ED_lab

4.2. Описание экспериментальной установки

Блок-схема лабораторной установки для изучения эффекта вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию, содержащую феррит, приведена на рис. 4.5. Источником СВЧ-колебаний служит генератор Г4-83 (1), работающий в режиме внутренней амплитудной модуляции меандром. Сигнал с выхода генератора через коаксиальный кабель (2) подается на выход отрезка цилиндрического волновода (3), содер-

жащего ферритовый стержень. Постоянное магнитное поле Н0, намагничи-

вающее феррит в продольном направлении, создается катушкой, через которую пропускается управляющий ток I от источника постоянного тока (4). СВЧ-сигнал, излучаемый из открытого конца цилиндрического волновода (3) принимается рупорной антенной (5) и после детектирования детектором (7) регистрируется на экране осциллографа (6).

Рис.4.5

Намагничивание феррита постоянным магнитным полем Н0, создавае-

мым током I в катушке, приводит к повороту на угол Θ плоскости поляриза-

ции электромагнитной волны, излучаемой в окружающую среду из открытого конца цилиндрического волновода. Угол поворота плоскости поляризации

Θ зависит от силы тока I, протекающего через катушку, и от частоты СВЧ-сигнала. Угол поворота плоскости поляризации волны фиксируется измерением угла поворота рупора приемной антенны вокруг горизонтальной оси, при котором наблюдается максимум регистрируемого сигнала.

4.3.Порядок выполнения работы

1.Собрать схему в соответствии с рис. 4.5.

2.Установить ручки приборов в следующие положения:генератор СВЧ-сигналов Г4-83:

21

−кнопки управления амплитудой сигнала отжаты;

−ручку «Уровень» в крайнее левое положение;

−частота 9.4 ГГц;

блок питания постоянного тока:

−напряжение 4 В;

−ток 0 А;

−ручку «Усиление» в положение, соответствующее минимальной чувствительности.

3. Включить приборы и дать им прогреться в течение 5…10 мин.

4.На панели генератора Г4-83 нажать кнопку .

5.Увеличивая выходную мощность генератора ручкой «Уровень» и чувствительность осциллографа, установить на экране осциллографа развертку огибающей СВЧ-сигнала (меандр) в пределах половины экрана.

6.Перемещая рупор приемной антенны вдоль направляющей, найти положения минимума и максимума принимаемого сигнала.

7.Установить рупор приемной антенны на расстоянии, соответствующем максимуму принимаемого сигнала.

8.Измерить зависимость регистрируемого сигнала от угла поворота рупора

(0…180 °).

9.Измерить зависимость принимаемого сигнала от угла поворота рупора при трех значениях тока управления (10; 30; 60мА).

10.Выключить ток. Установить угол поворота рупора, соответствующий минимальному принимаемому сигналу.

11.Измерить зависимость угла поворота Θ рупора, соответствующего минимальному сигналу, от тока управления(0; 10; 20; 40; 60 мА).

12.Изменить направление тока. Повторить измерения по пп. 9-11.

13.Вернуть ручки приборов в исходное положение.

14.Выключить приборы.

4.4.Содержание отчета

1.Схема экспериментальной установки.

2.Графики зависимости амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора при различных значениях тока через катушку на частоте 9.4 ГГц.

3.График зависимости угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны от управляющего тока на частоте 9.4 ГГц.

4.Выводы.

22

Лабораторная работа 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО СОГЛАСОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

НАГРУЗКИ И СВЧ-ГЕНЕРАТОРА

Цель работы: Расчет с помощью программы PUFF схемы двухэлементного четвертьволнового согласующего тракта, обеспечивающего широкополосное согласование генератора СВЧ-сигнала и нагрузки.

5.1. Основные положения

Одной из важнейших задач техники СВЧ является согласование сопротивления нагрузки с источником СВЧ-мощности (т. е. минимизация отражения СВЧ-сигнала от полезной нагрузки). Для решения этой задачи традиционно используются различные согласующие схемы как на основе сосредоточенных элементов, так и на основе распределенных линий. Наиболее часто используемыми схемотехническими решениями при согласовании сопротивления нагрузки Zн с СВЧ-трактом являются согласующие линии с электриче-

ской длиной, равной λ/4 (одиночные или соединенные последовательно). Теоретический анализ распределенных линий основан на использовании телеграфных уравнений. Можно показать, что для линии передачи длиной l с волновым сопротивлением Z0, нагруженной на сопротивление Zн (рис. 5.1),

справедлива формула трансформации сопротивлений:

Для увеличения частотной полосы согласования применяют каскадное соединение трансформаторов (рис. 5.2). Теоретический анализ показывает, что при двухкаскадном соединении трансформаторов волновые сопротивления каждого из них могут быть определены, исходя из следующих соотношений:

Рис. 5.2

В интегральных схемах СВЧ используются планарные линии передачи, плоские проводники которых формируются на поверхности диэлектрической подложки методами интегральной технологии с применением фотолитографии для получения необходимого рисунка топологии. Наибольшее применение нашла микрополосковая линия (МПЛ), поперечное сечение которой представлено на рис. 5.3. МПЛ относится к категории линий со слоистым диэлектриком (диэлектрическая подложка – воздух), для которых вводится по-

Эквивалентность линий определяется равенством в них фазовых скоростей. Эффективная диэлектрическая проницаемость характеризует соотношение между энергией, концентрирующейся в воздухе рядом с полоском, и энергией, концентрирующейся в диэлектрике.

Основным типом волны в МПЛ является квазипоперечная Т-волна, содержащая в основном поперечные компоненты, поэтому параметры идеаль-

24

ной МПЛ обычно рассчитывают в квазистатическом приближении, пренебрегая продольными составляющими. Тем не менее наличие продольных компонентов приводит к тому, что в реальной МПЛ имеет место частотная дисперсия, или зависимость фазовой скорости от частоты. При частотах выше 10 ГГц значительно увеличивается влияние продольных составляющих поля. Следствием этого является частотная зависимость эффективной диэлектрической проницаемости.

Программа PUFF содержит модели МПЛ, которые позволяют вести расчет как в приближении идеальной линии, так и с учетом потерь и частотной дисперсии.

При пренебрежении толщиной полоска выражения для волнового сопротивления линии и эффективной диэлектрической проницаемости (при условиях εr < 16 и w/h < 1 можно записать в виде

Для тех же условий, но при w/h > 1 выражения приобретут следующий

вид:

5.2.Порядок выполнения работы

1.Запустить программу “MathCAD”.

в соответствии с вариантом из таблицы (по указанию преподавателя) рассчитать: а) одноэлементную согласующую цепь; б) двухэлементную согласующую цепь, содержащую два трансформатора. Определить волновые сопротивления трансформаторов;

25

Варианты заданий к лабораторной работе

рассчитать по формулам (5.2) – (5.5) физические длину и ширину трансформаторов, выполненных в виде отрезков микрополосковой линии передачи.

2.Запустить программу PUFF:

в окне топологии «LAYOUT» нарисовать отрезок МПЛ с заданными параметрами и соединить один его конец с внешним входом 1, а другой – со входом 2, имеющими волновое сопротивление Z0 = 50 Ом (окно подложки

«BOARD»). В окне анализа «PLOT» выполнить расчет коэффициентов передачи S21 и отражения S11 устройства в полосе частот 1…10 ГГц. Исследовать характер амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) устройства;

выполнить согласование заданной нагрузки, описанной в виде сосредоточенного элемента («lumped»), при помощи одного четвертьволнового трансформатора. Сохранив результаты расчета, построить частотную зависимость коэффициента отражения для двухэлементной согласующей цепи. Скорректировать для обоих случаев геометрические размеры линий, рассчитанные по приближенным формулам.

5.3. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Геометрические размеры элементов согласующих цепей, рассчитанные по приближенным формулам.

4.Построенные на одном графике частотные зависимости модуля коэффициента отражения для одноэлементной и для двухэлементной согласующих цепей.

5.Выводы.

26

Список рекомендуемой литературы

Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов.

радио, 1971.

Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. М.: Радио и связь, 1987.

Никольский В. Д., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.

Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964.

Фуско В. СВЧ-цепи анализ и автоматизированное проектирование. М.: Радио и связь, 1990.

27

Редактор И. Б. Синишева

__________________________________________________________________

Подписано в печать 14.12.2006. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура "Times New Roman".

Печ. л. 1,75. Тираж 140 экз. Заказ

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

28