Лабораторная работа № 1
Исследование длинной линии
Цель работы: изучение свойств длинных линий, освоение расчета основных параметров линии, расчет трансформации сопротивлений в линии передачи.
Порядок выполнения работы:
· изучить свойства длинных линий;
· ознакомиться с отрезком длинной линии, предложенным для исследования, классифицировать его основные особенности;
· произвести расчет входного сопротивления рупорной антенны, подключенной к отрезку длинной линии;
· ознакомиться и изучить методы измерения входного сопротивления, изучить предложенные приборы;
· произвести требуемые измерения и представить их в графических зависимостях;
· оформить результаты в виде протокола в рабочей тетради;
· сформулировать вывод о проделанной работе в целом;
· отчитаться за проделанную работу.
Теоретические сведения
 |
a
б
Рис.1
Длинная линия (фидер) может быть представлена эквивалентной схемой замещения с погонными распределенными параметрами, как показано на рис.1. Каждое сечение линии может быть охарактеризовано током Ii и напряжением Ui, при этом 
, где W – волновое сопротивление линии. Каждый малый элемент (участок) можно представить эквивалентной схемой (рис.1б), где D R, D G, D L, D C – погонные параметры линии: D R - потери в проводах, D G - диэлектрические потери (утечка в диэлектрике), D L – погонная индуктивность, D C – погонная емкость.
. При D Y ® 0 и D Z ® 0 
. Так как 
, 
, то можно записать 
. Величины D R, D G, D L, D C имеют соответственно размерности Ом/м, См/м, Гн/м, Ф/м.
Дифференциальное уравнение для линии имеет вид:
,
где 
- постоянная распространения, является в общем случае комплексной величиной: 
, a - коэффициент затухания, b - коэффициент фазы.
Решение дифференциального уравнения имеет вид
.
Полагая a =0 (линия без потерь) и отсчет длины линии от нагрузки к генератору, решение можно записать следующим образом:
; 
,
где U П – комплексная амплитуда падающей волны; U 0 – комплексная амплитуда отраженной волны; 
- коэффициент фазы; l В – длина волны в линии.
Отношение отраженной волны к падающей в сечении Х называют коэффициентом отражения:
; 
.
При этом 
; 
.
Интерференция падающей и отраженной волн приводит к образованию максимального и минимального значений напряжения и тока вдоль линии. В частности, можно записать
; 
.
Рис.2
Распределение напряжения и тока вдоль линии можно представить как
; 
,
где 
.
Сопротивление в любом сечении линии определяется выражением
.
Из этого выражения получаются следующие важные частные случаи:
1. b l =1800 , Z(x + l /2) = Zx,
2. b l =900 , Zx Z(x + l /4) = W2,
3. Zx = W, Zx+l = W,
4. Zx = 0, Zx+l = jW tg b l,
5. Zx = ¥, Zx+l = - jW tg b l.
Степень согласования линии с нагрузкой характеризуется наряду с коэффициентами отражения коэффициентами стоячей КСВН и бегущей КБВ волны.
; 
Указанные характеристики имеют следующие пределы изменений:
КСВН =(1 ¸ ¥), КБВ = (1 ¸ 0).
КСВН можно выразить следующим образом:
,
при R Н > W, КСВН = R Н / W – пучность напряжения R Н = R П,
при R Н < W, КСВН = W / R Н - узел напряжения R Н = R узл .
Если сечение х совпадает с пучностью или узлом напряжения, то сопротивление Zx является чисто активным.
, ln – расстояние от пучности в сторону генератора до сечения, в котором определяется эквивалентное сопротивление. Аналогично можно получить формулу для расчета сопротивления нагрузки, переместив сечение х в нагрузку. В этом случае удобнее привязаться к узлу напряжения, образованному в линии, например при коротком замыкании (КЗ) нагрузки, а затем определять смещение узла в линии, когда к ее концу присоединяется реальное, но неизвестное сопротивление Zн.
, где ly – расстояние от узла напряжения при коротком замыкании нагрузки до узла напряжения при реальной нагрузке ZН, (ly - положительно, если минимум при КЗ ближе к генератору относительно минимума при ZН).
; 
.
Если 
, 
, то 
, 
, 
, 
.
Рис.3
1 – генератор, 2 – вентиль, 3 – измерительная линия, 4 – рупорный излучатель, 5 – поглощающая нагрузка.
Расчетная часть
Для прямоугольного волновода сечением 23х10 мм, нагруженного на рупорный излучатель, рассчитать на частоте 10 ГГц:
1. Распределение поля Е от нагрузки к генератору;
2. коэффициент отражения в нагрузке (Г0);
3. эквивалентное входное сопротивление рупора, схема представлена на рис.3.
Произведение измерений
Произвести следующие измерения:
1. входного сопротивления, для чего:
· собирают установку в соответствии с рис.3;
· измеряют коэффициент бегущей волны ;
· фиксируют один из минимумов на линейной шкале измерительной линии l min;
· закорачивают линию в сечении, где требуется произвести измерение;
· находят 
и 
;
· определяют знак реактивности: при смещении ближайшего l КЗ относительно l в cторону генератора – знак положительный, при смещении в обратную сторону – знак отрицательный;
· по диаграмме Вольперта находят отношения 
и 
;
· находим 
и 
;
· строим распределение поля вдоль волновода, имея ввиду критерии 
или 
, а также длину волны в волноводе;
· находим R и X.
2. распределения поля вдоль линии, для чего:
· находят расстояние между двумя минимумами на линии;
· делят это расстояние на 18 равных интервалов;
· последовательно перемещая головку линии от максимума показаний через полученные интервалы, фиксируют показания на индикаторе;
· строят график зависимости показаний индикатора от числа интервалов.
Контрольные вопросы:
1. Что является первичными и вторичными параметрами линии?
2. Перечислите основные свойства длинной линии, указав их физический смысл.
3. Чем отличается длинная линия от прямоугольного волновода?
Список литературы:
1. Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. - М.: Сов радио, 1964.
2. Измерительная линия Р1-4 (ИВЛУ-140) с волноводным сечением 23х10. Техническое описание.
3. Описание и инструкция к трехкаскадному измерительному усилителю типа 28-И.
4. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах: Справочное руководство. – М.: Изд-во ФМЛ, 1963.
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ - ТРАКТОВ МЕТОДОМ «МАТРИЦ РАССЕЯНИЯ»
Рис 1.Многоплюсник
В силу линейности ЭМП и, имея ввиду принцип суперпозиции, суммируя амплитуды полей в сечениях 1, 2, 3…n., получим систему уравнений из падающих и отраженных волн для каждого плеча: 
1 = 
11· 
1 + 12 · 2 +…+ 1n· n
2 = 21· 1 + 22 · 2 +…+ 2n· n
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
n = n1· 1 + n2 · 2 +…+ nn· n
nn = 
·e jφnn – комплексный коэффициент отражения;
mn = 
·e jφmn – комплексный коэффициент передачи
= 
- обобщенный комплексный коэффициент отражения
Измерение комплексного коэффициента отражения nn = ·e jφnn – это измерение коэффициента отражения в плече 
, когда остальные плечи нагружены на согласованные нагрузки (полностью поглощающие энергию).
В нашем случае в качестве многополюсника взят 4хполюсник.
Система уравнений:
Для определения параметров с учетом принципа взаимности надо определить
11, 22 и 12 = 21
Пусть 4х–полюсник представляет собой отрезок волновода длиной 
, имеющий пренебрежительно малые потери.
Тогда:
, где 
– электрическая длина волновода.
В случае последовательного соединения ряда волноводов их свойства удобнее описывать матрицей передачи, которая связывает амплитуды волн электрическогои магнитного поля на выходе:
Матрица передачи ряда 4х–полюсников:
Связь между элементами матриц рассеяния и передачи
, 
, 
, 
и наоборот:
, 
, 
, 
;
Затухание Nдб= 20 lg 
Схема установки для проведения лабораторной работы представлена на Рис.1
Рис. 1 Схема установки.
СВЧ-тракт состоит из генератора (1), вентиля (2), измерительной линии (ИЛ) (3) и милливольтметра (5), а также короткозамкнутого плунжера (4).
В ИЛ устанавливается распределение поля, которое фиксируется после детектирования на милливольтметре (5). На конце ИЛ установлен короткозамыкатель Zкз (4). Далее в тракт между вентилем (2) и ИЛ (3) включают исследовательскую секцию волновода (Х1). В ИЛ смещают каретку с зондом до получения прежнего распределения. Фиксируется 
- смещение от первоначального положения.
Далее вычисляют критическую длину волны, находят 
и определяют элементы матрицы.
; 
; 
=2а, где а - размер широкой стенки волновода.
- длина волны генератора ( = 
);
Нахождение элементов матрицы S11, S22, S12, S21:
в режиме КЗ и ХХ равно 1, S11= S22=1
Где
=1 (коэффициент передачи),
- фазовый угол,
= (
), а 
= 
- волновое число.
Тогда 
И матрица рассеяния является определенной.
- этой матрице соответствует матрица передачи: ,
её коэффициенты 
11 , 22 , 12 , 21 находятся по выше приведенным формулам.
Матрица передачи ряда 4х полюсников находится как .
Устанавливают вторую секцию (Х2), находят её электрическую длину и элементы матриц.
Находят элементы матриц двух последовательно соединенных секций (Х1 и Х2).
Находят 
, зная 
и 
, сравнивают с измеренным.
Выводы по работе:
1. Элементы матрицы рассеяния могут быть измерены и вычислены, т. к. имеют физический смысл.
2. Элементы матрицы передачи могут быть только вычислены.
3. Матрица передачи ряда 4х полюсников может быть только вычислена, измерения её элементов может быть осуществлено через элементы общей матрицы рассеяния.
Контрольные вопросы:
1. Что такое 4х полюсник и чем он описывается?
2. Что такое длина волны генератора, длина волны в волноводе, критическая длина волны в волноводе?
3. Физический смысл элементов матрицы рассеяния.
4. Что такое электрическая длина волновода?
Список литературы:
1. Максимов В. М. Линии передачи СВЧ-диапазона: учебное пособие для вузов.-САЙН-ПРЕСС, 2002. 80с.
2. Бова Н. Т., Лайхман И. Б. Измерение параметров волноводных элементов: учебное пособие для вузов.-Киев:«Техника»,1968. 155 с.
Лабораторная работа № 3
Исследование направленного ответвителя
Направленный ответвитель (НО) является типичным представителем восьмиполюсника. Он обладает уникальным свойством избирательного выделения волн в линии, распространяющихся в разных направлениях. Широкое применение этих устройств, особенно в измерительной технике СВЧ, сделало его незаменимым элементом.
Конструктивно НО могут быть в полосковом, коаксиальном и волноводном исполнениях. Электрически это могут быть широкополосные и резонансные НО, трехдецибельные и в обычном исполнении, они могут отличаться по форме частотной характеристики и т.д. Все НО имеют два основных параметра: направленность и переходное затухание. Также немаловажными являются частотные свойства НО. Изменение с частотой направленности, переходного затухания и фазового сдвига между сигналами на выходах являются весьма важной характеристикой направленного ответвителя.
Цель работы: Изучение теории и принципа действия направленного ответвителя (НО). Расчет НО. Изучение метода измерения НО. Изучение приборов и техники измерения НО. Исследование образца НО.
Порядок выполнения работы
Данная лабораторная работа предполагает исследование одного из типов НО В частности, необходимо:
· изучить теорию направленных ответвителей [1-4];
· ознакомиться с объектом исследования, установить тип НО, установить предварительно его особенности и свойства;
· произвести расчет НО;
· ознакомиться с методами измерения НО, изучить предложенные приборы;
· произвести требуемые измерения, результаты представить таблицей и графическими зависимостями;
· оформить результаты в виде протокола в рабочей тетради;
· сформулировать выводы по работе в целом;
· отчитаться за проделанную работу.
Теоретические сведения
Из всего многообразия НО рассмотрим только ответвители на параллельно связанных линиях с волной ТЕМ.
а. односекционный НО
б. трехсекцонный НО
Рис.1
Обычно длина НО близка l / 4 в односекционном и 3/4l - в трехсекционном. Каскадное соединение нескольких НО позволяет получить более широкополосное переходное затухание. Регулировкой связи может быть получена форма характеристик от максимально плоской (рис.1а) до имеющей равные пульсации (рис.1 б).
НО могут быть слабосвязанными либо сильносвязанными (так называемые трехдецибельные). НО на связанных линиях с волной ТЕМ теоретически идеально согласованы и имеют бесконечную направленность на всех частотах. Если падающая волна Е поступает в плечо 1 (рис.1 а) четвертьволнового ответвителя, то в плече 2 напряжение вычисляется из соотношения [2] 
, а напряжение в плече 4 из соотношения 
, где c – коэффициент связи, равный 
на средней частоте полосы.
При малых значениях с величина 
изменяется как sin q. Для больших значений с зависимость затухания от частоты представлена на рис.2. Электрическая длина q связанных линий связана с геометрической длиной l соотношением 
, где l - длина волны в среде, окружающей связанные линии.
Рис.2
Коэффициент связи по напряжению на средней частоте полосы равен 
, где Z 0 C и Z 00 – сопротивления для четного и нечетного типов колебаний, рассматриваемых ниже.
Для полного согласования ответвителя с нагружающей его линией передачи, имеющей волновое сопротивление Z0, необходимо, чтобы выполнялось равенство 
. Сопротивление для четного типа колебаний 
представляет собой волновое сопротивление одной из связанных линий, когда токи в обеих линиях равны и одинаково направлены. Сопротивление для четного типа колебаний 
- волновое сопротивление одной из связанных линий, когда токи в обеих линиях равны, но противоположны по направлению.
, 
Физические размеры полосковых конфигураций, необходимые для получения требуемых сопротивлений для четного 
и нечетного типа колебаний могут быть вычислены в соответствии с [1]. Более подробные сведения о НО, в частности, многосекционных, могут быть получены из [1, 2].
Основные параметры НО
· Переходное затухание 
;
· затухание в плече 
;
· направленность 
.
1.Ознакомиться с прибором Р2-61 по техническому описанию (ТО) и инструкции по эксплуатации на этот прибор:
-назначение и технические характеристики прибора;
-принцип работы прибора;
-назначение и расположение органов управления прибором;
-порядок калибровки и измерений на приборе Р2-61.
2. Собрать рабочее место для измерения КСВн, согласно схеме, представленной на
рис. 3 в ТО на прибор Р2-61.
3.Откалибровать прибор Р2-61 для измерений КСВн в диапазоне частот (2,0 -4,0)ГГц
Рисунок 3 – Схема электрическая структурная калибровки прибора Р2-61
На этом рисунке обозначены:
Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений
Р2-61;
G1– генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и
ослаблений Р2-61;
W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61;
XW1 – волноводно-коаксиальный переход;
XW2 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61;
А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61.
4.Проверить 50 – Омные коаксиальные нагрузки из комплекта прибора (М 16,
штырь) по КСВн. Результаты представить в виде графиков зависимости КСВн от частоты.
КСВн нагрузок (2 шт.) должен быть не хуже 1,2 в заданном диапазоне частот.
5.Проверить КСВн испытываемого НО поочередно со всех выходов, свободные выходы при этом должны быть нагружены на проверенные коаксиальные нагрузки.
Результаты измерений представить в виде графических зависимостей КСВн от частоты.
Рисунок 4– Схема электрическая структурная измерения КСВН
На этом рисунке обозначены:
А1 – изучаемый направленный ответвитель;
Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений
Р2-61;
G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и
ослаблений Р2-61;
W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61;
XW1 – волноводно-коаксиальный переход;
XW2, XW3 – переходы;
XW4 – согласованная нагрузка;
XW5 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61;
А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61.
6.Собрать рабочее место для измерения ослаблений, согласно схеме, представленной в ТО на прибор Р2-61.
Рисунок 5 – Схема электрическая структурная измерения переходного
ослабления
На этом рисунке обозначены:
А1 – изучаемый направленный ответвитель;
Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений
Р2-61;
G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и
ослаблений Р2-61;
W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61;
XW1 – волноводно-коаксиальный переход;
XW2, XW3 – переходы;
XW4 – согласованная нагрузка;
XW5 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61;
А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61.
7.Откалибровать прибор Р2-61 для измерения ослаблений в установленном диапазоне частот (2,0-4,0)Ггц.
8.Установить испытываемый НО в коаксиальный тракт прибора Р2-61 и проверить поочередно величину ослабления сигнала во всех каналах НО (не менее чем на 15-ти частотах диапазона):
- в прямом канале (Вход – Вых.1)
- в ответвленном канале (Вход – Вых. 2)
а также замерить развязку (ослабление) между Вых. 1 и Вых. 2.
Свободный выход при этом должен быть нагружен на проверенную коаксиальную
нагрузку.
Результаты испытаний представить в табличном виде, а также в виде графических зависимостей ослаблений от частоты.
Контрольные вопросы:
1.Каковы типы направленных ответвителей и их основные свойства?
2.Где применяются НО?
3.Как строятся диапазонные НО?
Список литературы:
1. Маттей Д.Л.,Янг Л.,Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ. Согласующие цепи и цепи связи.- М.:Связь,1972. Т. 1,2.
2.Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963 г.
3.Чернушенко А.М.. Петров Б.В., Малорацкий Л.Г., Меланченко Н.Е., Баньсевич А.С.
Конструирование экранов и СВЧ устройств. – М.: Радио и связь, 1990 г.
4.Конструирование и расчет полосковых устройств.Под ред.Проф. И.С.Ковалева.-
М.: Сов.радио, 1974 г.
5.Тишер Ф. Измерения на сверхвысоких частотах.-М.:Издательство ФМЛ,1963 г.
6.Панорамный измеритель КСВн и ослаблений Р2-78. Техническое описание.
Лабораторная работа № 4
