ED_lab

УДК 537.8:621.385.6(07)

Техника СВЧ: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине “ Электродинамика” / Сост.: О. Г. Вендик, С. П. Зубко, А. В. Иванов, П. Ю. Белявский, Ю. А. Ямщиков. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ ЛЭТИ”, 2006. 28 с.

Содержат описания пяти лабораторных работ, предназначенных для ознакомления студентов с применением электродинамики как основы техники СВЧ.

Предназначены для студентов дневного отделения, обучающихся по направлению 550700 и специальностям 071400, 200100.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ “ ЛЭТИ”, 2006

2

Лабораторная работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИИ ВОЛН В ВОЛНОВОДЕ И В КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Цели работы. Ознакомление с законами распространения СВЧ-сиг- налов в ограниченных средах (коаксиальной и волноводной регулярных линиях передачи). Получение практических навыков измерения СВЧ-сигналов.

1.1. Основные положения

Фазовая скорость (vф) и длина волны (λв) в линии передачи могут отли-

чаться от соответствующих величин для свободного пространства (c; λв). Из анализа дисперсионных уравнений можно получить:

Наиболее распространенными типами линий передач в СВЧ-диапазоне являются коаксиальная линия и прямоугольный волновод.

Коаксиальная линия передачи. В коаксиальной линии (рис. 1.1, а)

могут распространяться волны как дисперсионного, так и бездисперсионного

типов. Волной бездисперсионного типа является ТЕМ-волна, для которой λкр = ∞ и λв = λ0.

Структура поля ТЕМ волны показана на рис. 1.1, б. ТЕМ-волна является основной для коаксиальной линии.

Прямоугольный волновод. В прямоугольном волноводе (рис. 1.2, а) могут распространяться только волны дисперсионного типа Hтр и Eтр. Для них

Рис. 1.2

существует), называемая основной модой. Структура поля волны H10 пока-

зана на рис. 1.2, б.

Длину волны λкр и частотную дисперсию легко измерить, создавая стоячую волну. Для этого можно, например, расположить в поперечном сечении волновода проводящую стенку (короткое замыкание – КЗ) или образовать в каком-то сечении режим холостого хода (ХХ). Эпюры Е поля приведены на рис. 1.3: а – в режиме короткого замыкания и б – в режиме холостого хода. Для КЗ Г равен –1, для ХХ Г равен +1 (Г – коэффициент отражения).

4

1.2. Описание лабораторной установки

Блок-схема лабораторной установки показана на рис. 1.4. Основным узлом установки является измерительная линия, представляющая собой отрезок соответствующей линии передачи, по которой скользит каретка зонда, связанная с измерительной линейкой. Индикатор позволяет определить положение максимумов и минимумов стоячей волны.

Детектор

Рис. 1.4

Коаксиальная измерительная линия (рис. 1.5) представляет собой цилиндрический проводник, расположенный между плоскопараллельными на-

Рис. 1.5

ружными пластинами. Такая линия является бездисперсионной, и структура полей в ней близка к структуре полей в коаксиальной линии.

Волноводная измерительная линия (рис. 1.6) представляет собой отрезок прямоугольного волновода соответствующего сечения (дисперсия волн в прямоугольном волноводе требует применения различных измерительных линий в разных диапазонах частот).

5

1.3. Порядок выполнения работы

1.Собрать схему:

соединить СВЧ-кабелем выход генератора и вход измерительной ли-

нии;

телевизионным кабелем соединить выход головки детектора и вход усилителя осциллографа.

2.Включить генератор и осциллограф. Дать прогреться приборам в течение 5 мин.

3.Установить режим работы генератора . Ручкой «MHz» установить нужную частоту f.

4.Установить пределы измерения на осциллографе 1 мВ/см; 0.5 мс/дел.

5.Получить изображение меандра на экране осциллографа:

установить ручкой нониуса каретку зонда измерительной линии в среднее положение;

ручками настройки получить меандр с амплитудой 2..3 деления осциллографа.

6.Вращая ручку нониуса измерительной линии, отыскать 3 – 4 максимума стоячей волны.

7. Проделать операции пп. 3 – 6 в диапазоне частот 2.5…4.0 ГГц через 100 МГц на коаксиальной и на волноводной линиях. Результаты занести в таблицу.

1.4. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Теоретические сведения.

3.Блок-схема измерений.

4.Результаты измерений, сведенные в таблицу.

5.Графики λв = F(f) (измеренные и рассчитанные по формулам) для коакси-

альной и для волноводной линий. 6. Выводы.

6

Лабораторная работа 2. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

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

2.1. Основные положения

Микрополосковая линия (МПЛ) (рис. 2.1, а) – это двухпроводная полосковая линия с поперечным сечением в виде параллельных прямых, имеющая одну плоскость симметрии, параллельную направлению распространения энергии (на рис. 2.1, а: 1 – проводящая полоска, 2 – экран (земляной электрод), 3 – подложка из диэлектрика). МПЛ – в настоящее время наи-

а

Н

б

Рис. 2.1

7

более широко применяемая СВЧ-линия передачи при разработке миниатюрных устройств СВЧ. Основным типом в МПЛ является квазиТЕМ-волна, однако могут быть возбуждены и волны высших типов. Структура поля в поперечном сечении МПЛ показана на рис. 2.1, б.

Одной из важнейших характеристик МПЛ является волновое сопротивление, определяемое геометрическими размерами линии и диэлектрической проницаемостью подложки. Для полосок нулевой толщины (t/h→0)

при wh < 1

где εэф – эффективная диэлектрическая проницаемость. В статическом слу-

чае εэф= (εr +1)2 + (εr −1)(1 + 10h / w)−1/ 2 2 .

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 на короткозамкнутые и на разомкнутые на конце. Короткозамкнутые на концах МПР используются редко из-за технологических трудностей обеспечения короткого замыкания между проводниками МПЛ. На рис. 2.2 показаны примеры а - линейного разомкнутого на концах МПР, б - кольцевого МПР. Основными характеристиками резонатора являются резонансная частота f0 и добротность Q. Экспериментально эти характеристики могут быть получены на основе измерения характеристик передачи резонатора. Резонансная частота МПР определяется длиной резонатора l и диэлектрической проницаемостью подложки. Для линейного

где n = 1,2,… – число полуволн, укладывающихся на длине резонатора; εэф –

эффективная диэлектрическая проницаемость.

8

L = nλ/2

Нагруженная добротность резонатора определяется как Q = f0

f – ширина резонансной кривой, измеренная по уровню 3 дБ от максимума.

Для МПР характерны невысокие значения добротности (100…500). Основные преимущества МПР – миниатюрность, совместимость с линиями передачи СВЧ и активными планарными элементами (диодами, транзисторами и т.д.).

2.2. Описание экспериментальной установки

Для измерения длины волны в МПЛ используется измерительная линия (рис. 2.3). Блок-схема показана на рис. 2.4. Микрополосковая измерительная

Коаксиальный выход

Каретка зонда

Зонд

Волновод

МПЛ

Рис. 2.3

9

линия представляет собой МПЛ в металлическом экране, по которому скользит каретка зонда, связанная с измерительной линейкой. Для измерения характеристик микрополоскового резонатора используется панорамный измеритель коэффициента стоячей волны (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 и обеспечивает измерение коэффициента передачи четырехполюсников от 0 до –40 дБ. Частотный диапазон прибора от 1 до 10 ГГц (со сменными СВЧ-блоками).