Элементы измерительного тракта

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Лебедев И.В., Леонов А.М., Бодров В.Н.

Лабораторная работа № 1

ВОЛНОВОДНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ

по курсу

Микроэлектроника СВЧ

(Продолжительность лабораторного занятия — 4, часа)

 

Москва 2017г.

 

Цель работы и объекты исследований

 

Целью работы является практическое изучение волноводной измерительной линии, ее применений и экспериментальная проверка основных положений теории волноводов.

Объектом исследований является волноводный тракт сантиметрового диапазона волн при различных режимах:

а) короткое замыкание;

б) согласованная нагрузка;

в) комплексная (произвольная) нагрузка.

Рекомендуемая литература: [1] § 3.7, 5.1, 5.6, 6.4, 7.2, 7.4, 8.7.

Следует обратить внимание на описания измерительного генератора и низкочастотного резонансного усилителя, используемых в работе.

 

Общие сведения

Длина волны λ_в в однородном волноводе произвольного сечения определяется уравнением

(1.1)

где λ длина волны в свободном пространстве, ε и μ — относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, заполняющей волновод, и λ_кр — критическая длина волны, зависящая от формы волновода, размеров его поперечного сечения и типа возбуждаемой в волноводе волны. При воздушном наполнении в уравнении (1.1) следует положить ε=μ=1.

Для волновода прямоугольного сечения значение критической длины волны λ_кр при волнах типов H_mn и E_mn можно рассчитать используя выражение

(1.2)

Здесь через a и b обозначены внутренние размеры сечения волновода (рис. 1.1). Числа m и n, определяющие тип волны, для электрических волн E_mn могут принимать значения 1, 2, 3,... Для магнитных волн типов H_mn допустимы также нулевые значения m и n.

Рис. 1.1 Волновод прямоугольного сечения

При отражении волны от оконечной нагрузки или от неоднородностей в волноводе устанавливается стоячая волна, которая характеризуется коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВ), равным

(1.3)

При незначительном отражении (хорошее согласование) коэффициент стоячей волны имеет значения 1,02—1,05. В случае полного отражения волны, например, при замыкании волновода проводящей поверхностью (КЗ), величина КСВ стремится к бесконечности.

Измерительная линия представляет собою отрезок волновода с щелью в середине широкой стенки и зондом, вводимым щель и передвигаемым вдоль оси волновода. Зонд связан с индикатором напряженности электрического СВЧ поля – измерительным усилителем.

Измерение распределения СВЧ поля вдоль волновода, осуществляемое с помощью передвижного зонда, позволяет определять не только коэффициент стоячей волны, но и длину волны λ_в в волноводе (рис. 1.2).

 

 

Рис. 1.2. Распределение напряженности электрического поля вдоль оси волновода при различных значениях ρ (коэффициента стоячей волны)

Таким образом, используя измерительную линию можно экспериментально проверить соотношение (1.1). Это, в свою очередь, позволяет исследовать дисперсию, т.е. зависимость λ_в от частоты f или от длины волны λ в свободном пространстве (λ = c/f, где с − скорость света).

Измеряя длину волны в волноводе λ_в можно одновременно определить фазовую скорость волны v _ф в волноводе, которая определяется соотношением

(1.4)

Отметим, что v _ф не связана с переносом энергии СВЧ поля, поэтому она отличается от скорости света и, как правило, превышает её.

 

Элементы измерительного тракта

Измерения величины КСВ и фазы стоячей волны в волноводном тракте позволяет определять характер неоднородностей, включаемых в волноводный тракт, и их полное (комплексное) сопротивление (или комплексную проводимость).

.

Рис. 1.3. Индуктивная (а) и емкостная (б) диафрагмы в волноводе

Прямоугольного сечения

 

В работе проводится измерение реактивной проводимости тонких метал­лических диафрагм, включенных в поперечной плоскости волновода перед согласованной нагрузкой. Эквивалентная схема, соответствующая такому включению, приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.3. Эквивалентная схема волноводного тракта с диафрагмой

 

Измерение полного сопротивления или проводимости нагрузки осуществляется путем измерения величины КСВ и фазы стоячей волны в волноводном тракте с использованием круговой диаграммы.

Нормированные (относительные) значения проводимости симметричных индуктивных B_L и емкостных B _C диафрагм могут быть рассчитаны с помощью формул (в отн. ед.)

	(1.5)
(1.6)

 

где а' и b' — размеры раскрыва (щелей) диафрагм (рис. 1.3). Используя уравнениями (1.5) и (1.6), можно сравнить расчетные и измеренные значения В_L и В_C исследуемых диафрагм.

Дополнительными элементами волноводного тракта установки являются:

- коаксиально волноводный переход;

- регулируемый поглощающий ослабитель;

- петлевой поворотный индикатора.

Петлевой индикатора позволяет получить информацию о направлении силовых линий высокочастотного магнитного поля в волноводе. Петлевой индикатора (рис. 1.4), вводится в волновод через его узкую стенку. При изменении положения плоскости петли можно на осциллографе наблюдать изменения амплитуды огибающей промодулированного СВЧ сигнала.

 

Описание экспериментальной установки

Работа выполняется на измерительной установке низкого уровня мощности сантиметрового диапазона волн. Принципиальная схема установки показана на рис. 1.4. В высокочастотном тракте установки используются элементы, построенные на базе стандартного прямоугольного волновода сечением 72х34 мм.

Источником СВЧ колебаний является генератор типа Г4-80 с механической перестройкой частоты. Генерируемые СВЧ колебания, модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом прямоугольной формы (меандром).

 

Частота амплитудной модуляции около 1 кГц. Для создания развязки между генератором и измерительным трактом используется невзаимный коаксиальный ферритовый вентиль. Сигнал генератора попадает в волноводный тракт через коаксиально волноводный переход.

Для регулировки уровня мощности в волноводном тракте используется поглощающий ножевой регулируемый ослабитель, включенный в тракт перед измерительной линией. Ослабитель состоит из отрезка волновода, внутри которого перемещается поглощающая пластина.

Волноводная измерительная линия типа Р1-7 (или ИВЛ-10) имеет подвижную каретку с зондом, связанным с полупроводниковым диодом детекторной головки. Настройка (согласование) детекторной головки с зондом обеспечивается при помощи настроечных элементов, требующих «регулировки» при изменении рабочей частоты. Огибающая тока детектора I _дет, показанная на рис 1.5, имеет переменную низкочастотную составляющую прямоугольной формы (меандр), что позволяет использовать низкочастотный резонансный усилитель типа У2-1А (28-ИМ), настраиваемый на первую гармонику выпрямленного СВЧ сигнала.

Рис. 1.5. Выделение переменной составляющей тока детекторной головки резонансным низкочастотным усилителем.

 

 

Для изучения структуры магнитной составляющей поля волны типа H ₁₀ в СВЧ тракт включен отрезок волновода с петлевым индикатором, который реагирует на напряженность магнитного поля. Индикатор содержит полупроводниковый диод и вводится в волновод через узкую стенку волновода. Сигнал с индикатора подается на вход осциллографа, на экране которого наблюдается огибающая СВЧ сигнала, имеющего форму меандра (рис. 1.5,в). При повороте петли индикатора можно наблюдать на экране изменение амплитуды сигнала. Таким образом, можно судить о направлении силовых линий магнитного поля и о наличии СВЧ мощности в волноводе.

Согласованная нагрузка, используемая в работе, состоит из отрезка волновода, содержащего клиновидный поглощающий материал (карбонильное железо).

Предварительное расчетное задание

 

1. Вычислить значения критических длин волн типов H ₁₀, H ₂₀, H ₁₁, H ₀₁, и E ₁₁ в прямоугольном волноводе сечением 34x72 мм. Определить диапазон частот, в котором может существовать только волна низшего типа H ₁₀.

2. Вычислить длину волны λ_в в волноводе того же сечения. Частота колебаний задается преподавателем.

3. Рассчитать реактивную проводимость одной из тонких плоских металлических диафрагм, включаемых перед согласованной оконечной нагрузкой. Размеры диафрагм а' и b' задается преподавателем. Рабочая частота берется согласно пункту 2.

4. Пользуясь круговой диаграммой, в полярной системе координат, определить величину КСВ в волноводе с диафрагмой, рассчитанной по пункту 3. На конце волновода включена идеальная согласованная нагрузка.

 

Измерение длины волны в волноводе

Измерение величины λ_в целесообразно вести при коротком замыкании волноводного тракта, когда обеспечивается наибольшая острота и глубина минимумов стоячей волны. При выбранной (заданной) частоте колебании следует произвести настройку детекторной головки измерительной линии до получения наибольшего отклонения стрелки прибора усилителя 28-ИМ. Одновременно усилитель должен быть настроен на частоту амплитудной модуляции генератора СВЧ сигнала.

Для повышения точности отсчета λ_в необходимо определить положения хотя бы двух минимумов стоячей волны. Для точного определения положения минимумов следует использовать свойства периодичности и симметрии картины поля стоячей волны. Другими, словами использовать симметрию картины поля слева и справа от минимумов стоячей волны. При этом определяются координаты двух соседних точек а, б и а ' б ', которым соответствуют одинаковые

Рис. 1.6. К определению длины волны в волноводе методом «вилки».

 

показания а,б; и а',б' (рис. 1.6) усилителя. Затем по этим координатам определяется положение соответствующих минимумов (точки А, Б, В). Такой метод получил название метода «вилки».

При определении координат точек а б, а' б' и др. следует работать при максимальном усилении (использовать декадный переключатель усилителя в положении «x l»), а показания прибора выбирать в пределах 30 − 50 делений шкалы прибора 28-ИМ.

Значение λ_в определяется удвоенным расстоянием между соседними минимумами стоячей волны. Для более точного отсчета следует определять положение трех или большего числа минимумов, как показано на рис. 1.6. Снятие по точкам всей кривой стоячей волны, показанной пунктиром на этом рисунке, в рассматриваемом случае не является обязательным.

 

Измерение КСВ и настройка детекторной головки

измерительной линии

При измерении коэффициента стоячей волны с помощью измерительной линии удобно выбирать уровень СВЧ мощности, при котором обеспечивается квадратичная зависимость выпрямленного тока I _дет от модуля напряженности Е электрического СВЧ поля:

(1.7)

В этом случае, с учетом (1.3), для определения КСВ можно использовать выражение

(1.8)

где I _{дет макс} и I _{дет мин} — показания измерительного усилителя 28-ИМ в максимуме и минимуме стоячей волны.

При измерении высоких значений КСВ целесообразно при неизменной частоте увеличивать СВЧ мощность, например, с помощью ножевого волноводного ослабителя. Одновременно производится переключение декадного переключателя усилителя 28-ИМ с положения «x100», «x1000»». Показания усилителя в максимуме стоячей волны удобно устанавливать, равными 100 делениям, т.е. на полную шкалу измерительного усилителя.

При всех выбранных значениях СВЧ мощности вычисление КСВ по уравнению (1.8) должно давать одинаковый результат. Однако при значительной мощности СВЧ сигнала ток детектора в максимуме стоячей волны может выходить за пределы квадратичного режима. В этом случае возникает погрешность, направленная в сторону занижения измеряемой величины КСВ.

 

Измерение полных проводимостей

В данной работе требуется определить нормированное значение полной (комплексной) проводимости Y_Н участка волноводного тракта, содержащего диафрагму с эквивалентной реактивной проводимостью «B» и включенной за ней оконечной поглощающей (активной) нагрузкой «G», т. е. величину Y_Н = G+ jB (см. рис. 1.3). В случае, когда на конце волноводного тракта включена «идеально» согласованная нагрузка можно полагать G = 1.

Для нахождения величины Y _н необходимо измерить КСВ и фазу стоячей волны при включенной диафрагме и согласованной оконечной нагрузке.

Для определения фазы стоячей волны следует удалить диафрагму (если она была установлена) и установить вместо неё короткое замыкание (КЗ). Затем с помощью зонда измерительной линии определяется положение одного из минимумов стоячей волны при КЗ, например, точки (сечение) А'Б' на рис. 1.8,а.

На следующем этапе вместо короткого замыкания устанавливается диафрагма, а на конце волноводного тракта включается согласованная нагрузка и определяется положение минимума стоячей волны (сечение В' Г') ближайшего (со стороны генератора) к генератору по отношению минимуму стоячей волны, который был определен при коротком замыкании (точки А'Б'). Полученные координаты позволяют определить смещение l _мин минимума стоячей волны при комплексной нагрузке по отношению положения минимума стоячей волны при КЗ, установленного на место диафрагмы. Как видно из рис. 1.8, величина l _мин равна расстоянию между сечениями А'Б' и В' Г'. Значение фазы,обусловленное реактивной составляющей исследуемой диафрагмы, определяется величиной l _мин/λ_в

Заключительный этап - нахождение по круговой диаграмме проводимостей нормированных значений реактивной и активной составляющих G и B комплексной проводимости Y_Н исследуемой нагрузки.При использовании круговой диаграммы проводимостей следует помнить, что искомое положение нагрузки на диаграмме должно находиться на линии постоянного КСВ, измеренного при установленной диафрагме. А геометрическим местом точек, соответствующим на диаграмме минимумам напряженности поля стоячей волны, является радиус (отрезок), соединяющий центральную точку на диаграмме (точку G = 1) и точку короткого замыкания, т.е. точку при которой G = ∞.

Таким образом, точка Y _н на круговой диаграмме получается поворотом по линии постоянного КСВ от точки С (сечение А'Б') в направлении к нагрузке (к сечению В' Г') на величину l _мин/λ_в.

Приведенное для примера на рис. 1.8,б построение соответствует определению проводимости индуктивной диафрагмы, за которой включена идеальная согласованная нагрузка G = 1. Отметим, что в современной аппаратуре, как правило, используются нагрузки, для которых G близко к единице.

Рис..1.8. К измерению полных проводимостей:

а — сопоставление картин распределения поля при включении в тракт реактивной диафрагмы и согласованной оконечной нагрузки с картиной поля при коротком замыкании, установленном в плоскости диафрагмы;

b — к определению Y нпо круговой диаграмме.

 

Порядок проведения работы и задание

1. Ознакомиться с аппаратурой, используемой в работе, обратив особое внимание на измерительную линию и СВЧ генератор. Описания измерительной линии, генератора и резонансного усилителя имеются в лабораторном практикуме.

2. Включить генератор СВЧ колебаний в режиме внутренней амплитудной модуляции. Освоить перестройку и отсчет частоты генерации, а также индикацию напряженности магнитного поля и мощности с использованием петлевого индикатора.

3. С помощью осциллографа провести исследование зависимости амплитуды огибающей СВЧ сигнала, снимаемого с петлевого индикатор и подаваемого на осциллограф, от глубины погружения индикатора в волновод и угла поворота плоскости петли. Установить, при каких положениях плоскости петли достигаются максимальные и минимальные амплитуды сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа.

4. Настроить генератор с максимально возможной точностью на одну из частот, заданных для проведения предварительного расчета (по согласованию с преподавателем).

5. Произвести измерение длины волны λ_в в волноводе на частоте, установленной в пункте 4. С этой целью в тракт включить короткозамыкающую пластину (КЗ) и настроить детекторную головку измерительной линии по максимуму показаний прибора усилителя 28-ИМ. Уровень мощности в волноводном тракте, должн быть (по возможности) такой, чтобы показания усилителя 28-ИМ в максимумах стоячей волны составляли 100 делений прибора при положении «х1000» декадного переключателя усилителя. Регулировать уровень мощности можно, используя ножевой поглощающий ослабитель

Для повышения точности определения λ_в, следует использовать метод «вилки», описанный выше, и определять с максимально возможной точностью, положение трех минимумов стоячей волны. При приближении зонда к минимуму стоячей волны следует производить последовательно переключение декадного переключателя усилителя на боле чувствительные пределы «х 100», «х 10» и «x l».

6. Измерить КСВ при коротком замыкании. Обратить внимание на равномерность стягивания фланцев и на отсутствие щелей, которые могут исказить измеряемую величину КСВ.

7. Установить в тракт вместо короткого замыкания диафрагму между измерительной линией и согласованной нагрузкой. При частоте колебаний, соответствующей пунктам 4,5, для одной из диафрагм (по указанию преподавателя) определить КСВ комплексной нагрузки.

8. При той же частоте СВЧ колебаний произвести измерение реактивной проводимости диафрагмы, использованной при выполнении пункта 5. Значение КСВ заимствовать из п. 7.

Для нахождения проводимости диафрагмы в процессе измерении фазы стоячей волны следует определить с максимальной точностью положение минимума стоячей волны, ближайшего (со стороны генератора) к одному из минимумов, полученных ранее при опыте с коротким замыканием (КЗ). Измерить и записать размеры исследованной диафрагмы.

После выполнения измерений определить нормированную проводимость диафрагмы с помощью круговой диаграммы. Показать преподавателю результаты измерений и только после этого можно переходить к выполнению следующего пункта задания.

9. При той же частоте колебаний произвести измерение реактивной проводимости второй диафрагмы.

10. Снять дисперсионную характеристику волновода λ_в= f (λ). Для этого отключить диафрагму и согласованную нагрузку и расположить на открытом конце волноводного тракта короткозамыкающую пластину. Поочередно настраивая генератор на ряд частот в пределах полосы от 2,4 до 3,6 ГГц и, производя соответствующую подстройку измерительной линии, снять и построить по 5—7 точкам указанную зависимость.

11. Расположить на конце тракта согласованную нагрузку без диафрагмы и, перестраивая СВЧ генератор в пределах полосы пропускания волновода, снять и построить по 5—6 точкам диапазонную характеристику КСВ согласованной нагрузки.

 

Составление отчета по проделанной работе

1. Начертить блок-схему СВЧ тракта с учетом конкретных особенностей использованной установки; указать типы использованных приборов.

2. Описать результаты исследования структуры СВЧ магнитного поля в волноводе с помощью петлевого индикатора.

3. Привести результаты настройки генератора на рабочую частоту.

4. Привести результаты измерения длины волны λ_в при рабочей частоте. Рассчитать величину λ_в по известным размерам сечения волновода при той же частоте (если это не входило в предварительный расчет). Сравнить расчетное и экспериментальное значения λ_в

5. Описать ход и результат измерения реактивной проводимости диафрагмы. Произвести расчёт реактивной проводимости диафрагмы при реальных ее размерах (если размеры диафрагмы, заданные в предварительном задании, совпадают с реальными, следует воспользоваться ранее сделанным расчетом).

6. Построить экспериментально полученную дисперсионную характеристику волновода λ_в= f (λ). Рассчитать и построить на том же графике теоретическую дисперсионную характеристику по известным размерам сечения волновода.

7. По результатам измерения КСВ оконечной нагрузки (без диафрагмы) построить диапазонную характеристику КСВ нагрузки ρ= f (λ). Оценить влияние имеющегося рассогласования нагрузки на результаты измерения реак­тивной проводимости диафрагмы.

8. Дать письменное заключение по проделанной работе, обратив внимание на:

- структуру поля исследуемой волны с учетом наблюдения с помощью петлевого индикатора;

- характер дисперсии волновода, полученный в ходе работы, и сравнение его с теорией;

- сравнение расчетных и измеренных значений λ_в и объяснение возможных причин расхождений;

- сравнение расчетных и измеренных значений нормированных проводимостей диафрагм и объяснение возможных расхождений.

 

Контрольные вопросы к работе № 1

1.Объяснить устройство и принцип действия:

а) волноводной измерительной линии, использованной в работе;

б) регулируемого поглощающего ослабителя;

в) коаксиально-волноводного перехода;

г) измерительного генератора.

2.Объяснить последовательность измерения длины волны в волноводе и свойства стоячих волн.

3.Объяснить последовательность измерения реактивной проводимости диафрагмы и использование круговой диаграммы при определении нормированного значения реактивной проводимости.

4.Что принято называть квадратичным детектором. Зачем нужна и что дает квадратичная характеристика диода?

5.Объяснить назначение низкочастотной модуляции СВЧ сигнала и применение резонансного усилителя.

6.Объяснить применение короткого замыкания волновода при измерении реактивной проводимости диафрагмы.

7.Объяснить, в каком диапазоне частот и длин волн может использоваться волновод, примененный в данной работе для работы на одном из типов волн Н ₁₀ или Н ₀₁.

8.Построить и объяснить с помощью круговой диаграммы картину распределения напряженности электрического поля вдоль волновода с диафрагмами, использованными в данной работе.

9.Какова структура электрического и магнитного полей в коаксиальной линии и в исследованном волноводе при волне типа Н ₁₀?. Как подтверждается структура поля с помощью петлевого индикатора?

10. Как учитывается структура электрического и магнитного полей в конструкциях волноводных элементов: измерительная линия; ножевой поглощающий ослабитель, коаксиально волноводный переход?

11. Каково значение фазовой скорости волны Н ₁₀ в исследованном
волноводе и как она зависит от частоты?

12. Как может повлиять рассогласование нагрузки на точность измерения проводимости диафрагмы?

13. Каково направление токов в стенках исследованного волновода и как оно учитывается в конструкциях волноводных элементов, использованных в данной работе?

14. Объяснить назначение ферритового вентиля в исследуемой установке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот, т. 1. 2-е издание.— М.: Высшая школа. 1970г.