lab_rab_5_issledovanie_neodnorodnostey_v_trakta..

Государственный комитет Российской Федерации

по телекоммуникациям

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики

Т.Н. ФЕДОТОВА

Е.Р. ТРУБЕХИН

ИССЛЕДОВАНИЕ

Неоднородностей в трактах СВЧ

методические указания

к лабораторной работе

Новосибирск

2000

УКД 621. 372. 852. 1

к.т.н. Федотова Тамара Николаевна

к.т.н. Трубехин Евгений Рудольфович

В методических указаниях даны рекомендации по методике расчета эквивалентных электрических параметров типичных неоднородностей в волноводных трактах. Изложена методика экспериментального определения эквивалентных параметров неоднородностей при помощи измерительной линии и круговой диаграммы полных сопротивлений.

Для специальностей 201100, 200700, 200800.

Кафедра ПЭ

Иллюстраций – 6, таблиц – 2, список литературы – 3 названия

Рецензент – Б.Н. Маглицкий

Утверждено редакционно-издательским Советом СибГУТИ, в качестве методических указаний

@ Сибирский государственный

университет телекоммуникаций

и информатики, 2000 г.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Освоение методики экспериментального определения эквивалентных параметров неоднородностей в трактах СВЧ при помощи измерительной линии и круговой диаграммы полных сопротивлений.

2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАСЧЕТА

Для заданных в таблице 1 вариантов частоты f, размеров индуктивной D и емкостной d диафрагм, размеров волновода а = 23 мм и в = 10 мм, рассчитать:

1. Нормированные проводимости индуктивной и емкостной диафрагм.

2. Комплексные коэффициенты отражения индуктивной и емкостной диафрагм, установленных в волноводный тракт, нагруженный на согласованную нагрузку.

При подготовке к выполнению работы следует изучить свойства типичных неоднородностей (1,2) и принципы работы с круговой диаграммой полных сопротивлений (3).

Таблица 1

Исходные данные для расчета

Номер бригады М	Вариант 1				Вариант 2
	f , ГГц	D , мм	d , мм	f , ГГц		D , мм	d , мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12	7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6	15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15	2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2	9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10,0 10,1		12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12	5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Студенты одной бригады выполняют расчеты для разных вариантов, распределяют варианты между собой самостоятельно.

Дублирование вариантов не допускается!

3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из генератора сигналов высокой частоты (1), измерительной линии (2), измерителя отношения напряжений (3), измеряемых диафрагм (4), поглощающей нагрузки (5) и короткозамыкателя (6).

3 3 1 2 6 1 2 4 5

Рисунок 1 Рисунок 2

1. Генератор сигналов

2. Измерительная линия

3. Измеритель отношения напряжений

4. Измеряемая диафрагма

5. Поглощающая нагрузка

6. Короткозамыкатель

Рисунки 1, 2 – Структурная схема лабораторной установки

Для экспериментального определения эквивалентных электрических параметров неоднородностей собираются последовательно схемы, изображенные на рисунке 1 и рисунке 2.

4 ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Экспериментально определить величину нормированной проводимости заданной индуктивной диафрагмы, для этого:

а) Собрать схему рисунок 1, установить заданную частоту, настроить резонатор измерительной линии на максимум показаний измерителя отношения напряжений. Измерить длину волны в линии _b, как удвоенное расстояние между соседними минимумами стоячей волны L_{к 31} и L_{к 32}, _b = 2  (L_{к 31}   L_{к 32}). Зафиксировать положение (координату) одного из двух соседних минимумов.

б) Собрать схему рисунок 2. При помощи измерительной линии определить координату минимума амплитуды смешанной волны при нагрузке L_min.

в) Измерить напряжение в минимуме U_min и в максимуме смешанной волны и вычислить .

г) Определить при помощи круговой диаграммы полных сопротивлений величину нормированной проводимости диафрагмы и фазу коэффициента отражения.

Для этого вычислить относительное смещение минимума узла стоячей волны при нагрузке L_min по отношению к узлу при коротком замыкании L_кз

При вычислении берется значение L_min, ближайшее к L_кз (со стороны генератора или нагрузки).

_b – длина волны в волноводе на данной частоте.

Так как сдвиг минимума при подключении короткозамыкателя произошел в направлении к генератору, поворачиваем подвижную шкалу диаграммы на величину нормированного сдвига в направлении «К ГЕНЕРАТОРУ» и определяем комплексное нормированное сопротивление нагрузки в точке с рассчитанной величиной КСВ. На окружности «ФАЗОВЫЙ УГОЛ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ» определяем фазу комплексного коэффициента отражения.

Учитывая, что четвертьволновый отрезок линии обладает свойством трансформации сопротивления нагрузки в проводимость этой же нагрузки поворачиваем подвижную шкалу на 180 градусов и находим величину нормированной проводимости нагрузки . Нагрузка представляет собой параллельное соединение индуктивной проводимости диафрагмы и активной проводимости согласованной нагрузки, следовательно, полученное значение В соответствует искомой нормированной проводимости индуктивной диафрагмы.

2. Экспериментально определить величину нормированной проводимости заданной емкостной диафрагмы.

Последовательность определения проводимости емкостной диафрагмы такая же как и в случае индуктивной диафрагмы. Однако смещение минимума поля при замене емкостной нагрузки на короткозамыкатель происходит в направлении к нагрузке, следовательно при определении L_кз зонд надо перемещать от L_min к нагрузке и при определении нагрузки по круговой диаграмме подвижную шкалу перемещать в направлении «К НАГРУЗКЕ».

3. Экспериментальные и расчетные данные свести в табл.2.

Таблица 2

Экспериментальные данные				Расчет по данным эксперимента
Параметр	Индуктивная диафрагма	Емкостная диафрагма	Параметр		Индуктивная диафрагма	Емкостная диафрагма
1	2	3	4		5	6
Lmin			КСВ
Umin
Umax
Lкз
∆L

4. Сравнить теоретические и экспериментальные величины нормированных проводимостей диафрагмы и комплексных коэффициентов отражения нагрузок. Сделать выводы по проделанной работе.

5. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Неоднородности в волноводных трактах (диафрагмы, штыри, стыки волноводов) используются в качестве конструктивных элементов сложных СВЧ устройств – резонаторов, фильтров, согласующих устройств, направленных ответвителей. При расчетах электрических характеристик этих устройств неоднородности представляются в виде эквивалентных схем замещения. Схемы замещения проходных неоднородностей представляют собой простейшие четырехполюсиники. Основная идея описания типичных неоднородностей схемами замещения заключается в том, что элементы схемы и способ их соединения подбирается так, что внешние характеристики четырехполюсника (входное сопротивление, комплексные коэффициенты отражения и передачи) достаточно точно соответствуют этим же характеристикам неоднородности на СВЧ. Очевидно, что сложные СВЧ устройства можно анализировать, представляя их в виде соединения схем замещения простейших базовых элементов.

Наиболее распространенными неоднородностями являются тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода (1). В индуктивной диафрагме, рисунок 3а, поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются через пластины диафрагмы, соединяющие эти стенки. В магнитном поле этих токов запасается дополнительная магнитная энергия, поэтому схема замещения, рисунок 3б, представляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи. Нормированную к проводимости волновода индуктивную проводимость диафрагмы определяют по формуле

,

где λ_b – длина волны в линии.

а

b

D

Рис. 3а Рис. 3б

Емкостная диафрагма, рисунок 4а, уменьшает зазор между широкими стенками волновода. Между кромками диафрагмы концентрируется энергия электрического поля, поэтому схемой замещения, рисунок 4б, является емкость, включенная параллельно в линию передачи с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению волновода. Нормированная проводимость емкостной диафрагмы определяется по приближенной формуле

b d jB_c

a

Рис. 4а Рис. 4б

Точное определение параметров схем замещения неоднородностей с учетов толщины диафрагм, диаметров штырей теоретически не всегда возможно, поэтому на практике эти параметры часто определяют экспериментально при помощи измерительной линии и круговой диаграммы полных сопротивлений.

Измеряемая неоднородность включается в волноводный тракт между измерительной линией и поглощающей нагрузкой, рисунок 5а.

Рис. 5

Комплексный коэффициент отражения нагрузки равен

,

где:  нормированное комплексное сопротивление нагрузки,

ZO – нормированное волновое сопротивление линии, равное 1.

Учитывая, что нормированное сопротивление согласованной нагрузки R = 1, легко определить нормированную проводимость комплексной нагрузки и

.

В результате появления отраженной от неоднородности волны в линии образуется смешанная волна, распределение напряженности поля вдоль линии которой приведено на рисунке 5б. Коэффициент стоячей волны связан с коэффициентом отражения нагрузки следующим выражением:

При помощи измерительной линии легко определить КСВ и координату минимума поля L_min. Входное сопротивление линии с комплексной нагрузкой в точке минимума поля всегда является активным R_вх, и на круговой диаграмме полных сопротивлений будет находиться на вертикальной оси против значения измеренного КСВ, рисунок 6а.

Рис. 6

Если вместо комплексной нагрузки подключить короткозамыкатель, рисунок 5в, тогда точки минимумов поля L_кз будут располагаться на расстояниях кратных половине длины волны в линии, рисунок 5г. В этих точках входное сопротивление линии равно сопротивлению нагрузки, поэтому эти точки условно можно считать «точками подключения нагрузки». Следовательно, чтобы найти комплексное сопротивление измеряемой нагрузки, надо повернуть подвижную шкалу диаграммы в сторону смещения L_кз относительно L_min на величину нормированного сдвига в «точке подключения нагрузки» определить , рисунок 6б, и фазу коэффициента отражения. Нормированную проводимость нагрузки находим, используя трансформирующие свойства четвертьволнового отрезка линии. Поворот шкалы на 180 градусов приводит в точку, отстоящую от нагрузки на четверть длины волны, рисунок 6в. Входное сопротивление чертвертьволнового отрезка равно проводимость нагрузки . Действительная часть проводимости равна проводимости согласованной нагрузки, а мнимая – проводимости измеряемой неоднородности В.

6 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Структурная схема измерений с обязательным указанием типов используемых приборов.

2. Результаты предварительного расчета.

3. Результаты экспериментальных исследований.

4. Выводы по проделанной работе.

7 СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1988. – 432 с.

2. Семенов Н.А. Техническая электродинамика: Учеб. для вузов. – М.: Связь, 1973. – 480 с.

3. Чернышов В.П. Круговые диаграммы полных сопротивлений: Метод. указ. к прак. занятиям по курсу АФУ. – НЭИС. Новосибирск, 1974. – 20 с.

8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение индуктивной и емкостной диафрагмы.

2. Дать определение резонансной диафрагмы.

3. Принцип работы с круговой диаграммой полных сопротивлений.

4. Дать определение коэффициента стоячей волны и коэффициента отражения.

5. Представить эквивалентные схемы индуктивной, емкостной и резонансной диафрагм.

6. Какой характер имеет входное сопротивление штыря, погруженного в волновод на глубину ?

7. Как определяется длина волны в волноводных трактах?

8. Назовите другие виды неоднородностей в волноводных трактах.

9. Как определяется КСВ в волноводном тракте?

Тамара Николаевна Федотова

Исследование неоднородностей

в трактах СВЧ

Методические указания

к лабораторной работе

Редактор: В.Г. Беленький

Корректор: Д.С. Шкитина