МУ к лаб.раб. - Новгородский государственный университет

Федеральное агенnство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт электронных информационных систем
Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Дисциплина по направлению 210200 «Проектирование и технология ЭС»
и специальности 210201 - «Проектирование и технология РЭС»
Сборник лабораторных работ
Руководство
2
УДК 621.372.85
Техническая электродинамика : Сборник лабораторных работ : Методические
указания / Сост. М.И.Бичурин ,В.М.Петров; НовГУ – Новгород, 2005.
Представлены руководства и методика выполнения лабораторных работ по
дисциплине для направления 210200 и специальности 210201.
Табл. 10 , библиогр.12 назв.
Одобрено на заседании кафедры ПТР
Протокол №
от
2005 года
Зав.кафедрой
Бичурин М.И.
3
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт электронных информационных систем
Кафедра “Проектирование и технология радиоаппаратуры”
Исследование конструкций
неоднородностей волноводного тракта
Лабораторная работа № 1.
4
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Анализ конструкций различных неоднородностей волноводного тракта и их
электрических характеристик.
1.2 Расчет и экспериментальная проверка зависимости электрических характеристик
неоднородностей тракта от конструктивных параметров в заданном диапазоне частот.
2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
2.1 На практике часто приходится иметь дело со сложными волноводными
устройствами, в которых форма волновода скачкообразно изменяется, волноводы
разветвляются, изгибаются и т.д. Внутри волноводов располагаются стержни, диафрагмы
и другие неоднородности. Неоднородность искажает первичное поле волновода.
Образуется ряд быстродействующих колебаний высшего типа. Благодаря запасу энергии в
высших типах колебаний неоднородность ведет себя как реактивное, сопротивление.
Неоднородность эквивалентна емкости, если энергия в месте неоднородности, запасенная
электрическим полем, превышает энергию магнитного поля. Если же энергия, запасенная
магнитным полем, превышает энергию электрического поля, то неоднородность
эквивалентна индуктивности.
В случае равенства этих энергий наступает резонанс, и сигнал беспрепятственно,
проходит по волноводу. Эквивалентность неоднородности элементам с сосредоточенными
параметрами возможна лишь в ограниченном диапазоне частот. Этот диапазон тем
больше, чем меньше геометрические размеры неоднородности по сравнению с рабочей
длиной волн. При приближении размеров неоднородности к рабочей длине волны
меняется соотношение между накопленной электрической и магнитной энергиями, что
вызывает изменение величины и даже характера эквивалентного сопротивления.
Основными параметрами волноводных неоднородностей являются:
а) полное сопротивление - Z H (определяется геометрией волновода, СВЧ элемента);
б) комплексный коэффициент отражения от входа элемента –  ;
в) комплексный коэффициент передачи – T .
Полное сопротивление неоднородности равно:
1 
ZH  R H  jX H  Z0
,
(1)
1 
где
Z0 - волновое сопротивление волновода,
RН и ХН - активная и реактивная составляющие полного сопротивления
неоднородности соответственно.
Если в неоднородности и в стенках волновода отсутствуют потери, то ZН имеет чисто
реактивный характер.
2.2 Диафрагмы в волноводе
Диафрагмами называются металлические перегородки, частично перекрывающие
поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе в основном применяются
следующие диафрагмы симметричная емкостная, симметричная индуктивная и
резонансная (резонансное окно) - рис.1, а-в.
Емкостная диафрагма уменьшает зазор между краями диафрагмы, происходит
концентрация силовых линий электрического поля и сосредотачивается некоторый запас
5
реактивной энергии. Продольные токи, текущие по широким стенкам волновода, частично
ответвляются на пластинки диафрагмы и замыкаются в виде токов смещения в зазоре.
ib=j
C
b b
a
а)
ib 
b
1
jL
a
a
б)
b b
C
L
a
a
в)
Рисунок 1
Поэтому эквивалентной схемой является сосредоточенная емкость, включенная
параллельно между проводниками двухпроводной линии (рис.1а). Нормированная
реактивная проводимость емкостной диафрагмы определяется геометрией и равна
bC 
4b 
 b  
ln cos ec 
 .
b 
 2b  
(2)
В случае индуктивной диафрагмы (рис.1,6) продольные токи на противоположных
широких стенках волновода частично замыкаются через диафрагмы, соединенные с этими
стенками. От токов, текущих по пластинкам диафрагмы, концентрируется магнитное
поле. Поэтому эквивалентной схемой будет сосредоточенная параллельная
6
индуктивность. Нормированная проводимость индуктивной диафрагмы зависит от
геометрии и равна:
bL  
b
 a  
ctg 2 
.
a
 2a 
(3)
Емкостная и индуктивная диафрагмы применяются в основном в качестве
согласующих устройству также при построении волноводных фильтров и некоторых
типов замедляющих систем.
Наряду с реактивными диафрагмами в технике СВЧ широко применяются
резонансные окна (рис.1,в) - металлические перегородки с отверстиями, обладающие
малым коэффициентом отражения на резонансной частоте f0 (резонансной длине волны
0). 0кно может закрываться тонкой диэлектрической пластиной. Такие диафрагмы
позволяют разделить волновод на две части - вакуумную и невакуумную, не нарушая
распространения волн по волноводу. Резонансная длина волны при заданных а, b, a и b
находится из соотношения (4):
 ba 
1 

a b 


.
 0  2a
2
 b 
1  
b
2
(4)
Минимально возможный размер a , удовлетворяющий условию согласования, равен
половине длины волны в свободном пространстве. В этом случае величина b обращается
в нуль. Это значит, что в принципе отражение волны должно отсутствовать, если окно
имеет исчезающе малую высоту b и размер a , близкий к /2.
2.3 Реактивные штыри в волноводе
В качестве согласующих и трансформирующих устройств широко используются
реактивные штыри в волноводе.
Индуктивный штырь - металлический проводник круглого сечения, установленный в
поперечном сечении волновода по направлению силовых линий электрического поля и
соединенный с обоих концов с широкими стенками волновода (рис.2,а). Действие штыря
эквивалентно включению шунтирующей индуктивной проводимости. В эквивалентную
схему включены два последовательных сопротивления емкостного характера,
учитывающие конечную толщину штыря. Нормированное значение проводимости
индуктивного штыря равно:
bL  
2s

a
1
 a    2a
 a   
2  cos ec 
  ln   sin 

 a   r
 a 
.
(5)
2
Емкостной штырь (рис.2,б) представляет собой металлический проводник,
установленный в поперечном сечении волновода по направлению силовых линий
электрического поля и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода. Длина
емкостного штыря выбирается меньше, чем /4. Токи проводимости на штыре переходят в
токи смещения на зазоре, чем обусловлена емкостная проводимость штыря.
7
Нормированная проводимость емкостного штыря, расположенного в средней
плоскости волновода, может быть рассчитана по формуле:
S
,
(6)
bC 
2
 1 
     s  
  s       1   2a 
где параметры s - резонансная длина волны штыря и коэффициент S определяются из
графика (см. рис. 2,в). Конструктивно ёмкостной штырь удобно изготавливать в виде
винта, ввёртывающегося в широкую стенку волновода. Два или три таких штыря,
размещённых вдоль волновода на фиксированных расстояниях, образуют удобное
перестраиваемое согласующее устройство.
ibC
2r
ibC
b
ib
L
a
a
а)
iXC
iX
b
b
C
iB
a
C
a
б)
Рисунок 2
8
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Описание экспериментальной установки
Экспериментальное исследование полных проводимостей (или сопротивлений)
неоднородностей тракта производится с помощью лабораторной установки, блок-схема
которой показана на рис. 3.
Основными элементами лабораторной экспериментальной установки являются:
генератор (1), воспроизводящий электромагнитные колебания длиной волны около 3 см.
1
2
4
5
3
Рисунок 3 - Структурная схема измерительной установки.
1
2
3
4
5
- генератор СВЧ,
- измерительная линия,
- индикатор,
- исследуемая неоднородность,
- согласованная нагрузка.
По прямоугольному волноводу колебания поступают на измерительную линию (2), с
помощью которой определяют коэффициент стоячей волны (КСВ) и полную
проводимость неоднородности.
Сигнал с зонда измерительной линии подается на индикатор (3).
В работе исследуется несколько неоднородностей в виде диафрагм и штырей,
вставленных в отрезок волновода.
3.2 Градуировка детекторной головки
Для проведения точных измерений необходимо знание характеристики СВЧдетектора на рабочем участке, поскольку известно, что при токах через детектор – до 50
мкА характеристика квадратичная (I=kU2), a при больших токах – линейная (I=kU).
При квадратичной характеристике детектора значение КСВ по показаниям индикатора
вычисляется из отношения:
E
 max
КСВ  max 
,
(7)
E min
min
где  max и  min - показания индикатора в точках максимума и минимума соответственно.
Если характеристика линейная, то:

КСВ  max .
(8)
 min
Для градуировки детектора удобно использовать метод стоячей волны, который
заключается в проверке известного положения: в линии, замкнутой на одном конце,
9
возникает чисто стоячая волна. При этом распределение поля вдоль линии изменяется по
закону:
Ez
2
(9)
 sin
z,
E z max
b
где
E z max - максимальная напряженность электрического поля,
z - расстояние вдоль линии от замкнутого её конца или от любого узла
напряженности электрического поля до рассматриваемой точки.
Очевидно, что при линейной характеристике детектора показания индикатора
пропорциональны E z :
  k1 E z  k1 sin
2
z,
b
(10)
при квадратичной характеристике:
 2   
2
(11)
  k 2 E z  k 2 sin 2   z  .
  b  
Поскольку в измерительной технике обычно реализуется случай малых токов, то на
основании (11) устанавливаем способ проверки квадратичности характеристики
детектора. Измеряя показания прибора  для z , лежащих в области 0b/4, и вычисляя

2 
2
sin 2
z b для этих значений построим график   f  sin 2
z  . Если построенная
b

b


зависимость линейна, то, можно утверждать, характеристика СВЧ детектора квадратична.
3.3 Методика измерения параметров неоднородностей
Измерение полных проводимостей неоднородностей тракта проводится следующим
способом. Измерительная линия нагружается короткозамкнутой секцией и отмечается
положение узла поля в линии. Затем взамен короткозамыкающей секции включается
исследуемая неоднородность, нагруженная на согласованную нагрузку. При этом
необходимо следить за тем, чтобы место включения неоднородности совпадало с местом
положения короткозамыкателя. Отмечается положение узла в линии и измеряется
величина КСВ. Для всех неоднородностей определяются величины:  l/b=(lH-lК.З.)/ b и
КСВ, что позволит с помощью круговой диаграммы полных сопротивлений найти
значения проводимостей.
Величина смещения  l считается положительной, если минимум при к.з. по
отношению к минимуму при нагрузке смещается в сторону генератора, и отрицательной,
если минимум смещается в сторону нагрузки.
Рисунок 4
10
Порядок определения проводимости покажем на примере.
Пусть измеренный КСВ равен 1,2. Минимум напряжения при закорачивании линии
смещается в сторону генератора на 0,12 длины волны  b относительно минимума при
включенной нагрузке. Для вычисления искомой полной проводимости нагрузки
поступаем следующим образом.
На диаграмме по шкале “длины волн к генератору” от точки, где проводимость равна
 (к.з.), откладываем 0,12. На шкале это соответствует делению 0,37 (0,25+0,12=0,37).
Соединяем найденную точку с центром и далее находим точку пересечений проведенной
прямой с окружностью постоянного КСВ=1,2. Точка пересечения определяет величину
проводимости в относительных единицах.
Снося эту точку на вертикальную ось по линии активной составляющей и на
внешнюю окружность по линии реактивной составляющей получаем:
g  1,02 , b  0,18 , Y  1, 02  j0,18 .
Y0
Y0
При волновом сопротивлении линии z0 =75 ом
Y  1,02
 j 0,18 .
75
75
Длина волны  определяется непосредственно на линии, как удвоенное расстояние
между двумя соседними минимумами. Волновое сопротивление линии Z0 в волноводных
трактах изменяется с частотой, и поэтому его надо вычислять для каждой рабочей
частоты, на которой производится измерение.
Для волны H10

377
Z0 
,
2

0 

1 

 2a 
0 - длина волны в воздухе;
а - ширина волновода;
,  - магнитная и диэлектрическая проницаемость среды заполняющей волновод.
Для волноводов с воздушным заполнением  и  равны 1.
где
4 ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
4.1 Проверить характеристику кристаллического детектора. Установить частоту
генератора f.
4.2 Произвести измерение проводимостей неоднородностей волноводного тракта.
4.3 Исследовать резонансные диафрагмы в полосе частот. Определить их
характеристики.
4.4 Согласовать расчетные (табл.1) и экспериментальные зависимости электрических
характеристик неоднородностей волноводного тракта от конструктивных параметров
(геометрия неоднородности, местоположение в волноводе).
11
Таблица 1
Вид
неоднородности
Индуктивная
диафрагма
Емкостная
диафрагма
Индуктивный
штырь
Емкостной штырь
Резонансная
диафрагма
1
15,0
№ неоднородности и размер в мм
2
3
4
5
6
16,0
17,0
18,0
18,5
21,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
7,5
2/1
3,5/1
5,0/1
7,0/1
9,0/1
11,5/1
I/ I
16/3
2/1
17/4
3/1
18/5
4/1
19/6
5/1
20/7
6/1
21/8,5
5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
5.1 Цель работы, краткое описание измерительной установки, методы измерений.
5.2 Результаты измерений и расчетов в виде таблиц.
5.3 Графики зависимостей (экспериментальные и расчетные) проводимости от
конструктивных параметров для различных неоднородностей.
5.4 Погрешности проведенных измерений.
5.5 Выводы по результатам работы.
6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1 Как настроить и отградуировать детекторную секцию измерительной линии?
6.2 С какой целью согласовывают генератор СВЧ и измерительную линию?
6.3 Объяснить зависимость реактивной и активной составляющих проводимости от
геометрии для различных неоднородностей волноводного тракта.
6.4 Привести и объяснить эквивалентные схемы неоднородностей волноводного
тракта.
.
12
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт электронных информационных систем
Кафедра “Проектирование и технология радиоаппаратуры”
Исследование конструкций
микрополосковых шлейфных направленных ответвителей
Лабораторная работа № 3.
13
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Измерение рабочих характеристик микрополосковых шлейфных направленных
ответвителей в заданном диапазоне частот.
1.2 Анализ зависимости электрических параметров ответвителей от конструктивнотехнологических факторов.
2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
Направленным ответвителем (НО) принято называть восьмиполюсник, служащий для
направленного ответвления энергии. Линию передачи НО, по которой проходит
наибольшая мощность, будем называть первичной, а линию, в которую ответвляется часть
энергии -вторичной.
В шлейных НО, топология и схема которого показана на рис.1, элементами связи
между двумя линиями передачи служат шлейфы (отрезки линий). Длина шлейфов и
расстояние между ними берутся равными четверти длины волны, определенной в
микрополосковой линии.
Направленность достигается за счет интерференции электрических волн,
возбужденных во вторичной линии. Поскольку линии одинаковы и электрическое

расстояние между элементами связи в обеих линиях равно B , то в плечо 2 придут две
4
одинаковые по амплитуде противофазные волны, и произойдет полное уничтожение поля.
Волны, идущие в плечо 4, будут синфазны и сложатся.
Основные рабочими характеристиками шлейфных НО являются: переходное
ослабление (или связь), направленность, развязка, коэффициент деления мощности,
рабочее затухание в первичной линии, КСВН (согласование плеч ответвителя с
подводящими линиями) фазовые соотношения для волн в выходных плечах.
Переходное ослабление (или связь) определяется [1] в дб как отношение входной
мощности первичной линии к выходной мощности рабочего плеча вторичной линии.
Например, для двухшлейфного НО, показанного на рис.1, переходное ослабление равно:
P
C14  10 lg 1 (дб).
(1)
P4
Направленностью называют выраженное в дб отношение мощностей на выходе
рабочего и нерабочего плеч вторичной линии. Для того же примера направленность
определяется:
P
(2)
C 42  10 lg 4 (дб).
P2
Развязка определяется в дб как отношение входной мощности первичной линии к
выходной мощности нерабочего плеча вторичной линии. В случае двухшлейфного НО
(рис.1) развязка равна:
P
C12  10 lg 1 (дб).
(3)
P2
Коэффициент деления мощности определяется:
C  C14  C13 .
(4)
Рабочее затухание первичной линии выражается в дб и определяется отношением
мощностей на входе и выходе первичной линии. Для НО (рис.1):
14
C13  10 lg
P1
.
P3
(5)
3
1
1
W
W
W
0
2
0
P3
1
P1
W
W
1
1
W
1 /4
Y1
3
Y1
2
0
4
Y2
4
P4
W
W
0
Y2
2
2
 2 /4
Рисунок 1 - Топология двухшлейфного НО
Согласование шлейфных НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН,
измеряемым со стороны входного плеча НО, в то время как к остальным плечам
подключены согласованные нагрузки. Значение переходного ослабления и фазовые
соотношения между выходными волнами напряжений существенно отличаются для
различных типов НО. В зависимости от величины переходного ослабления НО делятся на
устройства с сильной связью (С14=0+10 дб) и слабой связью (С14>10 дб). НО, имеющие
равные мощности в выходных плечах (C14=3,01 дб), выделены в особый класс соединений,
называемых гибридными (гибридами) или трехдецибельными.
Рисунок 2 - Топология трехшлейфного гибридного НО
Шлейфные НО относятся к квадратурным устройствам с сильной связью (разность
фаз волн напряжений в выходных плечах равна 90°, переходное ослабление - порядка
0+10 дб). Переходное ослабление и параметры согласования определяются соотношением
волновых сопротивлений отрезков линий ответвителя. Направленность и диапазонные
характеристики шлейфных НО улучшаются с увеличением количество шлейфов n. Однако
15
при большом числе шлейфов (n>3) увеличивающиеся волновые сопротивления внешних
шлейфов не могут быть реализованы в микрополосковой конструкции. На рис.2 показана
топология трехшлейфного НО.
Анализ НО, проведенный методом зеркальных отображений 1, позволяет получить
расчетные соотношения для рабочих характеристик. В случае двухшлейфного НО (рис.1)
при наличии идеального согласования найдена связь между нормированными волновыми
проводимостями шлейфов:
Y12  Y22  1 ,
(6)
z
z
1
1
где Y1  , 1  1 , Y2  , 2  2 ,
z0
1
z0
2
1 и 2 - нормированные волновые сопротивления шлейфов и соединительных линий,
z0, z1, z2 - волновые сопротивления шлейфов, соединительных и подводящих
микрополосковых линий соответственно.
Для переходного ослабления получено:

1 
(7)
Ń14  10lg 1  2  , (дб);
 Y1 
рабочего затухания:
Ń13  10 lg 1  Y12  , (дб);
(8)
коэффициента деления мощности:
C  10 lg Y12 .
(9)
В частном случае, когда Y1=1, Y2  2 , двухшлейфный НО является гибридным
соединением (C13=C14=3,01 дб). Аналогичные соотношения приведены в [1] и для
трехшлейфных НО.
Учет неидеальности шлейфов l  
и неточности изготовления топологической
4
схемы (разброс W1 и W2 ) позволяет расcчитать частную и “технологическую”
зависимости рабочих характеристик шлейфных НО.


3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные исследования производятся на установке, предcтавленной на
рис.3.
В данной работе необходимо измерить основные рабочие характеристики двух- и
трехшлейфных НО в диапазоне частот, указанном преподавателем. При измерении
характеристик ослабления, перечисленных в разделе 2, к свободным плечам НО
необходимо подключить согласованные нагрузки. Измерение KСВH входных плеч НО
производится обычным способом с помощью измерительной линии.
переход
III
генерато
р
СВЧ
вентил
ь
измерит
.
линия
измерит
.
прибор
переход
I
НО
переход
II
детект.
секция
Рисунок 3 - Структурная схема установки
согласо
в.
нагрузк
а
переход
IV
согласо
в.
нагрузк
а
16
4 ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
4.1 Вычислить топологию двух- и трехшлейфных НО для ряда переходных
ослаблений (3 дб, 6 дб, 10 дб) при следующих исходных данных: материал - ситалл CT-501 (=8,2; tg=5010); f0=3000 МГц (10000 МГц); Z0 =50 ом, h=1мм (0,5 мм).
4.2 Вычислить частотную (полоса частот равна 10%) и "ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ" (шаг
неточности равен 50 мкм) зависимости рабочих характеристик шлейфных НО. Тип НО
для расчета согласовать с преподавателем.
4.3 Измерить основные рабочие характеристики двух- и трехшлейфных НО.
5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
5.1 Цель работы, краткое описание измерительной установки, методика измерений.
5.2 Результаты измерений и расчетов в виде таблицы.
5.3 Эскиз топологии двух- и трехшлейфного НО.
5.4 Графики частотной и "технологической" зависимостей рабочих характеристик НО
(расчет и эксперимент).
5.5 Погрешности проведенных измерений. Анализ расчетных и экспериментальных
результатов.
6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1 Поясните принцип работы двух- и трехшлейфного НО.
6.2 Каким образом рассчитывается частотная зависимость рабочих характеристик
шлейфных НО. Привести пример расчета.
6.3 Указать способы повышения диапазонных свойств шлейфных НО.
6.4 Пояснить методику построения "технологической" зависимости рабочих
характеристик шлейфных НО.
6.5
Сформулировать
требования
и
точности
изготовления
топологии
микрополосковых шлейфных НО.
6.6 Привести примеры применения МП шлейфных НО в конструкциях СВЧ.
17
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт электронных информационных систем
Кафедра “Проектирование и технология радиоаппаратуры”
Исследование конструкций
ферритовых СВЧ устройств
Лабораторная работа № 2.
18
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Анализ конструкций и основных характеристик ферритовых вентилей и
циркуляторов.
1.2 Экспериментальное исследование зависимости выходных электрических
характеристик ферритовых СВЧ устройств от их конструктивных параметров.
2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
2.1 Электрические характеристики ферритовых СВЧ устройств
Вентилем (или изолятором) в технике СВЧ называют четырехполюсник, обладающий
тем свойством, что величина вносимого им затухания зависит от направления движения
волны через вентиль. Основными электрическими характеристиками ферритовых
вентилей являются:
а) диапазон рабочих частот;
б) прямые ( вносимые) потери – Lпр;
в) обратные потери (развязка) – Lобр;
г) КСВ.
Для применяемых ферритовых СВЧ вентилей характерны следующие значения
параметров: Lпр=0,1-1 дБ; Lобр=10-70 дБ; вентильное отношение R=Lобр/Lпр всегда больше
10; КСВ  1,25.
Циркулятором называется ферритовое устройство, в котором движение потока СВЧ
энергии происходит в строго определенном направлении, зависящем от ориентации
внешнего магнитного поля, намагничивающего феррит. Основные электрические
параметры ферритовых циркуляторов:
а) Lпр - прямые потери (0,1  1 дБ);
б) Lобр - развязка между каналами (20  40 дБ);
в) КСВ (  1,25).
2.2 Ферритовые вентили
Ферритовые вентили используют в качестве широкополосных согласующих
устройств, которые прямую волну пропускают с малыми потерями, а обратную - с
большим затуханием. На рис.1 а,б представлены эскизы резонансного вентиля и вентиля
на смещении поля.
Резонансный ферритовый вентиль работает на основе явления поперечного
ферромагнитного резонанса - резонансного поглощения "необыкновенной" волны при
определенном значении поперечного постоянного магнитного поля Нрез  .
Необыкновенной волной называют волну, у которой вектор электрического поля Е
параллелен вектору постоянного магнитного поля Н0 , а магнитное поле эллиптически
поляризовано в плоскости, перпендикулярной Н0.
Рассмотрим волновод, в котором распространяется волна Н10 вдоль оси X. Эта волна
имеет 3 составляющие:
H x  H 0 cos
y
,
a
19
Hy  j
a
y
,
H 0 sin

a
Ez   j
(1)
 0 a
y
H 0 sin
.

a
Рисунок 1 - Конструкции ферритовых вентилей:
а) резонансный вентиль; б) вентиль на смещении поля.
Составляющие H x и H y взаимно перпендикулярны, сдвинуты по фазе на 90° и имеют
различное распределение по оси У. При у=0 и y=a поле поляризовано линейно вдоль оси
волновода ( H y  0 ), при y=0,5а оно также поляризовано линейно, но перпендикулярно оси
( H x  0 ), а в промежуточных положениях - эллиптически. В сечениях вблизи
20
y  0, 25a  y  0, 75a магнитное поле поляризовано по кругу, причем в левой половине
волновода ( y  0, 5a ) поляризация положительная (относительно H 0 ), а в правой отрицательная. Точное положение круговой поляризации определяется равенством
H x  H y и меняется с изменением частоты. Волну с линейной или эллиптической
поляризацией можно разложить на две: с круговой поляризацией и противоположным
вращением векторов. Поэтому только в двух положениях магнитное поле имеет чисто
круговую поляризацию одного направления.
Феррит взаимодействует только с волной положительного направления вращения.
Поэтому максимально феррит воздействует на волну в волноводе в сечении y  0, 75a .
Здесь и должна быть помещена ферритовая пластинка. Наоборот, в сечении y  0, 25a
взаимодействие почти отсутствует.
Для обратной же волны, распространяющейся в направлении – Х, поле с
положительной круговой поляризацией находится в сечении y  0, 25a , а в сечении
y  0, 75a , где помещена пластина, поляризация отрицательна, т.е. обратная волна с
ферритом не взаимодействует. Таким образом, разность коэффициентов затухания прямой
и обратной волн L =Lпр-Lобр максимальна при y  0, 25a и y  0, 75a и при значении
постоянного магнитного поля соответствующем поперечному ферромагнитному
резонансу Н0=Нрез  . Различие коэффициентов затухания волн с противоположными
направлениями вращения позволяет построить вентиль на поперечно намагниченном
феррите.
Зависимость потерь и вентильного отношения R=Lобр/Lпр от положения пластины
показана на рис.2.
Рисунок 2
Максимум вентильного отношения находится вблизи минимума потерь прямой
волны. Эти потери минимальны в сечении y  0, 25a , где прямая волна имеет магнитное
поле с отрицательной круговой поляризацией.
Потери прямой и обратной волн примерно одинаково зависят от величины
постоянного магнитного поля. Максимум потерь соответствует значению Нрез  поперечному ферромагнитному резонансу.
Лучшие результаты дает применение двухслойной пластины, из феррита и
диэлектрика. Диэлектрик концентрирует поле около феррита и позволяет получить в
широкой полосе частот вентильное отношение, близкое к максимальному. Для улучшения
согласования тракта концы пластин заостряются.
21
Поле подмагничивания ферритовой пластины Нрез  определяется соотношением:
2
Í
đĺ ç
 H
2
đĺ ç
Ě  Ě
 0   0 ,
2
 2 
(2)
где Hрез - резонансное поле продольного ферромагнитного резонанса (fрез=2,8Нрез);
М0 - намагниченность насыщения феррита. В зависимости от марки феррита
М0=30500.
Широкое применение вентилей на поперечном резонансе обусловлено тем, что поле
намагничивания Нрез  меньше Нрез и это приводит к более компактной конструкции
устройства.
Вентиль на смещении поля (рис.1,б) основан на явлении "вытеснения" из
намагниченного феррита прямой волны. Дело в том, что при значениях постоянного
подмагничивающего поля лежащих в пределах Нрез-М0<Н0<Нрез  , коэффициент
распространения необыкновенной волны получается чисто вещественным, т.е.
тождественен коэффициенту затухания. В силу этого эта волна в поперечно
намагниченном феррите не может распространяться. Ее амплитуда по экспоненте не из-за
тепловых потерь в среде, а вследствие эффекта отражения, вытеснения поля средой.
Волновое сопротивление в этом случае становится мнимой величиной, векторы E и H
оказываются сдвинутыми по фазе на 90° и феррит превращается в реактивную среду.
Поместим поперечно намагниченный феррит в прямоугольный волновод (рис.1,6). Для
прямой волны типа Н10 в волноводе феррит мало проницаем, поэтому в основном она
распространяется с почти неизменной структурой между поверхностью ферритового
бруска и правой вертикальной стенкой. Обратная же волна преобразуется в
поверхностную волну, максимум которой находится на поверхности феррита в сечении А.
В этом сечении на поверхность феррита наносится поглощающая пленка, и обратная
волна почти полностью поглощается, в то время как потери прямой волны невелики.
Поскольку намагничивающее поле в вентиле на смещении поля меньше резонансного
Нрез  , то вентиль на смещении поля меньше по весу и более компактен, чем аналогичный
резонансный вентиль.
2.3 Ферритовые циркуляторы
Ферритовые циркуляторы находят широкое применение в разнообразных
устройствах. С помощью циркулятора можно обеспечить одновременную работу
передатчика и приемника на одну антенну. Циркуляторы незаменимы в параметрических
и туннельных усилителях, т.к. позволяют упростить конструкцию и снизить шумовую
температуру усилителей. Во многих случаях циркуляторы используются в качестве
вентилей для устранения волны, отраженной от нагрузки. Существенная особенность
циркуляторов в вентильном режиме заключается в том, что отраженная волна
поглощается не в ферритовом элементе, а во внешней нагрузке.
Циркулятор, основанный на эффекте Фарадея (рис.3,а), работает по следующему
принципу. При возбуждении волны Н11 в плече 1 она поступает на ферритовый элемент,
не ответвляясь в плечо 3, т.к. здесь вектор E оказывается параллельным широкoй стенке
волновода, а для такой поляризации прямоугольный волновод является запредельным.
Параметры ферритового элемента (геометрия, подмагничивающее поле) подобраны таким
образом, чтобы фазовый сдвиг волны после прохождения элемента соответствовал 45°.
При этом волна не возбуждает плечо 4, а поступает на вход плеча 2. Аналогичное
рассмотрение приводит к следующей схеме циркуляции СВЧ энергии: 1-2-3-4-1.
Изменение ориентации подмагничивающего поля на обратное влечет за собой изменение
22
направления циркуляции. Угол поворота вектора поля, обусловленный эффектом
Фарадея, равен:
(3)
 =(Г+-Г-)l/2,
+
где Г и Г - постоянные распространения право и левополяризованной волны, l - длина
ферритового элемента.
Сложность конструкции циркулятора, значительные габариты и относительная
узкополосность обусловила сравнительно редкое применение в технике СВЧциркулятора, основанного на эффекте Фарадея.
Волноводный Y-циркулятор [1] представляет собой симметричное П-плоскостное
сочленение трех прямоугольных волноводов, в центре которого помещен ферритовый
цилиндр (рис.3,б). Внешнее магнитное поле ориентировано параллельно оси цилиндра.
Работу Y -циркулятора можно представить следующим образом. При возбуждении плеча
1 волна Н10 дифрагирует на ферритовом элементе, распадаясь на две поверхностных
волны, распространяющихся по ходу и против хода часовой стрелки. Поскольку
магнитные свойства намагниченного феррита различны для рассматриваемых
поверхностных волн, то геометрия ферритового элемента такова, что в плечо 2 волны
поступают в фазе, а в плечо 3 - в противофазе. Таким образом, циркуляция СВЧ-энергии в
Y-циркуляторе происходит по схеме: 1-2-3-1.
4
соленои
д
1
2
ферритовы
й стержень
3
а)
2
3
ферритовы
й диск
1
б)
Рисунок 3 - Конструкции ферритовых циркуляторов:
а) фазовый циркулятор на основе Фарадея; б) Y-циркулятор
Для уменьшения амплитуды отраженной волны на ферритовый диск одевают кольцо
из диэлектрика, выполняющего роль согласующего четверть-волнового трансформатора.
23
Из всех видов циркуляторов Y-циркуляторы получили наиболее широкое
применение, что объясняется широкополосностью, простотой их конструкции, малыми
размерами и весом.
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Описание экспериментальной установки
Измерение электрических характеристик ферритовых СВЧ устройств производится на
лабораторной установке, блок-схема которой показана на рис. 4.
Основными элементами установки являются: генератор (1), воспроизводящий
электромагнитные колебания. Эти колебания по прямоугольному волноводу поступают на
измерительную линию (2), с помощью которой определяется коэффициент стоячей волны
(КСВ) в тракте. Сигнал с зонда измерительной линии подается на индикатор (3). Для
определения выходной мощности используется тот же индикатор 3, сигнал на который
подается с детекторной секции (5). В работе исследуются ферритовый вентиль с
поперечным ферромагнитным резонансом и Y-циркулятор.
1
2
4
5
3
Рисунок 4
3.2 Измерение электрических характеристик ферритовых СВЧ устройств
1) Установить вентиль на выходе измерительной линии согласно блок-схеме 1.
2) Включить генератор согласно прилагаемой инструкции. Частоту установить равной
f=8700 МГц.
3) Замерить мощность на выходе вентиля Pвых.
4) Снять вентиль и замерить мощность на выходе генератора. Это будет Pвх для
вентиля.
Подсчитать прямые (вносимые) потери:
Lпр=10 lg(Рвх/Рвых).
Замерить КСВ в линии.
5) Поменять местами вход и выход вентиля и сделать те же замеры, что и в
предыдущем случае.
.
Подсчитать обратные потери (развязку):
Lобр=10 lg(Рвх/Рвых).
Найти вентильное отношение R.
6) Повторить все замеры в полосе частот f=80009000 КГц.
7) Установить вместо вентиля Y-циркулятор. Вход 1 подсоединить к выходу
измерительной линии, а вход 2 - к индикатору. К свободному входу 3 подключить
согласованную нагрузку.
Найти
Lпр=10 lg(Рвх1/Рвых2).
Найти КСВ в линии.
8) Поменяв местами вход 2 и вход 3, найти развязку между плечами:
L=10 lg(Рвых2/Рвых3).
24
4 ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
4.1 Ознакомиться с измерительной установкой и исследуемыми ферритовыми СВЧ
устройствами.
4.2 Измерить основные электрические характеристики ферритовых вентилей и
циркуляторов в заданном диапазоне частот.
5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
5.1
5.2
5.3
частоты.
5.4
Цель работы, краткое описание измерительной установки, методика измерения.
Результаты измерений в виде таблиц.
Графики зависимости электрических характеристик ферритовых устройств от
Выводы по полученным результатам.
6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1 Объяснить эффективность применения ферритовых материалов в технике СВЧ.
6.2 Пояснить суть эффекта продольного и поперечного ферромагнитного резонансов.
6.3 Зависит ли эффект Фарадея в феррите от изменения направления распространения
электромагнитной волны (и от изменения направления подмагничивания)?
6.4 Пояснить зависимости электрических характеристик ферритовых устройств от
конструктивных параметров (величины подмагничивающего поля, геометрии ферритов).
6.5 Привести примеры применения ферритовых СВЧ устройств в технике СВЧ.
.
25
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт электронных информационных систем
Кафедра “Проектирование и технология радиоаппаратуры”
Исследование параметров
микрополоскового полосового фильтра
Лабораторная работа № 4.
26
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Измерение основных электрических характеристик микрополосковых (МП)
полосовых фильтров.
1.2 Анализ зависимости электрических параметров МП фильтра от конструктивнотехнологических факторов.
2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
Полосковые фильтры СВЧ предназначены для передачи электромагнитных волн с
минимальными искажениями в заданном диапазоне частот.
Основные требования, предъявляемые к полосовым фильтрам СВЧ сводятся к малому
вносимому затуханию и высокой прямоугольности передаточной характеристики.
Известны [l, 2] два вида передаточной характеристики полосового фильтра: чебышевская
и максимально-плоская (рис.1, 2).
Рисунок I - Чебышевская характеристика фильтра
Рисунок 2 - Максимально-плоская характеристика фильтра
Разработаны конструкции полосовых МП фильтров на связанных линиях, на
одиночной линии с зазорами, на встречных штырях. В данной работе рассмотрены
конструкции фильтров на связанных линиях.
Для расчета топологической схемы МП полосового фильтра при требуемых
электрических параметрах:
27
 fп,  fз - полосы пропускания и заграждения,
ап и аз - затухания в полосе пропускания и заграждения, используют в качестве
прототипа ступенчатый переход [2]. Число ступенек n-прототипа, обеспечивающего
реализацию заданных требований к частотной характеристике фильтра, определяется
равенствами:
- при чебышевской частотной характеристике:
arch
n
a3 1
a n 1
w 
arch  3 
 wn 
;
(1)
- при максимально-плоской характеристике:
a 1
lg 3
an 1
n
,
 w3 
lg 

 wn 
(2)
где относительные полосы пропускания прототипа равны:
2 f 3
f f
2 f n
, w3 
, f0  n n ,
2
f0
f0
f0 - средняя частота рабочего диапазона.
Как известно [2], число ступенек прототипа n соответствует (n+1)-звену полосового
фильтра. Поскольку фильтр реализуется на связанных линиях, каждое из звеньев
одновременно является ответвителем с переходным затуханием:
wn 
ci  10lg(1  qi ) , (дб)
(3)
где сi- переходное затухание i-го звена,
qi - нормированные значения элементов фильтра.
Вычисляя число звеньев фильтра согласно (1,2) и коэффициент отражения от фильтра
Г:
12
 a 1 
Г n  ,
 an 
по таблицам [2] находим qi. После этого по формуле (3) для каждого элементарного
направленного ответвителя определим ci. По данным электрического расчета
определяются конструктивные: размеры элементов фильтра (см. [3]).
Зная методику расчета топологии фильтров на связанных линиях, можно решить
обратную задачу:
оценить зависимость основных электрических параметров фильтра f n , f3 и
ап от точности изготовления элементов МПЛ.
28
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные исследования производятся на установке, блок-схема которой
представлена на рис. 3.
Инд.
Ген-р
СВЧ
Вентиль
Изм.
линия
Переход 1
ППФ
Переход 2
Дет.
сек-я
МКЛ
Рисунок 3 - Структурная схема установки
В данной работе необходимо измерить основные электрические параметры
трехзвенного МП полосового фильтра. Топология фильтра показана на рис. 4. Построение
передаточной характеристики производится по значениям измеренного затухания в
полосе частот, указанной преподавателем. Затухание определяется по формуле:
L=10 lg(Pвх/Рвых)=10 lg(вх/вых);
W3
W3
S3
W2
W0
S2
W1
S1
W
W00
W2
W1
вх - показания микроамперметра на выходе измерительной линии (на входе фильтра),
вых -показания микроамперметра на выходе фильтра.
/4
11/4
21/4

31/4
/4
Рисунок 4 - Топология трёхзвенного МП полосового фильтра на
связанных линиях
Измерения вх и вых производится следующим образом. Подсоединяя детекторную
секцию с МКА к выходу измерительной линии, ручкой генератора "Регулировка выхода"
29
устанавливают некоторое значение тока на МКА (вх). Затем в схему включают макет ПФ
и измеряют вых по показаниям МКА. В той же полосе частот измеряется КСВ с помощью
измерительной линии.
4 ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
4.1 Вычислить топологию трехзвенных МП полосовых фильтров на связанных линиях
с чебышевской и максимально-плоской передаточными характеристиками для следующих
исходных данных: материал - ситалл СГ-50-1 (=8,2; tg=5010-4), f0=3 ГГц, f n =50 МГц,
f3  60 МГц, ап=1 дб, аз=25 дб.
4.2 Измерить передаточные характеристики L(f) предложенного трехзвенного МП
полосового фильтра и КCВ. Построить графики L(f), КСВ(f).
5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
5.1 Цель работы, краткое описание измерительной +установки, методика измерения.
5.2 Результаты измерений и расчетов в виде таблиц и графиков.
5.3 Эскиз топологии трехзвенных МП полосовых фильтров на связанных линиях с
чебышевской и максимально-плоской передаточными характеристиками.
5.4 Погрешности проведенных измерений. Анализ расчетных и экспериментальных
результатов.
6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1 Пояснить принцип действия полосового трехзвенного МП фильтра.
6.2 В каких случаях применяются полосовые фильтры с чебышевской и максимальноплоской передаточными характеристиками?
6.3 Произвести анализ зависимости электрических параметров полосового фильтра от
точности изготовления топологии.
6.4 Какие требования предъявляются к точности изготовления топологической схемы
полосовых многозвенных МП фильтров?
6.5 Привести примеры применения МП полосовых фильтров в конструкциях СВЧ.
30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Техническая электродинамика: Конспект лекций /Сост.М.И.Бичурин,Петров
В.М.;НовГУ.-Новгород,1999.-122с.
2 Конструирование экранов и СВЧ устройств/Под ред. А.М.Чернушенко. М.:Радио и
связь, 1990.
3 Сазонов Д.М. и др. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981.
4 Л.Г. Малорацкий, Л.Р.Явич. Проектирование и расчет СВЧ элементов на
полосковых линиях. М.:Сов.радио, 1972.
5 А.Л..Фельдштейн, А.Р.Явич, В.П.Смирнов. Справочники по элементам
волноводной техники. М.:Сов.радио, 1967.
6 Конструирование и расчет полосковых устройств/Под ред. И.С.Ковалева. М.:Сов.
радио, 1974.
Справочник по элементам полосковой техники./Под ред. А.Л. Фельдштейна.
М.:Связь, 1979.
7 Лебедев В.И. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.:Изд-во Высшая школа, 1970.
8 Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенин Н.Л. Техника сверхвысоких частот.
Учебная лаборатория. М., Лит издат, 1974.
9 Семенов А. А. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973.
10 В.И.Вольман, Ю.Р.Пименов. Техническая электродинамика, М.:Связь, 1971.
11.Минаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах
М.:Госэнергоиздат, 1967.
31
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
1. Лабораторная работа выполняется с применением устройств, на которые подается
напряжение 220 В, опасное для человека. ЗАПРЕЩАЕТСЯ подключение блоков к сети
без проверки наличия заземления. Все необходимые проверки электроустановок
разрешается выполнять только при отключенном сетевом питании с разрешения
преподавателя.
Для исключения выхода из строя измерительных приборов ЗАПРЕЩАЕТСЯ
включать их, не ознакомившись с инструкцией по эксплуатации.
2. Лабораторную работу разрешается выполнять группой в составе не менее двух
человек и только в присутствии преподавателя.
3. Категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять включенные приборы без наблюдения.