Владивосток
Издательство Дальневосточного университета
УДК 621.369
Настоящая работа содержит методические указания к выполнению лабораторной работы “длинная линия”.
Пособие предназначено для студентов физического факультета, изучающих спецкурс “Радиотехнические цепи и сигналы”.
Составитель - А.С. Абрамов, доцент кафедры электроники
Печатается по решению кафедры электроники
ИФИТ ДВГУ
ã Издательство
Дальневосточного
университета
2000.
ВВЕДЕНИЕ
Длинные линии широко применяются для передачи и задержки широкополосных сигналов, а также как колебательные и формирующие устройства в высокочастотной и импульсной технике. Конструктивно линия представляется двумя параллельными либо коаксиальными проводниками. Она характеризуется погонными параметрами (индуктивностью – L 1, емкостью - C 1, проводимостью изоляции - G 0 и сопротивлением потерь - R 1), которые относятся к единице длины линии и определяют такие ее свойства, как волновое сопротивление 
, граничную частоту линии 
= 
и удельную задержку 
. Волновое сопротивление линий, используемых на практике, обычно составляет 50-300 Ом, удельная задержка порядка 
и, соответственно, граничная частота около 1 ГГц. На практике применение длинных линий в их классическом варианте часто нецелесообразно из-за их громоздкости, поэтому широко используют так называемые искусственные линии, состоящие из цепочки LC-фильтров низких частот (ФНЧ). Физические процессы в таких линиях в основном те же, что и в двухпроводных линиях, но габариты их несравненно меньше. Вследствие этого, а также из-за возможности получения сравнительно низкой граничной частоты и простоты низкочастотных измерений в данной работе используется искусственная линия.
ЛАБОРАТОРНЫЙ МАКЕТ
Лабораторный макет искусственной линии содержит 41 Т-образное звено ФНЧ типа К с конденсаторами по 0.1 мкФ и индуктивными элементами размещенными на общем длинном каркасе. Такая конструкция линии обладает улучшенными частотными и фазовыми характеристиками благодаря индуктивной связи соседних элементов. Волновое сопротивление линии около 50 Ом. Отличительной особенностью используемого в данной работе макета является наличие специального табло, на котором качественно отражается электрическое состояние всей линии в различных режимах ее работы. Это позволяет наглядно представлять изучаемые явления и наблюдать их динамику, например, при изменении параметров сигнала, подаваемого в линию с генератора. Для изучения вопросов согласования линии с нагрузкой и точных количественных представлений состояния линии сделаны выводы от каждой ячейки, а для удобства изучения ряда наиболее важных стандартных режимов имеется набор внутренних нагрузок.
ЗАДАНИЕ
1. Снять распределение напряжения в линии при всех внутренних нагрузках.
Для этого на вход линии подать напряжение с генератора, имеющего выходное сопротивление 50 Ом, а напряжение в линии измерять высокоомным вольтметром. Частоту генератора выбрать такой, чтобы на табло укладывалось несколько полуволн. Для удобства сопоставления получаемых результатов рабочую частоту менять не следует при смене нагрузок. Амплитуду подаваемого напряжения для каждой нагрузки необходимо скорректировать перед измерениями так, чтобы индикаторы в табло не были перегружены. Результаты измерений оформить графически и объяснить наблюдаемые различия в распределениях напряжения по линии. По картинам стоячих волн определить усредненное значение удельной задержки. Рассчитать погонную (одной ячейки) индуктивность линии.
2. Измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) линии при RН = Z 0.
Построить график АЧХ и по нему определить граничную частоту линии и величину L 1. Сравнить полученное значение L 1 с найденным в предыдущем задании.
3. Исследовать резонансные свойства линии.
Вначале подключить ZН =0, а выходное сопротивление генератора установить 5 Ом. Меняя частоту от низшей в сторону увеличения, зарисовать огибающие стоячих волн напряжения в линии на резонансных частотах. Затем установить выходное сопротивление генератора 500 Ом и повторить вышеуказанные операции. Провести подобные исследования и для ZГ =500 Ом. Таким образом, должно быть получено 4 серии стоячих резонансных волн (по 4-5 картин в каждой серии), начинающихся каждая с основного (наиболее низкочастотного) тона. Объяснить условия, необходимые для возникновения стоячих резонансных волн и на основании этих условий объяснить факт несовпадения резонансных частот во всех сериях. Обратить внимание на поведение стрелки вольтметра генератора при подходе к резонансным частотам и постараться объяснить его.
4. Согласование линии с нагрузкой.
К выходным клеммам макета подключить RН < Z 0 (переключатель внутренних нагрузок поставить при этом в позицию ∞). В качестве согласующего 
отрезка можно использовать часть линии, примыкающей к нагрузке, но при этом необходимо изменить параметры ячеек так, чтобы волновое сопротивление реконструированного отрезка линии удовлетворяло уравнению 
. Требуемое ZТ можно получить, увеличивая C 1, т.е. подключив добавочные конденсаторы к уже имеющимся. Число ячеек, подлежащих реконструкции, необходимо определить для конкретной частоты (5-10 кГц), пользуясь индикацией. Снять распределение напряжения и найти КБВ в линии до и после согласования.
5. Исследовать переходной процесс в линии при импульсном воздействии.
К входу разомкнутой на конце линии подключить генератор прямоугольных импульсов с низким выходным сопротивлением, а к выходу – осциллограф. Длительность и частоту следования импульсов выбрать такой (десятки-сотни Гц), чтобы переходной процесс в линии от очередного перепада напряжения успевал закончиться до наступления следующего перепада. Зарисовать картину переходного процесса и определить по осциллограмме длительность затухающих импульсов. Устанавливая последовательно величину нагрузки ZН > Z 0 и ZН = Z 0 зарисовать осциллограммы соответствующих переходных процессов и объяснить их трансформацию при изменении нагрузки. По измеренной длительности импульсов определить удельную задержку в линии и сравнить с ранее найденным значением.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое длинная линия?
2. В чем заключается смысл погонных параметров и как их величина влияет на волновое сопротивление, граничную частоту и удельную задержку линии?
3. Какие условия необходимо выполнить для реализации режимов стоячих, бегущих и смешанных волн в длинной линии?
4. В чем сходство и отличие линии как колебательной системы от одиночных колебательных контуров. Указать область применения линий в качестве колебательных систем.
5. Как осуществляется согласование линии с нагрузкой с помощью четвертьволнового отрезка и с помощью реактивного шлейфа?
6. Объяснить работу линии в переходном режиме при импульсном воздействии. Как параметры линии и нагрузки влияют на характер переходного процесса?
ЛИТЕРАТУРА
1. Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей.-Л.:Энергия, 1972.
2. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-М.:Радио и связь, 1990.
3. Калашников А.М., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации (колебательные системы).-М.:Мин. Обороны, 1965.
Учебное издание
Абрамов Александр Семенович
ДЛИННАЯ ЛИНИЯ
Методические указания к лабораторной работе
В авторской редакции
Компьютерный набор и верстка
А.С. Абрамов
ЛР №020277. Подписано в печать 18.01.2000. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,46.
Уч.-изд. л. 0,36. Тираж 20 экз.
Издательство Дальневосточного университета
690600, г. Владивосток. ул. Октябрьская, 27.
_______________________________________________________________________
Отпечатано на копировально-множительной технике Canon
на кафедре общей физики ИФИТ ДВГУ,
690600, г. Владивосток. ул. Суханова, 8.