Дослідження подільника НВЧ потужності на основі кільцевого трьохнапівхвильового спрямованого відгалужувача

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження подільника НВЧ потужності на основі кільцевого трьохнапівхвильового спрямованого

відгалужувача

1.1 Мета роботи

Вивчення різних типів пасивних елементів і вузлів в інтегральному виконанні. Дослідження взаємозв'язку експлуатаційних параметрів кільцевого подільника потужності з геометричними розмірами спрямованого відгалужувача (СВ) і стрічкових ліній.

1.2 Методичні вказівки по підготовці до виконання лабораторної роботи

Спрямований відгалужувач (СВ) є вісьмохполюсним пристроєм, що здійснює спрямоване відгалуження енергії. У пристрої розрізняють первинну (основну) і вторинну (допоміжну) лінії, При збудженні одного із плечей первинної лінії частина потужності передається в інше плече цієї лінії, а частина ? в одне із плечей вторинної лінії. При цьому в друге плече вторинної лінії потужність не передається й воно виявляється розв'язаним щодо збудженного плеча первинної лінії. Напрямок передачі потужності у вторинну лінію залежить від напрямку проходження сигналу в первинній. Поділ ліній на первинну і вторинну умовний й використовується для спрощення опису процесів, що відбуваються в СВ.

Гібридним з'єднанням (трьохдецібельним СВ) називають СВ, що здійснює рівний розподіл потужності між зв'язаними плечима. Гібридне з'єднання, напруги у вихідних плечах якого мають постійне фазове зрушення в смузі частот, називають мостовим пристроєм (мостом).

Основними характеристиками СВ є робоче загасання в первинній лінії, перехідне ослаблення, спрямованість, розв'язка, нерівномірність розподілу потужності, фазове співвідношення напруг у вихідних плечах, смуга пропущення, узгодження плечей СВ з лініями. Розглянемо основні характеристики СВ. дослідження потужність експлуатація параметри

Робоче загасання (дБ) визначається відношенням потужностей на вході й виході первинної лінії

.

Перехідне ослаблення визначається відношенням потужностей на вході первинної лінії й на пов'язаному з ним виході вторинної лінії

Розв'язка залежить від відношення потужностей на вході первинної лінії й на розв'язаному виході вторинної лінії

Спрямованість СВ

На рис. 2.1 показане графічне зображення СВ на електричних схемах. Верхня цифра вказує перехідне загасання, нижня ? спрямованість.

Класифікувати СВ можна по різних ознаках: по виду зв'язку між первинною й вторинною лініями, по ступені зв'язку, по типі використовуваних ліній передачі й т.п. Залежно від перехідного ослаблення СВ підрозділяються на сильнозв'язані (|С₁₂| < 10дБ) і слабкозв'язані (|C₁₂| > 10 дБ). По виду зв'язку розрізняють СВ зі шлейфним зв'язком і з розподіленим електромагнітним зв'язком.

Рисунок 2.1 ? Зображення СВ на електричних схемах

До СВ зі зв'язком шлейфного типу відносять кільцевий СВ, топологія якого показана на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 ? Топологія кільцевого СВ на МСЛ

Кільце має довжину 1,5л_В. При збудженні плеча 1 вхідний сигнал ділиться на дві частини й поширюється по двох каналах. Сигнали складаються синфазне (пучність напруги) у точках Б и Г кільця й протифазне в точці В (вузол напруги). При рівності амплітуд цих сигналів напруга в точці В дорівнює нулю й потужність у плече 4 не передається. Таким чином, сигнал що надходить у плече 1 ділиться між плечима 2 і 3, які є суміжними стосовно плеча 1.

У найпоширенішому гібридному кільці, що має рівний розподіл потужності у вихідних плечах, , де Z_B ? хвильовий опір ліній; Z_К ? хвильовий опір кільця.

По рівню розв'язки 30 дБ і перехідного ослаблення 3,2 дБ смуга частот гібридного кільця становить ~25 %. Обмеження смуги частот обумовлено в основному наявністю в кільці відрізка лінії довжиною 3л_В/4 між плечима 3 і 4.

На практиці в ІС НВЧ кільцеві відгалужувачі працюють із неідеально погодженими навантаженнями, а також при наявності нерегулярності і втрат у друкованій лінії передачі. Крім того, є певний конструкторсько-технологічний розкид геометричних розмірів схеми й діелектричних параметрів підкладки.

Відзначимо деякі особливості роботи кільця довжиною 3л_В/2 при підключенні до його плечей 1, 2, 3, 4 неузгоджених навантажень із комплексними коефіцієнтами відбиття Г₁, Г₂, Г₃, Г₄. При рівності коефіцієнтів відбиття навантажень двох протилежних виходів кільця розв'язка двох інших виходів теоретично ідеальна. Неузгодженість навантажень, підключених до суміжних (щодо входу) полюсам кільця, впливає на узгодження входу, розв'язку, робоче загасання й перехідне ослаблення.

Наявні технологічні допуски на ширину провідника, на діелектричну проникність і товщину підкладки приводять до відхилення величини хвильового опору щодо номінального значення, що, у свою чергу, викликає погіршення основних характеристик відгалужувача.

У кільцевих спрямованих відгалужувачах часто необхідно враховувати нерегулярності типу Т-з'єднань у місцях зчленування ліній з кільцем. Їхній вплив особливо сильний в короткохвильовому діапазоні, коли лінійні розміри нерегулярності виявляються порівнянними з довжиною хвилі в лінії передачі.

Конструктивний недолік кільцевого спрямованого відгалужувача стосовно до мікросхем НВЧ полягає в тому, що вихідні робочі плечі не є суміжними. Це утрудняє використання відгалужувачів у схемах, де необхідне об'єднання вихідних елементів, що підключаються до робочих виходів кільця. Із цією метою іноді використається топологія, у якій один з виходів заводиться усередину кільця.

У довгохвильовому діапазоні одне або кілька плечей відгалужувача вигинаються у вигляді меандровій лінії. Такий «згорнутий» спрямований відгалужувач в 10-сантиметровому діапазоні має габарити в 3-4 рази менше, ніж аналогічний відгалужувач, виконаний у вигляді окружності.

До початку роботи треба вивчити за допомогою рекомендованої літератури [1, 2, 7, 8, 13] основні типи застосовуваних елементів і вузлів ІС НВЧ (мікрострічкові СВ, подільники потужності, суматори, фільтри, вентилі, ціркулятори й т.п.). Знати основні параметри й особливості їхнього розрахунку. Особливу увагу треба звернути на залежність параметрів цих пристроїв від властивостей конструкційних матеріалів і розмірів підкладки, провідників, екранів і корпусів, а також на залежність деяких з них від частоти.

Визначити і вивчити методи й апаратуру для експериментального дослідження параметрів мікрострічкових пристроїв за допомогою стандартної техніки НВЧ. Уміти вимірювати рівень НВЧ потужності, що падає на досліджуваний елемент (P_пад), відбитої (P_від) і той, що проходить через нього (P_пр) (або відповідних їм напруг, що продетектовані U_пад, U_від і U_пр), величини коефіцієнта відбиття (Г_від) і коефіцієнта стоячої хвилі (КСХН), а також залежності цих параметрів від частоти НВЧ сигналу.

1.3 Сутність лабораторної роботи

Досліджується топологія, вимірюються геометричні розміри і визначаються конструкційні матеріали трьохнапівхвильового кільцевого СВ, застосовуваного як подільник потужності, і зображеного схематично на рис. 2.3. Вивчається конструкція й матеріал корпуса.

Рисунок 2.3

Розрахунковим шляхом визначаються величина робочої частоти для випадку ідеального узгодження кільця ( f ), значення ефективної діелектричної проникності _еф, хвильових опорів (Z) і провідності (Y) ліній, що підводять, і плечей (СВ). Визначається коефіцієнт ділення відгалужувача (m).

Експериментально вимірюються величини НВЧ сигналів, що пройшли в плечі 2 і 3, визначається реальне значення m.

Виконується порівняння виміряних і розрахованих параметрів.

Здійснюється експериментальне дослідження залежності коефіцієнта розподілу від частоти в діапазоні f = 8...12 ГГц.

1.4 Опис лабораторної установки

У лабораторну установку входять: стрічковий подільник потужності в корпусі, що екранує, зі знімною кришкою; генератор НВЧ коливань 3-х сантиметрового діапазону; набір стандартних хвилевідно-коаксіальних елементів (коаксіальні кабелі, хвилевідно-коаксіальні й коаксіально-стрічкові переходи, детекторна секція, погоджене навантаження); мікровольтметр типу В2-11; осцилограф; мікрометричний механізм для переміщення екрану; штангенциркуль; мікроскоп типу МБС-9.

Для обробки результатів вимірів застосовуються мікрокалькулятори.

1.5 Порядок виконання лабораторної роботи

1. Вивчити топологію подільника потужності, конструкції коаксіально-стрічкових переходів.

2. Виміряти геометричні розміри підкладки, провідників ліній, що підводять, і плечей кільця.

3. Скласти ескіз топології стрічкової структури окремо й в корпусі.

4. За допомогою наведених нижче й у додатку розрахункових співвідношень зробити теоретичний розрахунок наступних величин:

а) довжина хвилі ( _В) у стрічковій лінії, довжина хвилі ( ) і частота ( f ) НВЧ генератора, що забезпечують ідеальне узгодження кільця

де с ? швидкість світла; R ? середній радіус кільця;

б) хвильові опори й провідності хвилеводів, що підводять, і плечей

Y₀ = 1/Z₀; Y₁ = 1/Z₁; Y₂ = 1/Z₂;

в) нормовані провідності плечей

Y_н1 = Y₁/Y₀; Y_н2 = Y₂/Y₀;

г) коефіцієнт розподілу подільника

m = (Y_в1) ²/(Y_в2) ²;

5. Зібрати вимірювальну установку за схемою, представленою на рис. 2.2:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ? НВЧ генератор; 2,6 ? детекторні секції; 3,7 ? мікровольтметри або осцилографи; 5 ? погоджене навантаження

Рисунок 2.4

Встановити частоту НВЧ генератора рівної теоретично визначеній величині, що відповідає випадку ідеального узгодження кільця. Зробити виміри сигналів у плечах подільника. Визначити m.

6. Зробити порівняння результатів, отриманих при виконанні пунктів 4 і 5 підрозділу 2.5.

7. За допомогою установки, схема якої наведена на рис. 2.2, зробити вимір залежності m (f) у межах f = 8...12 ГГц.

При визначенні основних експлуатаційних параметрів СВ можна використати розрахункові співвідношення, що наведені у додатку до лабораторної роботи № 1.

Контрольні питання

1. Що таке матриця розсіювання?

2. Як виглядає матриця розсіювання для чотирьохплечового спрямованого відгалужувача?

3. Привести основні параметри спрямованих відгалужувачів і дати пояснення щодо їх визначення.

4. Привести визначення основних параметрів спрямованих відгалужувачів через матричні коефіцієнти.

5. Мікрострічковій кільцевий спрямований відгалужувач (приклади топології, особливості розрахунку).

6. Мікрострічкові шлейфові спрямовані відгалужувачі (приклади топології, особливості розрахунку).

7. Мікрострічкові спрямовані відгалужувачі на зв'язаних лініях (приклади топології, особливості розрахунку).

8. Мікрострічкові тандемні спрямовані відгалужувачі (приклади топології, особливості розрахунку).

9. Мікрострічкові подільники потужності.

10. Мікрострічкові суматори потужності.

Размещено на Allbest.ru