2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА
2.1. Цель работы
1. Исследование работы волноводного вращающегося сочленения.
2. Исследование работы направленного ответвителя.
3. Градуировка СВЧ аттенюатора.
4. Исследование работы двойного Т-моста.
2.2. Краткие сведения из теории
1.Сочленения волноводов [5, раздел 13.4]. При контактном сочленении волноводов к их концам припаиваются фланцы I (рис. 2.1,а). Качество электрического контакта в месте прилегания фланцев будет зависеть от чисто-ты механической обработки и параллельности контактирующих плоскостей. Для уменьшения потерь на излучение через щели между фланцами в канавку 2 вводится прокладка из неопрена или резины, а фланцы волноводов стягиваются винтами, пропущенными через отверстия 3. Для уменьшения тепловых потерь за счет плохого качества контактов, особенно при многократных сборках волноводов, используются дроссельные сочленения, которые выполняются так, чтобы механический контакт находился в том месте 4, где ток равен нулю. С этой целью в разрыв между двумя линиями (рис.2.1,а) включается изогнутая короткозамкнутая на конце полуволновая линия 5 (кольцевая канавка глубиной /4). При этом между линиями обеспечивается короткое замыкание. С тем, чтобы величина сопротивления механического трущегося контакта 4 в разъеме не имела значения, его относят от короткозамкнутого конца с пучностью тока на 1/4 длины волны (/4), т.е. в то место, где ток равен нулю.
19
20
Этот же принцип положен в основу работы вращающихся сочленений двух прямоугольных волноводов (рис.2.1,б). В этих сочленениях применяются осесимметричные линии (коаксиальные или круглые волноводы) с азимутально симметричными волнами: Е01, Н01 (рис.2.2,а и 2.2,б) или волной Т в коаксиальной линии.
Ввиду того, что эти волны в круглом волноводе не основные, то совместно с волной, например, Е01 может возбуждаться основная волна H11 (pиc.2.2,в ) с более низкой величиной кр . Структура поля этой волны азимутально не симметрична и потому ее поле надо ослабить с тем, чтобы не возникала амплитудная модуляция сигнала в выходном волноводе с частотой вращения сочленения.
Для фильтрации волны Н11 соответствующим образом выбирают длину l (рис.2.1, б) и диаметр D круглого волновода так, чтобы на длине l укладывалось четное число четвертей длин волн в волноводе рабочей волны Е01 и нечетное - волны Н11. Кроме того, ставят фильтрующие резонансные кольца 6 (рис.2.1,б), в которых волна Н11 возбуждает большие резонансные токи и этим резко уменьшает свою амплитуду. При этом на поле волны Е01 кольца не оказывают никакого влияния, так как периметр колец перпендикулярен ее электрическому полю.
2. Направленные ответвители 2 ,раздел 17.6,17.7] и мосты представляют собой взаимные четырехплечные узлы. Если волна поступает в одно (любое) из плеч , а в остальных трех плечах включены согласованные нагрузки , то в идеальном случае мощность делится между двумя плечами, а третье оказывается развязанным от входного - волна в него не поступает.
Направленные ответвители предназначены для отвода из основного волновода части мощности волны, распространяющейся в одном направлении.
В волноводном варианте (рис.2.3,а ) направленный ответвитель представляет собой сдвоенный волновод с общей узкой стенкой. Связь между волноводами 1-2 и 3-4 осуществляется через два круглых отверстия, расположенных на расстоянии в/4 . Волна из волновода 1-2 возбуждает поле в волноводе 3-4, сдвинутое по фазе на /2 . В волноводе 3-4 поля в направлении плеча 4 складываются синфазно, а в направлении плеча 3 - противофазно. Таким образом, в плече 4 будет часть энергии волны падающей, бегущей слева направо , а плечо 3 (плечо слепое - закороченное с поглощающей нагрузкой) относительно 1-го будет развязано. В плечо 3 может поступать часть энергии волны отраженной, бегущей справа налево. При этом в плечо 4 волна не поступает.
Переходным затуханием направленного ответвителя С называют выраженное в децибеллах отношение мощности, поступающей во входное плечо 1, к мощности, ответвляемой в плечо 4 направленной связи
С = 10 lg (P1 / P4) = 1 - 4 , дБ . (2.1)
21
При работе с конечной полосой частот в развязанное плечо от падающей волны поступает некоторая мощность и количественно это явление характеризуется направленностью D , которая в децибеллах равна
D = 10 lg (P4 / P3) = 4 - 3 , дБ , (2.2)
где P4 - мощность в плече направленной связи 4 , Р3 - мощность в развязанном плече 3. У идеального направленного ответвителя направленность равна бесконечности.
Если KZl /2 , то такой направленный ответвитель имеет направленность, величину которой можно оценить как
(2.3)
 .
Если число отверстий больше двух, например , n + 1, то направленность может быть увеличена в n раз. Расстояния между отверстиями берутся одинаковые, а диаметры отверстий берутся разными. В метровом и дециметровом диапазонах волн направленные ответвители выполняются на базе коаксиальных или полосковых линий [2, раздел 17.6].
В радиоэлектронной аппаратуре направленные ответвители используются для индикации или измерения при известном значении переходного ослабления мощности падающей волны, поступающей целиком в нагрузку. Для измерения мощности отраженной волны плечи 3 и 4 должны поменяться местами. Когда необходимо измерить части обеих мощностей, например, для оценки согласования (КСВ), включают два направленных ответвителя с одинаковыми значениями С навстречу друг другу (рис.2.3,б).
3. Аттенюаторы или ослабители [5, раздел 13.6] регулируют уровень мощности в линии передачи и необходимы в процессе настройки и измерения параметров различных элементов линии передачи, например, затуханий, вносимых элементами, развязки, ослабляющей связь между элементами и др.
Аттенюаторы бывают разных типов, например: 1) запредельные, ослабляющие сигнал по амплитуде за счет закритического режима в волноводе регулируемой длины (рис.2.4,а) и, следовательно, отражающие волну; 2) поглощающие аттенюаторы в волноводном варианте, представляющие собой отрезок волновода, в который вводится диэлектрическая пластинка 1 (рис .2.4,б), покрытая поглощающим слоем 2 (графита или нихрома). Концы пластины скошены для уменьшения отражения от ее концов. Плоскость пластины располагается параллельно электрическому полю, которое наводит в поглощающем слое ток, вызывающий тепловые потери соответствующей волны. Регулировка потерь производится перемещением пластины вдоль широкой стенки волновода, т.е. в том направлении, в котором меняется напряженность электрического поля.
22
23
 4. К числу волноводных разветвителей (тройников ) относятся Н- и Е - тройники. Н-тройник (рис.2.5,а) представляет собой Т - образное разветвление волноводов в плоскости расположения магнитного поля волны Н10, работающих в одноволновом режиме. Примерная структура поля без учета полей волн высших типов, возникающих вблизи разветвления, при подаче энергии в плечо 1 и согласованных нагрузках в плечах 2 и 3 показана на рис.2.5, б. При этом в плечах 2 и 3 в противоположные стороны бегут волны Н10, у которых на одинаковых расстояниях от разветвления векторы поля Е (и Н ) равны, но так, что поля Е синфазны, а поля Н - противофазны. При этом схемой замещения Н-тройника является параллельное соединение линий (рис.2.5,в). На одинаковых расстояниях от разветвления напряжения U2 и U3 равны и синфазны, а токи J2 и J3 равны, но противофазны.
Е-тройник (рис.2.6,а) представляет собой T-образное разветвление волноводов в плоскости расположения поля Е волны Н10. Примерная структура поля при подаче энергии в плечо 4 и согласованных плечах 2 и 3 показана на рис.2.6,б. В плечах 2 и 3 на одинаковых расстояниях от разветвления векторы поля Е (и Н) равны, но поля Е противофазны, а поля Н синфазны. Схемой замещения Е-тройника является последовательное соединение линий (рис.2.6,в). На одинаковых расстояниях от разветвления напряжения в замещающих линиях 2 и 3 U2 и U3 равны и прот ивоположны по фазе, а токи J2 и J3 равны и синфазны.
5. Двойной Т-мост (или двойной волноводный тройник 2, раздел 17.7] представляет собой два совмещенных Н - и Е-тройника (рис.2.7,а). При подаче мощности на вход 1 она делится поровну между плечами 2 и 3 , которые по полю Е возбуждаются в фазе (рис.2.5,б). На входе плеча 4 будет только продольное (для этого плеча) электрическое поле и, следовательно, в нем могут возбудиться только волны типа Е, которые будут находиться в закритическом режиме и, следовательно, в плечо 4 энергия поля не попадает и оно оказывается развязанным относительно плеча 1.
При подаче мощности на вход 4 она делится поровну между
плечами 2 и 3, которые по полю Е возбуждаются в противофазе. При этом относительно продольной плоскости симметрии плеча 1 поле Е будет противофазным (рис.2.6,б) и возбудиться там может только поле волны Н20, которая будет в закритическом режиме и поэтому энергия в плечо 1 не передается. Плечи 1 и 4 снова оказываются развязанными.
Отсюда следует, что при подаче одинаковых синфазных сигналов на входы плеча 1 и 4 на входе плеча 2 (или 3) сигнал будет отсутствовать, а вся мощность поступит в плечо 3 (или 2). Из принципа взаимности следует, что при подаче мощности на вход 2 (или 3) она поделится между плечами 1 и 4 (с синфазным полем Е на одинаковых расстояниях от разветвления) и не попадет в плечо 3 (или 2). Плечи 2 и 3 оказываются развязанными.
24
25
Реальная развязка между плечами 1 и 4 составляет около 30-50 дБ при КСВ 1,2 при полосе пропускания частот порядка 10 %.
Указанные свойства соблюдаются при полном согласовании плеч 1 и 4, для чего в конструкцию моста вводят согласующие устройства в виде индуктивной диафрагмы в плече 4 и емкостного штыря в плече 1 ( рис. 2.7,а).
Некоторыми областями применения двойного Т-моста (и его модификации-модернизированного двойного Т-моста (рис.2.7,б)) являются: 1) проходные фазовращатели на базе полупроводниковых щелевых модулей; 2) схемы балансных смесителей СВЧ; 3) схемы сложения сигналов СВЧ на общей нагрузке (это применение позволяет реализовать частотное уплотнение трактов СВЧ, при котором один тракт используется одновременно для передачи нескольких сигналов разных частот) при выполнении условия согласования и развязки сигналов (но при неизбежной потере мощности в поглощающей нагрузке); 4) системы стабилизации частоты генераторов СВЧ; 5) схемы фазовых детекторов СВЧ; 6) делители СВЧ мощности на равные части без нарушения согласования.
2.3. Экспериментальная часть
2.3.1. Описание установки и ее схема
Установка для проведения эксперимента отличается от установки, по-казанной на рис.1.9 тем, что на выходе измерительной линии (ИЛ) элементом 8 будет служить: 1) согласованная нагрузка; 2) вращающееся сочленение с согласованной детекторной секцией (ДС) на конце; 3) направленный ответвитель, на выходе 2 которого включается согласованная нагрузка (СН), а на выход 4 - согласованная детекторная секция и наоборот (при измерении направленности сигнал подается на вход 2, а снимается с выхода 4); 4) детекторная секция, а градуируемым аттенюатором служит аттенюатор 3 (рис. 1.9); 5) двойной Т - мост. Во всех случаях, когда используется детекторная секция, то ее выход включается на вход усилителя - индикатора.
2.3.2. Порядок выполнения эксперимента и содержание отчета
I. К концу ИЛ подсоединяется вращающееся волноводное сочленение , на подвижном конце которого включается согласованная детекторная секция. Поворачивая подвижную часть сочленения на 360°, надо убедиться, что коэффициент передачи с входа на выход почти не изменяется. Если наблюдаются отклонения, то следует взять разность максимального и минимального показаний индикатора усилителя и отнести ее к среднему значению и, помножив на 100, найти максимальный процент отклонения коэффициента передачи от среднего при вращении.
26
2. В качестве исследуемого элемента 8 к ИЛ входом 1 (рис. 2.3,а) подключается направленный волноводный ответвитель, на выход 2 которого подсоединяется согласованная нагрузка, а на выход 4 -детекторная секция (ДС). Выход с ДС подается на усилитель - индикатор. Регулировкой затухания, вносимого эталонным аттенюатором (ЭА), вмонтированным в генератор, стрелка индикаторного прибора устанавливается на любое деление шкалы, и значения показаний аттенюатора и индикатора записываются. Затем, предварительно вводя большое затухание ЭА, детекторная секция и согласованная нагрузка меняются местами. После этого ЭА постепенно выводится до тех пор, пока на индикаторе не будет то же самое показание. Значение затухания, вводимого при этом ЭА, записывается. По разности значений показаний ЭА можно судить о величине переходного затухания "С" (согласно (2.1 ) ) в дБ. Для измерения направленности "D" направленный ответвитель подключается к измерительной линии входом 2, вводится большое затухание и к выходу 1 подключается детекторная секция, к выходу 4 - согласованная нагрузка. Постепенно выводя затухание ЭА, добиваются снова тех же показаний индикатора. Показания аттенюатора записываются, а затем детекторная секция и согласованная нагрузка меняются местами и снова при тех же условиях берется отсчет показаний ЭА. По разности значений показаний ЭА в двух случаях подключения детекторной секции к каналу 4 согласно (2.2) можно судить о направленности в дБ.
3. Для градуировки аттенюатора 3 (рис.1.9) вначале вводится большое затухание ЭА, а на конце измерительной линии включается детекторная секция. Градуируемый аттенюатор ставится на нулевое деление и постепенно выводится затухание ЭА до некоторого фиксированного показания индикатора. Показания шкал обоих аттенюаторов записываются. Затем ставится следующее деление (например, через 10 делений) на шкале градуируемого аттенюатора и снова ЭА выводится до старого показания на шкале индикатора. Производится замещение затуханий, вводимых градуируемым и ЭА. Каждый раз надо брать разность значений начального и последующих затуханий, вводимых ЭА. Заполняется градуировочная таблица, а затем рисуется график -"затухание" в дБ в зависимости от деления.
4. Для экспериментального изучения работы двойного Т-моста определяется развязка между каналами Lik и переходное ослабление Сik (табл. 2.1).
Под развязкой понимается отношение мощностей в проводящем Рпров и непроводящем Рнепров каналах. Например, при подаче сигнала в плечо 1 может измеряться развязка между плечами 2 и 4 (или 3 и 4 ) , т.е.
(2.4)
27
Измерения производятся известным Вам методом замещения с использованием эталонного аттенюатора (ЭА ): детекторная секция устанавливается вначале на непроводящем канале, а на остальных - согласованные нагрузки. Эталонным аттенюатором добиваются любых достоверных показаний на шкале индикатора. Записываются показания ЭА 4 . Затем вводится максимальное затухание ЭА и переключают детекторную секцию на один из проводящих каналов (на остальных - согласованные нагрузки) и добиваются ЭА тех же показаний на шкале индикатора. Записывается 2 . Разность показаний эталонного аттенюатора в дБ будет равна развязке, выраженной в дБ. Перед детекторной секцией рекомендуется устанавливать вентиль, так как она не всегда оказывается хорошо согласованной.
Под переходным ослаблением Сik понимается отношение мощности на входе Рвх к мощности на проводящем канале Рпров . Вначале детекторная секция устанавливается на проводящем канале (например, 2) , а затем непосредственно на выходе волновода, подключаемого к Т-мосту
, дБ. (2.5)
Предлагается измерить развязку L24 и L34 при подаче сигнала на вход 1, развязку L12 и L13 при подаче сигнала на вход 4, L34 и L31 при подаче сигнала на вход 2.
Переходное ослабление измеряется между каналами 1 и 2 - С12, 1 и 3 - С13 при подаче сигнала в канал 1, между каналами 4 и 2 - C42 ,4 и 1 - C41 при подаче сигнала в канал 4, а также C24 и C21 при подаче сигнала в канал 2.
В процессе эксперимента предлагается заполнить табл.2.1.
2.4. Контрольные вопросы
1. На что сказывается в работе линий передачи плохое согласование? 2. Когда следует производить измерение КСВ с эталонным аттенюатором и в чем достоинство этого метода? 3. В каких случаях измерение КСВ можно с достаточной точностью производить по индикатору амплитуд? 4. Объясните принцип работы дроссельных сочленений подвижных и неподвижных. 5. С каким типом волны работает вращающееся сочленение на круглом волноводе и почему? 6. Зачем и как добиваются подавления основной волны Н11 в этом сочленении? 7. Объясните принцип работы резонансных колец. 8. С какой целью и где используют вращающиеся сочленения? 9. Нарисуйте схему конструкции вращающегося сочленения. 10. Нарисуйте схему конструкции волноводного направленного ответвителя; ответвителя на коаксиальных линиях; на полосковых линиях.
28
29
11. С какой целью используются направленные ответвители? 12. Каким методом расширяется их полоса пропускания? 13. Что понимается под направленностью и переходным ослаблением в направленном ответвителе? 14. Какие виды конструкций аттенюаторов Вам известны? 15. Где их используют? 16. В чем отличие мостов от направленных ответвителей? 17. Опишите порядок градуировки аттенюатора. 18. Как выбираются диаметр и длина вращающегося сочленения на круглом волноводе? 19. Нарисуйте схему замещения Н и Е - тройника. 20. Нарисуйте конструкцию двойного Т-моста. 21. Опишите, как он работает при подаче сигнала в разные плечи. 22. Как согласуется двойной Т-мост? 23. Где применяется двойной Т-мост?
|
