Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети»

ОТЧЕТ

по «Конструкторской практике»

(Составление уравнения полного сопротивления цепи с учётом её паразитных элементов для разработки измерительного алгоритма настройки серийного антенного согласующего устройства на нейросетях)

Место прохождения производственной практики:

Омский научно-исследовательский институт приборостроения (ОНИИП)

Студент гр. 24 а Н. Е. Агарков

Руководитель практики

к. т. н., доцент каф. «ТРСиС» А. С. Картавцев

Омск 2017



Содержание

Введение

1. Схема согласующей цепи

2. Элементная база согласующей цепи

2.1 Высокочастотная катушка индуктивности и её паразитные элементы

2.2 Высокочастотный конденсатор и его паразитные элементы

2.3 Высокочастотный геркон и его паразитные элементы

3. Поиск способов обоснованного упрощения схемы согласующей цепи

3.1 Общие принципы упрощения цепи

3.2 Элементарные блоки согласующей цепи, их соединение друг с другом

3.3 Обоснованное упрощение схем элементарных блоков

4. Вывод полного уравнения согласующей цепи

Заключение

Библиографический список

Приложение А

Приложение Б

Приложение В



Введение

Антенное согласующее устройство (АнСУ) необходимо для качественной передачи и приёма сигнала (в данном случае - высокочастотного, до 80 МГц). АнСУ согласовывает выход усилителя мощности приёмо-передатчика сопротивлением 50 Ом с сопротивлением приёмо-передающей антенны, которое зависит от частоты, и, соответственно, от длины волны.

На практике, стараются достичь чисто активного сопротивления антенны в 50 Ом. Тогда усилитель правильно отдаёт свою мощность на антенну, без потерь.

При фиксированной длине (как правило) антенны, она, принимая сигналы различных частот, может иметь как ёмкостный, так и индуктивный характер и сопротивление, отличное от необходимых 50 Ом. Если четверть длины волны сигнала больше длины самой антенны, то сопротивление последней приобретает ёмкостный характер, и, наоборот.

Для устранения такого явления в данном АнСУ используется Т-образный контур подстройки (согласующая цепь), представляющий собой набор из катушек различной индуктивности, конденсаторов - простых и составных, различной ёмкости, а также магнитоуправляемых контактов - герконовых реле, подключающих нужные звенья, набирая, таким образом, индуктивность и ёмкость. С задачей определения необходимых значений индуктивности и ёмкости справляется специальный контроллер.

Поставленная задача: определить полное сопротивление согласующей цепи, записав его в виде уравнения, принимая в расчёт все паразитные элементы схемы. Это уравнение далее закладывается в компьютер для самообучения некоторой нейронной сети.



1. Схема согласующей цепи

Принципиальная схема согласующей цепи представлена ниже на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема согласующей цепи



В данной схеме используется 16 различных по номиналу катушек индуктивности, 34 конденсатора и 28 герконовых контактов.

Слева схема подключается к выходному сопротивлению усилителя, а справа - непосредственно, к антенне.



2. Элементная база согласующей цепи

согласующий цепь конденсатор индуктивность

Исследование данной цепи необходимо начать с изучения элементной базы: высокочастотных катушки индуктивности, конденсатора и герконового контакта.

Большая передаваемая мощность (около 100 Вт) и большие рабочие частоты - десятки мегагерц заставляют считаться со всевозможными паразитными явлениями в элементах цепи, о которых подробно будет сказано далее.

2.1 Высокочастотная катушка индуктивности и её паразитные элементы

В простейшем случае, то есть в области низких частот (НЧ), катушку можно представить, без сколько-нибудь значительных погрешностей, схемой замещения с двумя элементами - собственной индуктивностью (Lсоб) и активным последовательным сопротивлением проводника (Rа) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема замещения катушки в области НЧ

Если рассматривать катушку как чисто реактивный элемент, то её активное сопротивление является паразитным элементом.

В схемах замещения все элементы представляются в виде обычных сосредоточенных элементов, но подразумевается, что они распределены по всей длине катушки, конденсатора или герконового контакта.

В области высоких частот (ВЧ), мы переходим к более сложной схеме замещения, называемой ещё - реальной катушкой индуктивности, представленной на рисунке 3. Это всё ещё двухполюсник, имеющий уже не 2, а 4 элемента.

Рисунок 3 - Схема замещения реальной катушки индуктивности

На рисунке 3, кроме собственной индуктивности и активного сопротивления катушки, показана возникающая паразитная ёмкость СL - в зависимости от конструкции катушки может достигать десятков пикофарад, состоящая из двух компонентов - внутренней межвитковой ёмкости Cвн и монтажной ёмкости См, а также сопротивление ёмкостных потерь RCL.

Наконец, в полной схеме замещения, учитывается ёмкостная утечка на корпус Спк, исчисляемая единицами пикофарад (в приложении А указывается величина данной утечки для геркона - Contact Capatience - Open Contacts to Ground, равная 1,2 пФ, которую можно распространить на катушку и конденсатор, так как там тоже учитывается данный вид утечки). Данная паразитная утечка превращает двухполюсную катушку индуктивности в четырёхполюсник, представленный на рисунке 4. Также, отдельными резистивными элементами учитывается сопротивление поверхностного эффекта Rпэ, заключающегося в “выдавливании” тока на поверхность проводника при больших частотах и сопротивление, обусловленное эффектом близости Rб, обусловленное неравномерным распределением тока по виткам катушки.



Рисунок 4 - Полная схема замещения катушки индуктивности

Конструктивно, катушки в согласующей цепи распределены на относительно большом расстоянии друг от друга, поэтому их взаимные влияния можно не учитывать.

О том, почему столь подробная модель на практике не применяется, будет сказано в разделе 3, посвящённому обоснованному упрощению схем замещения и поиску подходов к свёртыванию громоздкой схемы согласующей цепи.

2.2 Высокочастотный конденсатор и его паразитные элементы

В области НЧ схема замещения напоминает схему катушки индуктивности с той лишь разницей, что вместо собственной индуктивности здесь находится элемент собственной ёмкости Ссоб (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема замещения конденсатора в области НЧ

В области ВЧ у конденсатора проявляется паразитная индуктивность Lпар, обусловленная индуктивностью выводов и обкладок; приходиться считаться с утечками через материал изоляции - Rут, а также диэлектрической абсорбцией - Cда и Rда. (Явление диэлектрической абсорбции в конденсаторах обусловлено замедленными процессами поляризации диэлектрика и приводит к появлению напряжения на выводах конденсатора после его кратковременной разрядки. Данное явление сказывается только при работе в связке с интегральными компонентами, например, интегратор полностью не сбрасывается до нуля).

Схема замещения в области ВЧ представлена на рисунке 6 (реальный конденсатор).

Рисунок 6 - Схема замещения реального конденсатора

В инженерных расчётах, также как и в катушке, учитывают ёмкостные утечки на корпус (рисунок 7), превращающие схему замещения в четырёхполюсник и сопротивление Rпэ, обусловленное поверхностным эффектом выводов и обкладок конденсатора. Предусматривается, что конденсатор будет работать на частотах, много меньше собственной частоты резонанса, возникающей из-за паразитной индуктивности и превращающей конденсатор в LC-контур на гигагерцовых частотах.

Рисунок 7 - Полная схема замещения конденсатора



2.3 Высокочастотный геркон и его паразитные элементы

Герконовый контакт - это магнитоуправляемое реле. Сами контакты находятся в герметичной колбе с вакуумом. Это делается для того, чтобы уменьшить разрушение контактов при многократной коммутации и обеспечить надёжную работу реле в пределах одного миллиона переключений.

Так как герконовый контакт может находиться в одном из двух положений, то для него целесообразно составить две схемы замещения - при разомкнутом состоянии и при замкнутом.

Схема замещения при разомкнутом состоянии включает в себя паразитную ёмкость Сгпар между контактами внутри колбы, равную 1,2 пФ и указанную в приложении А (Contact Capatience - Between open contacts), а также активное сопротивление проводящего материала Rа, сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом Rпэ, индуктивность выводов и контактов геркона Lгпар (рисунок 8). Дополнительно учитывается ёмкостная утечка на корпус, равная 1,2 пФ (приложение А).

Рисунок 8 - Схема замещения высокочастотного геркона в разомкнутом состоянии

В замкнутом состоянии, герконовый контакт представляет собой резистор с очень маленьким активным сопротивлением порядка 0,02 Ом (Contact Resistance, Maximum) (приложение А). Также учитывается ёмкостная утечка на корпус, паразитная индуктивность и сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом. (рисунок 9).

Рисунок 9 - Схема замещения высокочастотного геркона в замкнутом состоянии



3. Поиск способов обоснованного упрощения схемы согласующей цепи

3.1 Общие принципы упрощения цепи

Полную схему T-образной согласующей цепи, показанную на рисунке 1, можно представить следующей схемой эквивалентного сопротивления (рисунок 10).

Рисунок 10 - T-образная схема эквивалентного сопротивления согласующей цепи

ZL1 - эквивалентное сопротивление набора десяти первых катушек и герконов, ZL2 - эквивалентное сопротивление набора шести оставшихся катушек и герконов. ZС1 - эквивалентное сопротивление набора ёмкостей. ZАНТ - некоторое значение сопротивления антенны, зависящее от частоты сигнала. ZУСИЛ - выходное сопротивление усилителя мощности. Эквивалентное сопротивление данной цепи можно записать в виде формулы 1.

(1)

Далее, ZL1, ZL2, и ZС1 также можно привести к эквивалентным сопротивлениям, представленным на рисунках 11, 12, 13. Z1 (Z2) - сопротивление герконового контакта, который может быть замкнут (Z1) или разомкнут (Z2). В схеме используются одинаковые герконы.

Сопротивление, обозначаемое Z3i - это эквивалентное сопротивление каждой конкретной катушки, где параметр i изменяется от 1 до 16 (по числу катушек в схеме). Каждая катушка различается значениями собственной индуктивности и паразитных элементов, но формула её полного сопротивления не изменяется. Также и с конденсаторами, обозначаемыми Z4i. Параметр i изменяется от 1 до 34.

Рисунок 11 - Блок сопротивления ZL1

Рисунок 12 - Блок сопротивления ZL2

Рисунок 13 - Блок сопротивления ZС1

3.2 Элементарные блоки согласующей цепи, их соединение друг с другом

В схеме на рисунке 1 можно выделить два основополагающих блока, из которых составляется вся цепь.

Во-первых, это параллельное соединение катушки Z3i и герконового контакта Z1 (Z2). Эти блоки соединяются между собой последовательно, суммируя общую индуктивность цепи. Возможны две разновидности данного блока:

а) Герконовый контакт разомкнут, катушка включена в цепь, весь ток идёт через неё (рисунок 12);

б) Герконовый контакт замкнут, катушка зашунтирована, весь ток идёт через геркон (рисунок 13).

Рисунок 12 - Параллельное включение схем замещения катушки и разомкнутого герконового контакта

Рисунок 13 - Параллельное включение схем замещения катушки и замкнутого герконового контакта

Во-вторых, это блок последовательного включения конденсатора Z4i и герконового контакта Z1(Z2), включаемые параллельно друг-другу для суммирования ёмкости. Блоки соединяются проводником в несколько сантиметров, который будет обладать паразитной индуктивностью порядка 30 нГн. Здесь также нужно рассмотреть два варианта:

а) Герконовый контакт разомкнут, конденсатор (или блок параллельно включенных конденсаторов) отключен от схемы (рисунок 14);

б) Герконовый контакт замкнут, конденсатор подключен к цепи и вносит свой вклад в набираемую ёмкость (рисунок 15).

Рисунок 14 - Последовательное включение конденсатора и разомкнутого герконового контакта

Рисунок 15 - Последовательное включение конденсатора и замкнутого герконового контакта

Например, без упрощения схемы замещения параллельного включенной катушки и геркона, формула данного блока будет представлять собой формулу 2, слишком громоздкую для дальнейших операций.



(2)

3.3 Обоснованное упрощение схем элементарных блоков

Блок параллельного сопротивления катушки и геркона представлен на рисунках 12 и 13. На частотах от 1,5 до 80 МГц, индуктивное сопротивление XL катушки будет порядка нескольких кОм, а ёмкостное сопротивление XCпк утечки на корпус будет порядка 10 кОм. Поэтому, полную схему замещения катушки можно значительно упростить: не учитывать активное сопротивление катушки (RDC Ohm, Max) (приложение В), которое исчисляется порядка нескольких Ом, не учитывать влияния сопротивления поверхностного эффекта и эффекта близости, а также сопротивление ёмкостных потерь. Геркон в разомкнутом состоянии будет представлять собой большое ёмкостное сопротивление порядка 10 кОм на частотах 1,5 - 80 МГц, а его паразитная последовательная индуктивность настолько мала, что также как и активное сопротивление порядка 0,02 Ом не будет вносить значимых изменений.

Схема параллельного включения геркона и катушки в доведённом виде и процесс свёртывания данного блока представлен ниже на рисунке 11.



Рисунок 16 - Параллельное соединение катушки индуктивности и геркона и свёртывание данной схемы

Формула эквивалентного сопротивления разомкнутого геркона, параллельно подключенного к катушке индуктивности, отражена в формуле 3.

(3)

Если геркон замкнут, то весь ток пойдёт через сопротивление геркона, нормируемое по приложению А, 0,02 Ом, что показано в формуле 4.

(4)

Но, так как элементарные блоки в ZL1 и в ZL2 подключаются друг к другу последовательно, а каждая катушка в полосе частот 1,5-80 МГц имеет, как уже говорилось, сопротивление порядка нескольких кОм, то сопротивление Z6i можно просто не учитывать.

Последовательное соединение конденсатора и геркона в разомкнутом состоянии будет полностью определяться сопротивлением геркона (рисунок 17), поскольку его паразитная ёмкость в сотни и тысячи раз меньше собственной ёмкости конденсатора, а сопротивление, наоборот, на те же порядки выше сопротивления конденсатора. Формула 5 отражает эквивалентное сопротивление данного блока.

Рисунок 17 - Последовательное включение конденсатора и разомкнутого геркона и свёртывание данной схемы

(5)

Поскольку элементарные блоки последовательно соединённых герконов и конденсаторов подключаются между собой параллельно, а сопротивление разомкнутого геркона на порядки выше сопротивления конденсатора на той же частоте, то можно пренебречь сопротивлением Z7i, незначительно уменьшающем результирующее сопротивление блока ZС1.

Последовательное соединение конденсатора и геркона в замкнутом состоянии будет полностью определяться сопротивлением конденсатора геркона (рисунок 18). Сопротивлением утечки конденсатора через изоляцию можно пренебречь, так как она находиться в пределах 104-105 МОм (приложение Б).



Рисунок 18 - Последовательное включение конденсатора и замкнутого геркона и свёртывание данной схемы

Формула данного блока представлена в формуле 6.

(6)

Итак, мы получили формулы для всех четырёх разновидностей блоков.



4. Вывод полного уравнения согласующей цепи

До этого, процесс упрощения рассматривался как направленное движение от сложного к простому, теперь, для вывода полного уравнения цепи необходимо, наоборот, двигаться от вычисленных сопротивлений элементарных блоков к более сложным структурам - ZL1, ZL2, и ZС1. И, в конечном счёте, от ZL1, ZL2, и ZС1 к ZОБЩ.

Блок ZL1, как уже показывалось ранее - это последовательное соединение десяти элементарных блоков катушек и герконов, включенных параллельно. Это можно записать в виде формулы 8.

(8)

где N1 - количество незашунтированных катушек;

i - номер катушки, может быть от 1 до10.

То есть, если индуктивность набирается с помощью катушек под номерами 1,2,5,6,9 и 10 (к примеру), то ZL1 можно расписать в виде формулы 9.

(9)

А каждое Z5i, как уже было сказано ранее, зависит от собственной индуктивности и учитываемых при расчёте паразитных элементов.

Аналогичным образом рассчитывается блок ZL2, что отражено в формуле 10.

(10)

где N2 - количество незашунтированных катушек,

i - номер катушки, может быть от 11 до16.

Ситуация с блоком ZС1 несколько сложнее из-за наличия составных конденсаторов.

Заранее известно, что одиночный блок с двумя параллельными конденсаторами имеет сопротивление Z9, показанное в формуле 11, из-за того, что обе ёмкости одинакового номинала.

(11)

Блок из геркона и четырёх параллельных конденсаторов разного номинала тогда будет иметь вид, показанный в формуле 12.

(12)

Теперь можно записать сопротивление ZС1 (формула 13).

(13)

Где N3 - количество блоков с одиночными конденсаторами, может быть от 0 до 4;

N4 - количество блоков со сдвоенными конденсаторами, может быть от 0 до 1;

N5 - количество блоков со сдвоенными конденсаторами, может быть от 0 до 7.

Теперь подставим ZL1, ZL2, и ZС1 в формулу 1 (ZОБЩ).

(14)

Раскрывая сопротивления Z9 и Z10i, приводим формулу 14 к виду (15).

(15)

Чтобы получить конкретное значение полного сопротивления согласующей цепи, необходимо лишь знать номера незашунтированных катушек и подключенных конденсаторов (блоков конденсаторов) с их параметрами для расчёта конкретных значений Z5i и Z8i и сопротивление антенны ZАНТ.



Заключение

В ходе производственной практики, были получены навыки расчёта сопротивления согласующей цепи АнСУ. Были изучены схемы замещения элементов цепи - катушки индуктивности, конденсатора и герконового контакта, их паразитные элементы.

В ходе практической части по выводу полного уравнения цепи, были получены навыки работы с электрическими цепями, применены ранее известные способы по свёртыванию схем двухполюсников и приведение их к эквивалентному сопротивлению.

В полосе частот 1,5 - 80 МГц, при расчётах более чем в 80% случаев можно пренебречь паразитными элементами, которые вносят несущественный вклад в общее сопротивление, но значительно усложняют формулы схем замещения.

Так как схема согласующей цепи достаточно сложная, имеющая много различных элементов, то необходимо стремиться к обоснованному упрощению расчётов - разбивке длинной цепи на одинаковые блоки, упрощению схем замещения отдельных элементов, иначе расчёт превращается в слишком громоздкие конструкции ещё на ранних этапах, а по мере движения от простых элементов к более общим структурам, он становится невозможным.



Библиографический список

1 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления текстовых документов.

2 Интернет ресурс http://www.studfiles.ru

3 Интернет ресурс http://www.sonel.ru

4 Интернет ресурс http://edwpl.ucoz.ru

5 http://stud.izhdv.ru/rir/40.htm



Приложение А (обязательное)

Рисунок 22 - Характеристики герконового контакта



Приложение Б (обязательное)

Рисунок 22 - Характеристики конденсаторов



Приложение В (обязательное)

Рисунок 22 - Характеристики катушек индуктивности

Размещено на Allbest.ru

...