WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2010 УДК 528.029.4/66 ББК 840.4273 М194 Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета Рецензент Доктор педагогических наук, профессор Н.Я. Молотков М194 Устройства СВЧ и антенны : метод. указания / сост. Н.А.

Малков. – Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. – 28 с. – 100 экз.

Даны методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны», в которых изучается принцип действия сверхвысокочастотных устройств и измеряются их параметры.

Предназначены для студентов направления 210300 «Радиотехника» всех форм обучения.

УДК 528.029.4/66 ББК 840.4273 © Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ), 2010 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 210300 «Радиотехника» всех форм обучения Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2010 Учебное издание УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ Методические указания Составитель МАЛКОВ Николай Аркадьевич Редактор Л.В. Комбарова Инженер по компьютерному макетированию И.В. Евсеева Подписано в печать 29.04.2010 Формат 60 84 /16. 1,62 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 147 Издательско-полиграфический центр ГОУ ВПО ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ Цель работы: 1. Изучить методы исследования четырёхполюсников с помощью матрицы рассеяния [1, 2].

2. Приобрести навыки исследования четырёхнолюсника с помощью матрицы рассеяния.

Содержание работы При выполнении лабораторной работы необходимо:

– исследовать эквивалентные схемы некоторых классов четырёхполюсников;

– определить их матрицы рассеяния.

Методические указания 1.1. Матрица рассеяния и эквивалентные схемы волноводных четырёхполюсников 1.1.1. Любая неоднородность в волноводном тракте может рассматриваться как четырёхполюсник СВЧ (рис. 1.1, а).

Полная информация о свойствах четырёхполюсника содержится в его матрице рассеяния [S], которая связывает комплексные амплитуды падающих и расходящихся волн в отсчётных плоскостях Р1 и Р2 (рис. 1.1, а).

& & & & & С1+ = S11C1- + S12C2-;

& & & 11 & S12 ei S12 ei ;

S11 SS = = [ ] & & & 21 & S22 ei S22 ei S21 S& &21 & &22 & C = S C1- + S C.

2+ 2При этом Sij 1, – ij.

Выбор положения отсчётных плоскостей четырёхполюсника достаточно произволен и обычно диктуется соображениями удобства. При переносе отсчётных плоскостей по направлению от неоднородностей в сечении P1 и P2 (рис.

1.1, а) матрица рассеяния [S] преобразуется в матрицу [S ] с другим значением элементов:

..

& 1 & S11 = S11 e-i2k l1 ; S12 = S12 e-ik (l1 +l2 );

(1.1)..

& & S21 = S21 e-ik (l1 +l2 ); S22 = S22 e-i2k l2, где ki – волновое число подводящих волноводных линий; li – электрическая длина.

& C2- & а) & C1- C2- & C1- РР& P & P1 & C2+ & & C2+ C1+ & C 1+ II& & U1- U2б) I& I&& & UU& & U1+ U 2+ Рис. 1.1. Волноводный четырёхполюсник Элементы [S ] отличаются от элементов [S] только фазовыми множителями.

1.1.2. Четырёхполюснику с волноводными подводящими линиями можно сопоставить эквивалентную модель в виде четырёхполюсника классической теории цепей, к которому подключены линии, работающие на волне Т (ТЕМ). Состояние & & четырёхполюсника характеризуется при этом комплексными амплитудами напряжений и токов U1, U2, I&1, I&2, а режим в & & & & линиях – комплексными амплитудами падающих и расходящихся волн напряжения и тока (U1-, U1+, U2-, U2+, I&1- и т.д.).

Эквивалентность четырёхполюсника СВЧ и его модели понимается в смысле равенства их S-матриц.

1.1.3. Если четырёхполюсник на рис. 1.1, б взаимный, то его можно представить эквивалентной схемой, состоящий из элементов с сосредоточенными параметрами. Например, часто применяют Т- и П-образные схемы. Элементы эквивалентной схемы должны быть подобраны так, чтобы матрица рассеяния на модели (рис. 1.1, б) совпадала с матрицей рассеяния оригинала – четырёхполюсника СВЧ.

1.2. Матрицы рассеяния и эквивалентные схемы некоторых классов четырёхполюсников 1.2.1. В наиболее общем случае элементы матрицы рассеяния четырёхполюсника независимы друг от друга, и для полного его описания нужно знать модули и фазы всех четырёх элементов S-матрицы – всего 8 вещественных величин.

Однако существует несколько широких классов четырёхполюсных устройств, у которых между элементами S-матрицы имеются связи. Учёт этих связей позволяет получить существенные упрощения как при теоретическом рассмотрении четырёхполюсников, так и при их экспериментальном исследовании.

1.2.2. Четырёхполюсники, в объёме которых отсутствуют анизотропные включения типа намагниченного феррита, являются взаимными устройствами. Их матрицы рассеяния симметричны относительно главной диагонали:

& & S12 = S21, S12 = S21, 12 = 21.

1.2.3. Четырёхполюсники, сообщающиеся с внешним пространством только через подводящие волноводы и не содержащие поглощающих материалов, образуют класс реактивных четырёхполюсников. Матрицы рассеяния таких устройств унитарны, т.е.

[S] [S] = [1], где [S] – матрица, эрмитово-сопряжённая матрице [S]; [1] – единичная матрица.

1.2.4. Часто встречаются четырёхполюсники, имеющие поперечную плоскость симметрии. Примером такого устройства яв- ляется волноводный уголок (рис. 1.2). В матрице рассеяния таких четырёхполюсников Рдиагональные элементы одинаковы:



& & S11 = S22, S11 = S22, 11 = 22.

1.2.5. Часто встречаются четырёхполюсники, в объёме которых имеется Рпрепятствие малой протяжённости вдоль оси волновода. Как пример, на рис. 1.3, а приведён Рис. 1.2. Волноводный уголок Рис. 1.3. Симметрично и антисимметрично рассеивающие четырёхполюсники тонкий штырь, перпендикулярный широким стенкам прямоугольного волновода. Рассмотрим процессы в этой структуре при возбуждении её волной единичной амплитуды, падающей слева. Под влиянием электрического поля этой волны в штыре возникает ток (он создаёт вторичные волны, расходящиеся от штыря, причём их электрическое поле зеркально симметрично относительно плоскости А). Следовательно, амплитуды вторичных волн на Р1 и Р2 равны между собой и штырь поэтому можно назвать симметричным рассеивающим препятствием. Волна, излучённая штырём налево, есть единственная волна, уходящая от четырёхполюсника через сечение Р1. Следовательно, её амплитуда на Р1 равна элементу & S11 матрицы рассеяния. В то же время волна, уходящая от четырёхполюсника через сечение Р2, образуется наложением двух волн, бегущих в одном направлении – первичной (её амплитуда равна на Р1 – e-i2k l1 ) и вторичной (её амплитуда на Р& & в силу симметричности поля равна S11 ). Сумма амплитуд этих волн есть по смыслу элемент S21 матрицы рассеяния.

& & Таким образом, S21 и S11 симметрично рассеивающего четырёхполюсника связаны соотношением:

& & 1 & S21 = S12 = e-i2k l + S11. (1.2) На рисунке 1.3, б приведён пример антисимметричного рассеивающего препятствия – поперечная щель в широкой стенке волновода. Амплитуды волн, излученных щелью направо и налево, отличаются только знаком. Поэтому & & 1 & S21 = S12 = e-i2k l - S11. (1.3) Учёт специальных свойств четырёхполюсников отражается и на их эквивалентных схемах. В частности, эквивалентные схемы реактивных четырёхполюсников содержат только реактивные сопротивления и проводимости. Т- и П-образные схемы (рис. 1.4), соответствующие четырёхполюсникам с плоскостью симметрии, сами симметричны (Z1 = Z3). Для случая симметрично или антисимметрично рассеивающих четырёхполюсников эквивалентные схемы могут быть сведены к параллельной проводимости или к последовательному сопротивлению. Для этого нужно только отсчётные плоскости Р1 и Рсовместить с плоскостью симметрии четырёхполюсника. Ниже приводятся известные выражения, позволяющие по элементам S-матрицы симметричного четырёхполюсника рассчитать величины сопротивлений и проводимости эквивалентных Т- и П-образных схем:

& & & Z1 Z3 1+ S11 - S12 Z2 2S= = ; = ; (1.4) & & 1- S11 + S& &1- S11 - S( ) Рис. 1.4. Т- и П-образная схемы & & & Y Y3 1+ S11 - S12 Y2 2S= = ; =, (1.5) & & g g 1- S11 + S12 g & &1- S11 - S( ) где и g = 1/ – волновое сопротивление и волновая проводимость линий, подключаемых к четырёхполюсникам (рис. 1.4).

1.2.6. Если четырёхполюсник одновременно принадлежит к нескольким из рассмотренных классов, то число независимых параметров, определяющих его S-матрицу, оказывается существенно меньше 8. Например, симметричный четырёхполюсник в виде отрезка волновода с поперечной щелью (см. рис. 1.3, б) имеет S-матрицу вида 11 1 S11ei e-i2k l - S11eie S =. (1.6) [ ] -i2k1l 11 - S11eie S11ei e & целиком определяемую модулем и фазой элемента S11 и электрическим расстоянием между плоскостями отсчёта 2k1l.

1.2.7. Четырёхполюсник одновременно взаимный, реактивный, симметричный и симметрично рассеивающий имеет S& матрицу, все элементы которой выражаются через фазу элемента S11 (11) и электрическое расстояние между отсчётными плоскостями 2k1l:

11 -cos(2k1l + 11)e -i sin 2k1l + 11 ei ( ) S =. (1.7) [ ] -i sin 2k1l + 11 ei -cos(2k1l + 11)e ( ) & Заметим, что поскольку величина –cos(2k1l + 11) в формуле (1.7) есть модуль S11, т.е. неотрицательная величина, то угол 2k1l + 11 находится в одном из следующих интервалов (–, –/2) или (, /2).

Примерами таких четырёхполюсников являются индуктивные диафрагмы, индуктивные штыри и розетки индуктивных штырей в прямоугольном волноводе, представленные на рис. 1.5.

Индуктивная Индуктивный Решётка диафрагма штырь штырей а) б) в) Рис. 1.5. Взаимные, реактивные, симметричные и симметрично рассеивающие препятствия 1.3. Лабораторная установка Схема лабораторной установки приведена на рис. 1.6. В неё входят: генератор СВЧ Г, измерительная линия ИЛ с индикаторным прибором, короткозамыкатель КЗ, согласованная нагрузка, плунжер с подвижным короткозамыкателем и набор исследуемых волноводных четырёхполюсников.

1.4. Задание и указания к выполнению работы 1.4.1. В данном пункте задания требуется исследовать четырёхполюсник в виде волновода с поперечной щелью. Как & следует из формулы (1.6), измерению подлежат модуль и фаза элемента S11 матрицы рассеяния, т.е. собственный коэффициент отражения четырёхполюсника, когда к его выходу подключена согласованная нагрузка. Порядок измерения следующий.

1/Z ZРис. 1.6. Лабораторная установка 1.4.1.1. Включается генератор и устанавливается частота, заданная преподавателем. Измерительная линия закорачивается короткозамыкателем КЗ. В ИЛ при этом устанавливается стоячая волна (режим 1).

1.4.1.2. Резонатор ИЛ настраивается по максимуму показаний индикатора. Зонд ИЛ устанавливается в один из узлов стоячей волны. Отсчёт по шкале перемещений ИЛ принимается за нуль координаты z. Измеряется длина волны в волноводе 1.





1.4.1.3. Короткозамыкатель КЗ заменяется исследуемым четырёхполюсником, к выходу которого подключается согласованная нагрузка. В ИЛ устанавливается режим смешанных волн (режим 2).

1.4.1.4. Зонд ИЛ устанавливается в минимум поля и измеряется смещение минимума z1 относительно условного нуля.

По найденному z1 определяется фаза 11:

11 = - z1 + 2m +1, (1.8) ( ) причём целое число m выбирается таким образом, чтобы 11 лежало в интервале (–, ).

amin 1.4.1.5. Измеряется Kбв в линии: Kбв =, где amin, amax – показания индикаторного прибора при установке зонда в amax минимум и максимум поля. По величине Kбв рассчитывается S11 матрицы рассеяния:

1- Kбв S11 =. (1.9) 1+ Kбв 1.4.1.6. Измеряется расстояние между отсчётными плоскостями четырёхполюсника 2l и рассчитывается электрическая длина 2k1l = 4l/1.

1.4.1.7. По формуле (1.6) рассчитываются все S элементы матрицы.

1.4.1.8. По формулам (1.4), (1.5) вычисляются величины сопротивлений всех элементов Т-образной эквивалентной схемы.

1.4.1.9. Рассчитываются элементы S-матрицы и эквивалентной схемы при переносе отсчётных плоскостей в плоскость симметрии четырёхполюсника, которая проходит через продольную ось щели. Эквивалентная схема должна при этом преобразовываться в продольное сопротивление.

1.4.2. В данном пункте задания требуется исследовать один из четырёхполюсников, приведённых на рис. 1.5.

Измерения следует провести по методике пункта 1.4.1.

Обратите внимание на то, что согласно (1.7), для нахождения всех элементов S-матрицы достаточно определить только 11. Поэтому определение Kбв и последующий расчёт S11 кажется излишним. Это действительно так, если S11 близко к единице. Тогда в линии в режиме 2 устанавливается волна, близкая к стоячей, её минимумы чётко фиксируются, и 11 по формуле (1.8) определяется с достаточной точностью. Величина S11, найденная по Kбв, служит только для контроля & результатов: значение S11, рассчитанное по Kбв должно оказаться близким к S11 = - cos(2k1l + 11), вычисленному через 11.

Если же S11 заметно меньше 1, то координаты минимумов определяются с существенной погрешностью. В этом случае обработчику экспериментальных данных нужно вести так. По найденному с помощью формулы (1.9) значению Sизвестному параметру 2k1l находится 11 как корень уравнения –cos(2k1l + 11) = S11. (1.10) Это уравнение имеет два корня. Один из них (2k1l + 11 ) лежит в интервале (–, –/2), другой (2k1l – 11 ) – в интервале (/2, ). Соответственно и 11 из (1.10) находится неоднозначно: получаем два значения – 11, 11. Из них истинным является, то которое ближе к 11, найденному методом смещения минимума по формуле (1.8).

1.4.3. При весьма малых значениях S11 измерения по методу пунктов 1.4.1 и 1.4.2 дают весьма неточные результаты, так как начинает сказываться отличие применяемой нагрузки от идеально согласованной. В таких случаях следует применять метод смещения узлов, описанный в разделе 1.6. Нагрузка на рис. 1.6. заменяется волноводным плунжером, проводятся измерения с подразделами 1.6.1 – 1.6.5. Элементы S-матрицы определяются в таком порядке: по формуле (1.6) вычисляется S11, затем по S11, находятся два корня уравнения (1.10) 11, 11, и отбирается тот, который ближе к экспериментально определённому по формуле (1.2).

1.5. Содержание отчёта 1. Схема лабораторной установки с указанием типа приборов и номеров исследуемых четырёхполюсников.

2. Таблицы и графики всех величин, полученных в результате измерений и расчётов.

3. Рассчитанные матрицы рассеяния.

4. Рассчитанные параметры эквивалентных схем.

5. Вывод и замечания по работе.

1.6. Измерение элементов матрицы рассеяния четырёхполюсника СВЧ методом узлов Определение элементов S-матрицы четырёхполюсников методом смещения узлов производится в такой последовательности.

1.6.1. ИЛ закорачивается на правом конце, зонд ИЛ устанавливается в узле стоячей волны, и отсчёт по шкале перемещений ИЛ а1 принимается за условный нуль для ИЛ. Зонд ИЛ не смещать! 1.6.2. Вместо короткозамыкателя к выходу ИЛ присоединяется плунжер ПЛ. Плунжер устанавливается в положение а2, при котором зонд ИЛ снова оказывается в узле стоячей волны. Отсчёт а2 по шкале ПЛ принимается за условный нуль для ПЛ.

Y Х Y A K2Zk X Рис. 1.7. График разности угловых смещений 1.6.3. Исследуемый четырёхполюсник включается между ИЛ и ПЛ. ПЛ последовательно устанавливается в положения zk1 = a2, zk2 =... ; определяются соответствующие положения узлов в ИЛ: zy1, zy2,....

2 1.6.4. По найденной функции Zy = f (zk ) рассчитываются угловые смещения K1Zy и K2Zk ( K1 =, K2 = – 1 волновые числа в ИЛ и ПЛ) и строится график их разности Y = K1Zy - K2Zk в зависимости от K2Zk (рис. 1.7).

1.6.5. По графику угловых смещений узлов Y = y(K2Zk ) можно найти величины, определяющие S-матрицу.

По вертикальному размаху кривой А определяется S11 :

A S11 = sin. (1.10) По постоянной составляющей y0 определяется 12 (с неопределённостью ± ):

12 = (2n +1) - y0 ±. (1.11) 2 Целое число n (положительное или отрицательное) подбирается так, чтобы оба значения 12 оказались в интервале (-, ).

По абсциссе x0 точки пересечения кривой Y = y(K2Zk ) с линией Y = y0 на возрастающем участке графика находится 11 :

11 = 2m - 2(x0 + y0 ). (1.12) Целое число m (положительное или отрицательное) подбирается так, чтобы 11 оказалось в интервале (-, ).

Неопределённость 12 обычно может быть устранена путём привлечения дополнительной информации об S-матрице.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.