІ/6 зображено на рис. Д.3.1.

Рис. Д.3.1. Функціональна схема генератора Г4-ІІІ/6: 1 – автогенератор клістронний; 2 – блок генераторів меандра і пилкоподібної напругм; 3 – блок

живлення; 4 – індикаторний пристрій (запас по краях діапазону – не менше 1%)

Д.3.2. Технічні дані

1. Діапазон частот генераторів відповідає наведеному в табл. Д.3.1.

Таблиця Д.3.1Тип приладу Дiапазон частот, ГГц

Г4-III 6...17,85Г4-III/а 6...9Г4-III/б 9...11,7

2. Основна похибка встановлення частоти за шкалою генераторів і похибка в робочих умовах – не більше 1%.

3. Нестабільність частоти при незмінних зовнішніх умовах і напрузі живлення за будь-який вибраний довільно 15-хвилинний інтервал часу після 30 хв встановлення робочого режиму при роботі приладів у нормальних умовах – не більше ±10n (n = – 4) від робочого значення частоти. Додатковий час встановлення робочого режиму після перестроювання на іншу частоту для одержання вказаної нестабільності – не більше 15 хв.

4. Паразитна девіація частоти в режимі немодульованих коливань у смузі частот 50 Гц...20 КГц – не більше ±10n (n = – 5) від несучої частоти. Паразитна амплітуда в режимі немодульованих коливань – не більше 0,3%.

5. Основна похибка встановлення частоти в режимі зовнішньої амплітудно-імпульсної модуляції на частоті 1000 Гц не перевищуе ±1,2% від встановленого значення частоти.

Таблиця Д.З.2Тип приладу Дiапазон частот, ГГц Вихiдна потужнiсть, мВт

Г4-III/б 9...12,05 20

12,05...12,7 8

6. Вихідна потужність приладів на вихідному роз'ємі "ВЬІХОД" при навантаженні 50 Ом з Κст – не більше 1,6, в нормальних умовах – не менше величин, указаних у табл. Д.3.2.

Д.3.3. Підготовка до роботи

1.Органи керування приладів розміщено на передніх панелях. Їх призначення оговорено відповідними написами. Тумблер увімкнення мережі, лампочка "СЕТЬ ВКЛ." знаходяться в лівому верхньому куті панелі. В її лівому нижньому куті розташовано перемикач роду робіт і низькочастотне гніздо "ВНЕШ. МОДУЛ". Частота перестроюється ручкою, з'єднаною зі шкалою "ЧАСТОТА GHz". У правому верхньому куті панелі є індикатор вихідної потужності (стрілочний індикатор і ручка "ЧУВСТ."). Ручкою "ЧУВСТ." регулюеться чутливість індикатора рівня потужності. У правому нижньому куті генератора Г4-ІІІ розміщено три роз'єми "ВЫХОД", над кожним з яких є індикаторна лампочка. При перестроюванні частоти за діапазоном загоряється одна з них. Робочим є той з роз’ємів "ВЫХОД", над яким горить індикаторна лампочка.

Регулювання рівня вихідної потужності з роз'ємів "ВЫХОД" здійснюється двома ручками "УРОВ. МОЩНОСТИ", розташованими над індикаторними лампочками, а точніше, тією з них, під якою горить індикаторна лампочка. При цьому друга ручка повинна знаходитись у крайньому лівому положенні.

У генераторах Г4-ІІІ/а, Г4-ІІІ/6 у правому нижньому куті розміщено роз’єм "ВЫХОД" і ручку "УРОВ.МОЩНОСТИ". Регулювання рівня вихідної потужності з роз'єму "ВЫХОД" здійснюється ручкою "УРОВ.МОЩНОСТИ".

2. При роботі генераторів у режимі модуляції пилкоподібною напругою амплітуда пилки регулюється ручкою "АМПЛ.", під якою розташовано низькочастотний роз'єм виходу пилкоподібної напруги "ВЫХОД ".

3. У лівому боці задньої стінки є гніздо керуючої напруги "УПР.НАПРЯЖ", яке використовується при роботі генераторів у режимі електронного керування частотою. Необхідно пам'ятати, що це гніздо знаходиться під високим негативним потенціалом відносно корпусу. Там також розміщено вихідні роз’еми 6-9 GHZ·і 9-12,7 GHz – в генераторі Г4-ІІІ, 6-9 GHz – У генераторі Г4-ІІІ/а, 9-12,7 GHz – в генераторі Г4-ІІІ/6, тримачі запобіжників 1,0 А і 0,5 А.

Праворуч на задній стінці знаходиться роз'єм для приєднання кабеля живлення, лічильник напрацювання часу, якого може не бути, перемикач напруги 115 V, 400 Hz; 220 V, 50 Hz.

Перед увімкненням приладів переконайтесь, чи відповідає напис на кришці задньої стінки приладу напрузі мережі живлення. Перед увімкненням генераторів у мережу заземліть їх за допомогою клеми захисного заземлення, розміщеної на передній панелі генератора. Вимикач напруги мережі повинен знаходитись у нижньому положенні. Прилад за допомогою шнура живлення під’єднати до мережі живлення 220 В, 50 Гц.

5. Для ввімкнення приладів у мережу 115 В, 400 Гц відкрутіть два гвинти, що кріплять планку до задньої стінки приладу, переключіть тумблер на 115 В, переверніть планку Іншою стороною і поставте її на попереднє місце.

Замініть у роз’ємі 220 V, 115 V плавкі вставки типу 2П26-1 з 3,15 на 4,0 А у генераторах Г4-ІІІ і з 2,0 на 3,9; 3,0 – у генераторах Г4-ІІІ/а, Г4-ІІІ/6.

Д.3.4. Порядок роботиД.3.4.1. Підготовка до проведення вимірювань

1. Перш ніж розпочати вимірювання, перевірте відповідність впливових факторів робочим умовам: навколишня температура – (+50...-10)°С, відносна вологість – до 95% при температурі повітря плюс 30°С, атмосферний тиск – (750 ± 30) мм рт.ст. Переконайтесь також у тому, що напруга мережі не відрізняється відномінальної більш ніж на ±10%.

2. Перед тим, як увімкнути прилад тумблером "СЕТЬ", перемикач роду робіт поставте в нейтральне положення (жодна з клавіш не натиснута), ручки регулювання рівня потужності – у крайнє ліве положення (положення мінімальної вихідної потужності), ручку – "ЧУВСТ." – у крайнє праве положення. Недодержання цих правил при ввімкненні генератора може призвести до перевантаження досліджуваних пристроїв.

3. Ввімкніть вилку живлення в мережу, тумблером "СЕТЬ" ввімкніть прилад. При ввімкненні тумблера на приладі повинні зaгорітись індикаторна лампочка "СЕТЬ", що свідчить про наявність напруги в мережі, та індикаторна лампочка в генераторах Г4-ІІІ над одним із роз'ємів "ВЫХОД". У генераторі Г4-ІІІ робочим є той роз'єм "ВЫХОД"; над яким горить індикаторна лампочка.

4. Прогрійте прилад протягом 5 хв (не менше). Наявність високочастотного сигналу можна визначити за відхиленням стрілки індикатора при повороті ручки регулювання рівня сигналу "УРОВ.МОЩНОСТИ", під якою горить індикаторна лампочка (Г4-ІІІ), праворуч із крайнього лівого положення. В окремих ділянках діапазону можливе зменшення показань вбудованого індикатора потужності до нуля за наявності максимально гарантованої потужності на роз'ємі "ВЫХОД". Прилад з'єднується з іншими видами обладнання за допомогою кабелів, коаксіально-хвилеводних і коаксіальних переходів.

5. Для одержання гарантованої стабільності частоти і потужності прогрійте прилад при фіксованому навантаженні протягом 30 хв (не менше).

Д.3.4.2. Проведення вимірювань

1. Генератор забезпечує такі види робіт:- режим немодульованих коливань (безперервну генерацію – НГ);- внутрішню та зовнішню модуляції меандром;- зовнішню амплітудно-імпульсну модуляцію імпульсами позитивної

полярності;

- внутрішню частотну модуляцію пилкоподібною напругою;- зовнішню частотну модуляцію синусоїдною напругою;- режим синхронізації частоти зовнішнім синхронізатором.2. Поставте перемикач роду робіт у положення НГ. Установіть ручкою,

зв'язаною зі шкалою частоти "ЧАСТОТА GHz", потрібну частоту.3. Ручкою регулювання "УРОВ. МОЩНОСТИ", під якою горить

індикаторна лампочка, встановіть необхідний рівень вихідної потужності. Для одержання максимального рівня вихідної потужності ручку регулювання "УРОВ.МОЩНОСТИ", під якою не горить індикаторна лампочка, встановіть максимальний рівень за індикатором. В окремих ділянках діапазону можливе зменшення показань вбудованого індикатора потужності до нуля при максимально гарантованій вихідній потужності.

4. Режим внутрішньої модуляції меандром або пилкоподібною напругою забезпечте переведенням перемикача роду робіт відповідно в положення або . При роботі приладу в режимі внутрішньої модуляції пилкоподібною напругою з вихідного роз'єму знімається сигнал "пилки" не менше 30 В, амплітуда якого регулюється ручкою "АМПЛ.".

5. При роботі в режимі зовнішньої модуляції напруга подається за допомогою кабеля на гніздо "ВНЕШ. МОДУЛ." Перемикач роду робіт встановіть у положення необхідного виду модуляції або ЧМ. Амплітуда позитивного імпульсу, який подається на гніздо "ВНЕШ. МОДУЛ.", має бути в межах 14...20 В, максимальна амплітуда синусоїдної напруги, що подається на гніздо "ВНЕШ. МОДУЛ" у режимі частотної модуляції, – 30 В.

6. При роботі в режимі зовнішньої синхронізації частоти сигнал з виходів генератора 6-9 GHz або 9-12, 7GHz, розміщених на задній стінці приладу, за допомогою кабеля із ЗІП подайте на вхідний роз’ем синхронізатора, а керуючу напругу за допомогою двопровідного кабеля – на роз’єм "УПР. НАПРЯЖ." задньої стінки приладу. При цьому слід натиснути клавішу ЧМ клавішного перемикача. Плавною зміною частоти генератора (або синхронізатора) останній вводиться в режим синхронізації. При цьому стабільність частоти сигналу, що знімається з роз'єму "ВЫХОД" генератора, повинна відповідати стабільності частоти синхронізатора.

7. Поправка щодо тривалості високочастотного імпульсу являє собою залежність укорочення або збільшення тривалості імпульсу Δτ від частоти.

8. Для одержання найкращої стабільності частоти доцільно збільшити час встановлення робочого режиму приладу до двох-трьох годин та експлуатувати його за незмінних умов, особливо при постійній температурі навколишнього середовища.

9. Рівень другої і третьої гармонік генераторів, а також рівні 1/2 f, 3/2 f, 5/2 f послаблені відносно несучої частоти на 30 дБ у генератора Г4-Ш/а, 40 дБ – у генератора Г4-ІІІ/6, 30 дБ – у діапазоні 6...8,9 ГГц, 40 дБ – у діапазоні 8,9... ...12,7 ГГц, 15 дБ – у діапазоні 12,7...17,85 ГГц у генератора Г4-ІІІ.

Для додаткового подавлення вказаних гармонік у діапазоні 6...10 ГГц і сигналу паразитної частоти в діапазоні 6...9,3 ГГц на. виході генераторів використовується фільтр НЧ з fгр = 10,2 ГГц, який входить у ЗІП.

Для додаткового подавлення рівня гармонік у діапазоні 10...17,85 ГГц у генераторі Г4-ІЇІ застосовується фільтр НЧ з fГр = 18 ГГц, що входить у ЗІП генератора.

10. Для вимкнення приладу переведіть тумблер із положення "СЕТЬ ВКЛ." у нижнє положення, від'єднайте шнур живлення і всі кабелі, що з'єднують прилад з іншими видами обладнання.

Додаток 4Підсилювач високочастотний широкосмуговий уз-29

Д.4.1. Призначення

Підсилювач високочастотний широкосмуговий 73-29 з комплектом високочастотних детекторних головок здійснює:

- детектування радіоімпульсів і підсилення до рівня, який забезпечує можливість спостереження обвідної радіоімпульсів на

екрані осцилографа;- підсилення синусоїдних сигналів у смузі частот 50 Гц... ...20 МГц та

імпульсних сигналів обох полярностей тривалістю 0,05...100 мкс;- індикацію відносної зміни високочастотної потужності, яка не

перевищує 5 мВт;- детектування ВЧ-сигналів у діапазоні 50 Гц...17850 Гц потужністю не

більше 200 мВт.Прилад може застосовуватись для роботи в цехових і лабораторних

умовах, а також у ремонтних організаціях.Умови експлуатації:- робоча температура повітря – 5...40° С;- відносна вологість повітря – до 9556 при температурі до 30° С;- атмосферний тиск – (100 ± 4) кПа (750 ± 30) мм рт.ст.;- напруга мережі живлення – (220 ± 22) В, частота – (50 ± 0,5) Гц, вміст

гармонік – до 5%.

Д.4.2. Технічні дані

Смуга пропускання підсилювача – 50 Гц...20 МГц. Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики в межах смуги пропускання не перевищує 2 дБ із вхідним і вихідним кабелями при роботі на навантаження з опором 500 кОм і ємністю 30 пФ.

Коефіцієнт підсилення – не менше 200.Похибка встановлення каліброваного коефіцієнта підсилення на частоті

100 кГц – від – 10 до +20%.

Коефіцієнт нелінійних спотворень при вихідній напрузі до 1 В не перевищує 5%.

Діапазон вхідних напруг – 1,5...300 мВ.Примітка. Підсилювач зберігає працездатність після випадкових

короткочасних десятикратних перевантажень по входу.Відношення сигнал/шум – не менше 6.Коефіцієнт поділу кожної частини атенюатора дорівнює 2 а похибкою

встановлення не більше ± 10%.Напруга зміщення без детекторної головки в режимі "ОГИБАЮЩАЯ"

має бути (80 ± 4) В.Відхилення стрілки індикатора підсилювача УЗ-29 на всю шкалу в

режимі "НГ" забезпечується при вхідному струмові перетворювача не більше 25 мкА.

Діапазон частот детекторних головок відповідає данимтабл. Д.4.1.

Таблиця Д.4.1Робочий дiапазон

частот, ГГц КСХ Чутливiсть, мкВ/мкВт

0,05...4 2 303,86...10,02 2,5 208,15...11,42 2,5 30

11,72...17,85 2,5 12

КСХ детекторних головок – не більше величин, указаних в табл.Д.4.1.Чутливість детекторних головок – не менше величин, наведених в табл.

Д.4.1.Ємність конструктивного конденсатора, що блокує вихідний роз'єм

детекторних головок, не перевищує 20 пФ.Вхідний активний опір підсилювача а вхідним кабелем на частоті кГц –

не менше 400 кОм.Вхідна ємність підсилювача:- без вхідного кабеля – не більше 25 пФ; – з вхідним кабелем – не більше

65 пФ. Час самопрогріву підсилювача – 30 хв.Живлення підсилювача здійснюється від мережі змінного струму

напругою (220 ± 22) В, частотою (50 ± 0,5) Гц і вмістом гармонік до 5%.Потужність, яка опоживаеться підсилювачем при нормальній напрузі

мережі, не перевищує 50 ВА.Тривалість безперервної роботи підсилювача – 8 год.Напрацювати на відмову – 6000 год. Технічний ресурс – не менше 5000

год. Габаритні розміри підсилювача – 490 χ 135 χ 355 мм. Габаритні розміри ящика для комплекту детекторних головок і допоміжного майна – 400 х 130 х

360 мм. Маса підсилювача – не більше 14 кг. Маса ящика з комплектом детекторних головок і допомігшого майна – не більше 6,5 кг.

Д.4.3. Будова та робота підсилювача і його складових частин

Досліджувані радіоімпульси подаються на вхід високочастотної детекторної головки. Обвідна радіоімпульсів зі входу високочастотної детекторної головки через перемикач "РОД РАБОТЫ" надходить на вхід підсилювача.

Для спостереження форми сигналу підсилена напруга з виходу приладу подається на вхід осцилографа.

Відеоімпульси і синусоїдні коливання подаються на вхід приладів безпосередньо.

Для встановлення каліброваного коефіцієнта підсилення рівним 200 з внутрішнього калібратора через перемикач "РОД РАБОТЫ" на вхід підсилювача подається стабільна напруга типу "меандр", яка підсилюється i надходить на схему індикації.

При індикації відносної зміни високочастотної потужності не-модульованого високочастотного сигналу постійна складова струму детектора високочастотної детекторної головки перетворюється перетворювачем у переривну напругу,яка потім підсилюється та індикується стрілковим приладом.

Блок-схему високочастотного широкосмугового підсилювача зображено на рис. Д.4.1.

Перемикач В1 "РОД РАБОТЫ" служить для комутації кіл високо-частотного широкосмугового підсилювача при всіх видах роботи приладу і має такі положення: "КАЛИБР", "ОГИБАЮЩАЯ", "ВИДЕОИМП"; "НГ".

Д.4.4. Заходи безпеки

1. Підсилювач за електробезпекою відповідає 01-му класу захисту.2. До роботи з підсилювачем допускаються особи, що пройшла

інструктаж з техніки безпеки при роботі з електро- і радіовимірювальними приладами.

3. При роботі з підсилювачем додержуйте запобіжних заходів, тому що в підсилювачі постійна напруга – 80 В і змінна напруга – 220 В.

4. Перед увімкненням підсилювача заземліть затискач захисного заземлення, який позначено символом .·Затискач захисного заземлення від'єднуйте тільки після вимикання підсилювача від мережі.

Рис Д.4.1. функціональна схема підсилювача 73-29: 1 – підсилювач високочастотний широкосмуговий; Π – вхід; Ш – вихід; І – перемикач роду робіт ВІ; 2 – вхідні каскади ЛІ, ППІ; 3 – атенюатор ΡІІ-Ρ22; 4 – перший каскад відеопідсилювача Л2; 5 – перетворювачі Д11, Д12; 6 – емітерні повторювачі ІШ2; 7 – другий каскад відеопідсилювача ППЗ, ПП4; 8 – складений емітерний повторювач ПП5, ПП6; 9 – калібратор МСІ; 10 – третій каскад відеопідсилювача ПП7, ПП8; ІІ – вихідний каскад ПП9-ІІ; 12 – блок живлення; 13 – схема індикації

Д.4.5. Підготовка до роботи

1. До початку роботи з підсилювачем вивчіть опис та інструкпію з експлуатації, ознайомтесь зі схемою підсилювача.

2. Переконайтесь у тому, що зовнішні фактори відповідають умовам експлуатації.

3. Корпусну клему підсилювача з'єднайте із земляною шиною приміщення.

УВАГА! Максимально допустима потужність, яку можна подавати на вхід детекторної головки, не перевищує:

- у режимі "ОГИБАЮЩАЯ" – 200 мВт;.- у режимі "НГ" – 5 мВт.

Д.4.6. Порядок роботиД.4.6.1. Підготовка до проведення вимірювань

1. Встановіть стрілку стрілкового приладу на нуль механічним приладом.

2. Під'єднайте шнур живлення до мережі, встановіть тумблер увімкнення мережі в положення "ВКЛ". Після ввімкнення дайте приладу прогрітись протягом 30 хв.

Після прогріву підсилювача проведіть його калібрування. При калібруванні ручки мають бути в таких положеннях:

- "УСИЛЕНИЕ" – у крайньому лівому положенні;- "РОД РАБОТЫ” – "КАЛИБР";- "BX.УPOBEHb.mV" – "5 – 10".Обертаючи ручку "УСИЛЕНИЕ", встановіть стрілку мікроамперметра на

відмітку "50". При обертанні ручки "УСИЛЕНИЕ" можливе наплавне пересування стрілки мікроамперметра.

Д.4.6.2. Проведення вимірювань

При підсиленні синусоїдних та імпульсних сигналів ручку перемикача "РОД РАБОТЫ" встановіть у положення "ВИДЕОИМП", ручку перемикача "ВХ. УРОВЕНЬ mV" – у положення, що відповідає рівню сигналу, який подається. Підсилену напругу зняти з гнізда "ВЫХОД".

Примітка. При підсиленні імпульсних сигналів вихідний сигнал відносно вхідного має зворотну полярність.

ЗМІСТ

Передмова.................................................................................................... 3Загальні положення.....................................................................................4Лабораторна робота № 1. Вимірювання параметрів хвиль і повних

опорів у трактах НВЧ за допомогою вимірювальної лінії.............................. 8Лабораторна робота № 2. Узгодження в лініях передачі НВЧ............... 27Лабораторна робота № 3. Дослідження напівпровідникового генера-

тора НВЧ на основі діода Ганна........................................................................ 48Лабораторна робота № 4. Дослідження мостових схем НВЧ................. 63Лабораторна робота № 5. Дослідження хвилеводних фазообертачів

НВЧ.......................................................................................................................77

Лабораторна робота № 6. Дослідження характеристик феритового хвилеводного вентиля......................................................................................... 84

Лабораторна робота № 7. Дослідження хвилеводних смугових фільтрів.................................................................................................................94

Лабораторна робота № 8. Дослідження об'ємних резонаторів НВЧ......114Лабораторна робота № 9. Дослідження направленого відгалужувача.. 131Лабораторна робота № 10. Дослідження фільтрів на смужкових

лініях.....................................................................................................................145Лабораторна робота № 11. Методика застосування та градуювання

вимірювальних ліній надвисоких частот.......................................................... 162Лабораторна робота № 12. Перевірка поляризаційних атенюаторів

НВЧ....................................................................................................................... 181Додаток 1. Встановлення режиму роботи генератора Г4-90 "Внутрішня

модуляція меандром".......................................................................................... 196Додаток 2. Вимірювач КСХН панорамний Р2-61.................................... 198Додаток 3. Генератор сигналів Г4-Ш/6..................................................... 212Додаток 4. Підсилювач високочастотний широкосмуговий УЗ-29....... 219

Віктор Григорович УдачинІван Павлович Заїкін

Олександр Олексійович ЗеленськийСергій Володимирович Хуторненко

Редактори: С.П. Гевло,Л.О. Кузьменко

Зв.илан, 1998Підписано до друку 16.11.98Формат 60x84 1/16. Папір офс. № 2. Офс.друк.Умовн.-друк.арк. 12,5. Облік.-вид.арк.14,12. Т. 150 прим.Замовлення 208. Ціна вільна_______________________________________________________

Державний аерокосмічний університет Їм. М.Є. Жуковського"Харківський авіаційний iнститут"310070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

Ротапринт друкарні XАІ310310, Харків-70, вул. Чкалова, 17