Материал: t5IRtEfj9y

Лабораторная работа 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СВЧ-ТРАКТА

С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Цели работы. Изучение методов измерения полных сопротивлений. Освоение практических приемов работы с измерительной линией и круговой диаграммой полных сопротивлений.

3.1. Основные положения

Измерения коэффициента отражения и полного сопротивления узлов или элементов СВЧ-трактов необходимы при решении задач согласования, определении параметров эквивалентных схем и частотных характеристик устройств СВЧ.

Измерения с помощью измерительной линии являются наиболее простыми, достаточно точными и доступными при экспериментальном определении коэффициента отражения и полного сопротивления. Принцип таких измерений 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 волновому сопротив-

лению линии Z0, то в линии устанавливается режим «бегущей» волны (отсут-

ствуют отраженные волны). При Zн ≠ Z0 в передающей линии устанавливает-

ся режим «стоячих» волн (суперпозиция падающих и отраженных волн). Коэффициент отражения определяется отношением напряженности электрического поля отраженной волны E0 к напряженности падающей волны Eп в ме-

сте расположения элемента, т. е. Гɺн= Eɺ0 Eɺп . В общем виде коэффициент от-

ражения является комплексным числом: Гɺн= Г exp(iϕн ) , где Гн – модуль отношения напряжений; φн – фазовый сдвиг между падающей и отраженной волнами на исследуемом объекте.

Комплексный коэффициент отражения связан с полным сопротивлением Zн = Rн + i X н соотношением Γɺн = (Zн − Z0 )(Zн + Z0 ) . Как правило, сопро-

На практике обычно измеряют коэффициент стоячей волны (КСВ) напряжения, определяемый отношением максимального значения напряже-

ния стоячей волны в линии к ее минимальному значению: ρ = Umax Umin , и

положение ближайшего от нагрузки минимума напряжения в линии zmin .

Зная эти параметры, можно легко определить модуль и фазу коэффициента отражения:

Здесь λкр – критическая длина волны волновода.

Для основного типа волны прямоугольного волновода (TE10) λкр = 2a,

связаны с сеткой активных и реактивных составляющих сопротивления. Круговая диаграмма представляет собой три семейства кривых, расположенных в одной плоскости,: 1) семейство окружностей нормированных активных составляющих сопротивления R '=const с центром на вертикальной оси (характерной является окружность R '=1, проходящая через центр диаграммы); 2) семейство дуг окружностей нормированных реактивных составляющих сопротивления X '=const с центрами на горизонтальной оси (дуги, соответствующие положительным значениям X ', находятся справа от вертикальной оси, а дуги, соответствующие отрицательным значениям, − слева; на верти-

кальной оси диаграммы реактивные сопротивления (проводимости) равны нулю); 3) семейство концентрических окружностей ρ = const или Гн = const

с центрами, соответствующими нулевому отражению Гн = 0 и ρ = 1, в цен-

17

тре диаграммы. Обычно, для удобства работы значения ρ или/и Гн , соот-

ветствующие радиусам этих окружностей, наносят на прозрачную пластмассовую линейку с делениями, вращающуюся вокруг центра диаграммы.

Таким образом, каждой точке плоскости диаграммы соответствует единственное значение комплексного нормированного сопротивления Z ', определяемое точкой пересечения кривых семейств (1) и (2) при соответствую-

щем значении ρ (или Гн ).

На внешней окружности диаграммы нанесены расстояния от начала координат (отсчета) до исследуемого сечения линии, выраженные в виде отно-

шения 2lπ или 4πΔlλ . Если исходить из того, что нормированное сопро-

тивление Z' представляет собой последовательное соединение активных и реактивных составляющих, то в правой полуплоскости, где откладываются положительные фазовые углы, реактивная составляющая полного сопротивления имеет индуктивный характер, а в левой полуплоскости, где откладыва-

ются отрицательные углы, − емкостный характер.

3.2. Описание экспериментальной установки

Рис. 3.1

Для исследования режима «бегущей» и «стоячей» волн вместо элементов 6 и 7 помещаются согласованная нагрузка или короткозамыкатель соответственно.

3.3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой, входящей в экспериментальную установку.

2.Изучить конструкцию и основные характеристики измерительной линии.

18

3.Изучить круговую диаграмму полных сопротивлений и методику определения с ее помощью полного сопротивления и проводимости.

4.Включить измерительный генератор согласно инструкции и настроить на заданную преподавателем частоту.

5.Настроить измерительную линию на заданную частоту. Для этого собрать схему (см. рис. 3.1), заменив в ней исследуемый элемент на короткозамыкатель. От генератора подать в линию высокочастотный сигнал и с помощью ручек настройки диодной и зондовой резонансных камер измерительной линии получить максимум на шкале индикаторного прибора. При этом глубину погружения зонда следует устанавливать минимальной с учетом реальной чувствительности индикатора. Уровень мощности в измерительной линии 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 (формула

(3.3)).

7. Провести измерения, необходимые для определения полного сопротивления нагрузок. Для этого зафиксировать положение Z1 одного из минимумов напряженности поля при подключенном короткозамыкателе. Затем собрать схему согласно рис. 3.1 и определить положение минимума Z2, ближайшего к ранее найденному Z1 со стороны нагрузки. Относительный фазовый сдвиг определяется соотношением Zλв = (Z2 − Z 1)λв .

Для определения КСВ необходимо установить зонд в положение мини-

мума и зафиксировать показания индикатора (U1); затем, установив зонд в положение максимума, увеличить затухание встроенного в генератор атте-

нюатора до получения прежних показаний индикатора (U1) и определить

8. Повторить пп. 4 – 7 на других частотах (по указанию преподавателя).

19

9. Определить полное сопротивление и проводимость исследованного эле-

мента, используя круговую диаграмму и результаты измерений ( zmin , ρ, λв). 10. Рассчитать активные и реактивные составляющие полного сопротивления, используя соотношения (3.2) – (3.4).

3.4.Содержание отчета

1.Схема измерительной установки.

2.Основные технические характеристики измерительных приборов.

3.Графики распределения напряженности электрического поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки, короткозамыкателя и исследуе-

мого элемента. На графиках указать значение длины волны λв и КСВ.

4.Эскиз исследуемого элемента с указанием основных геометрических размеров.

5.Основные элементы круговой диаграммы с нанесенными на ней значения-

ми экспериментально найденных точек, определяющих Zн′ и Yн′ . 6. Выводы.

3.5.Контрольные вопросы

1.Для чего необходима согласованная нагрузка в схеме измерительной установки?

2.Для чего и каким образом измеряется распределение напряженности электрического поля вдоль линии?

3.Как экспериментально определить длину волны в линии?

4.Какое значение принимает КСВ при подключённом короткозамыкателе?

5.Какова методика определения полного сопротивления исследуемого элемента при помощи круговой диаграммы сопротивлений?

Лабораторная работа 4. НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы. Ознакомление с эффектом необратимого вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию передачи, содержащую феррит.

20