Материал: Sb96658
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
А. В. ДРОЗДОВСКИЙ Н. Г. КОВШИКОВ
МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА И ИЗМЕРЕНИЯ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2018
УДК 615.849.112(07)
ББК З 840.4я7 Д 75
Дроздовский А. В., Ковшиков Н. Г.
Д75 Микроволновая техникаи измерения: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 32 с.
ISBN 978-5-7629-2195-4
Приводится описание лабораторных работ по дисциплинам «Микроволновая техника и измерения» и «СВЧ-техника и измерения». Содержит краткие описания некоторых приборов СВЧ, методов и схем измерения их СВЧ-харак- теристик, задания для лабораторных работ и порядок их выполнения. Сформулированы контрольные вопросы для самостоятельной подготовки.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника».
УДК 615.849.112(07)
ББК З 840.4я7
Рецензент доцент кафедры криогенной техники университета ИТМО, канд. техн. наук О. В. Пахомов.
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2195-4 |
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018 |
|
2 |
Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
СВЧ-ТРАКТА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ
Цельработы:определениеполногосопротивленияэлементов СВЧ-тракта и освоение практических приемов работы с измерительной линией и круговой диаграммой полных сопротивлений.
1.1. Основные положения
Измерения коэффициента отражения и полного сопротивления узлов или элементовСВЧ-трактовнеобходимыприрешениизадачсогласования, атакже при определении параметров эквивалентных схем и частотных характеристик устройств СВЧ. Измерения с помощью измерительной линии (ИЛ) являются простыми, достаточно точными и не требуют сложного измерительного оборудования при экспериментальном определении коэффициента отражения и полного сопротивления.
Принцип измерения основан на известной зависимости между сопротивлением исследуемого элемента и распределением напряженности электрического поля волны вдоль однородной линии передачи, соединяющей измеряемый элемент с генератором. Если сопротивление элемента Zн равно волно-
вому сопротивлению линии z0 , то в ней устанавливается режим бегущей волны (отсутствуют отраженные волны). В случае, если Zн ≠ z0, в передаю-
щей линии устанавливается режим стоячих волн, получающихся как суперпозиция падающих и отраженных волн. Коэффициент отражения определяется отношением напряженности электрического поля отраженной волны E0 к
напряженности падающей волны Eп в месте расположения элемента, т. е.
Γн = E0 / Eп.
В общем виде коэффициент отражения является комплексным числом: Γн = Γн exp(iφн), где Γн – модуль отношения напряжений; φн – фазовый
сдвиг между падающей и отраженной волнами на исследуемом объекте. Комплексный коэффициент отражения связан с полным сопротивлением Zн = Rн +iXн соотношением
Γн =(Zн − z0)/ (Zн + z0).
3
Сопротивление нагрузки СВЧ-тракта обычно выражают в нормированных на волновое сопротивление подводящей линии значениях:
Zн ' = Zн / z0 =(1+Γн)/ (1−Γн). |
(1.1) |
На практике, как правило, измеряют коэффициент стоячей волны напряжения (КСВ), определяемый отношением максимального значения напряжения стоячей волны в линии к его минимальному значению: ρ = Umax /Umin , и
положение ближайшего от нагрузки минимума напряжения в линии zmin . Че-
рез эти параметры можно легко определить модуль и фазу коэффициента отражения:
|
Γн |
|
=(ρ –1)/ (ρ+1); |
(1.2) |
|
|
|||
∆φн = 4π∆zmin /λв, |
|
|||
где λв – длинаволнывлинии,котораяопределяетсякак удвоенноерасстояние
между ближайшими минимумами.
Таккак калибровкасопротивлениянагрузкиизмерительнойлиниипроиз-
водится по короткому замыканию, то φн = φк ± ∆φн, т. |
е. |
φн =180± 4π∆zmin /λв, где ∆zmin – расстояние между минимумом Zmin кз |
в |
режиме короткого замыкания (калибровки) и минимумом Zmin в режиме подключеннойнагрузки Zн. При этом знак «–»используется, еслиминимум Zmin расположенмежду Zmin кз инагрузкой,и«+», еслиминимум Zmin отнагрузки лежит в сторону генератора от Zmin кз.
С учетом (1.1) и (1.2), можно определить полное сопротивление исследуемого элемента:
Z |
н |
' |
= R'+iX ' = 1+ |
|
Γ |
н |
|
exp(iφ |
н |
) |
/ 1 |
− |
|
Γ |
н |
|
exp(iφ |
н |
) = |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.3) |
|||||||||
= |
|
|
+ |
|
Γн |
|
2 |
+i2 |
|
Γн |
|
sin(φн) |
|
/ |
|
|
Γн |
|
2 |
−i2 |
|
Γн |
|
cos(φн) |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
1− |
|
|
|
|
. |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полное сопротивление удобно находить с помощью круговых диаграмм полных сопротивлений, где все вышеуказанные параметры (ρ, zmin , Γн ) связаны с сеткой активных и реактивных составляющих сопротивления.
1.2. Описание экспериментальной установки
Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.1. В состав установки входят следующие элементы: 1 – измерительный
4
СВЧ-генератор; 2 – частотомер; 3 – регулируемыйаттенюатор; 4 – измерительная линия; 5 – индикатор; 6 – исследуемый элемент; 7 – согласованная нагрузка.
Рис. 1.1
Для исследования режимов бегущей и стоячей волн вместо элементов 6
и7 помещаются эталонная нагрузка или короткозамыкатель соответственно.
1.3.Задание и порядок выполнения работы
1.Ознакомиться с аппаратурой, входящей в экспериментальную уста-
новку.
2.Изучить конструкцию и основные характеристики измерительной линии (ИЛ), методику градуировки.
3.Изучить круговую диаграммуполных сопротивленийиметодикуопределения с ее помощью полного сопротивления и проводимости.
4.Включить измерительный генератор согласно инструкции и настроить его на заданную преподавателем частоту fи.
5.Настроить измерительную линию на заданную частоту. Для этого собрать схему (рис. 1.1), заменив в ней исследуемый элемент на короткозамыкатель. От генератора подать в линию высокочастотный сигнал и с помощью ручекнастройки диодной и зондовой резонансной камер ИЛполучить максимум на шкале индикаторного прибора. При этом глубину погружения зонда следует устанавливать минимальной с учетом реальной чувствительности индикатора. Уровень мощности в ИЛ следует поддерживать таким, чтобы показания индикатора соответствовали полной шкале при установке зонда в максимум напряженности электрического поля.
6.Измерить распределение напряженности электрического поля вдоль линии при подключенном короткозамыкателе и при замене его на согласованную нагрузку. Определить длину волны в линии и сравнить с расчетной [см.
(1.3)].
5