Лаб2-1
.docМинистерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский
государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”
кафедра ЭИВТ
Отчёт по лабораторной работе № 2.
МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ.
Работу выполнил
студент группы 0221
Голиков А.Н.
Преподаватель:
Никольский М.А.
Санкт-Петербург
2002
Цель работы. Исследование микрополосковых линий передачи и резонаторов. Приобретение практических навыков работы с генератором качающейся частоты(СВИП-генератором) в комплексе с индикатором КСВН и ослаблений.
-
Микрополосковые линии передачи и микрополосковые резонаторы.
Микрополосковая линия (МПЛ) ( рис.1 а) – это двухпроводная полосковая линия с поперечным сечением в виде параллельных прямых, имеющая одну плоскость симметрии, параллельную направлению распространения энергии (на рис.1 а: 1 – проводящая полоска, 2 – экран (земляной электрод), 3 – подложка из диэлектрика). МПЛ – в настоящее время наиболее широко применяемая СВЧ линия передачи при разработке миниатюрных устройств СВЧ. В МПЛ основным типом является квази – ТЕМ волна, однако могут быть возбуждены и волны высших типов. Структура поля в поперечном сечении МПЛ показана на рис.1 б.
Одной из важнейших характеристик МПЛ является волновое сопротивление, определяемое геометрическими размерами линии и диэлектрической проницаемостью подложки. Для полосок нулевой толщины
при
при
,
где – эффективная диэлектрическая проницаемость. В статическом случае .
Строго говоря МПЛ является дисперсионной линией и все ее характеристики зависят от частоты. Длина волны в МПЛ определяется выражением
.
Точное определение частотных зависимостей, и других параметров МПЛ требует решения краевой задачи с использованием численных методов и применения ЭВМ. Для приближенного учета дисперсии квази-Т волны можно использовать аппроксимационную формулу
,
которая дает неплохие качественные оценки.
Анализ показывает, что увеличивается с ростом частоты от при до при . Для частот менее 10 ГГц мало отличается от .
Одним из простейших и, в то же время, важнейших элементов СВЧ схем на основе МПЛ является микрополосковый резонатор (МПР), представляющий собой отрезок МПЛ резонансной длины l. По конструкции МПР делятся на замкнутые (например, кольцевой), а также короткозамкнутые и разомкнутые на конце. Короткозамкнутые на концах МПР используются редко из-за технологических трудностей обеспечения короткого замыкания между проводниками МПЛ. На рис.2. показаны примеры линейного разомкнутого на концах МПР (а) и кольцевого МПР (б). Основными характеристиками резонатора являются резонансная частота и добротность Q. Экспериментально эти характеристики могут быть получены из измерения характеристик передачи резонатора. Резонансная частота МПР определяется длиной резонатора l и диэлектрической проницаемостью подложки. Для линейного резонатора (рис.2а)
(1),
где с – скорость света в вакууме, – эффективная диэлектрическая проницаемость, n = 1,2,… – число полуволн, укладывающихся на длине резонатора.
Нагруженная добротность резонатора определяется как
,
где – ширина резонансной кривой, измеренная по уровню 3 дБ от максимума. Для МПР характерны невысокие величины добротности (100 – 500 ). Основные преимущества МПР – миниатюрность, совместимость с линиями передачи СВЧ и активными планарными элементами (диодами, транзисторами и т.д.).
2. Описание экспериментальной установки.
Для измерения длины волны в МПЛ используется измерительная линия (рис.3). Блок – схема показана на рис.4. Микрополосковая измерительная линия представляет собой МПЛ в металлическом экране, по которому скользит каретка зонда, связанная с измерительной линейкой. Для измерения характеристик микрополоскового резонатора используется панорамный измеритель КСВ и ослаблений – прибор, предназначенный для наблюдения на экране и измерения частотных зависимостей КСВ и ослаблений (модуля коэффициента передачи). Прибор обеспечивает измерение КСВ в пределах от 1,0 до 6,0. Прибор обеспечивает измерение коэффициента передачи четырехполюсников от 0 до –40 дБ. Частотный диапазон прибора от 1 ГГц до 10 ГГц (со сменными СВЧ блоками).
Схема измерительной установки в режиме измерения КСВ и характеристики передачи показана на рис.5(а) и 5(б) соответственно.
Панорамный измеритель КСВ состоит из следующих основных блоков и узлов: генератора качающейся частоты 1, индикатора КСВ и ослаблений 2 и блока направленных ответвителей 3, 4, 5 с детекторами 8. Принцип действия панорамного измерения КСВ состоит в следующем. Генератор СВЧ 1 вырабатывает СВЧ колебания с частотой, изменяющейся по пилообразному закону. Значения начальной и конечной частот устанавливаются ручками “” и “”. Мощность СВЧ поступает на блок направленных ответвителей 3. Направленный ответвитель 3 ответвляет часть мощности, пропорциональную падающей мощности и направляет в детектор 6. Направленный ответвитель 4 ответвляет часть отраженной от объекта исследования 7 мощности и направляет в детектор. Сигналы, соответствующие величинам падающей и отраженной мощностей, после детектирования подаются в индикаторный блок. В индикаторном блоке производится усиление и сравнение двух сигналов. В результате выделяется отношение и подается на индикатор. При изменении частоты на экране появляется зависимость от частоты. Для удобства измерений шкала индикатора проградуирована в единицах КСВ и переключается при изменении пределов измерений переключателем «Пределы». Механический визир шкалы и совмещенный с ним электронный визир, представляющий собой светящуюся линию на экране индикатора, перемещается с помощью ручки «Отсчет».
Блок-схема установки для измерения частотной зависимости коэффициента передачи показана на рис.5 (б). Направленный ответвитель 5 ответвляет часть мощности, прошедшей через исследуемый элемент СВЧ тракта 7, и направляет в детектор. Поступившие в индикаторный блок 2 сигналы, соответствующие мощности падающей и прошедшей волн, обрабатываются в блоке 2, в результате чего на экране индикатора наблюдается АЧХ исследуемого элемента СВЧ тракта.
3. Обработка результатов.
Измерение характеристик микрополоскового резонатора.
На экране индикатора КСВ получили резонансную характеристику передачи МПР.
f0=3.993 ГГц
f1=3.972 ГГц
f2=4.014 ГГц
Q = f0/(f2-f1)= 95
Длина полоска резонатора l=15мм
Исследование микрополосковой линии.
Распределение амплитуды стоячей волны вдоль МПЛ.
z,мм |
11 |
22 |
37 |
51 |
66 |
81 |
95 |
110 |
U,мВ (f=4.1ГГц) |
0.2 |
12 |
0.1 |
12 |
0.1 |
11 |
0.1 |
12 |
ср=14.14мм |
|
ген=73мм |
ген /ср=5.16 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z,мм |
24 |
37 |
53.8 |
67 |
81.6 |
94.1 |
105 |
111 |
U,мВ (f=5.5ГГц) |
8.4 |
2.4 |
9 |
2.7 |
6.8 |
1.8 |
8.31 |
5.3 |
ср=12.43мм |
|
ген=55мм |
ген /ср=4.38 |
4. Выводы.
-
Добротность хорошего микрополоскового резонатора при малых потерях в диэлектрике и металле равна 500. У нас получилось 95. Объяснить это просто. Наш микрополосок - приклеенная медная фольга, качество которой оставляет желать лучшего. Кроме того, свой вклад делает и сам клей, добавляющий дополнительные диэлектрические потери. Хорошие результаты могут быть достигнуты при работе с МПР с напыленными микрополосками. Тем не мение, 95 тоже достойная величина.
-
Полученное распределение поля вдоль МПЛ показало, что это действительно синус, плавда, сильно искареженный от помех, создаваемых старым оборудованием.
-
Зависимость длины волны от частоты не является линейной функцией. Это объясняется изменяющейся с частотой eff.