В технике сверхвысоких частот часто применяются плавные аттенюаторы. В коаксиальной технике они используются в основном в технике измерений, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах обычно в схемах и устройствах СВЧ. В данном случае объектом исследования являются плавные аттенюаторы сантиметрового диапазона.
Цель работы: Изучение принципа действия переменного аттенюатора. Параметры аттенюатора. Изучение методики измерения параметров аттенюаторов. Исследование волноводного аттенюатора.
Порядок выполнения работы:
· изучить теорию плавных аттенюаторов применительно к различным диапазонам частот;
· классифицировать и описать предложенный для исследования вариант плавного аттенюатора;
· ознакомиться с методами измерения параметров плавных аттенюаторов;
· изучить предложенные приборы;
· произвести требуемые измерения, результаты представить таблицей и графическими зависимостями при оформлении протокола в рабочей тетради;
· сделать выводы о работе в целом;
· отчитаться за проделанную работу.
Теоретические сведения
Назначение аттенюатора – внесение в тракт требуемого затухания без нарушения согласования. Величина требуемого затухания должна быть по возможности линейно связана со шкалой. Начальное затухание должно быть минимальным. Конструкция аттенюатора должна обеспечивать включение в стандартном высокочастотном тракте минимальное нарушение согласования и фазовых соотношений.
Аттенюаторы могут быть различными в зависимости от диапазона частот. В метровом диапазоне длин волн (в низкочастотной его части) это может быть набор фиксированных резисторов, переключение которых обеспечивает линейность и согласование. В более высокочастотной части метрового диапазона - коаксиальные аттенюаторы на основе запредельных круглых волноводов, отличительной особенностью которых является наличие большого начального затухания (до 20 – 30 дБ). Эти аттенюаторы используются до сантиметрового диапазона длин волн.
В диапазоне от 5000 МГц и выше используют волноводные аттенюаторы, отличающиеся высокой линейностью и стабильностью. Предметом исследования в данной работе является именно такой тип аттенюатора.
Как отмечено выше, переменный аттенюатор служит для плавного ослабления передаваемой по волноводу мощности, для развязки генератора СВЧ колебаний от нагрузки и измерения ослабления в отдельных элементах волноводных трактов. Волноводный аттенюатор состоит из отрезка волновода, внутри которого помещена тонкая диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала. Через отверстие в стенке волновода пластинка крепится к механизму, обеспечивающему параллельное перемещение от стенки к оси волновода. При прижатии пластины к стенке волновода ослабление минимально, а при перемещении ее к оси волновода затухание максимально. При этом уровень вносимого затухания, согласования зависит как от формы пластины, так и от ее длины.
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомиться с прибором Р2-61 по Техническому описанию (ТО) 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 калибровки и измерения ослаблений в соответствии с
рис. 3 в ТО на прибор Р2-61.(См. Л.Р.№3)
3. Установить рабочий диапазон частот от 8,2 до 12,0 ГГц на приборе Р2-61 в соответствии с Порядком работы, указанным в ТО на этот прибор.
4. Произвести калибровку прибора Р2-61 в установленном диапазоне частот в
соответствии с ТО на прибор Р2-61:
- по уровню падающей мощности – при U=2,3 mV;
- по уровню ослабления - 0 дБ.
В процессе калибровки рабочий диапазон частот, в котором удается откалибровать Р2-61, в зависимости от состояния этого прибора, может оказаться меньше установленного в п.5.2.3.
5. Установить исследуемый аттенюатор Д5-21 в волноводный тракт рабочего места по измерениям ослаблений в соответствии с рис. 5 в ТО на Р2-61. (См. Л.Р.№3)
6. Произвести измерение характеристик ослабления аттенюатора Д5-21, в заданном диапазоне частот, при различных положениях поглощающей пластины в волноводе Д5-21.
Результаты измерений представить в виде семейства характеристик ослаблений от частоты. По измеренным характеристикам построить характеристику ослабления Д5-21 на частоте 10 ГГц в зависимости от положения пластины аттенюатора.
7. Собрать рабочее место для измерения КСВн, в соответствии со схемой,
представленной на рис.4 в ТО на Р2-61. (См. Л.Р.№3)
8. Проверить КСВн волноводной нагрузки. входящей в состав прибора Р2-61,КСВн нагрузки должен быть не хуже величины, указанной на корпусе нагрузки. Это является одновременно проверкой работоспособности Р2-61 в режиме измерения КСВн.
9. Установить испытываемый аттенюатор в волноводный тракт Р2-61,свободный выход аттенюатора нагрузить на проверенную волноводную нагрузку из комплекта Р2-61.
10. Проверить КСВн испытываемого аттенюатора, в заданном диапазоне частот, при
двух крайних положениях поглощающей пластины, поочередно с обоих входов.
Результаты измерений КСВн представить в виде графических зависимостей КСВн от частоты.
11. В отчете по лабораторной работе представить Схемы рабочих мест по измерениям КСВн и Ослаблений на приборе Р2-61. (См. Л.Р.№3)
Должны быть также представлены выводы по результатам проведенных испытаний.
Контрольные вопросы:
1. Какие типы аттенюаторов Вы знаете?
2. Какие особенности имеются у коаксиальных и волноводных аттенюаторов?
Список литературы:
1.Чернушенко А.М.,Петров Б.В., Малорацкий лЛ.Г. и др.
Конструирование экранов и СВЧ устройств.
М.: Радио и свфзь, 1990 г.
2.Панорамный измеритель КСВн и ослаблений Р2-61 (ГКЧ-61, Я2Р-67) Техническое описание.
Лабораторная работа № 5
Исследование вентиля
Устройство, затухание которого зависит от направления движения волны через него, называют вентилем. Вентили нашли широкое применение в технике СВЧ. В частности, с помощью циркуляторов, в основе которых лежит вентиль, разделяют сигналы передатчика и приемника в радиолокаторах. С помощью вентилей осуществляют согласование. Они являются незаменимым элементом в целом ряде измерительных схем и приборов. Роль вентилей как элементов техники СВЧ трудно переоценить.
Цель работы: О знакомиться с основными положениями и основными свойствами вентиля. Параметры вентиля. Типы вентилей применительно к дециметровому и сантиметровому диапазонам. Расчет вентиля. Изучение методов измерения вентиля. Исследование образца вентиля в дециметровом диапазоне волн.
Порядок выполнения работы:
· изучить теорию вентилей, типы вентилей. Классифицировать и описать предложенный для исследования вариант вентиля;
· изучить методы измерения вентилей, предложенные для измерения приборы и оборудование. Собрать схему измерений;
· произвести измерение параметров. Результаты измерений занести в тетрадь. Представить полученные результаты в виде таблиц и графических зависимостей;
· сформулировать выводы по работе в целом;
· защитить отчет по работе.
Теоретические сведения
Устройства СВЧ типа «вентиль» строятся на основе феррита, в котором сочетаются магнитные свойства ферромагнетика и электрические свойства диэлектрика. В постоянном магнитном поле феррит является анизотропной средой, что позволяет использовать его для различных невзаимных устройств.
На примере взаимодействия поляризованной по кругу волны можно видеть, что если направление ее вращения совпадает с прецессией магнитного момента 
, то угол прецессии y увеличивается, его возрастание ограничивается магнитными потерями. В результате наступает режим y = const, при котором энергия высокочастотного магнитного поля рассеивается в виде тепла в кристаллической структуре феррита. При этом 
, где g = 2,21*105 (м/А*с) – гиромагнитное отношение.
Рис.1
Если частоты w и w0 не совпадают, то эффект взаимодействия уменьшается и потери в феррите снижаются. В случае противоположных вращений векторов 
и поглощения энергии не происходит. Величина магнитной проницаемости комплексна и можно записать выражения: 
, 
.
Схема изменения магнитной проницаемости показана на рис.2.
Рис.2
В случае линейной поляризации (сумма левого и правого вращений) это будет
проявляться в разных фазовых скоростях для волн левого и правого вращений:
; 
.
Происходит поворот плоскости поляризации волн, в чем и заключается эффект Фарадея.
Зависимость параметров ферритов от наряженности внешнего магнитного поля позволяет создавать управляемые СВЧ-устройства – переключатели, модуляторы, перестраиваемые фильтры, регулируемые фазовращатели и аттенюаторы.
Волноводное устройство, вносимое затухание которого зависит от направления движения волны через него, называют вентилем. Основные характеристики вентиля: затухание волн в прямом и обратном направлениях, полоса рабочих частот, уровень согласования, допустимая мощность передачи.
Вентили могут быть различными по конструкции и принципу действия. Следует отметить следующие типы вентилей:
1. Резонансные вентили - это волноводные устройства. В основе содержат прямоугольный волновод, пронизываемый магнитным полем Н0. В волноводе имеется ферритовая пластинка. Режим работы Нрез. = Н0, Df = (10-15)%.
2. Вентиль со смещением поля. Дополнительно к ферритовой пластинке вводится поглотитель. Режим работы Н0 < Нрез., Df = (20-25)%.
3. Вентиль, основанный на эффекте Фарадея. Круглый волновод, вдоль оси которого расположен тонкий ферритовый стержень, намагниченный в продольном направлении Н0: Н0 < Нрез. При распространении Н½½ поглощающая пластинка перпендикулярна напряженности электрического поля Е, и затухание минимально. При соответствующем выборе длины и диаметра ферритового стержня плоскость поляризации отраженной волны оказывается повернутой на 900 (450 в одну сторону и 450 для отраженной волны). В результате отраженная волна поглощается полностью. Достоинства: мала величина Н0, Df = (15-20)%. Недостаток: сложность и громоздкость конструкции.
4. Коаксиальные вентили. Особенностью этих вентилей является необходимость искажения поперечной ТЕМ волны до появления продольной составляющей Нz и чтобы результирующий вектор был поляризован по кругу. С этой целью коаксиальный волновод частично заполняют диэлектриком. Подбор пластины по форме и размерам позволяет обеспечить область круговой поляризации, где и размещают ферритовую пластину. Направление 
должно быть перпендикулярно плоскости, в которой вращается вектор , а величина Н0 должна соответствовать области ферромагнитного резонанса. В этих вентилях затухание в прямом направлении 1 – 1,5 дБ, затухание в обратном направлении 15 – 20 дБ. Df определяется шириной области ферромагнитного резонанса. Ниже на рис.3. схематично представлены описанные устройства.
a б
в
г д
Рис.3
Порядок выполнения лабораторной работы по исследованию волноводного вентиля типа Э6-44.
1. Ознакомиться с прибором Р2-61 по техническому описанию (ТО) 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 калибровки и измерения ослаблений в соответствии со схемой на рис.2 ТО на Р2-61. (См. Л.Р.№3)
3. Установить рабочий диапазон частот от 8.2 до 12.0 ГГц на приборе Р2-61 в соответствии с Порядком работы, указанном в ТО на этот прибор.
4. Произвести калибровку прибора Р2-61 в установленном диапазоне частот, в
соответствии с ТО на Р2-61:
- по уровню падающей мощности – при U=2,3 мВ;
- по уровню ослабления 0 дБ.
В процессе калибровки рабочий диапазон частот, в котором удается откалибровать прибор Р2 -61,может оказаться меньше установленного в п.5.2.3.
5. Установить исследуемый вентиль в волноводный тракт рабочего места по измерениям ослаблений в соответствии с рис.4 ТО на прибор Р2-61. (См. Л.Р.№3)
6. Произвести измерения ослабления волноводного вентиля Э6-44 в прямом (по
стрелке на корпусе вентиля) и обратном направлениях в установленном диапазоне
частот, в соответствии с ТО на Р2-61.
Результаты измерений ослабления вентиля Э6-44, в диапазоне частот представить в виде
графических зависимостей ослабления от частоты.
7. Собрать рабочее место для измерения КСВн в соответствии со схемой,
представленной на рис. 3 ТО на Р2-61. (См. Л.Р.№3)
8. Произвести измерение КСВн волноводной нагрузки из комплекта Р2-61,входящей в состав рабочего места. КСВн нагрузки должен быть не хуже величины, казанной на корпусе нагрузки. Это является одновременно проверкой работоспособности Р2-61 в режиме измерения КСВн.
9. Установить в волноводный тракт рабочего места по измерению КСВн исследуемый
вентиль. Выход вентиля нагрузить на проверенную волноводную нагрузку из комплекта
Р2-61.
10. Произвести измерения КСВн исследуемого вентиля с обоих его выходов в соот-
ветствии с ТО на Р2-61.
Результаты измерений КСВн представить в виде графических зависимостей КСВн от частоты.
11. В отчете по лабораторной работе должны быть представлены схемы рабочих мест по измерениям КСВн и ослаблений. Должны быть кратко представлены выводы по результатам проведенных измерений.
Контрольные вопросы:
1.В чем состоит отличие вентилей на эффекте Фарадея, вентилей на феррорезонансе и вентилей со смещением поля?
2.Как представить схематично вентиль со смещением поля на прямоугольном волноводе?
3.В каких частотных диапазонах используются различные вентили?
Список литературы:
1.Конструирование экранов и СВЧ устройств / А.М.Чернушенко,Б.В.Петров и др.
- М.: Радио и связь, 1990г.
2.Некоторые применения ферритов в антенно-волноводной технике./ Сборник сокращенных переводов из иностранных журналов под ред.А.Л.Микаэляна.
-М.: Сов.Радио, 1958 г.
3.Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. –М.: Физматгиз, 1960 г.
4. Тишер Ф. Измерения на сверхвысоких частотах. –М.:Изд-во ФМЛ, 1963 г.
5. Панорамный измеритель КСВ и фазы типа Р2-61 (ГКЧ-61, Я2Р-67)
Техническое описание.
6. Будурис Ж.,Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот. – М.: Сов. Радио, 1979 г.
Лабораторная работа № 6
