Электроника и телекоммуникации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

 

“Электроника и телекоммуникации”

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

 

 

“Проектирование звеньев дискретного фазовращателя на основе трехшлейфного моста”

по дисциплине: “Техническая электродинамика”

 

Москва – 2013

 

 

Составитель: аспирант Фирсов-Шибаев Д.О., д.т.н. проф. Климов К.Н.

 

 

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой по дисциплине “Техническая электродинамика и устройства СВЧ”, которая изучается в седьмом и восьмом семестрах студентами специальности 20.08 “Проектирование и технология РЭС”. В пособии изложены основные теоретические сведения о дискретных фазовращателях, дано краткое описание программы AWR Microwave Office, предназначенной для синтеза параметров и анализа частотных характеристик звеньев дискретных фазовращателей на связанных линиях передачи с волной ТЕМ типа, сформулированы требования к порядку выполнения лабораторной работы, содержанию и оформлению отчета.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель работы... 4

2. Краткие теоретические сведения.. 4

2.1 Дискретные фазовращателя на p-i-n диодах. 4

2.2 Проходные фазовращатели. 6

3. Задание для выполнения лабораторной работы... 13

4. Порядок выполнения расчета.. 13

5. Варианты... 15

6. Пример выполнения расчета.. 15

6.1 Задание. 15

6.2 Определение топологии трехшлейфного квадратурного моста с помощью программы TXLine. 16

6.3 Создание нового проекта в Microwave Office. 17

6.4 Установка размерностей физических величин. 18

6.5 Задание новой схемы.. 18

6.6 Задание графиков и просмотр результатов расчета. 19

6.7 Проектирование звена дискретного фазовращателя с p-i-n диодом.. 21

7. Контрольные вопросы... 24

8. Требования к отчету.. 25

9 Литература.. 25

 

 

Цель работы

 

Целью лабораторной работы является изучение шлейфного квадратурного моста и овладение практическими навыками применения программного комплекса MICROWAVE OFFICE на примере расчета характеристик звена дискретного фазовращателя на основе трехшлейфного квадратурного моста.

 

Краткие теоретические сведения

Дискретные фазовращателя на p-i-n диодах

Дискретным фазовращателем называется устройство, обеспечивающее скачкообразное изменение фазы электромагнитной волны без изменения ее амплитуды.…   Г1 = ejφ1 и Г2 = ejφ2. (1)

Проходные фазовращатели

  1. Проходные шлейфные фазовращатели, в которых изменение фазы коэффициента… 2. Проходные фазовращатели, полученные преобразованием одноступенчатых отражательных фазовращателей. Преобразование…

Задание для выполнения лабораторной работы

 

Рассчитать в соответствии с заданным вариантом (п. 5) топологию звена дискретного фазовращателя на p-i-n диоде с помощью программы TXLINE, и, используя полученные результаты, рассчитать характеристики звена дискретного фазовращателя на p-i-n диоде с помощью программного комплекса Microwave Office.

 

Порядок выполнения расчета

1) Запустить программу TXLine. Перейти на вкладку Microstrip.(микрополосковая линия) Ввести данные о трехшлейфном квадратурном мосте в поля… 2) Открыть программный комплекс Microwave Office. 3) Создать новый проект, для этого надо выполнить команду меню File (файл) – New Project (новый проект). Затем…

Варианты

 

№ п/п	Входное волновое сопротивление, Ом	Рабочая частота, ГГц	Дискрет фазы, Δφ, град
		4.0	11.25
		4.0	22.5
		4.0
		4.0
		4.0
		9.0	11.25
		9.0	22.5
		9.0
		9.0
		9.0
		4.0	11.25
		4.0	22.5
		4.0
		4.0
		4.0
		9.0	11.25
		9.0	22.5
		9.0
		9.0
		9.0
		4.05	22.5

 

Пример выполнения расчета

Задание

 

Рассчитать топологию и характеристики звена дискретного ФВ в соответствии со следующими исходными данными (п. 5 вар. 21):

· Центральная частота =4,05 ГГц;

· Частотный диапазон 3.9 ¸ 4.2 ГГц;

· Тангенс угла диэлектрических потерь – tg δ = 0.0001;

· Материал подложки – Поликор =9,6;

· Входное волновое сопротивление 50 Ом;

· Толщина подложки =2,0 мм.

· Дискрет фазы Δφ - 22.5^о

 

Расчет.

Определение топологии трехшлейфного квадратурного моста с помощью программы TXLine

Задача сводится к построению трехшлейфного ответвителя на микрополосковой линии. Диэлектрик – материал «Поликор», для которого εr=9.6.…   Рис. 3.1 Трехшлейфный квадратурный мост.

Создание нового проекта в Microwave Office

Чтобы создать новый проект, необходимо выполнить команду меню File (файл) – New Project (новый проект). Затем сохраняем этот проект под нужным именем с помощью команды Save Project As, также находящейся в этом меню.

Проекты Microwave Office 2000 сохраняются как файлы с расширением .emp, причем допускается использование длинных имен файлов с русскими буквами. Программа Microwave Office может одновременно работать только с одним проектом, но сам проект может иметь несколько схематических модулей и EM структур.

 

Установка размерностей физических величин

Чтобы установить или изменить размерность физических величин выполните команду Options—Project Options. В появившемся окне выбираем Frequency Values, задаем диапазон входных частот (3.9¸4.2 ГГц) с шагом 0,01 ГГц. Если открыть окно Global Units (единицы) можно произвести изменение размерности, для чего нажатием кнопки последовательного перебора нужно выбрать из списка доступных требуемую размерность. Длина имеет два набора размерностей: для метрической и дюймовой систем измерения. Выбор системы измерения производится установкой флажка Metric Units. Далее для внесения сделанных изменений необходимо нажать кнопку <Ok>, для их отмены – <Cancel>.

Задание новой схемы

Теперь нам известны величины, мы приступаем к сборке схемы. Для этого надо нажать на кнопку New Schematic на главной панели программы. В появившемся окне вводится название новой схемы (например Zveno), либо можно оставить название по умолчанию. В нижней левой части окна программы выбираем закладку Elem. В появившемся перечне элементов выбираем подложку MSUB из ветки Substrates и перетаскиваем ее (удерживая правую кнопку мыши) на нашу схему. Чтобы изменить параметры подложки, надо дважды щелкнуть на значении того параметра, который надо изменить. Из ветки Microstrip->Lines перетащите на схему 11 элементов MLIN, а также шесть элементов MTEE из ветки Microstrip->Junctions. Из этих элементов необходимо собрать схему, изображенную на рис.10.

Рис.10. Эквивалентная схема трехшлейфного квадратурного моста в программе Microwave Office.

 

Зададим параметры элементов согласно данным, полученным из программы TXLine. Также необходимо добавить ко всем входам и выходам порты. Это можно сделать следующим образом: на верхней панели имеется кнопка Port , нажав которую можно перетащить порт на схему. Повернуть порт можно щелкая левой кнопкой мыши или выбрав команду Rotate в контекстном меню. В схеме можно задавать и использовать переменные, что очень удобно в тех случаях, когда в схеме часто используются одни и теже значения каких-либо параметров. Чтобы ввести переменную, надо нажать на кнопку Add Equation на панели инструментов, после чего щелкнуть в том месте схемы, где будет располагаться переменная и ввести имя и значение переменной (например W1=2)

 

Задание графиков и просмотр результатов расчета

Зададим графики. Для этого надо щелкнуть левой кнопкой мыши по значку Add Graph на панели инструментов. В появившемся подокне задаем имя return loss (потери отражения). Кликнув на новом графике правой клавишей мыши, выбираем Add Measurement (добавить измерение). В появившемся окне (рис. 11) в разделе Meas. Type выбираем Port Parameters, а в разделе Measurement выбираем S. Отмечаем флажком dB, а затем в Data Source Name выбираем имя, присвоенное топологии (Zveno). В To Port Index (в какой порт) и From Port Index (из какого порта) проставим номера портов входа и выходов трехшлейфного моста (в данном случае нас интересует: 1®1, 1®2, 1®3 и 1®4).

 

Рис. 11. Ввод необходимых для расчета параметров.

 

Чтобы произвести расчет получившейся схемы, нажмите кнопку Analyse на панели инструментов. Полученный график изображен на рис.12.

Для того, чтобы вывести значения кривых, необходимо щелкнуть на графике правой кнопкой мыши и в появившемся перечне выбрать Add Marker, навести знак на график и щелкнуть левой кнопкой мышки. Цветовую гамму, обозначения и толщину линий также можно регулировать. Для этого нужно опять навести мышку на график, нажать на правую кнопку и выбрать Properties.

Для того, чтобы задать КСВ в интересующем нас графике, нужно кликнуть на нем правой кнопкой мыши, в появившемся перечне выбрать Add Measurement. В окне в разделе Meas. Type установить Linear, а в Measurement – VSWR, затем нажать Add и закрыть окно. Затем, на самом графике, правой кнопкой мыши, выбрать Properties, нажать Measurements. В появившемся подокне отметить КСВ, в разделе Axis выбрать Right, и нажать Apply. Далее, для ввода обозначения осей, на верхней панели того же окна найти Labels и в открывшемся подокне: в Left Y-axis написать L, дБ (потери преобразования), а в Right Y-axis – КСВ. Apply ® Ok. Затем произвести расчет и на графике появится кривая КСВ.

 

Рис. 12. Частотные характеристики при моделировании трехшлейфного моста в Microwave Office (1 – КСВ, 2, 3 – деление, 4 – развязка)

 

Как видно из рис. 12, частотные характеристики трехшлейфного моста не соответствуют требуемым. Поэтому для дальнейшего синтеза трехшлейфного моста для звена дискретного фазовращателя можно воспользоваться функцией параметрической оптимизации геометрических размеров элементов моста.

Для этого, необходимо задать все геометрические параметры элементов как переменные, после этого, нажать F10, вместо курсора мыши появится значок Tune, который позволяет добавить необходимые переменные в окно параметрической оптимизации. Чтобы добавить необходимые переменные в окно параметрической оптимизации необходимо курсором Tune навести на переменную и кликнуть левой кнопкой мыши. После выделения всех переменных, нужно вызвать окно параметрической оптимизации с помощью F9. После приведенных выше операций, появится меню параметрической оптимизации переменных, где с помощью ползунков возможно изменение толщины и длины элементов трехшлейфного моста. При изменении геометрических размеров параллельно изменяются и частотные характеристики схемы, которые можно проследить на добавленных графиках.

С помощью параметрической оптимизации необходимо достичь деления (1-3, 1-4) в 3 дБ, а значение КСВ и развязки (1-1, 1-2) не более 20 дБ. Пример графика, который должен получится приведен на рис. 13:

Рис. 13. Частотные характеристики при моделировании квадратурного трехшлейфного моста в процессе параметрической оптимизации геометрических параметров в Microwave Office (1, 2 – деление, 3, 4 – КСВ и развязка).

Проектирование звена дискретного фазовращателя с p-i-n диодом

  C = 1.8...2.4 пФ; fкр = 200 ГГц;

Контрольные вопросы

 

1. Что такое дискретный фазовращатель?

2. Чем отличаются отражательные и проходные фазовращатели?

3. Какие методы изменения фазы прошедшего сигнала вы знаете?

4. Что такое КСВ и к какому значению он должен стремиться в звене дискретного фазовращателя?

5. Нарисуйте эквивалентную схему p-i-n диода в открытом/закрытом режиме.

6. Какую функцию выполняет трехшлейфный мост в звене дискретного фазовращателя?

 

 

Требования к отчету

 

Отчет должен содержать:

 

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Краткие теоретические сведения.

4. Исходные данные для расчета.

5. Графики частотных характеристик.

6. Результаты расчета.

7. Топологию готового звена.

8. Выводы по проделанной работе.

 

 

Литература

1. Вендик О. Г., Парнес М. Д. "Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию)", Москва, "САЙНС-ПРЕСС", 2002.

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

3. ТУ ОЖ0.460107ТУ, Москва, НПО "ЛЭМЗ" 1952.