рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ХВИЛЬ І ПОВНИХ ОПОРІВ У ТРАКТАХ НВЧ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ЛІНІЇ. УЗГОДЖЕННЯ В ЛІНІЯХ ПЕРЕДАЧІ НВЧ

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ХВИЛЬ І ПОВНИХ ОПОРІВ У ТРАКТАХ НВЧ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ЛІНІЇ. УЗГОДЖЕННЯ В ЛІНІЯХ ПЕРЕДАЧІ НВЧ - раздел История, Удк 621.385.6 Прис...

УДК 621.385.6

Пристрої i техніка НВЧ / В.Г. Удачин, І.П. Заїкiн, 0.0. Зеленський,

С.В. Хуторненко. – Навч.посібник до лаб.практикуму. Харків: Держ. аерокосмічний ун-т "Харк. авїац. Ін-т", 1998. 226с.

 

Систематизовано теоретичні відомості та матеріал для виконання дванадцяти лабораторних робіт, теми яких відповідають оcновним розділам курсу.

Відображено питання техніки безпеки, сформульовано правила поведінки студентів у лабораторії, вимоги щодо оформлення звітів.

Для студентів технічних вузів, що навчаються за фахом "Конструювання i технології радіоелектронних засобів", "Радіоелектронне обладнання ЛА", "Біотехнічні та медичні апарати і системи".

 

Іл. 89. Табл. 15. Бібліогр.: 25 назв

 

Рецензенти:д-р техн.наук, проф. В.Г. Ягуп,

канд. фіз.-мат. наук А.П. Касьяненко

 

 

Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний Інститут", 1998

ПЕРЕДМОВА

 

Мета лабораторного практикуму – вивчення властивостей пристроїв НВЧ, методики вимірювання їх параметрів, а також набуття навичок роботи з вимірювальною апаратурою та самими пристроями НВЧ.

Кожен опис лабораторної роботи містить: теоретичний матеріал стосовно принципу роботи досліджуваних пристроїв НВЧ; відомості про особливості конструктивного виконання даного пристрою та його типові технічні характеристики; методичні вказівки щодо проведення роботи на вимірювальній установці; завдання на попередній розрахунок типових характеристик пристрою НВЧ, а також перелік контрольних запитань і список рекомендованої літератури.

Технічні описи основних вимірювальних приладів подано у додатках 1 – 3.

Лабораторні роботи сприяють закріпленню навчального матеріалу, викладеного в лекційному курсі. Загальні положення, наведені в посібнику, необхідно вивчити до початку лабораторних занять. До занять допускаються студенти, які вивчили матеріал теми, опис до лабораторної роботи і виконали попереднє розрахункове завдання.

Автори висловлюють щиру подяку випускникам І студентам РТФ Сивульку Ю.М., Голінку Ю.М., Волощуку Д.В., Бондарю 0.0., Лук"янову Р.Г., Єременку І.Г., Шевченку В.М., Ємельяненку С.М., Барбаашну В.С., Колеснику О.В. за велику допомогу при підготовці рукопису.

 

 

 

 

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

0.1. Правила виконання лабораторних робіт   Кожен студент допускається до виконання роботи тільки після опитування його викладачем на початку занять. Під час…

Лабораторна робота №1

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ХВИЛЬ І ПОВНИХ ОПОРІВ У ТРАКТАХ НВЧ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ЛІНІЇ

 

Мета роботи – вивчення конструкції, методики застосування вимірювальних ліній, практичних прийомів вимірювання параметрів хвиль i повних опорів хвилеводних елементів, набуття навичок користування круговою діаграмою.

 

Загальні відомості

Хоча існує багато пристроїв для вимірювання основних параметрів трактів НВЧ (коефіцієнта стоячої хвилі, довжини хвилі в лінії передачі, повних…  

Рис. 1.5. Кругова діаграма повних опорів

 

Модуль коефіцієнта відбиття дорівнює одиниці при короткому замиканні, холостому ході або при чисто реактивному навантаженні лінії.

Точки холостого ходу і короткого замикання відповідають точкам перетину вертикальної осі із зовнішнім колом одиничного радіуса, і тому таке коло с геометричним місцем тільки реактивних опорів лінії. Права півплощина (див. рис. 1.5) відповідає позитивним, тобто індуктивним, ліва – ємнісним опорам.

Кола з центром у точці на вертикальній осі, позначеній одиницею, є лініями сталого КСХ або лініями сталого модуля коефіціента відбиття |Г|.

Сітка з кривими R = const і X = const являє собою дві сім'ї взаємно ортогональних кіл. Кола R = const мають одну спільну дотичну в точці, де вхідний опір лінії передачі прямує до нескінченності (Z). Центри цих кіл розміщені на дійсній осі, а центри кіл X = const – на прямій, паралельній уявній осі і яка проходить через точку холостого ходу Z = 0.

Кола з КСХ = const (звичайно їх на діаграму не наносять) перетинають дійсну (вертикальну) вісь у точках, через які проходять кола з R = const, причому R = КСХ або R = 1/КСХ виражені у відносних одиницях. Це пояснюється тим, що величини опорів у максимумі та мінімумі стоячої хвилі дорівнюють відповідно:

, (1.29)

 

. (1.30)

 

Таким чином, для визначення кола заданого КСХ необхідно знайти відповідно кола R = const і провести з центра діаграми коло, дотичне до кола постійного активного опору.

За початок відліку кутів беруть точку R = X = 0, а шкалу кутів наносять на зовнішню сторону великого кола. Кути на зовнішньому колі виражають в одиницях lх, або в градусах фазового кута коефіцієнта відбиття, а всі вказані опори на діаграмі (в тому числі й опори навантаження ZH) – у відносних одиницях (відносно хвильового опору лінії Zx) [1]:

 

, (1.31)

 

де Zх = 1 – хвильовий опір лінії передачі у відносних одиницях.

 

Тоді коефіцієнт відбиття навантаження можна обчислити за формулою:

 

. (1.32)

 

Розглянута полярна діаграма повних опорів універсальна і придатна для роботи з будь-якими передавальними лініями, якщо ця лінія збуджена на хвилі одного типу.

Координатна сітка діаграми може бути застосована для зображення повних провідностей у відносних одиницях:

 

, (1.33)

де , (1.34)

. (1.35)

 

При використанні діаграми для визначення провідностей залишаються в силі всі числові позначення. Змінюється тільки фізичний зміст характерних точок, наприклад, точка режиму холостого ходу (Zн = ) означає тепер режим короткого замикання (Zн = 0).

Для знаходження провідності за заданим опором достатньо перенести відповідну точку в діаметрально протилежну точку на колі даного КСХ.

 

1.5. Опис вимірювальної установки

 

Схема вимірювальної установки зображена на рис. 1.6. Джерелом потужності НВЧ є генератор, який працює в сантиметровому діапазоні хвиль. Потужність генератора через атенюатор, вентиль i вимірювальну лінію подається на неоднорідність (кінцеве навантаження).

Примітка. Лабораторну.роботу виконують одночасно всі студентигрупи Про перелік кінцевих навантажень для кожного лабораторного макета повідомляє викладач.

 

1.6. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

 

1. Проведіть розрахунок довжини хвилі у хвилеводі для діапазону 9...11ГГц.

2. За даними табл. 1.1 визначте опір навантаження для двох випадків, які відповідають задачам № 1 і 2.

Дані до п.2 беруться з табл. 1.1 відповідно до номера, під яким записано прізвище студента в груповому журналі.

3. Використовуючи дані, одержані в п.2, розрахуйте нормований еквівалентний опір лінії в межах півхвилі з кроком 0,05λх від навантаження в бік генератора.

4. Проведіть вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі або КБХ чотирьох НВЧ навантажень, вказаних викладачем, і одночасно вимірювання фазового кута кожного навантаження. Вимірювання виконайте двома способами, описаними в теоретичній частині лабораторної роботи. При вимірюваннях користуйтесь методами максимуму-мінїмуму та заміщення.

 

Таблиця 1.1

№ п/п КСХ Задача №1 Задача №2
Напрямок змiщення Напрямок змiщення
0,08 До генератора 0,16 До навантаження
0,12 - " - 0,18 - " -
6,6 0,16 - " - 0,2 - " -
3,3 0,18 - " - 0,24 - " -
0,2 - " - 0,15 - " -
0,24 - " - 0,04 - " -
0,2 - " - 0,18 - " -
3,18 0,3 - " - 0,16 - " -
0,2 - " - 0,18 - " -
0,1 - " - 0,2 - " -
6,6 0,15 - " - 0,23 - " -
3,33 0,3 - " - 0,08 - " -
0,25 - " - 0,08 - " -
0,2 - " - 0,17 - " -
0,2 - " - 0,12 - " -
3,2 0,3 - " - 0,12 - " -
0,1 - " - 0,15 - " -
0,2 - " - 0,05 - " -
3,3 0,3 - " - 0,21 - " -
0,22 - " - 0,19 - " -
0,15 - " - 0,17 - " -
6,6 0,2 - " - 0,16 - " -
0,11 - " - 0,07 - " -
0,15 - " - 0,11 - " -
3,3 0,2 - " - 0,08 - " -

 

5. Проведіть вимірювання та розрахунок активної, реактивної складових і повного опору НВЧ навантажень, вказаних викладачем, користуючись способом на основі розрахунку за формулами (1.26) і (1.27), а також круговою діаграмою. На основі виконаних вимірювань визначте активну, реактивну та повну провідності НВЧ навантажень за круговою діаграмою.

6. Для кожного пункту завдання розробіть таблиці, які б відображали проміжні та кінцеві етапи вимірювань і розрахунків. За одержаними результатами побудуйте графіки.

1.7. Порядок виконання роботи

 

1. Зібрати вимірювальний тракт НВЧ відповідно до рис. 1.6. До виходу вимірювальної лінії приєднати металеву пластину (лінія закорочена на кінці).

2. Увімкнути генератор для десятихвилинного прогріву.

3. Пересуваючи каретку, користуючись вимірювальною лінією, за допомогою методу вилки визначити положення двох мінімумів, розміщених поруч, і розрахувати довжину хвилі у хвилеводі.

4. Для вимірювання повного опору або провідності навантажень провести такі операції:

- визначити умовний кінець лінії, для чого до вихідного фланця лінії приєднати метелеву пластину і встановити положення першого мінімуму з боку вихідного фланця методом "вилки" (це положення і є умовним кінцем лінії);

- приєднати довихідного фланця лінії одне а конкретних навантажень;

- визначити відстань ℓ від умовного кінця лінії до першого мінімуму (використовуючи метод "вилки");

- виміряти КСХ навантаження.

Потім за формулами (1.26), (1.27) розрахувати складові RH, Хн і повний опір досліджуваних навантажень.

Безпосередній відлік відстані від навантаження до першого вузла напруги незручний, а часто неможливий. Проте в однорідній передавальній лінії величини еквівалентних опорів повторюються через кожну півхвилю. Тому початок відліку припадає на ціле число півхвиль від навантаження. Для цього закорочують лінію в тому перерізі, де приєднується навантаження, і на вимірювальній лінії відмічають положення будь-якого вузла напруги. Під час приєднання навантаження відмічається зміщення вузла, величана якого с шуканою величиною (див. рас. 1.4). Зміщення вузла можна відлічити і в бік генератора (ℓ1), і в бік навантаження (ℓ2). Обчислюючи навантаження, наприклад за формулою (1.10), слід вважати величину ℓ1 додатною, а ℓ2 – від'ємною.

5. Користуючись круговою діаграмою, визначити складові RH і Хн для всіх навантажень (три діафрагми – ємнісну, індуктивну, резонансну, а також поглинаюче навантаження).

 

1.8. Контрольні запитання

 

1. Що таке коефіцієнти відбиття біжучої та стоячої хвиль і від чого вони залежать?

2. Куди зсувається найближчий мінімум напруги в лінії відносно мінімуму напруги при короткому замиканні, чисто ємнісному, індуктивному і активному навантаженнях на кінці лінії?

3. Від чого залежить довжина хвилі у хвилеводі?

4. Що називається еквівалентним нормованим опором довгої лінії хвилеводу?

5. В чому полягають методи вимірювання повного опору наваг таження лінії?

6. На основі яких критеріїв здійснюється узгодження опору навантаження з хвильовим опором лінії?

7. Який принцип дії та конструкція вимірювальної лінії?

8. В чому полягає метод вимірювання повних опорів, оснований на застосуванні кругових діаграм?

 

1.9. Список використаної та рекомендованої літератури

 

Лебедев И.В. Техника а приборы СБЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1. Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М., 1972.

 

1.10. Розв'язання практичних задач за допомогою кругової діаграми повних опорів (провідностей)

 

Задача 1. Дано: опір навантаження ZH = RH + iXн, хвильовий опір лінії Zx довжина ℓл і довжина хвилі в лінії λх

Знайти вхідний опір і величину КСХ (КБХ).

Розв'язання:

1. Визначаємо нормований опір навантаження:

 

 

2. На круговій діаграмі відмічаємо точку, яка відповідає знайденим значенням R'н і Х'н.

3. Покажчик діаграми ставимо так, щоб радіус, накреслений: на ньому, проходив через знайдену точку (початкове положення покажчика).

4. Повертаємо покажчик на кут, що відповідає довжині лінії ℓлх в бік генератора (за годинниковою стрілкою), і відмічаємо нову точку на колі, а також значення КСХ (КБХ).

Відповідні цій точці значення R і X є шуканими значеннями активної та реактивної складових нормованого вхідного опорулінії. Для одержання абсолютних значень опору необхідно знайдені значення помножити на Zx.

Приклад. Дано: Zx = 600 Oм; ZН = (300 + і300) Oм; λх = 30 мм; Lп = 36мм. Знайти Zвх і КСХ (КБХ).

Розв'язання.

1. Дано ZH = (0,5 + і0,5) Oм.

2. Відповідна точка діаграми лінії на колі КСХ = 2,63 (КБХ = 0,38). Обертовий покажчик, який проходить через знайдену точку, проходить і через відмітку 0,088 на зовнішньому колі діаграми.

3. Обертаємо покажчик від цього положення за годинниковою стрілкою на кут, який відповідає відстані ℓлх = 36/30 = 1,2. Оскільки криві опору вздовж лінії передані з півхвильовим періодом, то ціле число півхвиль виключаємо і поворот здійснюємо на довжину 0,2.

4.Нова відмітка на зовнішньому колі дорівнює 0,088 + 0,2 = 0,288. Шуканий опір знаходимо як точку перетину кола КСХ = 2,63 (КБХ = 0,38) зі стрілкою покажчика, яка проходить через відмітку 0,288.

5.Знайденій точці перетину відповідають RBX і Xвх, які дорівнюють 2 та – і.

Відповідь: Z6X = 2 – і; ZBX = (2 – і)600 = (1200 – i600) Ом.

 

Задача 2. За даними задачі № 1 визначити опір у вузлі та в пучності напруги.

Розв’язання.

КСХ у попередній задачі дорівнює 2,63 (КБХ = 0,38). Коло КСХ = 2,63 перетинає вертикальну вісь у точках R' = 0,38 і R'= 2,6. Таким чином, опір у вузлі Rmin= 0,38·600 = 228 Oм, а опір у пучності Rmax = 2,6·600 = 1560 Ом.

 

Задача 3. Дано: вхідний опір лінії, довжина хвилі, хвильовий опір лінії, довжина лінії – Zx = 100 Ом; Zвx = (40 – і55) Ом; λх = 10 см; ℓл = 26,19 см. Визначити опір навантаження.

Задача розв'язується так само, як і задача № 1. Але, на відміну від задачі № 1, обертовий покажчик діаграми повертають у бік навантаження (проти годинникової стрілки).

Відповідь: Zx = (180 – і100) Ом.

 

Задача 4. Положення вузла при короткому замиканні лінії визначено. Потім було ввімкнено навантаження і знайдено відстань від вузла при короткому замиканні до найближчого вузла при навантаженні (цю відстань в подальшому називатимемо зміщенням вузла відносно вузла при короткому замиканні).

Проведемо вимірювання КСХ (КБХ). Знайти опір навантаження при відомих λх і ZX

а). Вузол при ввімкненні навантаження зсунувся відносно вузла при короткому замиканні у бік генератора на величину ℓ= 0,06 λх; КСХ = 3,0; Zx = = 100 Ом.

Розв’язання.

Повертаємо обертовий покажчик діаграми проти годинникової стрілки (до навантаження) на кут, який відповідає відстані ℓ = 0,06 λх.

Нормований опір навантаження визначимо як точку перетину стрілки покажчика з колом КСХ = 3,0. Тоді Z'H = (0,38 – і0,34). Помноживши Z'H на Zx, знаходимо ZH.

Відповідь: ZH= (38 – і34) Ом.

б) Вузол при ввімкненні навантаження зсунувся відносно вузла при короткому замиканні у бік навантаження на величину ℓ = 0,076·λх; КСХ = 5,7. Знайти нормований опір навантаження.

Розв’язання.

Повертаємо покажчик за годинниковою стрілкою (до генератора) на кут, що відповідає 0,076·λх. Знаходимо точку перетину лінії покажчика з колом КСХ = 5,7.

Відповідь: Z'H = 0,22 + і0,5.

Лабораторна робота № 2

УЗГОДЖЕННЯ В ЛІНІЯХ ПЕРЕДАЧІ НВЧ

 

Мета роботи – вивчення основних методів 1 пристроїв для узгодження в лініях передачі НВЧ за допомогою взаємних пристроїв (компенсуючих реактивностей).

 

2.1. Загальні відомості

 

Під узгодженням у трактах НВЧ прийнято розуміти умови, за яких від генератора в навантаження через лінію передачі підходить максимальна потужність. Узгодження в лінії передачі полягає в заглушенні відбитих від навантаження хвиль. Лінія в цьому випадку працює в режимі біжучих хвиль з коефіцієнтом відбиття Г, який дорівнює нулю (КСХ = 1), а опір навантаження Zн дорівнює хвильовому опору лінії ZA.

В узгодженому режимі потужність, що надходить у навантаження від генератора, який, в свою чергу, повинен бути також узгодженим з лінією, досягає максимального значення. Якщо навантаження не узгоджене з лінією, то це призводить до ряду небажаних ефектів.

Розглянемо основні причини, через які намагаються досягнути найкращого узгодження, тобто наблизити КСХ до ідеальної величини, що дорівнює одиниці.

 

2.2. Потужність, що надходить у навантаження

 

Потужність, що передається у навантаження, яке знаходиться на кінці лінії, без втрат можна визначити в будь-якому перерізі лінії за допомогою співвідношення:

 

, (2.1)

 

де U і I – амплітуди напруги та струму в даному перерізі;

φ – фазовий кут між ними.

 

У перерізі, де знаходиться максимум стоячої хвилі напруги, є мінімум струму І і φ = 0. Тому:

 

. (2.2)

 

Напруга в максимумі та струм у тому ж перерізі дорівнюють:

 

, (2.3)

 

, (2.4)

 

де Zx – хвильовий опір лінії;

Г – коефіцієнт відбиття.

 

Підставляючи вирази (2.3) і (2.4) в рівняння (2.2), одержимо:

 

. (2.5)

 

Нехай генератор є узгодженим, тобто має внутрішній опір Zr = Zx. Тоді відбита від навантаження хвиля, що надходить до генератора, не відбивається від нього і не може змінити амплітуду {Unaд}. Таким чином, можна вважати, що [Unaд] ≠ f ([Г]).

У випадку узгодження навантаження а лінією Г = 0. Тоді потужність має максимальну величину:

 

. (2.6)

 

Отже, при неузгодженому навантаженні у випадку узгодженого генератора потужність, що надходить у навантаження, менша, ніж при узгодженому навантаженні, тобто:

 

. (2.7)

 

Потужність, що надходить у навантаження, за законом збереження енергії дорівнює різниці між потужністю падаючої хвилі Рпад і потужністю відбитої хвилі Рвідб , причому:

 

,

 

. (2.8)

 

Таким чином, потужність відбитої хвилі:

 

. (2.9)

 

Звідси одержуємо потужність, що надходить у навантаження:

 

. (2.10)

 

Цей вираз збігається з формулою (2.7), оскільки величина Рпад відповідає найбільшій потужністі, яку можна одержати в розглянутому режимі при ідеальному узгодженні навантаження з лінією.

 

2.3. Електрична міцність лінії при неузгодженому навантаженні

 

У випадку неузгодженого навантаження пробивна міцність лінії зменшується за рахунок перенапруження в максимумах стоячої хвилі. Для кількісної оцінки необхідно врахувати, що пробій виникає в режимі, коли напруженість електричного поля в максимумі стоячої хвилі стає такою, що дорівнює пробивній напруженості:

 

, (2.11)

 

де Uпроб – пробивна напруга лiнiї за даних умов.

Позначимо через [Uпад]проб амплітуду напруги падаючої хвилі, при якій в лінії починається електричний пробій.

Згідно з рівняннями (2.3) і (2.11) одержимо:

 

. (2.12)

 

Потужність Pпроб, при якій відбувається пробій, є границею потужності, що передасться у навантаження. За співвідношенням (2.5) маємо:

 

. (2.13)

 

Якщовідставити в що формулу залежність (2.12), то дістанемо:

 

.

 

тобто у випадку неузгодженості пробивна потужність дорівнює:

 

. (2.14)

 

Таким чином, електрична потужність передавальної лінії при неузгодженому навантаженні знижується в КСХ раз порівняно з електричною потужністю узгодженої лінії. При передачі великих рівнів потужності намагаються забезпечити КСХ менше 1.5.

 

2.4. Втрати в лінії з неузгодженим навантаженням

 

При передачі енергії генератора до навантаження втрати в лінії визначаються за виразом:

 

, дБ, (2.15)

 

де ℓ – геометрична довжина лінії між генератором і навантаженням;

α – стала загасання хвилі, що розглядається.

За відсутності відбиття за формулою (2.15) втрати дорівнюють:

 

, дБ. (2.16)

 

Чим більше величина |Г|, тим, згідно з виразом (2.7), більші втрати і менший коефіцієнт корисної дії передачі.

Стала загасання для хвилі основного типу H10 може бути визначена за рівнянням:

 

, (2.17)

 

де σсm – провідність матеріалу стінки хвилеводу;

ε0 – діелєктрична проникність вакууму.

 

За співвідношенням (2.17) можна розрахувати загасання в хвилеводах, виконаних з неферомагнітного матеріалу.

 

2.5. Робота електронних приладів НВЧ при неузгодженому навантаженні

 

Залежність пробивної потужності і втрат у лінії передачі від узгодження з навантаженням сама по собі вказує на необхідність роботи активних приладів НВЧ при узгодженому навантаженні. Узгодження відіграє особливо важливу роль для якісної роботи потужних джерел НВЧ коливань. Однак існують і інші причини, через які вимоги до узгодження навантажень активних приладів стають жорсткими.

При зміні опору навантаження, на яке працюють активні прилади, в більшості випадків спостерігаються зміни як потужності, так і частоти, що генерується. Це явище прийнято називати затягуванням частоти. Так, наприклад, при КСХ, яка дорівнює 1,5, частота коливань, що генеруються магнетроном трисантиметрового діапазону, може змінитися на 15 МГц.

Максимально допустима величина КСХ для багатьох потужних генераторів не перевищує 1,5. У цьому режимі стабільність частоти знаходиться в допустимих границях при достатній величині потужності, яка віддається.

З викладеного випливає, що у більшості випадків доводиться вирішувати проблеми одержання найкращого узгодження окремих ланок і високочастотних трактів у цілому.

 

 

2.6. Методи та пристрої узгодження в трактах НВЧ

 

Забезпечення узгодження є однією з найпоширеніших задач техніки надвисоких частот. Необхідність узгодження має місце у тих випадках, коли з передавальною лінією з'єднується неузгоджене навантаження або при з'єднанні ліній з різними хвильовими опорами.

Принципи узгодження можна пояснити за допомогою рис. 2.1.

Якщо опір навантаження не дорівнює хвильовому опору, то поблизу навантаження треба ввімкнути узгоджуючий чотириполюсник, що трансформує активний 1 реактивний опори навантаження з перерізу "вг" у

переріз "аб" до величини:

 

 

Рис. 2.1. Узгоджуючий чотириполюсник в лінії передачі з довільним навантаженням

 

Таку трансформацію, що усуває відбиті хвилі, можна виконати двома методами:

1. Метод створення додаткових відбиттів, сумарна амплітуд яких дорівнює амплітуді відбитої хвилі від пристрою, що узгоджується, а фаза відрізняється на 180°, тобто Uвідб = U′відб = U″відб = 0

Такий метод реалізує недисипативний чотириполюсник, який має властивості ідеального трансформатора, що перетворює високочастотні напруги, струми та повні опори з перерізу "вг" у переріз "аб" (див. рис. 2.1) без внесення активних втрат. Такий вид узгоджуючих пристроїв одержав назву трансформаторів повних опорів.

Як найпростіші фіксовані трансформатори типу шунтуючих реактивних провідностей застосовуються індуктивні та ємнісні діафрагми, індуктивні, ємнісні та резонансні штирі, одно- і багатошлейфові трансформатори, а також пластинчасті діелектричні трансформатори повних опорів.

Для узгодження ліній передачі з різними хвильовими опорами використовуються чвертьхвильові трансформатори (переходи). Для такого узгодження часто також застосовуються фіксовані трансформатори у вигляді відрізка неоднорідних ліній передачі. Прикладом таких трансформаторів є конічний і експоненціальний переходи, які можна віднести до граничного випадку багатосхідчаотого чвертьхвильового трансформатора.

2. Метод поглинання відбитої хвилі, який базується на ввімкненні перед навантаженням або іншим пристроєм, що узгоджується, поглинаючого чотириполюсника. Чотириполюсник може бути як взаємним (наприклад фіксований атенюатор), так і невзаємним (феритовий вентиль). Узгодження за допомогою поглинаючого чотириполюсника (взаємного) можна застосовувати лише у тому випадку, коли втрати потужності в тракті не відіграють вирішальної ролі, наприклад, у вимірювальних трактах. Значно кращі результати з енергетичної точки зору дає невзаємний чотириполюсник, наприклад феритовий вентиль. Загасання, яке вноситься вентилем для хвилі, що падає у прямому напрямку (до навантаження), у багато разів менше, ніж для хвилі відбитої, яка поширюється у зворотному напрямку (до генератора).

 

2.7. Узгодження за допомогою реактивних трансформаторів

 

Таке узгодження реалізує перший метод – метод створення додаткових відбиттів. Реалізація цього методу полягає у знаходженні такого перерізу хвилеводу, в якому активна складова провідності дорівнює хвильовій провідності хвилеводу:

 

або . (2.18)

 

У цей переріз хвилеводу вмикають реактивний елемент, провідність якого Yp.e дорівнює за величиною і протилежна за знаком реактивній провідності в даному перерізі хвилеводу.

Сумарна провідність Yz у цьому перерізі буде активною і дорівнюватиме хвильовій провідності хвилеводу:

 

(2.19)

 

або, у зведених значеннях:

 

. (2.20)

Розглянемо конкретні типи узгоджуючих пристроїв, які застосовуються, наприклад, у прямокутних хвилеводах, що працюють на основній хвилі.

1. Діафрагма – це металева пластина, яка поміщена поперек хвилеводу і частково перекриває його. Товщина пластини в багато разів менша за довжину хвилі в хвилеводі. Залежно від характеру провідності розрізняють ємнісні та індуктивні діафрагми. На рис. 2.2, а, г, д показано індуктивні, а на рис. 2.2, б, в – ємнісні діафрагми та їх еквівалентні схеми. За розміщенням вікна діафрагми відносно середньої лінії поперечного перерізу хвилеводу розрізняють симетричні та несиметричні діафрагми.

У площині індуктивної діафрагми електричне поле має такий самий характер, як і в основному хвилеводі, а магнітні силові і лінії деформуються. Це пояснюється тим, що струми, які наводяться на діафрагмі, збуджують у хвилеводі хвилі Нmn вищих типів. Для коливань типу Hmn, що не поширюються, хвильовий опір хвилеводу реактивний і має індуктивний характер. У зв'язку з цим поблизу діафрагми переважає магнітна енергія, і, відповідно, еквівалентна схема такої діафрагми – це індуктивність, яка включається в лінію паралельно. Ємнісна діафрагма збуджує хвилі вищих типів Еmn і має відповідну еквівалентну схему.

Величина реактивної провідності діафрагми залежить від розміру d вікна. Чим менше розмір вікна, тим більші відбиття та реактивна провідність діафрагми. Якщо d = 0, то провідність діафрагми дорівнює нескінченності, що відповідає короткому замиканню хвилеводу (повне відбиття). Найчастіше застосовуються симетричні діафрагми. Величину зведеної провідності таких діафрагм визначають за такими співвідношеннями:

 

, (2.21)

 

, (2.22)

 

де а, в – розміри широкої та вузької стінок хвилеводу відповідно;

t – товщина діафрагми;

d – розмір вікна діафрагми.

 

Розмір діафрагми і місце її включення залежать від амплітуди і фази відбитої хвилі у хвилеводі. Розрахунок здійснюють у такій послідовності.

Визначають зведений опір навантаження:

 

На круговій діаграмі знаходять точку, яка відповідае цьому опорові. Припустимо, що зведений опір навантаження характеризується на діаграмі точкою 1 (рис. 2.3). Переходячи до діаграми провідностей, одержують точку 2.

Для визначення місця включення потрібно пересуватись від навантаження (точка 2) у бік генератора по лінії постійного КСХ на таку зведену відстань, щоб задовольнялась умова Y'= 1 + іВ'. На діаграмі ця умова виконується в точках 3 і 4, які відповідають перетину даного кола КСХ з колом зведеної активної провідності, що дорівнює одиниці. У перерізі хвилеводу, який відповідає точці 3, реактивна складова провідності має iндуктивний характер, і тому в цей переріз необхідно вмикати ємнісну діафрагму з реактивною провідністю В'с = –(– В'3) = В'3. Відстань від навантаження до місця включення діафрагми дорівнює ℓ1 = ℓ1λх. Якщо узгодження проводиться за допомогою індуктивної діафрагми, то її слід включати в переріз хвилеводу, де реактивна складова провідності має ємнісний характер (точка 4 на діаграмі). При цьому величина зведеної провідності діафрагми Bi = B'4, а відстань до місця включення ℓ2 = ℓ'2λх. Знаючи зведене значення провідності, за формулами для визначення В'с і B'L можна розрахувати розмір вікна діафрагми.

Аналогічний розрахунок проводять, якщо відомий розподіл амплітуд поля вздовж хвилеводу. При цьому зведену відстань до місця включення (ℓ'3 або ℓ'4) визначають відносно мінімуму напруженості електричного поля (точка 5), найближчого до навантаження.

2. Реактивний штир можна розглядати як окремий випадок діафрагми (іноді використовується термін "штирьова діафрагма"). Штирі являють собою круглі металеві стержні, розміщені в поперечному перерізі хвилеводу перпендикулярно до його стінок. Штир, установлений паралельно вузьким стінкам (рис. 2.4, а, б, г, д), має індуктивну, а штир, розміщений паралельно широким стінкам (рис. 2.4, в), – ємнісну провідності. Величина провідності штирів залежить від діаметра індуктивного штиря і, крім того, від його місця в поперечному перерізі, оскільки інтенсивність електромагнітного поля вздовж широкої стінки не постійна. Розглянуті штирі та діафрагми мають загальний недолік – їх не можна перестроювати в процесі налагодження або експлуатації тракту. Як реактивні елементи, що можна перестроювати, у хвилеводах використовують штирі зі змінюваною глибиною занурення. Такі штирі найчастіше встановлюють у центрі широкої стінки хвилеводу. Величина і характер реактивності такого штиря залежить не лише від діаметра, але й від глибини занурення. При глибині занурення ℓ < λх/4 – опір ємнісний, а при ℓ > λХ/4 – індуктивний. Якщо довжина штиря ℓ = λХ/4, то реактивний опір дорівнює нулю, тобто штир виявляється еквівалентним послідовному коливальному контуру, настроєному в резонанс. Для ефективного узгодження в діапазоні частот встановлюють декілька (до 3-5)

Рис.2.2. Ємнісні та індуктивні діафрагми

 

Рис. 2.3. Використання кругової діаграми для визначення місця включения узгоджувального трансформатора

 

штирів, рознесених на відстані λХ/4 один від одного. Недолік таких штирів полягає у тому, що вони знижують електричну міцність хвилеводу. Змінюваний реактивний опір можна створити на основі хвилеводних шлейфів, які являють собою короткозамккутий відрізок хвилеводу змінної довжини, ввімкнений в широку або вузьку стінку основного хвилеводу (рис.2.5, 2.6).

Шлейф, подібно до діафрагми, є вузькосмуговим і для узгодження в смузі частот потрібно підбирати не лише довжину, але й місце його включення. Пересування шлейфа в процесі роботи практично неможливе, тому для узгодження в смузі частот використовують два або три шлейфи. У першому випадку відстань між шлейфами береться такою, що дорівнює непарному числу λХ/8, якщо застосовуються три шлейфи, то λХ/4. Такі узгоджуючі пристрої називають хвилеводними шлейфовими трансформаторами.

3. Поширеними пристроями узгодження є трансформатори з діелектричними пластинами. Як приклад розглянемо коаксіальний трансформатор з двома діелектричними пластинами (шайбами), схематично зображений на рис. 2.7. Кожна з цих шайб має довжину λ/(), де ε відносна діелектрична проникність матеріалу шайби, λ – робоча довжина хвилі у вільному просторі. Шайби можуть пересуватись як одна відносно іншої (зміна L), так і спільно при незмінній відстані між ними. Якщо шайби зсунуті разом, то ділянка лінії, заповнена діелектриком, складає половину довжини, і тому трансформація опору відсутня. При відстані L між шайбами, яка дорівнює чверті довжини хвилі, трансформація опору виявляється найбільшою. Можна показати, що максимальна величина КСХ, при якій можливе узгодження за допомогою такого трансформатора, дорівнює квадрату відносної діелектричної проникності речовини, з якої виготовлено пластини.

Для виготовлення таких трансформаторів використовують діелектрики з порівняно високою діелектричною сталою і малими високочастотними втратами, наприклад топлений кварц.

При виконанні подібних трансформаторів на хвилеводах необхідно враховувати довжину хвилі λx, яка визначається за співвідношенням:

 

, (2.24)

 

де λ – довжина хвилі у вільному просторі.

 

Конструкції пластинчастого та інших типів трансформаторів повних опорів показано на рис. 2.7, 2.8.

 

2.8. Опис вимірювальної установки

 

Функціональна схема вимірювальної установки складається а генератора НВЧ коливань, підключеного через зовнішній атенюатор і перехід до вимірювальної лінії, на виході детекторної секції якої ввімкнено широкосмужний вимірювальний підсилювач. На виході НВЧ тракту вимірювальної лінії підключаються досліджувані неоднорідності та компенсуючі елементи (рис. 2.9).

 

 

 

Рис. 2.4. Реактивні індуктивні та ємнісні штирі в прямокутному хвилеводі

 

Рис. 2.5. Одношлейфові Ε- ІН-трансформатори

 

Рис. 2.6. Двошлейфовий трансформатор

 

 

Рис. 2.7. Узгоджуючий трансформатор з діелектричними пластинами

 

1

 

Рис. 2.8. Конструкції різноманітних трансформаторів повних опорів

2.9. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

 

1. Розрахуйте зведену провідность ємнісної та iндуктивної симетричних діафрагм залежно від розміру вікна d та її товщини t у 10 – 15 точках. Розмір хвилеводу 23·10 (товщину діафрагми змінювати в межах t = 0,2...5 мм).

Розрахунок виконується під час домашньої підготовки до лабораторної роботи. У звіті необхідно подати розрахунки та рисунки таких залежностей: В'L = f(d); В'L = f(t)'; B'с = f(d); B'c = f(t).

2. Виміряйте фазовий кут і КСХ комбінованого навантаження, яке складається з послідовно ввімкнених реактивного штиря та узгодженого навантаження. Вимірювання проводяться в 10 — 12 точках діапазону зміни довжини штиря.

3. Виконайте такі самі вимірювання для комбінованого навантаження з Індуктивною діафрагмою.

4. На основі одержаних результатів п.2 і 3 та за допомогою кругової діаграми визначте зведені значення активної та реактивної складових навантаження, а також розрахуйте його повний опір і коефіцієнт відбиття.

5. Для фіксованого положення штиря (ємнісний характер опору) та індуктивної діафрагми встановіть величину компенсуючої реактивності та місце її ввімкнення в лінію, використовуючи кругову діаграму і результати п.2 – 4.

6. Виконайте операції узгодження генератора з навантаженням і визначте КСХ до і після узгодження.

 

2.10. Порядок виконання роботи

 

1. Підготувати до роботи вимірювальну апаратуру.

2. До виходу вимірювальної лінії приєднати металеву пластину

(лінія закорочена на кінці) і, користуючись методом "вилки", визначити умовний кінець лінії.

3. Приєднати до виходу вимірювальної лінії комбіноване навантаження, яке складається з реактивного штиря змінюваної довжини та узгодженого навантаження. Провести вимірювання КСХ і фазового кута в 10 – 12 точках, змінюючи глибину занурення штиря.

4. Виконати такі ж самі вимірювання для комбінованого навантаження з індуктивною діафрагмою.

5. Визначити активну та реактивну складові повного опору досліджуваних навантажень (в нормованих величинах і в омах).

6. Для трьох фіксованих положень штиря та Індуктивної діафрагми встановити величину компенсуючої реактивності на місце її ввімкнення в лінію, використовуючи кругову діаграму та результати п. 2 – 5 (див. підрозд. 2.12).

7. Виконати узгодження лінії з навантаженням, змінюючи положення регулюючих елементів за допомогою двох-трьох узгоджуючих трансформаторів різної конструкції, які є на робочому місці. Провести вимірювання КСХ до 1 після узгодження на частоті 10 ГГц.

Як навантаження використовуються поглинаюче навантаження, ємнісний штир (глибина занурення 2 мм) та індуктивна діафрагма, ввімкнені послідовно з поглинаючим кінцевим навантаженням.

 

2.11. Контрольні запитання

 

1. Як змінюється потужність, що надходить у навантаження при зміні узгодження?

2. Від чого залежить електрична міцність лінії при неузгодженні?

3. Як визначаються втрати в лінії з неузгодженим навантаженням?

4. Як впливає неузгоджене навантаження на роботу електронних приладів?

5. В чому полягає метод узгодження, який базується на поглинанні відбитої хвилі?

6. В чому полягає метод узгодження, який базується на створенні додаткових відбиттів?

7. Які узгоджуючі елементи та пристрої Ви знаєте?

8. Яка будова і принцип дії узгоджуючого трансформатора діелектричними пластинами?

9. Як визначається місце вмикання узгоджуючих елементів?

 

2.12. Розв'язання практичних задач

 

По визначенню величини і місця ввімкнення узгоджуючих елементів

Перевірка одержаних результатів

Задача № 1. Задано опір навантаження Ζн і Ζх. Необхідно знайти величину і місце паралельного вмикання в лінію індук тивного опору узгодження лінії та навантаження.

Розв'язання.

A. Визначаємо на діаграмі точку, яка відповідає опорові навантаження

 

 

Б. Знаходимо значення провідності Υ'Η = gн + ibн, повертаючи покажчик на 180° відносно початкового положення.

B. Визначаємо кут, на який необхідно повернути покажчик, щоб потрапити в точку перетику кола КСХ, де знаходяться точки Ζ'Η і Y'1, з правою половиною кола R = 1 (g = 1).

Г. Знайдена точка визначає провідність лінії в місці вмикання реактивного опору (у = 1 + іb).

Д. Провідність елемента настроювання:

 

 

Ε. Відстань, яка відповідає куту, що визначається в п. В. дорівнює відстані і від точки, в якій був вузол при короткому замиканні, до точки, в якій потрібно паралельно підключити індуктивний опір для настроювання лінії на біжучу хвилю. При цьому, якщо при визначенні відстані в п. В покажчик діаграми обертався за годинниковою стрілкою (в бік генератора), то шукана точка знаходиться на відстані ℓ від вузла при короткому замиканні в бік генератора (або на відстані (λχ/2 – ℓ) в бік навантаження). Якщо покажчик обертався проти годинникової стрілки (в бік навантаження), то шукана точка знаходиться на відстані ℓ від вузла при короткому замиканні в бік навантаження ( або на відстані (λχ/2 – ℓ) в бік генератора).

Πρиκлад.

Дано ΖΗ = (90 – і80) Ом; Ζx = 50 Ом. Знайти величину і місце вмикання індуктивного опору для настроювання лінії на біжучу хвилю.

Ρозв'язання.

Визначаємо Ζ'Η = 1,8 – і1,6. Відповідна точка на круговій діаграмі лежить на колі КСХ = 3,33. Повертаючи покажчик на 180°, знаходимо Υ'Η = = 0,311 + і0,28. При цьому стрілка покажчика проходить через відмітку 0,046 на зовнішньому колі діаграми. Визначаємо перетин кола КСХ = 3,33 а правою половиною кола R = G = 1 і цим самим – нормовану провідність лінії в шуканій точці Υ = Ι + і1,3. Стрілка покажчика, яка проходить через цю точку, перетинає зовнішнє коло діаграми в точці з відміткою 0,17. Отже, для настроювання лінії на біжучу хвилю можна ввімкнути паралельно індуктивний опір:

 

Ом

 

на відстані

 

у бік генератора від точки, яка відповідає вузлу при короткому замиканні.

Задача № 2. Дано опір навантаження ΖΗ і хвильовий опір лінії Zx. Потрібно знайти величину і місце паралельного вмикання ємнісного опору для одержання в лінії біжучої хвилі.

Ρозв'язання: Задача розв'язується так само, як і попередня. Відмінність полягає в тому, що в даному випадку шукають перетин відповідного кола КСХ = const з лівою половиною кола R = 1.

Пρиκлад. Дано ZН = (45 + і150) Ом. Знайти величину і місце вмикання елемента настроювання (X < 0).

Ρозв'язання. Ζ'н = 0,3 + і1,0; КСХ = 6,66; Y'н = 0,25 – і0,92; Υ' = 1,0 – – jі2,19; Y'настр = і2,19; Z'настр = 150/2,19 = і69 Ом.

У бік навантаження ℓ = 0,074 λχ (або ℓ = 0,426 λχ – У бік генератора).

Таким чином, реактивний опір Ζ настр = – і69 Ом, ввімкнений паралельно на відстані ℓ = 0,074λχ у бік навантаження від точки, в якій при короткому замиканні є вузол напруги, забезпечує настроювання лінії на біжучу хвилю.

 

Задачі для самоперевірки

 

Задача № 3. Встановлено, що при вмиканні навантаження вузел напруги зсунувся відносно вузла напруги при короткому замиканні на величину ℓ = = 0,15λх у бік генератора, а коефіціент стоячої хвилі в лінії КСХ = 5,0.

Визначити величину і місце вмикання ємнісного опору, який забезпечить настроювання лінії на біжучу хвилю, при Zx = 80.

Відповідь: ℓ = 0,215λχ у бік генератора, Zнacтp = – і43,2 Oм.

Задача №4. Те ж саме для випадку індуктивного опору. Відповідь: ℓ = = 0,084 λχ у бік генератора, Ζнacтp = і43,2 Oм.

Задача № 5. Розв'язати задачу № 3 за умови, що зсув вузла напруги відбувся у бік навантаження.

Відповідь: ℓ = 0,084 λx у бік навантаження, Ζнастр = – і43,2 Ом.

 

2.13. Список використаної та рекомендованої літератури

 

Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика.Μ., 1971.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1972. Т. Конструкция СВЧ устройств и экранов / Под ред. А.М. Чернушенко. Μ., 1990.

 

Лабораторна робота № З

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ГЕНЕРАТОРА НВЧ

НА ОСНОВІ ДІОДА ГАННА

 

Мета роботи – вивчення принципу дії та конструкції напівпровідникового генератора сантиметрового діапазону хвиль на діоді Ганна, а також експериментальні дослідження його основних характеристик.

 

 

3.1. Загальні відомості

 

Одна з найактуальніших задач техніки НВЧ – створення надійної та економічної малогабаритної апаратури – вирішується мініатюризацією активних приладів i коливальних систем, застосуванням напівпровідників i створенням iнтегральних схем. Напівпровідникові генераторні діоди, які з’явились в кінці 60-х років, склали серйозну конкуренцію транзисторам завдяки успіхам в галузі технології. Зараз існує окремий клас електронних приладів – генераторні напівпровідникові діоди НВЧ, які мають серйозні переваги стосовно верхньої межі частоти генерації, вихідної потужності на частотах вище 5 ГГц, технологічності та масогабаритних показників.

До напівпровідникових генераторних діодів НВЧ, або діодів з негативним опором, належать лавинно-пролітні діоди (ЛПД), діоди Ганна або діоди з міждолинним переносом електронів (МПД) та інжекційно-пролітні(ІПД).

Діоди з негативним опором працюють у діапазоні частот 0,1...340 ГГц, забезпечуючи потужність від 6...8 Вт в сантиметровому діапазоні при безперервному режимі до кількох кіловат у дециметровому діапазоні при імпульсному режимі.

На цей час накопичено досвід застосування діодних генераторів(ДГ) у приймально-передавальних модулях, активних фазових антенних гратках (АФАГ), радіомаяках, генераторах накачки параметричних підсилювачів, зв'язкових і телеметричних передавачах, когерентних РЛС малої потужності, вимірювальній техніці.

Діод Ганна – кристал однорідного напівпровідника, найчастіше – арсенід галія (Ga As) n-типу, розташований між двома омічними контактами. Часто діоди Ганна називають напівпрйвідниковими приладами з об'ємною нестійкістю або з міждолинним переносом.

Зупинимось на властивостях напівпровідників, які застосовуються на НВЧ, конкретно на арсеніді галію, для якого вперше була обгрунтована можливість одержання негативної диференціальної рухомості.

У техніці НВЧ найпоширенішими є такі напівпровідники, як кремній, германій, арсенід галію та антимонід індію. Ці сполуки мають структуру алмазу і кубічну симетрію.

Відомо, що в напіпровідниках і твердих кристалічних тілах електрони в атомах займають дискретні енергетичні рівні. У результаті взаємодії атомів рівні формуються в зони, які складаються з дуже близько розміщених атомів. Електрофізичні властивості напівпровідника суттєво залежать від ширини зони та її заповнення. Зона провідності відділена від верхньої заповненої зони енергетичною щілиною Еg, яка називається забороненою зоною. У широкозонних напівпровідниках – германій, кремній та арсенід галію – ці зони відповідно дорівнюють 0,66; 1,12; 1,42 еВ.

Антимонід індію належить до вузькозонних напівпровідників (ширина забороненої зони 0,23 еВ).

У зоні провідності електрони дещо рухоміші, ніж дірки у валентній зоні. Їх взаємодія з ґратками кристалу приводить до того, що вони досить швидко віддають свою надлишкову кінетичну енергію, опускаючись на дно зони провідності.

У будь-якій точці зони провідності швидкість електрона і (або дірки у валентній зоні) визначається, виходячи із кванта механічних положень атомної фізики. Зміст ефективної маси елі трона (дірки) має величина:

 

,

 

де h – стала Планка (h = 1,054·10 -34 Дж·с);

ε – енергія;

k – 2п/λ;

λ – дебройлївська довжина хвилі, яка залежить від маси та швидкості частинки, λ = h/mV.

 

У кристалах напівпровідників можуть існувати електрони і хвильовою функцією (Ψ ~ eі()) тільки певних частот. Це визначається періодичністю електричного потенціалу граток, атоми яких розміщені на відстані й у паралельних площинах. Сталі ґраток () германію, кремнію та арсеніду галію дорівнюють відповідно 5,657 А; 5,430 А; 5,653 А. Якщо відстань а дорівнює половині довжини хвилі, електронна хвиля, що описує ся хвильовою функцією Ψ, відбивається від указаних площин, складається синфазно і поширюватись не може. Тому при довжині хвилі Am = 2a, що задовольняє співвідношення:

 

 

електронна хвиля переносити енергію не може.

Смуги частот, на яких можливе поширення електронної хвилі, називаються зонами. Зона хвильових векторів , яка обмежує простір частот, що поширюються, називається першою зоною Бриллюена. Для цієї зони дисперсійна залежність W() є періодичною функцією з періодом 21T/km.

 

 

Рис. 3.1 Структура енергетичних зон арсеніду галію

 

Тривимірний простір, в якому будуються енергетичні поверхні hw(k), називається k-простором. Мінімуми в k-просторі називаються долинами.

Перехід електронів з основного мінімуму зони провідності з відносно великого рухомістю в побічні високі енергетичні мінімуми з меншими рухомостями називається ефектом міждолинного переходу електронів. Для того, щоб зрозуміти, як цей ефект приводить до появи негативного диференціального питомого опору, розглянемо залежності енергії від хвильового вектора k (рис. 3.1). З рисунка видно, що зона провідності складається з кількох підзон. Дно зони провідності відповідає точці k = 0, Перша, більш високоенергетична підзона, розміщена в напрямку /IІI/(L), а наступна – вздовж ocі /І00/(X). Величина енергетичного зазору між мінімумами зони провідності арсеніду галію ΔΕ = 0,31 еВ. Послідовність підзон в арсеніді галію – Γ – L – X.

Наближене співвідношення між дрейфовою швидкістю і напруженістю електричного поля одержимо, спираючись на припущення про рівність електронних температур Те у нижній та верхній долинах. Введемо такі позначення: m1* i m2* – ефективні маси, μ1 і μ2 – рухомості, n1 i n2 – концентрація електронів у нижній та верхній долинах відповідно. Повна концентрація носіїв заряду – n = n1 + n2.

Відношення заселеності верхньої та нижньої долин, розділених енергетичним зазором ΔΕ, таке:

 

,

 

де k1 – стала Больцмана;

k1*Tе – л теплова енергія;

R – відно-швння щільності станів.

 

Величина R визначається за формулою:

 

,

 

де М1 і М2 – число верхніх і нижніх долин відповідно. Використовуючи значення ефективних мас електронів у арсеніді галію m1* = 0,067 Μе і m2* = = 0,55 Me, одержимо R = 94.

 

Оскільки електричне поле прискорює електрони і збільшує їхню кінетичну енергію, електронна температура Те перевищує температуру граток Τ. У цьому випадку електрони назяваються гарячими.

Використовуючи наведений нижче вираз, можна розрахувати залежиість Те від напруженості електричного поля при заданій ве-личині Τ :

 

, (3.1)

 

де q – заряд електрона;

То – час релаксації енергії (припускається таким, що дорівнює 10-12с);

Ε – напруженість електричного поля.

 

Співвідношення між дрейфовою швидкістю і полем має вигляд:

. (3.2)

 

Типові залежності V від Ε, розраховані за допомогою виразів (3.1) і (3.2) при трьох температурах граток наведено на рис. 3.2 (суцільні лінії). Заселеність верхньої долини як функція напруженості електричного поля показано штриховою кривою.

 

 

Рис. 3.2. Залежності дрейфової швидкості від напруженості електричного поля в Gа As при трьох температурах ґраток

 

З рис. 3.1 і 3.2, а також з наведених вище рівнянь видно, що в слабких електричних полях електрони перебувають у рівновазі (див. рис. 3.1) і знаходяться в нижній долині. Із збільшенням напруженості поля дрейфова швидкість швидко зростає і визначається звичайною рухомістю (μ = μ1; m = = m1* ). Коли енергія електронів досягає певної величини, при деякому полі Εn*, яке називається пороговим, відбувається їх iнтенсивний перехід у верхню долину, в якій ефективна маса більша за (m*2 > m*1). Порогова величина напруженості електричного поля Εn, що визначає початок ділянки негативного диференціального опору, дорівнює ~3,2 кВ/см для Ga As і 10,5 кВ/см – для ІnР. Максимальна величина дрейфової швидкості 2,2·107 см/с – для надчистих кристалів арсеніду галію і 2,5·107 см/с – для фосфіду індію, а час міждолинного переходу τ = 2·10-12. Більшій ефективний масі відповідає більша щільність станів. Тому при Е > Еп значна кількість електронів виявляється у верхній долині, а швидкість їх спадає. Для простоти вважатимемо, що при Ε > Εn електрони виявляються у верхній долині. Згідно з цими міркуваннями залежність швидкості від поля (рис. 3.3) при слабких електричних полях Е < Еn буде подано ділянкою кривої, що збігається із штриховою лінією 1, а при великих напруженостях Ε > Еn – із штриховою лінією 2. Поблизу порогового поля Е = Еn залежно від напруженості поля повинен відбуватися перехід від прямої 1, що відповідає рухомості μ1, до прямої 2, що відповідає рухомості μ2. Цей перехід залежно від V(E) має від'ємну похідну. Ocкільки струм пропорційний швидкості частинок, а напруга U і прикладена до зразка, – електричному полю Ε, то такий самий N – подібний вигляд матиме і статистична вольт-амперна характеристика, на якій спостерігається ділянка з негативною диференціальною провідністю (опором).

 

 

Рис. 3.3. Зміна густини струму

 

Подібні вольт-амперні характеристики є і в інших напівпровідниках (фосфіді індію, телуриді, кадмії і т.д.). Найперспективніший з цих матеріалів – фосфід індію. Особливості побудови зони провідності цього матеріалу дозволяють сподіватись на одержання більш високих значень вихідної потужності внаслідок більш високих значень порогових полів міждолинного переходу Еn = 10,5 кВ/см. Енергетична щілина у фосфіді індію Δ = 0,53 еВ (розміщена, як і в арсеніді галію), рухомість в долинах – такого ж порядку, як і в арсеніді галію.

Наявність падаючої ділянки на вольт-амперній характеристиці зразка напівпровідника є необхідною, але недостатньою умовою для виникнення в ньому коливань НВЧ. Поява таких коливань означае, що в зразку з'являеться нестійкість хвильових збуджень. Але умови для такої нестійкості залежать також від параметрів напівпровідникового зразка: концентрації носіїв, швидкості їх дрейфу, довжини зразка та ін.

Процес виникнення коливань НВЧ у діоді Ганна полягає в такому. Нехай до діода прикладено таку напругу, що напруженість поля в ньому близька до критичної, але не досягає її. Через неоднорідність матеріалу в діоді завжди є області, які мають підвищений опір. Падіння напруги в цій області буде більшим, ніж на інших ділянках, внаслідок чого напруженість поля в ній може перевищити критичне значення. Ефективна маса електронів у цій області зростає, а їх рухомість μ2 і швидкість V знижуються, через що виникає домен – тонкий шар негативного об'ємного заряду, який рухається від катода до анода і має більший електричний опір порівняно з іншою частиною діода. Тому напруженість поля в іншій частині діода зменшується, що, в свою чергу, перешкоджус створенню в ній нових доменів. Електрони, що знаходяться поза доменом, мають більшу швидкість і тому більш близькі до анода,віддаляються від домена, а ті, що знаходяться між катодом і доменом, – наздоганяють їх, збільшуючи концентрацію заряду в ньому. Досягнувши анода, домен зникає, і в діоді створюються умови, необхідні для утворення нового домена. Необхідністю, при якій формуються домени, звичайно служить катод-контакт Ga As з металевим виводом, до якого підключений мінус джерела живлення. Домен, який утворюється поблизу домена, зразу ж зникає.

Рух домена в діоді викликає появу імпульсу наведеного струму в зовнішньому колі. Пролітна частота появи доменів, які віддають енергію в гальмівні півперіоди змінного поля при підключенні діода Ганна до коливальної системи, визначатиме частоту генерованих коливань. Цю частоту можна наближено визначити за формулою:

 

 

де L – довжина пролітної зони, мкм;

f – частота, що генерується, ГГц.

 

Процеси виникнення домена та його пересування під дією змінного та постійного полів проходять по-різному, залежно від амплітуди поля і співвідношення періоду НВЧ коливань, часу прольоту носіїв через активну область кристалу та часу формування і домена. У зв'язку з цим розрізняють декілька режимів роботи генераторів на діодах Ганна.

Пролітний режим характеризується рівністю періоду генерованих коливань Τ, часу прольоту доменів τ і реалізується при розміщенні діода в низькодобротний резонатор. У цьому випадку амплітуда НВЧ поля, значно менша, ніж напруга живлення, не впливав на утворення та дрейф домена. Частота генерованих коливань визначається лише довжиною діода та напругою живлення. У цьому режимі ККД генератора малий.

Режими з придушенням або затримкою доменів реалізуються при поміщенні діода у високодобротний резонатор, коли амплітуда НВЧ коливань сумірна з напругою живлення. Тому протягом частини періоду напруга на діоді стає меншою, ніж критична. Якщо період коливань менший за час прольоту домена через діод (Τ < τ), то при негативній півхвилі поля НВЧ зниження напруги домен досягає анода. Домен при цьому придушується, віддає енергію, а наступний виникає, коли напруга позитивної півхвилі перевищить критичне значення. У режимі із затримкою домена (Τ > > τ) протягом позитивного півперіоду домен встигає пройти весь діод, віддаючи енергію полю НВЧ. Однак зародження нового домена затримуватиметься доти, доки повна напруга на діоді залишатиметься нижчою за критичну. Використання високодобротного резонатора дозволяє підвищити стабільність частоти коливань і частоти спектру при цих режимах.

У режимі обмеженого накопичення об’емного заряду (OHOЗ) передбачено роботу діода Ганна за умови, що домен не встигає сформуватися. Для одержання цього режиму до діода, що розташований у високодобротному резонаторі, підводиться постійна напруга, більша за критичну, І коливальна система настроюється на частоту, в багато разів більшу за пролітну. У встановленому режимі амплітуда НВЧ коливань така, що протягом деякої частини негативного півперіоду τ, напруга на діоді стає меншою за критичну. В останню частину періоду Τ – τ1 домен не встигає повністю сформуватися, хоча напруга i перевищує критичне значення. У результаті цього вздовж кристалу одночасно дрейфують десятки слабких доменів, частота слідування яких визначається настройкою резонатора. Довжина кристалу для роботи в режимі OHOЗ може бути в десятки-сотні разів більшою, ніж у випадку пролітного режиму. У зв'язку з цим напруга живлення, опір діода та ККД збільішуються. Максимально можлива частота коливань у режимі OHOЗ обмежується часом міждолинного переходу. У цьому режимі пристрої з діодами Ганна можуть працювати на частотах до кількох сотен гігагерц і перестроюватись у широкій смузі частот. Потужність генераторів у режимі OHOЗ складає одиниці ват у безперервному режимі при ККД 15...20% і одиниці кіловат – в імпульсному режимі.

Діоди Ганна можуть працювати також і в гібридних режимах, які займають проміжне положення між режимом OHOЗ і доменними режимами. Вони не такі чутливі до змін навантаження і параметрів схеми, як режим OHOЗ, і тому знаходять широке застосування на практиці.

Основні вимоги до електромагнітних кіл генератора на діоді Ганна (ГДГ) зводяться до забезпечення заданих робочої частоти і режиму роботи, стійкості та максимального контурного ККД. Часто і задаються додаткові вимоги щодо радіаційної стійкості, рівня шумів, екранування, відводу тепла тощо.

Задана робоча частота і режим роботи забезпечуються певним і вхідним опором зовнішнього кола, активна і реактивна складові якого повинні задовольняти співвідношення:

 

 

де Zк – повний опір зовнішнього кола;

Zv – повний опір діода на першій гармоніці.

 

З цього рівняння випливають рівняння балансу амплітуд і балансу фаз вільного автогенератора:

 

,

 

Реалізація зазначених співвідношень потребує підключення таких необхідних елементів конструкції, як резонатор, зв'язаний з діодом і навантаженням, пристрій зв'язку діода з резонатором, НВЧ трансформатора опорів, коло живлення діода з фільтром иижніх частот.

 

 

Рис. 3.4. Еквівалентна схема діода Ганна

 

При інженерному проектуванні в межах одного режиму звичайно використовують спрощену модель діода у вигляді еквівалентної схем зображеної на рис. 3.4, де діодний проміжок подано паралельним з'єднанням нелінійної ємності С(U), яка відображає процес накопичення заряду і нелінійною негативною провідністю q(U), для яких вольт-амперна і вольт-фарадна характеристики визначені усередненням результат розрахунку на ЕОМ і апроксимацією цих характеристик. Повна еквівалентна схема діода Ганна враховує і параметри патрона LпT, CпT. Задана робоча частота і режим роботи генератора забезпечуються певним повним вхідним опором зовнішнього кола, який задовольняє умови балансу амплітуд і фаз. Для цього використовують резонатор, утворений відрізком лінії передачі певної довжини, зв'язаної з діодом і навантаженням. Узагальнену структурну схему діодного генератора показано на рис. 3.5.

 

 

Рис. 3.5. Узагальнена структурна схема електромагнiтного кола дiодного генератора

 

Конструктивне виконання генераторів визначається вибраним типом лінії передачі. Коливальні системи діодних генераторів можуть бути виготовлені на прямокутних хвилеводах, коаксіальних і смужкових лініях передачі. Існують також комбіновані хвилеводно-коаксіальні конструкції.

Хвилеводна конструкція (рис. 3.6) характеризується малими втратами, зручна при використанні в багатодіодних генераторах, порівняно проста у виготовленні. Діод і встановлюється в середині широкої стінки прямокутного хвилеводу 2 за допомогою циліндричного штиря-тримача 3, який одночасно проводить струм і забезпечує відведення тепла, Зв'язок з навантаженням здійснюється через ідуктивну або ємнісну діафрагму 4, розміщену на відстані ℓн від діода. Настроювання по частоті здійснюється за допомогою діелектричного штиря 5, який вводиться в порожнину короткозамкнутого хвилеводу довжиною ℓp. Напруга живлення підводиться через штир-тримач, ізольований від корпуса блокуючою ємністю 6.

 

Рис. 3.6. Хвилеводна конструкція генератора на діоді Ганна

 

3.2. Опис вимірювальної установки

 

Функціональну схему вимірювальної установки зображено на рис. 3.7.

Генератор Ганна, який являє собою відрізок прямокутного хвилеводу з розміщеними у ньому діодом і елементом настроювання, з'єднаним через узгоджувальну трьохелементну секцію і плавний хвилеводний перехід із затягуючим об’емиим резонатором. Режим живлення по постійному струму контролюється міліамперметром:і цифровим вольтметром. Секція "генератор – узгоджувальний пристрій – резонатор" з'єднана через вентиль, Е-трійник, атенюатор і вимірювальну лінію з навантаженням, яке являє собою тем місторний перетворювач ватметра потужності, що поглинається. Як індикатор використовується термісторний міст типу П2М-64. плеча Е-трійника через атенюатор і хвилеводно-коаксіальний перехід підключено електронно-лічильний частотомір.

 

3.3. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

 

1. Зніміть вольт-амперну характеристику діода Ганна.

2. Одержіть експериментальну залежність вихідної потужності та частоти генерації від напруги живлення діода.

3. Розрахуйте потужність, що споживається, і коефіцієнт корисної дії у діапазоні зміни напруги живлення (від 6,5 до 8,5 В).

4. Зніміть характеристику затягування частоти генератора об'ємним резонатором при зміні його настроювання.

5. Одержіть залежність рівня вихідної потужності генератора від частоти настроювання стабілізуючого резонатора, тобто від положення елемента настроювання резонатора, при його пересуванні в бік збільшення і зменшення резонансної частоти.

6. Визначіть КСХ у тракті при вихідній потужності від 7 до 1 мВт і настроюванні стабілізуючого резонатора на резонансну частоту.

 

3.4. Порядок виконання роботи

 

1. Підготувати вимірювальну апаратуру до роботи:

- встановити ручки регулювання U та І блока живлення в крайнє ліве положення, перемикач меж'вимірювання мосту вимірю вача потужності – в положення "Выкл.";

- атенюатор Д5-5 встановити в положення максимального загасання;

- увімкнути вентилятор обдуву секції генератора.

2. Увімкнути тумблер "Сеть" всіх вимірювальних приладів і прогріти їх протягом 30 хв.

3. Встановити перемикач меж вимірювань ватметра в положення, яке відповідає верхній межі вимірювань. Користуючись ручками "Установка нуля", встановити нуль ватметра (при повні відсутності НВЧ сигналу на вході перетворювача).

При вимірюваннях на межах, менших від 5 мВт, необхідно попередньо встановити нуль на межі 5 мВт, після чого ввімкнути послідовно межі 1,5; 0,5; 0,15 мВт з добалансуванням мосту ручками "Установка нуля" і "Точно".

4. Для зняття вольт-амперної характеристики діода Ганна ручку і блока живлення повернути приблизно на 1/8 оберта вправо і ручкою U встановити робочу напругу 8,5 В i робочий струм 430 А. Переконавшись у наявності генерації по частотоміру і ватметру, зняти вольт-амперну характеристику в межах 2...8,5 В.

5. При зміні вихідної потужності слід пам'ятати, що термісторний перетворювач М5-42 мав максимальний рівень вимірювання потужності не більше 10 мВт. Тому введення необхідного загасання атенюатором Д5-5 ОБОВ'ЯЗКОВЕ. При використанні атенюатора потужність, що вимірюється, можна розрахувати за формулою:

 

 

де Pвідрах – потужність, яка визначається за шкалою мосту; В

Κеф – коефіцієнт ефективності перетворювача (для перетворювача М5-42 Κеф= 1 ± 0,05);

Pвим – послаблення атенюатора.

 

6. Виміряти частоту ЕЛЧ 43-38, для чого встановити:

- перемикач "Род работы" – в положення "Блок";

- перемикач "Аттенюатор" – в положення "Частота";

- ручку "Уровень" – в середнє положення;

- ручку настроювання перетворювача "ГГц" – в положення 8,5 ГГц.

Плавно обертаючи ручку настроювання перетворювача "ГΓц" (за годинниковою стрілкою), добитись максимального відхилення стрілки стрілочного індикатора настроювання, яке має бути не менше 20 мкА. За допомогою лімба приладу і цифрового табло частотоміра розрахувати частоту:

 

 

де f χ – частота, що вимірюється;

f пер – покази на лімбіблоку перетворювача;

fчacrn – різницева частота, виміряна частотоміром.

 

3.5. Контрольні запитання

 

1. Які властивості напівпровідників, що використовуються для діодів Ганна?

2. Пояснити причини виникнення падаючої ділянки на вольт-амперній характеристиці діода Ганна.

3. Який принцип виникнення коливань НВЧ у діоді Ганна?

4. Які режими роботи генераторів на діодах Ганна Ви знаєте?

5. Режим OHOЗ, переваги 1 недоліки.

6. Які основні вимоги до електромагнітних кіл діодного генератора?

7. Описати конструкції діодних генераторів на різних лініях передачі.

 

3.6, Список використаної та рекомендованої літератури

 

Давидова Н.С., Данюшевский Ю.3. Диодные генераторы и усилители СВЧ. Μ., 1986.

Царапкин Д.П. Генератори СВЧ на диодах Ганна. Μ., 1962. Левитский С.М., Кошевская С.В. Вакуумная и твердотельная электроника СВЧ. Киев, 1986.

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984.

Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельнне устройства СВЧ в технике сзязи. Μ., 1988.

 

Лабораторна робота № 4

ДОСЛІДЖЕННЯ МОСТОВИХ СХЕМ НВЧ

 

Мета роботи – ознайомлення з принципом дії основних мостових cxeм, що використовуються в діапазоні НВЧ, дослідження основннх характеристик щілинного моста і подвійного хвилеводного трійника.

 

4.1. Загальні відомості

 

Мостом у техніці НВЧ називається чотириплечовий пристрій (восьмиполюсник), в якому енергія, підведена до будь-якого плеча, ділиться порівну між двома іншими, не надходячи в четверте. Таке плече розв'язане відносно того, яке живиться.

На рис. 4.1 зображені схема моста і розподіл потужності, де І – плече, що живиться; ІІ – розв'язане плече; III і IV – вихідні плечі.

 

 

Рис. 4.1. Розподіл потужності в мостовому пристрої

 

Мостові схеми широко застосовуються в техніці НВЧ як елементи фільтрів, балансних детекторів, модуляторів, антенних перемикачів, як подільники або пристрої складання потужності від декількох генераторів.

У загальному випадку в кожній підвідній лінії моста, розрахованій на поширення хвилі єдиного типу, існують хвилі як біжучі (падаючі) до багатополюсника, так і відбиті, які поширюються в протилежному напрямку Тому кожне плече багатополюсника може бути охарактеризовано відношенням комплексних амплітуд відбитої та падаючої хвиль, тобто коефіцієнтом відбиття.

Іншою важливою характеристикою багатополюсника є рівень зв’язку між окремими його плечима, який визначається відношенням комплексних амплітуд хвиль в плечах і називається коефіцієнтом передачі.

Аналіз багатополюсників НВЧ, який базується на методах теорії кіл і теорії електромагнітного поля, показує, що всі властивості багатополюсника можуть бути описані, якщо відомі падаючі та відбиті хвилі в усіх плечах, тобто всі коефіцієнти від биття та передачі.

Сукупність усіх коефіцієнтів відбиття та передачі, розміщених у вигляді прямокутної таблиці, називається матрицею розсіювання багатополюсника НВЧ.

Для восьмиполюсника матриця розсіювання має вигляд таблиці із шістнадцяти коефіцієнтів, яка складається із чотирьох рядків і чотирьох стовпців:

 

. (4.1)

 

Елемент Sрр матриці, що стоїть на перетині р-го стовпця і р-го рядка, є коефіцієнтом відбиття в р-му плечі, якщо інші плечі узгоджені.

Елемент Spq матриці, що стоїть на перетині р-го рядка q-го стовпця, є коефіцієнтом передачі по напрузі з q-гo леча в р-те плече за тих самих умов.

Отже,

 

, , (4.2)

 

де Uвідб, Uпад – комплексні амплітуди падаючої та відбитої хвиль.

 

Нижче наведено характеристики, які використовуються при дослідженні мостів НВЧ.

1. Перехідна характеристика – величина, що характеризується відношенням потужності, яка підводиться до моста, до потужності в одному із вхідних плечей при повністю узгоджених. Інших плечах моста (див. рис.4.1):

, (4.3)

 

де P1, P4 – потужності а плечах 1 і 4;

S41 – коефіцієнт передачі з плеча 1 в плече 4.

 

В ідеально узгодженому мості Р4 = 0,5 Р1; С41 = 3 dB.

Якщо С41 = 3 dB, то потужність, що надходить на вхід моста, не ділиться порівну між вихідними плечима. За величиною відхилення перехідної характеристики від 3 dB можна визначити ступінь ідеальності моста.

2. У літературі мости іноді характеризуються коефіцієнтом поділу:

. (4.4)

 

Коефіцієнт поділу може бути виражений в децибелах:

 

 

У ідеально узгодженого моста Δ = I, ΔдБ = 0.

3. Загасання (розв'язка) характеризується відношенням пoтужностей в плечах 1 і 2:

 

. (4.5)

 

У ідеально виконаного моста розв’язка повинна бути нескінченно великою. Величина С21 показує, яка доля потужності, що надходить в плече 1 моста, потрапляє в розв'язане плече.

4. Робоча смуга частот визначається залежністю перехідної характеристики від частоти. При цьому граничні частоти смуги f1 і f2 знаходять за заданим відхиленням перехідної характеристики від 3 dВ. Наприклад, якщо припустиме відхилення складає 0,5 dВ, то частоти F1 і F2 знаходять з умови:

 

. (4.6)

 

Звідси виходить, що ширину робочої смуги частот визначають частотного залежністю коефіцієнта S41 даного моста.

 

4.2. Щілинний хвилеводний міст

 

Конструктивно міст виконують з двох відрізків хвилеводу, розрахованих на поширення хвилі Н10 і з'єднаних по вузькій стінці, в якій прорізається щілина (рис. 4.2).

Нехай до плечей 2, 3, 4 підключено узгоджені навантаження

Вважаємо, що в плечі 1 збуджена хвиля Н10 з амплітудою 2U, а в плече 2 енергія не надходить. Роботу моста можна про аналізувати, вважаючи, що в

Рис. 4.2. Конструкція щілинного моста

 

плечі 1 існують дві синфазні Е'1, Е"1, а в плечі 2 – дві протифазні E'і, Е"іі хвилі Н10 з амплітудою U (рис. 4.3).

Пара протифазних хвиль E"i, E"ii каналів 1 і 2 складає одну хвилю Н20, яка має вузол електричного поля на середній лінії щілини (х = а) і поширюється в широкому хвилеводі (0 < Z < ℓ).

 

 

Рис. 4.3. Розподіл хвиль у каналах щілинного моста

Синфазні хвилі E'1, Е'11 можуть збуджувати лише хвилі типу Н10, Н30, Н50 з пучністю електричного поля в площині X = а.

Для нормальної роботи моста в хвилеводі подвоєної ширини 2а мусять збуджуватись лише хвилі Н10 і Н20, а вищі типи хвиль, починаючи з Н30, не повинні в ньому поширюватись. І вимога задовольняються в діапазоні хвиль, визначеному з умови:

 

. (4.7)

 

При виконанні даної умови та узгодженні у вихідних плечах енергія синфазних хвиль E'1, Е"11 трансформується в енергію хвилі Н10, а енергія протифазних хвиль E'1, E'11 – в енергію хвилі Н20.

Поширюючись у широкому хвилеводі (0 ≤ Ζ ≤ ℓ), хвиля Н10 одержує фазовий набіг:

 

, (4.8)

 

а хвиля Н20 – набіг:

 

, (4.9)

 

де β1 , βг – коефіцієнти фази;

λ, λz – довжини хвиль Н10 і Н20 в хвилеводі з широкою стінкою, що дорівнює 2a, знаходяться за такими виразами:

 

, (4.10)

 

Хвиля Н10 збуджує в плечах 3 і 4 сикфазні поля Е'ш і Е'iv, які мають фазу φ1, а хвиля Н20 – протифазні поля E"III E"IV з фазою φ2.

Визначають сумарні поля ЕIII і ЕIV у перерізі z = l у каналах 3 і 4, враховуючи фазування збуджених хвиль, показане на векторній діаграмі (рис. 4.4):

 

 

 

Рис. 4.4. Векторна діаграма щілинного моста

 

Після додавання одержимо:

 

, (4.11)

 

, (4.12)

 

де

 

Отже, у вихідних плечах моста збуджуються хвилі, зсунуті за фазою на 90°, причому хвиля в каналі 4 має відстаючу фазу.

Коефіцієнт поділу щілинного моста знаходять, враховуючи рівняння (4.4) і (4.11):

 

. (4.13)

 

Для того щобпотужність поділялася між каналами 3 і 4 порівну, необхідно, щоб кут Q = π/2. Звідси визначають довжину щілини:

 

, (4.14, а)

 

та коефіцієнт передачі з плеча 1 в плече 4:

 

. (4.14, б)

 

Тому перехідна характеристика моста, визначена за формулою (4.3), має вигляд:

 

. (4.15)

 

Оскільки фазові швидкості хвилі Н10 в області щілини 1 плечей моста різні, то в місцях переходу від вузького хвилеводу до широкого і навпаки виникають відбиті хвилі. Для їх усунення в області щілини розміщують узгоджувальні елементи.

Щілинний хвилеводний міст має просту конструкцію і добрі електричні параметри в широкому діапазоні частот.

 

4.3. Подвійний хвилеводний трійник

 

У техніці НВЧ широко застосовується подвійний хвилевода трійник, або Т-міст (рис. 4.5). Міст утворюється суміщення в єдиний симетричний простір Η- і Ε-трійників. У Т-мості Е-трійник утворений плечима IІ, ІІІ, IV а Н-трійник – плечима І, ІІІ, IV.

Розглянемо роботу трійників за умови, що всі плечі узгоджені і розраховані на пропускання лише основної хвилі.

Розріз Ε-трійника показано на рис. 4.6. Він являє собою розгалуження в площині Ε основного хвилеводу ІІІ, VI.

Трійник конструктивно симетричний відносно площини Ε. Тому при подачі потужності в Е-плече розподіл магнітного поля в плечах ІІІ, IV однаковий, а електричного – однаковий за амплітудою і протилежний за фазою. Отже, в бокових плечах трійника збуджуються хвилі, в яких амплітуди векторів Е і Η однакові магнітні поля синфазні, а електричні – протифазні. Тому в узгод женому трійнику потужність, подана в плече Ε, в бокових плечах ІІІ і ІV ділиться навпіл.

 

 

Рис. 4.5. Конструкція подвійного хвилеводного трійника

 

Н-трійник являє собою розгалуження в Н-плошині основного хвилеводу ІІІ, ΙV. Оскільки трійник симетричний відносно площини Q, то при збудженні Η-плеча в площинах зв’язку 1-1 і 2-2 розподіл електричного поля однаковий за амплітудою і фазою, а магнітного – однаковий за амплітудою, але протифазний.

Тому в бокових плечах збуджуються однакові хвилі з синфазними електричними і протифазними магнітними полями.

Якщо в трійнику відсутні втрати, то потужність, подана в Н-плече, поділяється в бокових плечах навпіл. Для взаємного Η-трійника – навпаки: при подачі в плечі ІІІ і IV однакових хвиль з синфазними електричними полями вся потужність підсумовується в Н-плечі.

Розглянемо роботу Т-моста. Його основною властивістю є взаємна розв'язка між плечима І, II, Ш, IV.

 

 

Рис. 4.6. Спрощена конструкція Е-трійника

 

За аналогічним принципом працює й узгоджений Н-трійник

 

 

Рис. 4.7. Спрощена конструкція Н-трійника

Розв'язка між плечима І і II пояснюється так. При збудженні в плечі i хвилі Н10 вектор E буде паралельним поздовжній осі плеча II. При такій орієнтації в Е-плечі можуть збуджуватись хвилі Е або Η вищих типів, які в плечі i не можуть поширюватись, тому що воно розраховано на пропускання хвилі H10

При збудженні хвилі Н10 в плечі II вектор Ε паралельний широким стінкам хвилеводу плеча 1, і тому збудження хвилі Н10 у цьому плечі неможливе. Плечі ІІІ і IV також розв'язані за умови ввімкнення узгоджених навантажень в Е- і Η-плечах моста. Cправедливість даного твердження можна пояснити таким чином. Припустимо, що живиться плече ІІІ, а в плечі IV потужність відсутня. Нехай в плечі ІІІ амплітуда електричного поля дорівнює 2А. Тоді можна вважати, що в плечі ІІІ існують дві синфазні хвилі з амплітудами А, а відсутність потужності в плечі IV еквівалентна наявності в ньому двох однакових за амплітудою і протилежних зa фазою хвиль, тобто хвиль з амплітудами ±А. Відповідно до викладеного вище napа хвиль з однаковими фазами з плечей ІІІ і IV надходить в Η-плече, а пара хвиль з протилежними фазами – в Е-плече.

Таким чином, подвійний трійник працює як міст: при подачі потужності в Н(Е)-плече потужність надходить у бокові плечі і не проходить в Е(Н) – плече.

Для забезпечення нормальної роботи Τ-моста необхідно його узгоджувати. З цією метою в Н- і Е-плечі вводять різноманітні узгоджувальні елементи – штирі, діафрагми і т.ін. Такий узгоджений міст часто застосовується в різних пристроях НВЧ. Його характеристики при повній конструктивній симетрії зберігаються в широкому діапазоні частот, точніше – у смузі узгодження Н- і Ε-плечей.

 

4.4. Опис вимірювальної установка

 

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 4.8.

На виході генератора, який працює в діапазоні частот 8,9...12,8 ГГц, включені атенюатор, вимірювальна лінія з підсилювачем та iндикатором, хвилвводний перехід, відгалужувач направлений з детектором та індикатором і міст а детекторними секціями та індикаторами в двох плечах. Відгалужувач направлений і міст об'єднані в єдиний вузол і підключаються по мірі їх дослідження до вихідного фланця переходу.

Вимірювання характеристик моста зводиться до вимірювання рівня сигналу, пропорційного потужності, індикаторами плечей 3 і 4 щілинного моста і подвійного хвилеводного трійника. Рівень сигналу в плечі 1 контролюється однотапним індикатором з детекторною секцією, встановленою в одному із плечей відгалужувача направленого.

 

 

4.5. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

 

1. Розрахуйте довжину щілини l щілинного моста, яка б забезпечила поділ потужності навпіл на частоті f0.

2. Побудуйте перехідну характеристику моста з довжиною щілини, розрахованою в п.1, в діапазоні частот f0(1 ± 0,3). При розрахунках слід враховувати, що хвилевід мас переріз 23х10 мм.

Частоту f0 видирають з табл. 4.1 (номер варіанта збігається з порядковим номером прізвища студента в журналі).

Τаблиця 4.1

№ п/п
f, ГГц 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10,1 10,2

 

№ п/п
f, ГГц 10,3 10,4 10,5 10,6 10,7 10,8 10,9 11,0 11,1 11,5 12,0 12,5

 

3. У робочому діапазоні частот ганератора виміряйте амплітудно-частотні та перехідні характеристики на виходах 3,4 шілинного моста і подвійного хвилеводного трійника.

4. За одержаними експериментальними результатами розрахуйте коефіцієнт поділу потужності робочого діапазону щілинного моста.

5. Виконайте вимірювання КСХ у трьох точках.

 

4.6. Порядок виконання роботи

 

1. Скласти схему відповідно рис. 4.8. Увімкнути генератор та вимірювальний підсилювач для 15-хвилянного розігріву.

2. Підтримуючи рівень сигналу на вході моста постійним, виконати необхідні вимірювання сигналів, пропорційних потужності в плечах 3 і 4.

3. Настроюючи вимірювальну лінію на відповідну частоту діапазону, виміряти КСХ у робочому діапазоні моста.

 

4.7. Контрольні запитання

 

1. Що Ви називаєте мостом НВЧ?

2. Який фізичний сенс мають елементи матриці розсіювання?

3. Якими параметрами характеризуються мости?

4. Поясніть принцип дії щілинного моста.

 

 

5. Які типи хвиль поширюються у ділянці щілини щілинного моста?

6. Яким чином визначається довжина щілини у щілинного моста?

7. Нарисуйте і поясніть частотну характеристику щілини моста.

8. Накресліть векторні діаграми полів у вихідних плечі узгодженого моста.

9. Чому у щілинному мості треба вмикати узгоджуючі елементи?

10. В якому з вихідних плечей щілинного моста хвиля запізнюється і чому?

11. Нарисуйте графік зміни коефіцієнта поділу узгодженого щілинного моста від частоти.

12. Як розподілиться потужність у щілинному мості, якщо його вихідних плечах на однаковій відстані від щілини поставлені короткозамикачі?

13. Пояснити принцип дії Т-моста.

14. Як працюють Е- і Н-трійники?

15. Який взаємний зсув фаз між полями у вихідних плечах моста при живленні з боку Ε-плеча? з боку Н-плеча?

16. Як розподілиться потужність в узгодженому Т-мості якщо генератор вмикається в Η-плече? Е-плече? в одне з бокових плечей?

17. Куди надійде потужність двох синфазних або двох протифазних хвиль однакової амплітуди А, поданих в бокові плечі узгодженого Τ-моста?

18. Як увімкнути пару генераторів однакової потужності якою мав бути фаза збуджених ними полів, щоб потужність склалась в бокових плечах 4 і 3 Т-моста?

19. У Т-міст, який живиться з боку Η-плеча, в бокові плечі ввімкнено короткозамикачі, які віддалені від площини симетрії на відстань ℓ2 i ℓ3. Куди надійде потужність, якщо:

 

i ( λX – довжина хвилi H10)?

 

4.8. Список використаної та рекомендованої літератури

 

Вольман В.И., Пименов Ю.В, Техничеекая. электродинамика. Μ., 1971.

Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по елементам волноводной техники. Μ., 1967.

Конструкция СВЧ устройств и экранов / Под ред. A.M. Чернушенко. М., 1990.

Надточиев А.И. Исследование мостових схем СВЧ, М., 1978.

 

 

Лабораторна робота № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ ХВИЛЕВОДНИХ ФАЗООБЕРТАЧІВ НВЧ

 

Мета роботи – вивчення принципу дії, конструкцій та характеристик хвилеводних фазообертачів, а також засвоєння методики вимірювання фазового зсуву.

 

5.1. Загальні відомості

 

Фазообертачем називають пристрій, призначений для зміни фази хвилі, яка проходить через нього. Використовуються фазообертачі для узгодження навантажень і хвилеводних трактів, а також при формуванні сигналів у різних пристроях вимірювальної техніки та приймально-передавальних пристроях.

Відомо, що величину різниці фаз на виході та вході фазообертача можна описати виразом:

 

, (5.1)

 

де ℓ відстань – між входом і виходом;

λх – довжина хвилі в хвилеводі.

 

З формули (5.1) випливає, що для зміна фази достатньо змінити параметр ℓ або λх, і тому фазообертачі бувають двох типів: перші основані на зміні геометричної довжини лінії, другі – на зміні довжини хвилі в хвилеводі.

За характером внесеного фазового зсуву фазообертачі поділяються на фіксовані та регульовані (дискретні та плавні). За конструктивним оформленням розрізняють фазообертачі для прямокутних, круглих і коаксіальних хвилеводів, а також для смужкових і мікросмужкових ліній.

Основними характеристиками фазоповертачів є величина внесеного фазового зсуву, границі зміни фази, рівень припустимої потужності, точність калібрування фази.

На практиці більше поширені хвилеводні діелектричні фазообертачі, оскільки вони малогабаритні і мають просту конструкцію.

В основі роботи діелектричного фазообертача лежить принцип зміни фазової швидкості хвилі при проходженні її через діелектрик, в якому:

 

, (5.2)

 

де С – швидкість світла у вільному просторі;

ε, μ – відповідно діелектрична та магнітна проникності хвилеводу з діелектричним заповненням;

λо – довжина хвилі у вільному простори;

λκρ – критична довжина хвилі в хвилеводі (для хвилі Н10 λκρ= 2а, де а – розмір широкої стінки хвилеводу).

 

Враховуючи, що довжина хвилі в хвилеводі з діелектриком дорівнює:

 

, (5.3)

 

вираз різниці фаз на вході та виході фазообертача матиме вигляд:

 

. (5.4)

 

Отже, величина різниці фаз пов'язана з параметрами діелектрика та його розмірами в хвилеводі. Найбільший фазовий зсув можна одержати, помістивши діелектричну пластину в хвилеводі відстань а/2 від вузької стінки хвилеводу (рис. 5.1), де aмплітуда поля максимальна для хвилі типу Н10.

Фазова швидкість хвилі в цьому випадку має бути найменшою. Отже, пересуваючи діелектричну пластину всередині хвилеводу, на змінювати довжину хвилі в ньому і регулювати електричну довжину лінії (відношення геометричної довжини хвилеводу до довжини хвилі λχ). Очевидно, що електрична довжина розглянутого фазообертача не залежить від напрямку руху енергії по хвилеводу. Такий фазоповертач πίдпорядковується принципу взаємності.

 

 

Рис. 5.1. Діелектричний фазообертач

 

 

Рис. 5.2. Фазообертач відбивного типу

 

На рис. 5.2 зображено відбивний фазообертач, принцип дії якого базується на зміні довжини шляху, який проходить сигнал зі входу на вихід, при постійній довжині хвилі в лінії. Фазовий зсув у такому фазообертачі пропорційний величині зміни довжини шляху Δℓ, який проходить сигнал зі входу на вихід.

На рис. 5.3 зображено Фазообертач, який називається "стискна лінія".·Конструктивно він являє собою відрізок прямокутного хвилеводу, в середині кожної з широких стінок якого прорізано одна над одною поздовжні щілини. До вузьких стінок хвилеводу за допомогою спеціального пристрою прикладають механічне зусилля F, яке деформує хвилевід і звужує широку стінку хвилеводу а.

З виразу (5.4) випливає, що при зміні λκρ = 2а змінюється рівниця фаз сигналу на вході та виході "стискної лінії".

Методика вимірювання зсуву фази хвилі грунтується на вимірвванні просторових зміщень вузлів і пучностей потужності електричного поля, наприклад, при пересуванні діелектричної пластиии фазообертача. Вимірювання просторового зміщення вузлів aбо пучностей при цьому виконують за допомогою вимірювальної лінії а фазовий зсув обчислюють за формулою:

 

. (5.5)

 

 

Рис. 5.3. Фазообертач типу "стискна лінія"

 

Один із недоліків діелектричного фазообертача є залежність послаблення від фазового зсуву Δφ сигналу, яке визначається за виразом:

 

, (5.6)

 

де h – висота діелектричної пластини;

Rs – поверхневий опір матеріалу діелектричної пластини;

Zx – хвильовий опір лінії передачі;

а' – відстань від стінка хвилеводу до длаcтини;

 

 

Із співвідношення (5.6) випливає, що величина послаблення сигналу залежить від матеріалу пластини, частоти сигналу та від положення пластини всередині хвилеводу. Максимального значення ос досягне при а' = а/2, тобто коли пластина знаходитиметься посередині широкої стінки хвилеводу.

На практиці використовуються фазообертачі на базі Т-моста з рухомими поршнями. Керування зсувом фази при проходженні сигналу через плечі 5 і 4 здійснюється рухомими поршнями в плечах 1 і 2 (Ε і Η) за умови, що початкове положення поршнів повинно відрізнятись на λχ/4. Для виключення впливу Τ-моста в колі вимірювання необхідно поршень у плечі Η поставити в положення 0, а в плечі Е- у положення λх/4.

 

5.2. Опис вимірювальної установки

 

Коливання НВЧ генератора трисантиметрового діапазону хвиль (хвилевід 23 х 10) (рис. 5.4) подаються через феритовий вентиль на вхід хвилеводного трійника Η-типу. До вихідних плечей трійника підключений кільцевий хвилеводний тракт, який складається з відрізків хвилеводу, поворотів у площині Η, двох атенюаторів, вимірювальної лінії та досліджуваних фазообертачів.

 

5.3. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

 

1. Зніміть залежність внесеного фазового зсуву від положення діелектричної пластини в хвилеводі на частоті 11 ГГц. Пластина пересувається від вузької стінки до а/2 широкої стінки хвилеводу (переріз 23x10).

2. Зніміть залежність послаблення, яке вноситься діелектричним фазообертачем, від положення діелектричної пластини в хвилеводі на частоті 11 ГГц.

3. Одержіть залежність фазового зсуву з хвилеводі від положення рухомих короткозамкнутих поршнів, підключених до Н- і Е-плечей Т-моста при їх одночасному пересуванні на частоті 12 ГГц. Пересування поршнів здійснювати одночасно від 0 до 20 мм з кроком 1 мм.

 

5.4. Порядок виконання роботи

 

1. Принцип дії діелектричного хвилеводного фазообертача НВЧ базується на зміні фазової швидкості хвилі при введенні в хвилевід діелектрика, який має діелектричну проникність більше одиниці. У зв'язку з тим, що при збудженні кільцевого тракту НВЧ двома зустрічними біжучими хвилями, які існують на виході Н-трійника , встановлюється режим стоячих хвиль, мірою фазового зсуву при введенні діелектрика в хвилевід може служити зміщення вузла напруженості поля ΔХ. Зміщення вузла напруженості поля визначається за допомогою відлікового пристрою вимірювальної лінії.

Фазовий зсув обчислюється за формулою:

 

,

 

де Х1 і Х2 – координати вузлів при Δφ1 = 0 (діелектрик не введено у хвилевід) і Δφ2 ≠ 0 (діелектрик введено на задану відстань);

λχ – довжина хвилі в хвилеводі.

 

2. Загасання, яке вноситься діелектриком, введеним у хвилевід, вимірюється одночасно з вимірюванням фазового зсуву за амплітудою сигналу, яка фіксується вимірювальним підсилювачем. Загасання обчислюється за виразом:

 

,

 

де Un – поточне значення сигналу в пучності;

U1 – перше значення сигналу в пучності при розміщенні діелектричної пластини в нульовому положенні покажчика.

 

3. Якщо плечі Е і Η Т-моста, ввімкнуто в кільцевий НВЧ тракт (або мін генератором і навантаженням), короткозамкнуті, наприклад, рухомими поршнями, то пристрій можна розглядати як чотириполюсник, властивості якого залежать від положення короткозамикачів. Пересуваючи короткозамикачі одночасно, можна змінювати фазовий зсув у тракті. Початкові положення поршнів повинні відрізнятись на λχ/4.

 

5.5. Контрольні запитання

 

1. Яке призначення фазообертача?

2. Основні області застосування фазообертачів.

3. Які конструкції фазообертачів Ви знаєте? На яких лініях передачі вони застосовуються?

4. Пояснити методику вимірювання фазового зсуву в даній лабораторній роботі.

5. Які похибки вимірювання кута зсуву фаз має методика, що пропонується в лабораторній роботі?

6. Пояснити принцип дії фазообертача на подвійному хвиле водному трійнику.

7. Пояснити принцип дії і властивості діелектричного фазообертача.

 

 

 

5.6. Список використаної та рекомендованої літератури

 

Виноградов В.Е. Конструкции и техника СВЧ: Учеб. пособие по лаб. практикуму. Харьков, 1977.

Заикин И.П., Зеленский Α.А., Тоцкий А.В., Удачин В.Г. Κонструкции и твхника СВЧ. Харьков, 1986.

Конструкции СВЧ устройств и экранов / Под ред. A.M. Чернушенко. Μ., 1990.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1

 

Лабораторна робота № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРИТОВОГО ХВИЛЕВОДНОГО ВЕНТИЛЯ

 

Мета роботи – вивчення принципу дії, конструкції та основних характеристик резонансного феритового вентиля, виготовлені го на основі прямокутного хвилеводу сантиметрового діапазону хвиль.

 

6.1. Загальні відомості

 

У техніці НВЧ вентилем називають пристрій (чотириполюсник) вносиме загасання якого залежить від напрямку поширення хвилі ідеальний вентиль – це лінійний невзаємний чотириполюсник, який пропускає НВЧ енергію в одному напрямку і не пропускає ЕМ хвилю, що рухається в зворотному напрямку (відбиту від навантаження). Резонансні вентилі мають порівняно вузьку робочу смугу частої (15...20%) при загасанні 15...30 дБ і прямих втратах 0,5...1,5 дБ при КСХ = 1,1...1,3. Розширення робочої смуги до 30...50% досягається введенням у конструкцію пристрою разом з феритами діелектричних вкладишів.

 

6.2. Властивості феритів.

Резонансний феритовий вентиль

Феритами називають хімічні сполуки оксиду заліза з оксидами інших, так званих характеризуючих металів. Хімічний склад фериту визначається за формулою:  

Лабораторна робота №7

ДОСЛІДЖЕННЯ ХВИЛЕВОДНИХ СМУГОВИХ ФІЛЬТРІВ

Мета роботи – вивчення властивостей, конструкцій і xapaктеристик смугових фільтрів у сантиметровому діапазоні хвиль.   7.1. Загальні відомості

Рис. 7.3. Смугові хвилеводні фільтри

 

При реалізації такої схеми в діапазоні НВЧ основним елементом смугового фільтра є прохідний резонатор (резонатор з діафрагмами на вході та виході), еквівалентний паралельному контуру, і ввімкненому в лінію паралельно.

Як послідовний контур, ввімкнений в лінію послідовно, використовуеться паралельний контур (див. рис. 7.4, д), до входу і виходу якого під'єднані чвертьхвильові відрізки лінії передачі або відрізки, що дорівнюють непарному числу чвертей хвилі на центральній частоті смуги

 

Рис. 7.4. Можливі варіанти інвертуючих властивостей чвертьхвильових відрізків лінії передачі

 

пропускання фільтра. Аналіз показує, що коефіцієнти передачі обох схем, зображених на рис. 7.4, д, мають однакову частотну залежність. У зв'язку з цим еквівалентну схему смугового фільтра (див. рис. 7.5) можна подати у вигляді, зображеному на рис. 7.6.

Принцип роботи смугового фільтра розглянемо на прикладі відрізка хвилеводу, обмеженого двома, наприклад індуктивними, діафрагмами.

Якщо в деякому перерізі 1 узгодженого хвилеводного тракту встановити індуктивну діафрагму з провідністю В11, то сумарна зведена провідність Υ1' у цьому перерізі така:

 

. (7.5)

 

 

 

Рис 7.5. Схема східчастого фільтра

 

 

Рис. 7.6. Еквівалентна схема смугового фільтра з чвертьхвильовими відрізками хвилеводів

 

Діафрагма створить відбиту хвилю, що рухатиметься в бік генератора, тобто в хвилеводному тракті встановиться режим змішаних хвиль. Знаючи трансформуючі властивості відрізків довгих ліній, можна стверджувати, що існує деякий переріз 2, розміщений на відстані ℓк від перерізу 1, в якому реактивна складова провідності дорівнює за величиною і протилежна за знаком реактивній складовій провідності в перерізі 1, тобто:

 

. (7.6)

 

Якщо в перерізі 2 ввімкнути таку саму індуктивну діафрагму, як і в перерізі 1, то сумарна зведена провідність Υ'112 у перерізі 2 дорівнюватиме:

 

або . (7.7)

 

Отже, провідність у перерізі 2, тобто вхідна провідність фільтра, дорівнює хвильовій провідності, і тому в хвилеводному тракті від перерізу 2 у бік генератора встановиться режим біжучих хвиль. Однак це справедливо лише для резонансної частоти fp. При зміні частоти (наприклад зменшенні) вхідна провідність фільтра матиме комплексний характер з індуктивною складовою реактивної провідності. При збільшенні частоти реактивна складова вхідної провідності має ємнісний характер.

З розглянутого вище випливає, що резонансна камера, утворена двома індуктивними діафрагмами, в діапазоні частот поводиться як смуговий фільтр. Тому резонансна камера, подібно до резонансної діафрагми, еквівалентна паралельному контуру, ввідененому в лінію паралельно.

Навантажену добротність резонансної камери, утворену індуктивними діафрагмами, можна визначити за формулою:

 

. (7.8)

 

При великих провідностях ([B'L] > 10)

 

, a . (7.9)

 

Тоді рівняння (7.8) можна записати так:

 

. (7.10)

 

Як видно із співвідношення (7.10), для підвищення добротностi потрібно збільшувати провідність діафрагми, тобто зменшувати розмір вікон. Отже, смуга пропускання фільтра залежить від величини провідності (розміру вікон) діафрагм.

Від величини провідності діафрагми залежить також і довжина камери:

 

. (7.11)

 

де ℓ′к – зведена відстань між діафрагмами при резонансній чаcтоті.

 

Довжина камери, як правило, менша за λх/2, тобто:

 

. (7.12)

 

Із виразу для вхідної провідності фільтра при f = fp визначається

 

, (7.13)

 

і тоді:

 

. (7.14)

 

Робота фільтра не порушиться, якщо відстань між діафрагмами збільшити на ціле число півхвиль. При збільшенні довжини камери зменшуються спотворення частотної характеристики фільтра, викликані взаємодією полів хвиль вищих типів, що збуджуються діафрагмами. Збільшення довжини камери приводить і до підвищення добротності, тому що добротність об'ємних резонаторів пропорційна їх довжині.

Однокамерні смугові фільтри не дозволяють одержати достатньо вузьку (менше 10%) смугу пропускання. Це пов'язано з тим, що для звуження смуги пропускання (підвищення добротності) слід значно збільшити реактивність діафрагм. При цьому розмір вікон діафрагм зменшується, КСХ у камері зростає, а електрична міцність тракту погіршується.

Щоб одержати вузьку смугу пропускання і добру вибірність, застосовують багатокамерні фільтри.

Багатокамерні хвилеводні фільтри утворюються з двох, трьох і більшого числа резонансних камер, зв'язаних між собою. Залежно від способу зв’язку сусідніх камер розрізняють багатокамерні фільтри з безпосереднім та об'ємним зв'язками. У фільтрах з безпосереднім зв’язком камери зв’язані через спільну реактивність, величина якої визначає ступінь зв’язку. При об'ємному зв'зку камери зв'язуються відрізками хвилеводів. Ступінь зв’язку в цьому випадку зумовлюється довжиною цього відрізка.

Найчастіше застосовуються фільтри, що мають симетричну структуру, бо вони дозволяють одержати краще узгодження на резонансній частоті і зручніші в конотруктивному відношенні. У симетричних фільтрах перша і остання, друга і передостання камери і т.д. – однакові.

Багатокамерний хвилеводний фільтр має не одну, а декілька резонансних частот. Кількість резонансних частот дорівнює кількості камер. Тому частотна характеристика може мати декілька максимумів, що відповідають кількості резонансних частот. Розміщення максимумів залежить від ступеня зв'язку камер. Наприклад, для двокамерного фільтра при зв’язку, більшому за критичний, кількість максимумів дорівнює двом, при критичному зв'язку вони суміщуються і маємо максимально плоску частотну характеристику. Якщо зв'язок менший за критичний, то маємо один максимум, але за величиною він менший, ніж максимум, що відповідає критичному зв'язку. Таким чином, частотна характеристика двокамерного фільтра збігається з частотною характеристикою двох зв'язаних контурів.

На рис. 7.7 зображено двокамерний смуговий фільтр з безпосередніми зв'язками, утворений трьома індуктивними діафрагмами, і схему його заміщення.

Хвилеводний смуговий фільтр з об'ємним зв'язком (рис. 7.8) складається із самостійних, резонансних камер довжиною ℓк.

Кожна камера утворена двома ідентичними діафрагмами. Камери зв'язані між собою відрізками хвилеводів довжиною ℓ.

Таким чином, камери зв'язані не через спільні діафрагми, а через деякий об’ем, утворений відрізком хвилеводу ℓ. Практично відстань між камерами береться приблизно такою, що дорівняє (1/4) λx, або, в загальному випадку, – (2m + 1) λχ/4. Тому часто такі фільтри називаються фільтрами з чвертьхвильовими зв'язками. У радіолокаційній техніці часто використовуються фільтри, що складаються з двох резонансних діафрагм, ввімкнених на відстані λχ/4 одна від одної. Кожна резонансна діафрагма еквівалентна паралельному контуру.

Тому камера, утворена двома діафрагмами, еквівалентна Г-подібному півланцю смугового фільтра (паралельний контур, ввімкнений паралельно в лінію, і послідовний – послідовно). Часто такі камери виконують дві функції – фільтра і високочастотного розрядника. Для цього камеру герметизують і заповнюють розрідженим інертним газом (наприклад аргоном). При передачі по хвилеводу великої потужності відбувається іонізація газу (високочастотний розряд), що рівноцінно короткому замиканню. У цьому випадку енергія через фільтр не проходить.

Багатокамерні смугові фільтри з об'емними зв'язками простіші у виробництві, тому що окремі камери можуть настроюватись незалежно одна від одної.

Недоліком таких фільтрів є те, що їх габарити на 25...40% більші за габарити відповідних фільтрів з безпосереднім зв'язком. Для зменшення габаритів доцільно використовувати резонансні діафрагми. Однак, як вже зазначалось, вони мають малу добротвість і не можуть застосовуватись у вузькосмугових фільтрах.

 

7.3. Порядок розрахунку смугового фільтра

 

Смуговий фільтр у діапазоні НВЧ можна створити шляхом певного ввімкнення декількох прохідних об'ємних резонаторів у лінію передачі. Коефіцієнт передачі Τ і величина внесеного фільтром загасання Вф, зв'язані співвідношенням Вф = 10lg 1/[Т]2, залежать від кількості резонаторів та їх навантажених добротностей. Під час розрахунку смугового фільтра кількість резонаторів та їх навантажені добротності визначаються з умови, щоб загасання, яке вноситься фільтром (fn < f < f+n), не перевищувало заданої величини (Bф < Bфmax), а в смузі загородження (f > f+3 і f < f-3) було б не меншим за задану величину (Вф > Вфmin). Виконати ці умови можна різними способами, вибираючи вид характеристики фільтра. Найпоширеніші два види смугових фільтрів: фільтри з максимально плоскою характеристикою (рис.7.9, а) і фільтри з чебишевською характеристикою (рис.7.9, б). Необхідно відмітити, що фільтр з чебишевською характеристикою містить менше резонаторів, ніж фільтри з максимально плоскою характеристикою, при одних і тих самих електричних параметрах До недоліків фільтрів з чебишевською характеристикою слід віднести порушення лінійності фазової характеристики фільтра в смузі пропускання.

Величина загасання, що вноситься фільтром з максимально плоскою характеристикою, описується виразами:

 

, (7.15)

 

(7.16)

 

. (7.17)

 

 

 

Рис. 7.7. Двокамерний смуговий фільтр з безпосередніми зв'язками і схема його заміщення

 

 

Рис. 7.8. Хвилеводний смуговий фільтр з об'ємним зв'язком і схема його заміщення

 

Число резонаторів n для такого фільтра:

 

, (7.18)

 

де ;

Вфmin, Вфmax – загасання, виражені в децибелах.

 

Навантажені добротності резонаторів для фільтра з максимально плоскою характеристикою визначаються за формулою:

 

, (7.19)

 

де m – порядковий номер резонатора (m = 1,2,З,.... n).

 

 

Рис. 7.9. максимально плоска і чебишевська характеристики смугових фільтрів

 

Величина загасання, що вноситься фільтром з чебишевською характеристикою:

 

, (7.20)

 

де h, η, η, визначаються з рівнянь (7.16), (7.17);

Тn – поліном Чебишева порядку n.

Необхідна кількість резонаторів для чебишевського фільтра:

 

(7.21)

 

Навантажені добротності резонаторів з чебишввською характеристикою можна знайти за формулою:

 

; m = 1, 2, 3,..., n, (7.22)

 

де

 

 

 

При розрахунках фільтра можна виділити кілька основних моментів:

1. Вихідними даними для розрахунку є величини f0, fn, f3, Bфmax, Bфmin;

2. Виходячи з додаткових вимог щодо фазової характеристики або габаритів фільтрів, задаємось формою амплітудно-частотної характеристики i визначаємо потрібну кількість резонаторів.

3. За формулами (7.19) і (7.22) розраховуємо необхідні добротності всіх контурів еквівалентної схеми (див.рис. 7.6).

4. Оскільки на НВЧ еквівалентна схема реалізується за допомогою прохідних резонаторів, ввімкнених через відрізки лінії передачі (2к + 1) λχ/4, то з урахуванням вибіркових властивостей чвертьхвильових з'єднуючих відрізків знайдену в попередньої пункті добротність можна подати як:

, (7.23)

 

де Q'm – початкова навантажена добротність резонатора m;

Q' – приріст навантаженої добротності, який визначається вибірковими властивостями чвертьхвильових відрізків

 

. (7.24)

 

Для визначення Q' першого і останнього резонаторів фільтра можна скористатись формулою:

 

. (7.25)

 

Для будь-якого іншого резонатора, крім першого і останнього:

 

. (7.26)

 

Еквівалентна провідність діафрагм

 

, (7.27)

 

де r – радіус iндуктивного стержня;

q – кількість стержнів у діафрагмі;

α – розмір широкої стінки хвилеводу.

 

Знаючи провідність діафрагм, легко визначити відстань між діафрагмами

 

, (7.28)

 

де p = 1,2,З, ... .

 

Відстань між двома сусідніми резонаторами розраховують так:

 

, (7.29)

 

де ℓ′m(m+1) – відстань між m і (m + 1) резонаторами;

m і ℓ m+1 – відстань між діафрагмами m і ( m + 1) резонаторів.

 

Для даного розрахунку рекомендується вибирати:

 

, p = 1

 

7.4. Завдання на експериментальну та розрахункову частини

 

1. За заданими геометричними розмірами індуктивних стержньових діафрагм і резонансною частотою f0 розрахуйте основні параметри смугового фільтра (рис. 7.10) (дані беруться з табл.7.1,причому номер варіанта завдання збігається з порядковим номером студента в груповому журналі), f3 = (f0+ + 800) МГц, fn = (f0 + 180) МГц.

Резонатори фільтра виконані на прямокутному хвилеводі з розмірами а = = 23 мм, в = 10 мм.

2. Зніміть залежність КСХ = F(f) для двох багатоланкових фільтрів на об’емних резонаторах.

3. Зніміть залежність КСХ = F(t) для смугового фільтра з діафрагмами на iндуктивних стержнях (за вказівкою викладача).

4. За одержаними результатами побудуйте резонансні криві КСХ = F(f) і |T|2 = F(f)i визначіть навантажену добротність.

Примітка. Резонансна характеристика фільтра може бути побудована експериментально – шляхом вимірювання потужності, що надходить через резонатор фільтра в навантаження при різних частотах. Однак у випадку малих втрат у резонаторі про його резонансні властивості можна судити і за залежністю відбитої потужності від частоти. Це можливо у зв'язку з тим, що для реактивного чотириполюсника без втрат справедливе співвідношення |Т|2 = 1 – |Г|2, де Τ – коефіцієнт передачі резонатора; |Г| – коефіцієнт відбиття від його входу. Коефіцієнт відбиття зв'язаний з КСХ залежністю

 

. (7.30)

 

Таблиця 7.1

Параметри основного фільтра

   

Лабораторна робота № 8

ДОСЛІДЖЕННЯ OБ'ЄМНИХ РЕЗОНАТОРІВ НВЧ

Мета роботи – вивчення резонансних властивостей i характеристик об'ємних резонаторів у сантиметровому діапазоні хвиль.   8.1. Загальні відомості

Лабораторна робота №9

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРАВЛЕНОГО ВІДГАЛУЖУВАЧА

Мета роботи – вивчення побудови направленого відгалужувача і його основних характеристик.   9.1. Загальні відомості

А. Дослідження багатодіркового відгалужувача

1. Зібрати схему за рис. 9.6. До плеча 4 направленого відгалужувача підключити узгоджене навантаження, до плеча 2 приєднати хвилеводно-коаксіальний… 2. Ввімкнути генератор і підсилювач у мережу для десятихвилинного прогріву. … 3. Настроїти генератор на частоту 9 ГГц.

ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЛЬТРІВ НИЖНІХ ЧАСТОТ НА СМУЖКОВИХ ЛІНІЯХ

Мета роботи – вивчення основних властивостей несиметричної смужкової лінії, а також фільтрів нижніх частот, що застосовуються в НВЧ діапазоні.   10.1. Загальні відомості

Вихідні дані для розрахунку ФНЧ

  3. За формулами (10,18) aбo (10.23) розраховують нормовані значення реактивних… 4. За виразами (10.19), (10.20) визначають величини індуктивностей і ємностей реактивних елементів еквівалентної…

Результати експерименту

  4. Повторити п.З для всього заданого діапазону частот. 5. Використовуючи експериментальні результати, за формулами (10.27), (10.28), (10.15) обчислити і занести в табл. 10.2…

Результати вимірювань

  Для розрахунку σ0 необхідно користуватись такими формулами:  

Результати вимірювань

З. За різницею обчислюють кут:   . (11.28)

Рис. 12.4. Хвилеводний тракт атенюатора

 

У вхідному статорі хвиля Н10 прямокутного хвилеводу трансформується у хвилю Н11 круглого хвилеводу з амплітудою Е0 і поляризовану нормально до пластини.

При проходженні ротора хвилю Η11 можна розкласти на дві складові: нормальну до пластини ротора з амплітудою E0cosθ і тангенціальну до пластини ротора з амплітудою Ео sinθ, де θ – кут між пластинами ротора і статора.

Тангенціальна складова електричного поля повністю поглинається пластиною, і до вихідного статора надходить хвиля H11 з амплітудою Ε0 cosθ, поляризована під кутом θ до пластини статора.

На вихід атенюатора проходить нормальна до пластини складова хвилі Н11 з амплітудою Ε0 cosθ, яка трансформується у вихідному статорі у хвилю Н10 прямокутного хвилеводу.

Коефіцієнт передачі по електричному полю:

 

, (12.2)

 

залежить тільки від кута θ.

Послаблення, яке вносить атенюатор, дБ:

 

. (12.3)

 

Хвилеводна частина атенюатора складається з двох плавних перехідників (статорів) і відрізка круглого хвилеводу (ротора). Статори виготовлено методом гальванопластичного нарощування та опресовано пластмасою, а ротор – з металу механічною обробкою.

Ротор обертається в радіально-упорних кулькопідшипниках і центрується посадочними поверхнями фланців статорів, які встановлюються в корпусі та фіксуються штифтами.

На роторі розміщено вінець черв'ячного колеса, з яким спряжено черв'ячний вал. Вісь черв'ячного вала виведено на лицьову панель приладу. На осі встановлено ручку керування.

Відліковий пристрій складається з прозорої шкали, жорстко зв'язаної з ротором, і проекційної оптичної системи. Шкала являє собою сектор з оптичного скла з нанесеними на ньому рисками. Шкала проградуйована безпосередньо в децибелах згідно з розрахунковою формулою, наведеною вище. Риска шкали, відмічена знаком "∞", відповідає повороту ротора на кут, що дорівнює 90°.

 

12.5. Оцінка випадкових похибок прямих рівноточних вимірювань

 

Як правило, результати багатократних спостережень при прямих вимірюваннях будь-якої фізичної величини одержуються одним оператором, в однакових умовах і за допомогою одного й того ж способу вимірювання. Такі вимірювання прийнято називати рівноточними.

За результат вимірювання приймається оцінка X, яка обчислюється за формулою:

 

, (12.4)

 

де χі – результати вимірювань;

n – число спостережень.

 

Випадкова похибка результату кожного спостереження характеризується значенням середньоквадратичного відхилення (СΚΒ)σх. Оскільки при практичних розрахунках є можливість визначити лише значення

 

, (12.5)

 

що називаються випадковими відхиленнями результатів окремих спостережень, то для розрахунку σх застосовують рівняння:

 

. (12.6)

 

Аналогічним чином випадкову похибку результату вимірювання можна охарактеризувати значенням СКВ х. Відомо, що:

 

. (12.7)

 

Переходячи до оцінки х і скориставшись формулою (12.6), знаходимо:

 

. (12.8)

 

Одержані точкові оцінки і х хоча й дозволяють оцінити результат вимірювання та його випадкову похибку, але не містять в собі ніяких відомостей про ймовірність даних оцінок. Тому від точкових оцінок треба перейти до так званих інтервальних оцінок, пов’язаних з визначенням довірчих меж випадкової похибки вимірювання, основаних на розподiлi Стьюдента. Довірчі межі – це верхня і нижня межі інтервалу, всередині якого з заданою довірчою ймовірністю P знаходяться похибка результату вимірювання.

Для визначення довірчих меж випадкової похибки результату вимірювання, які позначаються ξ, користуються коефіцієнтом Стьюдента t. Кількісний зв'язок між ξ і t записується у вигляді:

 

. (12.9)

 

При практичних розрахунках значення ξ слід обчислювати для Ρ = 0,95. Якщо вимірювання не можна повторити, то приймають Ρ = 0,99. Тому в табл. 12.1 наведено значення t(n) для вказаних значень Ρ.

 

Таблиця 12.1

Значення коефіцієнта t для розподілу Стьюдента, що задовольняють ймовірність Ρ (t, n)

 

№ п/п P = 0,8 P = 0,9 P = 0,95 P = 0,98 P = 0,99 P = 0,999
3,08 6,31 12,71 31,8 63,7 63,7
1,886 2,92 4,30 6,96 9,92 31,6
1,638 2,35 3,18 4,54 5,84 12,94
1,533 2,13 2,77 3,75 4,60 8,61
1,476 2,02 2,57 3,36 4,03 6,86
1,440 1,943 2,45 3,14 3,71 5,96
1,415 1,895 2,36 3,00 3,50 5,40
1,397 1,860 2,31 2,90 3,36 5,04
1,383 1,833 2,26 2,82 3,25 4,78
1,372 1,812 2,23 2,76 3,17 4,59
1,363 1,796 2,20 2,72 3,11 4,49
1,356 1,782 2,18 2,68 3,06 4,32
1,350 1,771 2,16 2,65 3,01 4,22
1,345 1,761 2,14 2,62 2,98 4,14
1,341 1,753 2,13 2,60 2,95 4,07
1,337 1,746 2,12 2,58 2,92 4,02
1,333 1,740 2,11 2,57 2,90 3,96
1,330 1,734 2,10 2,55 2,88 3,92
1,328 1,729 2,09 2,54 2,86 3,88

 

12.6. Опис вимірювальної установки

 

Схему вимірювальної установки зображено на рис. 12.5. Джерелом НВЧ потужності є генератор ГЧ-90, який працює в діапазоні частот 16,65...25,80ГГц. На виході генератора послідовно підключено зразковий атенюатор ДЗ-35А, два атенюатори Д3-34, які перевіряються, детекторна секція і широкосмуговий підсилювач УЗ-29. Перевірка атенюаторів зводиться до підтримки на вході підсилювача постійного рівня потужності шляхом балансування послаблень, що вкосяться зразковим атенюатором, з одному з тих, який перевіряється.

Схема установки відповідає схемі методу послідовного заміщення на НВЧ, поданого на рис. 12.1.

 

12.7. Завдання до експериментальної та розрахункової частин

 

1. Проведіть перевірку досліджуваних атенюаторів на частотах 23 і 25 ГГц.

2. Розрахуйте абсолютні та відносні похибки проведених вимірювань для кожного одержаного значення.

3. Побудуйте графіки одержаних поправок на частотах 23 і 25 ГГц.

4. Визначіть значення похибки вимірювань на крайніх ділянках діапазону. Вимірювання проводити на початку і в кінці діапазону в кількості 10 – 15 значень.

5. Проведіть обробку результатів відповідно до методики, викладеної в підрозд. 12.5 даної лабораторної роботи.

 

12.8. Порядок виконання роботи

 

1. Включити генератор і вимірювальний підсилювач і дати їм прогрітися протягом 15 хв, попередньо встановивши на зразковому атенюаторі загасання 20...25 дБ. Після прогрівання генератора відрегулювати його згідно з додатком1 і на частоту 23 ГГц.

2. Після прогрівання підсилювач треба відкалібрувати. При калібруванні ручки повинні знаходитися в таких положеннях:

"УСИЛЕНИЕ" – у крайньому лівому положенні;

"РОД.РАБОТЫ" – "КАЛИБР";

"BX.УPOBEHЬ, mV" – "5...10".

Повертаюче ручку "УСИЛЕНИЕ", встановити стрілку мікроамперметра на позначку "50". При повороті ручки "УСИЛЕНИЕ" можливе неплавне переміщення стрілки мікроамперметра.

3. Після калібрування встановити ручку "РОД РАБОТЫ" в положення "ОГИБАЮЩАЯ", а ручку "ВХ.УРОВЕНЬ,mV" – у крайнє ліве положення "1,5...5", що відповідає мінімальному рівню вхідного сигналу.

4. Одержати на виході генератора максимальну потужність. Для цього ручкою "УСТАНОВКА МОЩНОСТИ" встановити по індикатору генератора 50 поділок.

5. Встановити таке загасання зразкового атенюатора, що дорівнює 18 дБ, а загасання атенюаторів, які перевіряються, – 0 дБ, Ручку фіксованих значень загасань атенюатора, вмонтовану в генератор, встановити в положення "+7дБ". За допомогою ручки плавного керування послабленням, вмонтованої в генератор, встановити стрілку мікроамперметра підсилювача на позначку "10".

6. Провести перевірку першого атенюатора. Для цього, послідовно зменшуючи послаблення, що вноситься зразковим атенюатором, на 1 дБ, компенсувати його послабленням атенюатора, який перевіряється, тобто підтримувати рівень сигналу на вході підсилювача постійним (для чого повернути стрілку мікроамперметра на позначку "10"). При цьому слідкувати за тим, щоб рівень потужності на виході генератора був постійним. Результати подати у вигляді таблиці. Аналогічні дії провести відносно другого атенюатора, що перевіряється, попередньо встановивши загасання першого атенюатора, який перевіряється, таким, що дорівнює 0. Результати записати у вигляді таблиці.

7. Встановити частоту генератора 25 ГГц і виконати дії, описані в п. 4 – – 6. Результати звести в таблицю.

8. Для визначення значення похибки вимірювань на початку діапазону вибрати точку з інтервалу 1...4 дБ і одержати 10 – 15 значень вибраної точки, розстроюючи атенюатор, який перевіряється біля даної точки у бік менших значень.

9. Для визначення значення похибки вимірювань в кінці діапазону вибрати точку з інтервалу 12... 19 дБ і одержати для неї таким же чином 10 – 15 значень. Результати подати у вигляді таблиці.

 

12.9. Контрольні запитання

 

1. Які основні характеристики атенюаторів?

2. Як класифікуються атенюатори?

3. Суть методу послідовного заміщення на НВЧ.

4. Суть методу паралельного заміщення на НВЧ.

5. Суть методу послідовного заміщення на проміжній частоті.

6. Конструкція поляризаційного атенюатора.

7. Принцип дії поляризаційного атенюатора.

8. Як оцінюються випадкові похибки пpи прямих рівноточних вимірюваннях?

 

12.10. Список використаної та рекомендованої літератури

 

Измерения в электронике: Справочник / Под ред. В.А. Кузнецова. М., 1987.

Эпштейн А.Г. Измерительная аппаратура СВЧ. Л., 1965.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ. В 2 т. М., 1970. Т.1.

 

Додаток 1

  1. Поставте перемикач "РЕЖИМ ГЕНЕРАТОРА" в положення… 2. Встановіть перемикачем піддіапазонів третій піддіапазон. За шкалою попереднього встановлення частоти визначте…

Додаток 2

ВИМІРЮВАЧ КСХН ПАНОРАМНИЙ Р2-61

Д.2.1. Вступ

 

Даний технічний опис та інструкція по експлуатації призначені для пояснення принципу дії вимірювача КСХН панорамного Р2-61 і встановлюють порядок користування цим приладом.

Умовні позначення та скорочення:

- генератор хиткої частоти – ГХЧ;

- електронно-променева трубка – ЕПТ;

- надвисокі частоти – НВЧ;

- запасне майно і належності вимірювача – ЗМВ;

- автоматичне регулювання потужності – АРП;

- послаблення за напругою – Аx;

- детектор направлений – ДB;

- коефіцієнт стоячої хвилі за напругою, в тексті – KCXH, у формулах – Ксто;

- вимірювач КСХН панорамний – вимірювач;

- індикатор КСХН і послаблення – індикатор.

 

Д.2.2. Призначення

 

Вимірювач КСХН панорамний Р2-61 призначений для вимірювання та відтворення на екрані ЕПТ частотних характеристик КСХН і послаблення елементів хвилеводних каналів.

Вимірювач може застосуватись у лабораторних і цехових умовах, а також у ремонтних майстернях і перевірними органами.

 

Д.2.3. Технічні дані

Діапазон робочих частот вимірювача – 8,24...12,05 ГГц, переріз хвилеводного тракту – 23 Х 10 мм. Границі вимірювання КСХН і послаблення відповідають табл. Д.2.1., а допустимі… Примітка. Нерівномірність рівня калібрування при вимірюваннях і визначенні похибки вимірювання КСХН і послаблення має…

Параметра панорамного вимірювача КСХН

  Основна похибка визначення частоти та граничних частот смуга хитання не… На екрані ЕПТ індикатора спостерігаються дві частотні мітки. Амплітуда частотних міток регулюється від 0 до 5 мм (не…

Д.2.5. Підготовка до роботи

 

ГХЧ, індикатор і НВЧ-вузли з'єднуються відповідно структурній схемі, зображеній на рис. Д.2.1. Для з'єднання виходів детекторів зі входами падаючого та відбитого сигналів в індикаторі виходу АРП індикатора зі входом АРП ГХЧ використовуються з'єднувальні двопліткові кабелі К-9 із комплекту приладу.

Початкове положення органів керування індикатора:

- тумблер"СЕТЬ" – нижнє (вимкнено);

- перемикач “ПРЕДЕЛЫ – ПАД".;

- ручки "КАЛИБР.", "ПАД."; "МЕТКА" – крайнє ліве;

- ручка "ОТСЧЕТ" – положення, яке відповідав значенню 2mV за шкалою mV індикатора;

- кнопка Μ – натиснута;

- кнопка"КОРРЕК.", "ЛОГ.", – 10 дБ – відтиснута;

- тумблер"СМЕЩЕНИЕ" – верхнє (+);

- регулятор "КОНТР.УРОВЕНЬ" – крайне ліве.

Примітка. В роз'єм "БЛ0К ЦИФР0В0Й" вставлено замикач із комплекту індикатора.

Вихідне положення органів керування генератора:

- тумблер "СЕТЬ" – нижнє (вимкнено);

- перемикач "АМ-ВНУТР".;

- перем|икач"ВР.ПЕРЕСТРОЙКА AS" – 0,08;

- перемикач "РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ" – F1 – F2;

- перемикач "BHEШH. – AM".;

- ручка F1, F0 – крайнє ліве;

- ручка F2, ΔF – крайнє праве;

- ручка М1, Μ2, "АМПЛИТУДА М1 і М2" – середнє;

- ручка "УРОВЕНЬ" – крайнє праве;

- перемикач відліковий – будь-яке;

- тумблер СВЧ – нижнє (вимкнено).

Положення інших органів керування – довільне.

 

 

Д.2.6. Порядок роботи

Д.2.6.1. Підготовка до проведення вимірювань

 

1. Переконайтеся, що блоки та вузли НВЧ з'єднані відповідно структурній схемі рис. Д.2.1. Увімкніть генератор та індикатор, дайте їм прогрітися протягом 15 хв.

2. Під'єднайте до роз'єму індикатора "ОТРАЖ" вольтметр зі вхідним опором не менше 1 МОм і обертанням ручки "СМЕЩЕНИЕ" встановіть показання вольтметра 0,7...0,9 В. З'єднайте вихід ДН відбитої хвилі з роз'ємом "ОΤΡΑЖ." індикатора.

3. Відрегулюйте поворотом осей потенціометрів 0.0. – ,"УСИЛЕНИЕ Х" яскравість фокусування, положення та довжину ліній розгорнення так, щоб лінії по горизонталі займали повністю робочу частину екрана, а по вертикалі нижня лінія розгорнення була на 5...10 мм вище за нижню границю робочої частини екрана ЕПТ.

4. Натисніть кнопку F1, F0 відлікового перемикача і ручкою F1, F0 встановіть на табло ГХЧ верхню частоту смуги хитання.

 

Д.2.6.2. Встановлення рівня потужності ГХЧ

1. Поставте тумблер СВЧ у верхнє положення (ввімкнено); 2. Встановіть ручкою "ОТСЧЕТ" візир за шкалою mV на 2 мВ; 3. Сумістіть ручками "УРОВЕНЬ ГКЧ" і "ПАД", в індикаторі лінії падаючої потужності, яка…

Д.2.6.5. Режим роботи вимірювача

 

Вимірювач може працювати в таких режимах вимірювання КСХН і послаблення:

а) панорамне вимірювання в смузі робочих частот від мінімальної до максимальної в режимі автоматичного перестроювання частот з періодами 0,8; 1; 10; 40 с (рекомендується при настроюванні та регулюванні НВЧ вузлів);

б) панорамне вимірювання у вузькій (мінімальній) смузі частот з періодами перестроювання 0,08; 1; 10; 40 с (рекомендується при настроюванні та регулюванні вузькосмугових НВЧ пристроїв);

в) вимірювання в режимі ручного хитання частоти у встановленій смузі частот (у даному випадку перестроювання частоти здійснюється ручкою РУЧ., а вимірювання аналогічне вимірюванню о панорамному режимі);

г) вимірювання в режимі ручного перестроювання частоти,у цьому випадку прилад калібрується на кожній з фіксованих частот, а параметри вимірюються з підвищеною точністю).

 

Д.2.6.6. Панорамне вимірювання КСХН i послаблення в смузі частот

Періоди перестроювання частоти 1, 10, 40 с і робота вимірювача з натиснутою кнопкою рекомендуються при вимірюванні малих КСХН і великих послаблень… Перед вимірюванням підготуйте до роботи та відкалібруйте прилад у потрібній… Для вимірювання КСХН виконайте такі операції:

Д.2.6.10. Додаткові можливості приладу

 

Крім зазначених режимів роботи прилад дозволяє також проводити оцінні вимірювання (похибка вимірювання не гарантується) та спостереження досліджуваних характеристик КСХН і послаблення в таких режимах:

а) оцінні вимірювання та спостереження в логарифмічному масштабі (рекомендується при дослідженні пристроїв НВЧ, характеристики яких змінюються у великих межах у діапазоні робочих частот);

б) розширення меж оцінних вимірювань послаблення на 10 дБ;

в) вимірювання послаблення неузгоджених чотириполюсників.

Крім цих режимів прилад може працювати з контрольним рівнем, а також записувати частотні характеристики на самопис.

 

Д.2.6.11. Вимірювання в логарифмічному режимі

Підготуйте вимірювач до роботи. Увімкніть об'єкт вимірювання у вимірювальний тракт згідно з відповідною… За допомогою електронного візира проведіть відлік послаблення за логарифмічною шкалою індикатора.

Д.2.6.13. Контрольний рівень

 

Якщо при настроюванні необхідно фіксувати верхню та нижню границі вимірювань величини одночасно, скористуйтесь лінією контрольного рівня як допоміжним візиром. Для цього візиром встановіть бажану величину КСХН або послаблення,а потім, обертаючи ручку "КОНТР.УРОВЕНЬ" (задня панель індикатора), сумістіть лінію контрольного рівня з лінією візира;

 

Д.2.6.14. Запис частотних характеристик на самописі

 

Для запису частотних характеристик КСХН і послаблення досліджуваних об'єктів, що спостерігаються на екрані ЕПТ, встановіть повільне перестроювання частоти ГХЧ (10, 40 с) і режим її ручного перестроювання.

Підготовку самописа до роботи слід проводити відповідно до інструкції по експлуатації самописа. При записуванні горизонтальне розгорнення самописа і перестроювання частоти ГХЧ вмикаються одночасно.

 

Д.2.6.15. Послаблення неузгоджених чотириполюсників

 

При вимірюванні послаблення неузгоджених чотириполюсників додаткову похибку вимірювання визначіть за графіком (рис. Д.2.4).

 

 

Рис.Д.2.4. Визначення додаткової похибки при вимірюванні послаблення неузгоджених чотириполюсників

Додаток 3

ГЕНЕРАТОР СИГНАЛІВ Г4-ІІІ/6

 

Д.3.1. Призначення

1. Генератори сигналів високочастотні Г4-ІІІ, Г4-Ш/а, Г4-ІІІ/6 призначені для випробування різноманітних радіоелектронних пристроїв. 2. Генератори можуть працювати як в лабораторних, так 1 в польових умовах. Робочі умови експлуатації:

Д.3.2. Технічні дані

1. Діапазон частот генераторів відповідає наведеному в табл. Д.3.1.   Таблиця Д.3.1 Тип приладу Дiапазон частот, ГГц Г4-III 6...17,85 …

Д.3.3. Підготовка до роботи

 

1.Органи керування приладів розміщено на передніх панелях. Їх призначення оговорено відповідними написами. Тумблер увімкнення мережі, лампочка "СЕТЬ ВКЛ." знаходяться в лівому верхньому куті панелі. В її лівому нижньому куті розташовано перемикач роду робіт і низькочастотне гніздо "ВНЕШ. МОДУЛ". Частота перестроюється ручкою, з'єднаною зі шкалою "ЧАСТОТА GHz". У правому верхньому куті панелі є індикатор вихідної потужності (стрілочний індикатор і ручка "ЧУВСТ."). Ручкою "ЧУВСТ." регулюеться чутливість індикатора рівня потужності. У правому нижньому куті генератора Г4-ІІІ розміщено три роз'єми "ВЫХОД", над кожним з яких є індикаторна лампочка. При перестроюванні частоти за діапазоном загоряється одна з них. Робочим є той з роз’ємів "ВЫХОД", над яким горить індикаторна лампочка.

Регулювання рівня вихідної потужності з роз'ємів "ВЫХОД" здійснюється двома ручками "УРОВ. МОЩНОСТИ", розташованими над індикаторними лампочками, а точніше, тією з них, під якою горить індикаторна лампочка. При цьому друга ручка повинна знаходитись у крайньому лівому положенні.

У генераторах Г4-ІІІ/а, Г4-ІІІ/6 у правому нижньому куті розміщено роз’єм "ВЫХОД" і ручку "УРОВ.МОЩНОСТИ". Регулювання рівня вихідної потужності з роз'єму "ВЫХОД" здійснюється ручкою "УРОВ.МОЩНОСТИ".

2. При роботі генераторів у режимі модуляції пилкоподібною напругою амплітуда пилки регулюється ручкою "АМПЛ.", під якою розташовано низькочастотний роз'єм виходу пилкоподібної напруги "ВЫХОД".

3. У лівому боці задньої стінки є гніздо керуючої напруги "УПР.НАПРЯЖ", яке використовується при роботі генераторів у режимі електронного керування частотою. Необхідно пам'ятати, що це гніздо знаходиться під високим негативним потенціалом відносно корпусу. Там також розміщено вихідні роз’еми 6-9 GHZ·і 9-12,7 GHz – в генераторі Г4-ІІІ, 6-9 GHz – У генераторі Г4-ІІІ/а,9-12,7 GHz – в генераторі Г4-ІІІ/6, тримачі запобіжників 1,0 А і 0,5 А.

Праворуч на задній стінці знаходиться роз'єм для приєднан­ня кабеля живлення, лічильник напрацювання часу, якого може не бути, перемикач напруги 115 V, 400 Hz; 220 V, 50 Hz.

Перед увімкненням приладів переконайтесь, чи відповідає напис на кришці задньої стінки приладу напрузі мережі живлення. Перед увімкненням генераторів у мережу заземліть їх за допомогою клеми захисного заземлення, розміщеної на передній панелі генератора. Вимикач напруги мережі повинен знаходитись у нижньому положенні. Прилад за допомогою шнура живлення під’єднати до мережі живлення 220 В, 50 Гц.

5. Для ввімкнення приладів у мережу 115 В, 400 Гц відкрутіть два гвинти, що кріплять планку до задньої стінки приладу, переключіть тумблер на 115 В, переверніть планку Іншою стороною і поставте її на попереднє місце.

Замініть у роз’ємі 220 V, 115 V плавкі вставки типу 2П26-1 з 3,15 на 4,0 А у генераторах Г4-ІІІ і з 2,0 на 3,9; 3,0 – у генераторах Г4-ІІІ/а, Г4-ІІІ/6.

 

Д.3.4. Порядок роботи

Д.3.4.1. Підготовка до проведення вимірювань

 

1. Перш ніж розпочати вимірювання, перевірте відповідність впливових факторів робочим умовам: навколишня температура – (+50...-10)°С, відносна вологість – до 95% при температурі повітря плюс 30°С, атмосферний тиск – (750 ± 30) мм рт.ст. Переконайтесь також у тому, що напруга мережі не відрізняється від

номінальної більш ніж на ±10%.

2. Перед тим, як увімкнути прилад тумблером "СЕТЬ", перемикач роду робіт поставте в нейтральне положення (жодна з клавіш не натиснута), ручки регулювання рівня потужності – у крайнє ліве положення (положення мінімальної вихідної потужності), ручку – "ЧУВСТ." – у крайнє праве положення. Недодержання цих правил при ввімкненні генератора може призвести до перевантаження досліджуваних пристроїв.

3. Ввімкніть вилку живлення в мережу, тумблером "СЕТЬ" ввімкніть прилад. При ввімкненні тумблера на приладі повинні зaгорітись індикаторна лампочка "СЕТЬ", що свідчить про наявність напруги в мережі, та індикаторна лампочка в генераторах Г4-ІІІ над одним із роз'ємів "ВЫХОД". У генераторі Г4-ІІІ робочим є той роз'єм "ВЫХОД"; над яким горить індикаторна лампочка.

4. Прогрійте прилад протягом 5 хв (не менше). Наявність високочастотного сигналу можна визначити за відхиленням стрілки індикатора при повороті ручки регулювання рівня сигналу "УРОВ.МОЩНОСТИ", під якою горить індикаторна лампочка (Г4-ІІІ), праворуч із крайнього лівого положення. В окремих ділянках діапазону можливе зменшення показань вбудованого індикатора потужності до нуля за наявності максимально гарантованої потужності на роз'ємі "ВЫХОД". Прилад з'єднується з іншими видами обладнання за допомогою кабелів, коаксіально-хвилеводних і коаксіальних переходів.

5. Для одержання гарантованої стабільності частоти і потужності прогрійте прилад при фіксованому навантаженні протягом 30 хв (не менше).

 

Д.3.4.2. Проведення вимірювань

1. Генератор забезпечує такі види робіт: - режим немодульованих коливань (безперервну генерацію – НГ); - внутрішню та зовнішню модуляції меандром;

Д.4.1. Призначення

Підсилювач високочастотний широкосмуговий 73-29 з комплектом високочастотних детекторних головок здійснює: - детектування радіоімпульсів і підсилення до рівня, який забезпечує… екрані осцилографа;

Д.4.2. Технічні дані

Смуга пропускання підсилювача – 50 Гц...20 МГц. Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики в межах смуги пропускання не перевищує 2 дБ із… Коефіцієнт підсилення – не менше 200. Похибка встановлення каліброваного коефіцієнта підсилення на частоті 100 кГц – від – 10 до +20%.

Д.4.5. Підготовка до роботи

 

1. До початку роботи з підсилювачем вивчіть опис та інструкпію з експлуатації, ознайомтесь зі схемою підсилювача.

2. Переконайтесь у тому, що зовнішні фактори відповідають умовам експлуатації.

3. Корпусну клему підсилювача з'єднайте із земляною шиною приміщення.

УВАГА! Максимально допустима потужність, яку можна подавати на вхід детекторної головки, не перевищує:

- у режимі "ОГИБАЮЩАЯ" – 200 мВт;.

- у режимі "НГ" – 5 мВт.

 

Д.4.6. Порядок роботи

Д.4.6.1. Підготовка до проведення вимірювань

 

1. Встановіть стрілку стрілкового приладу на нуль механічним приладом.

2. Під'єднайте шнур живлення до мережі, встановіть тумблер увімкнення мережі в положення "ВКЛ". Після ввімкнення дайте приладу прогрітись протягом 30 хв.

Після прогріву підсилювача проведіть його калібрування. При калібруванні ручки мають бути в таких положеннях:

- "УСИЛЕНИЕ" – у крайньому лівому положенні;

- "РОД РАБОТЫ” – "КАЛИБР";

- "BX.УPOBEHb.mV" – "5 – 10".

Обертаючи ручку "УСИЛЕНИЕ", встановіть стрілку мікроамперметра на відмітку "50". При обертанні ручки "УСИЛЕНИЕ" можливе наплавне пересування стрілки мікроамперметра.

 

Д.4.6.2. Проведення вимірювань

При підсиленні синусоїдних та імпульсних сигналів ручку перемикача "РОД РАБОТЫ" встановіть у положення "ВИДЕОИМП", ручку… Примітка. При підсиленні імпульсних сигналів вихідний сигнал відносно вхідного…  

Сергій Володимирович Хуторненко

 

 

Редактори:С.П. Гевло,

Л.О. Кузьменко

 

 

Зв.илан, 1998

Підписано до друку 16.11.98

Формат 60x84 1/16. Папір офс. № 2. Офс.друк.

Умовн.-друк.арк. 12,5. Облік.-вид.арк.14,12. Т. 150 прим.

Замовлення 208. Ціна вільна

_______________________________________________________

Державний аерокосмічний університет Їм. М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний iнститут"

310070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

Ротапринт друкарні XАІ

310310, Харків-70, вул. Чкалова, 17

– Конец работы –

Используемые теги: вимірювання, параметрів, хвиль, повних, опорів, трактах, нвч, допомогою, вимірювальної, лінії, узгодження, лініях, передачі, нвч0.115

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ХВИЛЬ І ПОВНИХ ОПОРІВ У ТРАКТАХ НВЧ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ЛІНІЇ. УЗГОДЖЕННЯ В ЛІНІЯХ ПЕРЕДАЧІ НВЧ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Інтерференція світлових хвиль. Когерентність світлових хвиль, Методи спостереження інтерференції світла. Метод графічного додавання амплітуд світлових хвиль
Інтерференція світла це складання полів світлових хвиль від двох або декількох порівняно невеликого числа джерел У загальному випадку...

Експериментальне вимірювання механічних характеристик за допомогою механічних випробувань
Дані методичні рекомендації складаються з циклу лабораторних робіт присвячених експериментальним методам визначення основних механічних... Інформація яка наведена на початку даних рекомендацій дозволить студентам...

Заболевание желудочно-кишечного тракта. Средства физической культуры для профилактики и лечения заболевания желудочно-кишечного тракта
За последние годы среди студентов, отнесенных по состоянию здоровья к специальной медицинской группе, наблюдается тенденция роста числа заболеваний… Клинико-физиологическое обоснование Нервный аппарат ЖКТ связан со всей… Вместе с тем патологические рефлексы с желудочно-кишечного тракта закономерно отражаются на функциональном состоянии…

Вимірювання швидкості повітря за допомогою анемометра
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ... БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ... Спеціальність...

Інтерференція світлових хвиль. Когерентність світлових хвиль
Інтерференція світла це складання полів світлових хвиль від двох або декількох порівняно невеликого числа джерел У загальному випадку...

Механічних коливань та хвиль. Правила побудови графічних залежностей фізичних величин
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ... ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО... Механічних коливань та хвиль...

Вимірювання опору заземлення. ОПІР заземлюючим електродом. ВПЛИВ РОЗМІРІВ ЕЛЕКТРОДА І ГЛИБИНИ ЙОГО ЗАЗЕМЛЕННЯ
Вимірювання опору заземлення... ОПІР заземлюючим електродом... ВПЛИВ РОЗМІРІВ ЕЛЕКТРОДА І ГЛИБИНИ ЙОГО ЗАЗЕМЛЕННЯ...

Тема: ”Тестування логічних схем за допомогою алгоритму D-кубів
Тема Тестування логічних схем за допомогою алгоритму D кубів... Мета Придбання практичних навичок тестування логічних схем за допомогою... Хід виконання виконати тестування логічної схеми за варіантом за допомогою алгоритму D кубів та отримати тестову...

Дослідження точності визначення лінії між двома точками різними способами
Довжину лінії між двома точками на карті з різною точністю можна визначити... Потрібно визначити довжину лінії між точками і на карті...

Тема: Конструктори без параметрів. Конструктори ініціалізації. Деструктори
Тема Конструктори без параметрів Конструктори ініціалізації Деструктори... Мета навчититись створювати програми з використанням конструкторів без параметрів та конструкторів з параметрів та...

0.023
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам