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

2. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

1. Проверить калибровку прибора Р2-61 в режиме измерения коэффициента ослабления.

2. Измерить частотную характеристику КСВ коаксиально-волноводного перехода в режиме короткого замыкания, холостого хода и согласованной нагрузки в полосе частот 8,5-12,0 ГГц. Сравнить результаты с полученными при выполнении лабораторной работы 1.

3. Измерить частотную характеристику коэффициента ослабления отрезка прямоугольного металлического волновода с простыми плоскими фланцами и с дроссельным фланцем в полосе частот 8,5-12,5 ГГц в трех вариантах соединения: 1) когда плоский и дроссельный фланцы полностью прижаты к фланцу волновода направленного детектора падающей волны; 2) когда между фланцами установлена изолирующая диэлектрическая прокладка в виде пластины из полиэтилена или фторопласта-4 толщиной 0,5-1,0 мм; 3) когда между фланцами имеется воздушный зазор толщиной до 0,5 мм. Результаты измерений записать в таблицу, сравнить полученные данные и сделать выводы.

3. Содержание отчета

Структурные схемы измерений, эскизы исследуемых элементов, таблицы измеренных значений, графики зависимости КСВН от частоты для всех измерений, выводы.

4. Контрольные вопросы

1. Требования, предъявляемые к волноводным соединениям.

2. Преимущества и недостатки контактных фланцев.

3. Преимущества и недостатки дроссельных фланцев.

4. Назначение и конструкция волноводных и коаксиальных поворотов.

5. Назначение и конструкция полосковых поворотов.

6. Конструкция и принцип действия волноводно-коаксиального перехода.

7. Конструкция и принцип действия соосного волноводно-полоскового перехода.

8. Как влияет нарушение согласования на работу СВЧ тракта?

Лабораторная работа № 4 исследование пассивных взаимных многополюсников свч

Цель работы

1. Изучение конструкций и принципов действия типовых многополюсников СВЧ.

2. Экспериментальное исследование характеристик волноводного направленного ответвителя.

Домашнее задание: изучить теоретические разделы работы.

1. Типовые взаимные многополюсники свч

В трактах СВЧ используются делители мощности СВЧ, предназначенные для распределения в требуемом соотношении мощности источников СВЧ – колебаний на несколько каналов. Различают следующие типы делителей мощности СВЧ: тройники; направленные ответвители; мостовые устройства; многоканальные делители мощности СВЧ.

Тройники. Тройником называется сочленение трех линий передачи. Тройники на эквивалентной схеме отображаются в виде шестиполюсника. На рис. 1, а) и б) показаны волноводные симметричные Y-тройники в плоскостях Н и Е соответственно и их эквивалентные схемы. Определим матрицы рассеяния этих устройств.

Матрица рассеяния шестиполюсника имеет третий порядок (по числу пар клемм многополюсника или входов устройства СВЧ). Коэффициент отражения s₁₁ определяется при подключении ко входу 1 генератора, а к остальным – согласованных нагрузок. В этом случае нагрузкой эквивалентной линии, соответствующей входу 1, является параллельное соединение двух линий с волновым сопротивлением W, эквивалентных входам 2 и 3, т.е. Z_н = W/2. s₁₁ = (Z_н – W)/(Z_н + W) = – 1/3. По этой же причине коэффициенты передачи из входа 1 на входы 2 и 3 равны, т.е. s₂₁ = s₃₁.

Рис. 6. Коаксиально-волноводный переход

Для возбуждения основной волны в прямоугольном волноводе с помощью полосковой линии используется волноводно-полосковый переход. Широкополосный переход между полосковой линией и прямоугольным волноводом может быть реализован применением П-образного волновода. При этом П-образный волновод получается из обычного прямоугольного волновода путем установки продольного металлического клина длиной (2-3)_в (рис. 7). Варианты коаксиально-полосковых переходов показаны на рис. 7.

Рис. 7. Волноводно-полосковые переходы: а – зондовый на симметричную полосковую линию; б – П-образный на несимметричную полосковую

линию; 1 – центральный проводник; 2 – металлическая пластина;

3 – диэлектрическая подложка; 4 – прямоугольный волновод; 5 – поршень;

6 – металлический клин; 7 – гребень П-образного волновода

а) б)

Рис. 1. Волноводные симметричные Y-тройники и их эквивалентные схемы: а – в плоскости Н, б – в плоскости Е

Поскольку рассматривается идеальный Y-тройник без потерь, то его матрица рассеяния унитарна. Поэтому сумма квадратов модулей элементов любой строки или столбца этой матрицы равна единице, т.е. | s₁₁|² + | s₂₁|² + | s₃₁|² = 1. Учитывая сказанное, находим | s₂₁| = | s₃₁| = 2/3. Клеммные плоскости данного устройства могут быть расположены так, чтобы все элементы первого столбца матрицы рассеяния стали действительными. Учитывая, что Y-тройник является взаимным устройством и его матрица рассеяния симметрическая, получаем:

. (1)

Рассуждая аналогично по отношению к симметричному Y-тройнику в плоскости Е, получаем:

. (2)

Знак «минус» в коэффициентах передачи этой матрицы объясняется тем, что при возбуждении, например, входа 1 Y-тройника, на оставшихся входах ориентация вектора Е изменяется на противоположную (см. рис. 1, б). Y-тройники можно проанализировать с учетом их геометрической симметрии относительно оси и плоскости, проходящей через середину каждого из волноводов. Воспользовавшись методикой влияния геометрической симметрии устройств СВЧ на его внешние характеристики, можно получить матрицы рассеяния таких устройств, совпадающие с (1) и (2).

а) б)

Рис. 2. Волноводные Н- (а) и Е- (б) тройники

На рис. 2, а) и б) показаны волноводные Н- и Е-тройники. Обычно их выполняют таким образом, чтобы они были согласованы по входам 1. Поэтому при возбуждении этих входов мощность делится поровну между плечами 2 и 3 (входы устройства СВЧ часто называют плечами). Поэтому . В Н-тройнике при этом плечи 2 и 3 возбуждаются в фазе, а в Е-тройнике – в противофазе. Учитывая сказанное и свойство унитарности матрицы ( ), получаем следующие матрицы рассеяния Н- и Е- тройников:

(3)

На рис. 3, а) и б) представлены тройники в коаксиальном и полосковом исполнениях соответственно. Они имеют матрицы рассеяния такие же, как у волноводного Н-тройника.

а) б) в)

Рис. 3. Тройники: а – коаксиальный, б – полосковый; балансный полосковый делитель мощности

На практике часто встречается задача сложения мощностей двух источников в общей нагрузке. Рассмотрим возможность применения для этих целей, например, Т-образного Н-тройника. Подключим первый источник с амплитудой а₁ к плечу 2 тройника, второй источник с амплитудой а₂ к плечу 3, а согласованную нагрузку к плечу 1. Найдем амплитуды волн b_n (n = 1, 2, 3), отраженных от тройника, с помощью определителя матрицы рассеяния:

;

Отсюда следует, что мощность источников складывается в плече 1 тройника только тогда, когда а₁ = а₂. В противном случае в плечах 2 и 3 тройника появляются нежелательные отраженные волны. Для устранения этих волн при любых амплитудах источников необходимо, чтобы матрица рассеяния шестиполюсного устройства сложения мощности имела бы вид:

.

Так как эта матрица – симметрическая, то она соответствует взаимному устройству. Определим наличие тепловых потерь в данном устройстве. Для этого найдем собственные числа матрицы рассеяния как корни характеристического многочлена det(S – λ_SE) = 0. Подставив сюда матрицу S, получим: , откуда λ_S1 = 0, λ_S2 = 1, λ_S3 = –1. Таким образом, при возбуждении устройства СВЧ первым собственным вектором матрицы S он должен полностью поглощаться этим устройством, а второй и третий собственные векторы должны полностью отражаться от устройства СВЧ. Этими свойствами обладает согласованный тройник (или балансный делитель мощности), полосковый вариант которого показан на рис. 3, в. В его состав входит поглощающий элемент в виде резистора R, величина сопротивления которого, а также волновые сопротивления отрезков линий передачи выходных плеч подбираются из условия обеспечения максимальной рабочей полосы частот устройства и развязки плеч. Если в каком-либо выходном плече обычного тройника появляется отраженная волна, то она обязательно попадает в два других плеча, что видно, например, из формулы для матрицы рассеяния. Подобные тройники получили название ненаправленных делителей мощности. Так, если в полосковом тройнике (рис. ) обеспечить волновое сопротивление боковых плеч 2 и 3, вдвое большее волнового сопротивления входного плеча 1, то тройник будет согласован со стороны плеча 1. Однако плечи 2 и 3 в любом случае будут взаимозависимыми (не развязанными).

Балансный (направленный) делитель с балластным резистором (рис. 3 в) свободен от этого недостатка. На рис. 3 в) изображен полосковый проводник несимметричной полосковой линии. Генератор подключается к плечу 1 и его мощность делится пополам в плечах 2 и 3. Чтобы вход делителя был согласован, волновое сопротивление каждого отрезка линии между плечами 1 и 2 (3) должно быть равно . Длины этих отрезков линии с повышенным волновым сопротивлением должны быть равными λ_л/4.

Между выходными плечами 2 и 3 включено активное сопротивление R. При согласовании выходов плечи 3 и 2 находятся под одинаковыми потенциалами и ток через сопротивление R не течет. Если в одном из плеч, например 2, появится отраженная волна, то она будет распространяться по полукольцу и через сопротивление R . Так как длина полукольца равна λ_л/2, то в плечо 3 придут две волны c противоположными фазами. Чтобы плечо 3 осталось невозбужденным, эти две волны должны иметь одинаковую амплитуду. Подбор амплитуд этих волн осуществляется величиной сопротивления R. Необходимо, чтобы половина амплитуды отраженной волны поглощалась сопротивлением R , а половина – входным сопротивлением плеча 1 со стороны кольца. Поэтому величина сопротивления должна быть R = 2W. При этом условии мощность отраженной в плечах 2 или 3 волны делится пополам, половина уходит в плечо 1, а половина поглощается сопротивлением R. Выходные плечи 2 и 3 оказываются развязанными (изолированными друг от друга). Доля просочившейся из плеча 2 в 3 мощности из-за неточности изготовления делителя не превышает 20 дБ в полосе частот 30-35 %. Зная, как разделяется мощность между каналами, нетрудно записать матрицу рассеяния этого делителя мощности. Плечи 2–3 не связаны, следовательно, S₂₃ = S₃₂ = 0. Система согласована со всех плеч, что приводит к равенствам S₁₁ = S₂₂ = S₃₃ = 0. Наконец, фаза всех выходных волн отличается от фазы входных на π/2 за счет длины полукольца λ_л/4 . Матрица рассеяния будет иметь следующий вид:

Отметим, что эта матрица уже не унитарна, так как в разветвлении есть поглощающее сопротивление. Если найти сумму квадратов элементов по второй или третьей строке, то получится не единица, а ½. Недостающая половина мощности поглотилась внутри разветвления в сопротивлении R. Устройство, изображенное на рис. 3 в), обеспечивает одинаковые мощности в выходных плечах P₂ = P₃. Путем подбора волновых сопротивлений отдельных участков схемы можно обеспечить деление мощности в заданном отношении.

Направленные ответвители представляют собой взаимные реактивные восьмиполюсники СВЧ, имеющие четыре попарно развязанных плеча. При возбуждении одного из плеч мощность делится в требуемом отношении между какими-либо двумя плечами, а четвертое плечо остается невозбужденным. В зависимости от расположения входов направленных ответвителей, между которыми делится мощность СВЧ, они разделяются на три типа, представленные на рис. 4. Первый тип (I) называется сонаправленным, второй (II) и третий (III) – противонаправленными.

I II III

Рис. 4. Восьмиполюсники, эквивалентные направленным ответвителям типов I, II и III

Из рис. 4 следует, что перенумерацией входов направленных ответвителей типов II и III они могут быть сведены к типу I. Поэтому далее будем рассматривать направленные ответвители типа I. Идеальные направленные ответвители имеют матрицу рассеяния вида:

, (4)

где С – коэффициент связи, определяющий долю ответвляемой мощности. Из вида матрицы S следует, что все входы направленного ответвителя согласованы (s₁₁= s₂₂ = s₃₃ = s₄₄ = 0), входы 1 и 2, а также 3 и 4 взаимно развязаны, т.е. s₂₁ = s₁₂ =0 и s₄₃ = s₃₄ = 0.

При возбуждении плеча 1 фаза колебаний в плече 4 отстает на 90° от фазы колебаний в плече 3. Об этом говорит отрицательная мнимая единица при коэффициенте С. Реальные направленные ответвители характеризуются следующими параметрами, определяемыми в режиме возбуждения плеча 1: переходным ослаблением c₄₁=10lg(P₁/P₄)=–20lgC; направленностью c₂₄=10 lg(P₄/P₂); рабочим затуханием c₃₁ = 10lg(P₁/P₃); коэффициентом стоячей волны (КСВ) на входе, равным (1 + |s₁₁|)/(1 – |s₁₁|). Данные параметры определяются в некоторой полосе частот направленного ответвителя, и их числовые значения лежат в пределах 0 ≤ c₄₁ < 60 дБ; c₂₄ > 20 дБ; c₃₁ > дБ; k_св ≈1,1.

а) б)

Рис. 5. Двухдырочный направленный ответвитель (а), направленный

ответвитель на скрещенных волноводах (б)

Простейшим направленным ответвителем является волноводный двухдырочный отетвитель (рис. 5, а). Он представляет собой два прямоугольных волновода, в общей узкой стенке которых на расстоянии λ_в/4 друг от друга прорезаны два отверстия связи. При возбуждении плеча 1 мощность СВЧ в основном проходит в плечо 3, и небольшая ее часть ответвляется в плечо 4. Плечо в при этом остается развязанным, так как волны, ответвившиеся через отверстия, расстояния между которыми λ_в/4, оказываются в этом плече противофазными и гасят друг друга. Недостатком данного устройства является его узкополосность. Для устранения этого недостатка направленный ответвитель делают многодырочным. За счет этого удается также подобрать требуемую частотную характеристику переходного ослабления с₄₁.