Материал: Справочник магнитного диска. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны». Ерошенко Д.А., Климов А.И

2. Методики измерения ксв и ослабления в полосе частот с помощью измерителя р2-61

1. Перед измерениями необходимо подготовить к работе и откалибровать измеритель Р2-61.

2. Собрать схему измерений.

Для измерения частотной характеристики КСВ следует собрать схему, изображенную на рис. 5, в которой к выходному плечу НО 5 подключено входное плечо исследуемого узла СВЧ 6. Ко всем свободным плечам узла СВЧ должны быть присоединены поглощающие оконечные нагрузки. В этой схеме НО 4 и НО 5 включены навстречу друг другу, причем НО 4 регистрирует падающую волну во входном плече узла 6, а НО 5 — отраженную волну в этом же плече.

Рис. 5. Схема соединений для измерения КСВ

Для измерения частотной характеристики ослабления мощности колебаний, проходящих через исследуемое устройство СВЧ используется схема, изображенная на рис. 6, в которой между НО 4 и НО 5 включен через соответствующие плечи исследуемый узел СВЧ 6. Ко всем свободным плечам узла СВЧ и к выходному плечу НО 5 присоединены поглощающие оконечные нагрузки 7. В этой схеме НО 4 и НО 5 включены одинаковым образом, причем НО 4 регистрирует падающую волну во входном плече узла 6, а НО 5 — прошедшую через узел волну в исследуемом плече.

Рис. 6. Схема соединений для измерения ослабления

 Распространяющиеся к исследуемому устройству СВЧ (УСВЧ) волны в плечах обычно называют падающими и обозначают их индексом «+». Соответственно, распространяющиеся от УСВЧ волны называют отраженными (несмотря на то, что они могут быть обусловлены не только отражением от УСВЧ, но и прохождением сквозь УСВЧ из одного плеча в другое) и обозначают индексом «–». Например, средние за период мощности падающей и отраженной волн в плече k имеют соответственно обозначения P_k+ и P_k–.

Ослаблением мощности между плечами i и k УСВЧ b_ki называют выраженное в децибелах отношение средних за период мощностей падающей волны в плече i и прошедшей из этого плеча сквозь УСВЧ отраженной волны в плече k:

. (1)

Чтобы мощность P_k– была обусловлена только одной падающей волной, ко всем остальным плечам УСВЧ, кроме плеча i, должны быть присоединены поглощающие оконечные нагрузки.

При измерении ослабления b_ki прибор Р2-61 определяет величину

  , (2) которая отличается знаком от ослабления (1) мощности, проходящей из плеча i в плечо k.

3. Поставить на ГКЧ тумблер СВЧ в верхнее положение (вкл.).

4. На экране ЭЛТ наблюдаются три линии: нижняя неподвижная прямая — это линия контрольного уровня, кроме нее имеется линия электронного визира (с метками) и третья линия — это линия ЧХ КСВ или ослабления.

5. Переключатель ПРЕДЕЛЫ установить в такое положение, при котором линия ЧХ располагается вблизи середины экрана ЭЛТ.

6. Для определения значения измеряемой величины (КСВ или ослабления) в любой точке ЧХ следует вращением ручки ОТСЧЕТ совместить линию электронного визира (с метками) с выбранной точкой на линии ЧХ. Численные значения КСВ при этом считываются против визира по нижней шкале «КСВ» шкального устройства индикатора. Численные значения ослабления определяются как алгебраическая сумма (с учетом знаков) величины ослабления, соответствующей положению переключателя ПРЕДЕЛЫ (со знаком «минус»), и величины ослабления, отсчитываемой по верхней шкале «dB» шкального устройства индикатора. Если ослабление превышает 40 дБ, то для расширения диапазона измерений следует нажать на индикаторе кнопку «–10 dB». При этом значение ослабления определяется алгебраической суммой всех трех показаний.

7. Определить значение частоты в любой выбранной точке ЧХ можно по светящемуся табло на ГКЧ, если нажать кнопку М1 (или М2) и с помощью ручки М1 (или М2) совместить соответствующую метку с выбранной точкой на линии ЧХ. Таким образом, можно составить таблицу зависимости измеренной величины КСВ или ослабления от частоты в заданной частотной полосе.

3. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

1. В качестве исследуемого УСВЧ использовать волноводную поглощающую нагрузку из комплекта измерителя. Измерить КСВ нагрузки в полосе частот 8,5-12,0 ГГц. Записать максимальное и минимальное значения КСВ.

2. В качестве исследуемого УСВЧ использовать поглощающий волноводный аттенюатор на основе отрезка прямоугольного металлического волновода сечением 23х10 мм². Измерить и записать минимальный и максимальный коэффициенты ослабления проходящей мощности в полосе частот 8,5-12,0 ГГц.

4. Содержание отчета

В отчете должны быть представлены:  основные технические характеристики измерителя КСВ и ослаблений Р2-61, краткое описание принципа действия, схемы соединений блоков прибора для измерения КСВ и коэффициента ослабления.

5. Контрольные вопросы

1. Дать определения волнового сопротивления линии передачи, коэффициента отражения напряжения, коэффициента стоячей волны напряжения.

2. Каковы цели согласования линий передачи с нагрузкой?

3. Назначение и основные характеристики прибора Р2-61.

4. Принципы измерения КСВ и коэффициента ослабления с помощью прибора Р2-61.

5. Схемы включения элементов и блоков прибора Р2-61 для проведения измерений КСВ и коэффициента ослабления.

Лабораторная работа № 3 исследование элементов антенно-фидерного тракта свч

Цель работы

1. Изучение конструкций и принципов действия типовых соединительных элементов волноводного тракта.

2. Исследование характеристик соединительных волноводных элементов.

Домашнее задание: изучить теоретический раздел работы

1. Пассивные взаимные элементы волноводных трактов свч. Соединения линий передачи свч

Для сборки и разборки элементов тракта СВЧ они оснащаются специальными разъемами или соединительными устройствами. Такие разъемы должны обеспечивать надежный электрический контакт между соединяемыми устройствами. Они не должны снижать электрическую прочность тракта и вносить значительные отражения в тракт. Кроме того, разъемы должны обеспечивать необходимый уровень электрогерметичности тракта, т.е. минимальный уровень излучения электромагнитных волн из места соединения линий передачи.

В волноводных трактах применяют два типа соединений: контактное и дроссельно-фланцевое.

Контактное соединение может быть неразборным и разборным. Неразборное соединение волноводов осуществляется с помощью внешних муфт, надеваемых на место соединения с последующей сваркой или пайкой (рис. 1, а). Разборное соединение выполняется в виде гладких фланцев, припаиваемых к концам волновода (рис. 1, б). Направляющие штифты обеспечивают необходимую точность установки волноводов. Фланцы имеют отверстия, через которые с помощью болтов осуществляется стягивание соединения. Для улучшения контакта и обеспечения электрогерметичности между соединяемыми волноводами помещают тонкую контактную прокладку, выполняемую из бериллиевой бронзы. Края этой прокладки, примыкающие к стенкам волновода, рассечены и отогнуты в разные стороны. При необходимости герметизации тракта используют также резиновые прокладки. Контактное разъемное фланцевое соединение – |Г| < 0.1 в полосе работы волновода.

Рис. 1. Соединение волноводов: а – неразъемное контактное;

б – разъемное контактное; в – контактное с пружинящей прокладкой; 1 – припой; 2 – гладкий фланец; 3 – направляющий штифт; 4 – болт,

5 – контактная прокладка; 6 – резиновая прокладка

Дросселъно-фланцевое соединение обеспечивает надежный контакт между соединяемыми волноводами электрическим путем. Такое соеди­нение показано на рис. 2, а и отличается от контактного наличием кольцевой канавки во фланце глубиной а и шириной d и радиальной выемки с размером l и глубиной z. Канавка является элементом короткозамкнутого коаксиального волновода, в котором возбуждается волна Н₁₁, а радиальная выемка – элементом так называемого радиального волновода. Структура силовых линий электрического поля в волноводе и канавке с волной Н₁₁ показана на рис. 2, б. На рис. 2, в представлена эквива­лентная схема дроссельно-фланцевого соединения. Место механического контакта на этой схеме отмечено стрелкой. Дроссельная канавка вместе с радиальной выемкой представлены на эквивалентной схеме как два последовательно включенных короткозамкнутых шлейфа. Для того чтобы входное сопротивление этих шлейфов на рабочей частоте равнялось бы нулю, необходимо взять их общую длину _л/2, а механический контакт расположить в узле тока, т.е. на расстоянии _л/4 от короткозамыкающей перемычки. Таким образом, глубину канавки а следует взять равной _H11/4, а размер проточки l = /4. Диапазонность дроссельного соединения увеличивается, если d > z. Обычно d = (2-5)z. Дроссельно-фланцевые соединения обеспечивают ||<0,01 в полосе частот ~ 20 %.

Рис. 2. Дроссельно-фланцевое соединение волноводов: а – конструкция

соединения; б – структура электрического поля в соединении;

в – эквивалентная схема соединения

В коаксиальных трактах в качестве соединений используют высокочастотные разъемы штепсельного типа. При этом с одной стороны соединяемых коаксиальных линий размещается штыревой контакт, а с другой стороны – гнездовой. На практике находят применение различные типы коаксиальных высокочастотных разъемов.

Повороты и скрутки линий передачи СВЧ. При компоновке тракта СВЧ любой радиотехнической системы возникает необходимость применения поворотов и скруток. Эти элементы нарушают регулярность тракта и могут быть источником недопустимых отражений. В волноводных трактах используют повороты (изгибы) (рис. 3). Размеры отражателей Х_Е и Х_H в поворотах, показанных на рис. 3, a, б, выбираются из условия обеспечения минимального значения коэффициента отражения Х_H = (0,6-0,7)a, Х_Е = 0,4b. В повороте с двойным изломом (рис. 3, в) улучшение согласования достигается за счет уменьшения отражений от каждого из изломов и взаимной компенсации отраженных волн от каждого из них. Для этого расстояние между изломами l выбирается примерно равным _в/4. Плавный поворот (рис. 3, г) характеризуется своим радиусом r и углом поворота . Чем больше радиус и меньше угол поворота, тем меньше отражения. Для улучшения согласования длину поворота следует выбирать кратной _в/2.

Рис. 3. Волноводные повороты: a – в плоскости Е; б – в плоскости H;

в – в плоскости Е с двойным изломом; г – плавный

В жестких коаксиальных трактах используются уголковые и плавные повороты (рис. 4). Для улучшения согласования простого уголкового поворота уменьшают диаметр центрального проводника  =0,52r₁ (рис. 5, а) или делают срез центрального проводника на величину  =0,28r₁. Для улучшения согласования длина плавных поворотов должна быть кратной _л/2.

Рис. 4. Коаксиальные повороты: а – простой, с согласующей проточкой;

б – с согласующим срезом; в – плавный

Рис. 5. Полосковые повороты: а, б – простой уголковый, в – скругленный,

г – с согласующим срезом, д – плавный

На рис. 5 показаны варианты выполнения поворотов полосковых линий. Простой уголковый поворот 5, а) не обеспечивает хорошего согласования. поворот полосковой линии на небольшой угол (30°) не вызывает заметных отражений (рис. 5, б). На практике чаще всего используют скругленный (рис. 5, в) или подрезанный (рис. 5, г) повороты; для них K_св = 1,08 и K_св = 1,04 соответственно. Лучшие результаты по согласованию дает плавный поворот (рис. 5, д); для него K_св = 1,02. Однако он имеет большие размеры по сравнению с подрезанным уголковым поворотом.

Переходы между линиями передачи СВЧ. В трактах СВЧ часто возникает необходимость перехода от одного типа линии передачи к другому, например от коаксиального к прямоугольному или круглому волноводу, от коаксиального волновода к полосковой линии, от прямо­угольного волновода к круглому и т.п. Для этих целей предназначены специальные устройства, называемые переходами. Переходы нарушают регулярность тракта и поэтому должны быть хорошо согласованы по каждому из входов и не снижать электрическую прочность тракта. Наиболее важным в переходе является элемент связи, предназначенный для извлечения энергии из одной линии передачи и возбуждения электромагнитных колебаний в другой. В зависимости от типа соединяемых линий элемент связи может иметь различные конструкторские реализации. В электродинамическом смысле он представляет собой эквивалентную систему векторов электрических и магнитных сторонних токов, создаваемых так, чтобы в линии передачи с максимальной интенсивностью возбуждался требуемый тип волны и не возбуждались волны нежелательных типов. Амплитуда возбуждаемого типа волны будет максимальна, если при расположении элемента связи в линии передачи выполняются следующие условия:

• сторонний электрический ток на элементе связи протекает параллельно силовым линиям электрического поля возбуждаемой волны;

• эквивалентный сторонний магнитный ток на элементе связи протекает параллельно силовым линиям магнитного поля;

• элемент связи располагается в максимуме соответствующей компоненты поля.

Различают элементы связи электрического и магнитного типов. Например, штырь является электрическим элементом связи, а петля – магнитным. Для возбуждения линий передачи СВЧ могут быть использованы элементы связи в виде отверстий определенной формы или узких щелей.

На рис. 6 представлен коаксиально-волноводный переход. Он предназначен для перехода от коаксиального волновода с волной типа Т к прямоугольному волноводу с волной H₁₀. Штырь (зонд), являющийся продолжением внутреннего провода коаксиального волновода, располагают посредине широкой стенки волновода, а расстояние до короткозамыкающей стенки z₁, берут равным четверти длины волны в волноводе. При этом штырь будет эффективно возбуждать колебания в волноводе. Для обеспечения хорошего согласования необходимо также правильно выбрать высоту штыря l и его диаметр. Обычно берут l = /4. Форма штыря и его диаметр существенно сказываются на частотных свойствах перехода: чем толще штырь, тем шире полоса рабочих частот. При работе перехода вблизи штыря образуются высшие типы волн прямоугольного волновода. Кроме основной волны Н₁₀, они находятся в закритическом режиме, и их амплитуды экспоненциально убывают при удалении от штыря. Скорость убывания определяется индексами т и п, характеризующими каждый тип волны в волноводе. Расстояние z₂ от штыря до контактного фланца выбирается из условия уменьшения амплитуды высшей волны, ближайшей к основной волне Н₁₀, до требуемой величины. Ближайшей к основной высшей волной в таком переходе является волна H₃₀. Для уменьшения ее амплитуды в N раз величину z₂ следует выбрать из соотношения . Расстояние Δ может быть равным a/2.