УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра АФУ
МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 3
«ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО
НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ»
по дисциплинам «Электромагнитные поля и волны»
и «Антенны и устройства СВЧ»
для студентов очного и заочного обучения
и направлений подготовки «Телевидение,
радиосвязь и радиовещание», «Радиотехника» и
«Телекоммуникации»
Ташкент 2004
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить свойства волноводного направленного ответвителя и определить его параметры. Применить направленный ответвитель для измерения мощности СВЧ поля, поглощаемого нагрузкой.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Простейшим направленным ответвителем (НО) является узкополосный НО. Он выполняется следующим образом. Два волновода, основной и ответвляющий, имеют общую стенку с двумя отверстиями связи (рис.2.1).
Отверстия связи малы по сравнению с длиной волны в волноводе L и располагаются на расстоянии L/4. Проанализируем работу направленного ответвителя по схеме рис. 2.2.
Пусть два волноводных отрезка имеют общую стенку с двумя отверстиями связи, центры которых находятся в точках "с" и "b". Слева по основному волноводу распространяется прямая волна типа Н10 с мощностью P1+. Второй волновод, в который следует ответвить часть мощности, слева имеет согласованную нагрузку Zн2=Z0, где Z0 – волновое сопротивление волновода. Прямая волна P1+ возбуждает через отверстия связи волны в ответвляющем волноводе. Вправо в ответвляющем волноводе будет распространяться волна, сформировавшаяся из волн, направляющихся по путям «acd» и «аbd». Поскольку расстояния, проходимые этими волнами, одинаковы, то они складываются в фазе.
Влево, в ответвляющем волноводе, (к нагрузке Zн2) волны распространяются по путям "aсе" и "аbе" и имеют разность хода в половину длины волны L/2=(L/4+L/4), т.е. находятся в противофазе, и энергия волны не распространяется в этом направлении.
При произвольной нагрузке Zн1 в основном волноводе формируется обратная волна с мощностью P1–. Части отраженной волны, пришедшие из основного волновода по путям «fce» и «fbe», сложатся в фазе в ответвляющем волноводе и поглотятся в поглощающей нагрузке Zн2.
Таким образом, в ответвляющем волноводе прямая волна с мощностью P2+ и обратная волна с мощностью P2– разделены.
При Zн1=Z0 значение P2+ пропорционально мощности P1+.
Если перевернуть ответвляющий волновод так, как показано на рис. 2.2.б, то можно выделить часть мощности отраженной волны P2–, пропорциональную P1–.
Таким образом, используя два направленных ответвителя, включённых в противоположных направлениях, можно измерить значения P2+ и P2– и рассчитать значение модуля коэффициента отражения Г из формулы
Г2= P2–/P2+. (2.1)
Если имеется один направленный ответвитель, то значения P2+ и P2– можно измерить при поочерёдном включении направленного ответвителя в прямом и обратном направлениях.
Мощность, поступающая в нагрузку, на выходе направленного ответвителя (рис.2.3) определяется выражением
Рн = Рпад – Ротр = Рпад(1 – Ротр/Рпад) = Рпад(1-Г2) = P1+(1-Г2). (2.2)
Узкополосность направленного ответвителя следует из фиксированного расстояния в четверть длины волны между отверстиями связи. При изменении длины волны в ответвляющем волноводе волны у нагрузки Zн2 полностью не компенсируются (сдвиг фаз не равен 1800), что наблюдается также и при неточном изготовлении направленного ответвителя.
Увеличение числа отверстий улучшает диапазонную характеристику направленного ответвителя.
Основными параметрами направленного ответвителя являются переходное ослабление и направленность.
Переходное ослабление Lпер, измеряемое в децибелах, определяется по формуле
Lпер=10lg(P1+/P2+), (2.3)
где P1+ - мощность волны, распространяющейся в прямом направлении по основному волноводу;
P2+ - мощность, ответвляемая во второй волновод в том же направлении.
Направленность Lнапр, измеряемая в децибелах, определяется по формуле
Lнапр=10lg(P2+/ P2–), (2.4)
где P2+ - мощность, ответвленная в прямом направлении;
P2– - мощность, ответвленная в обратном направлении.
Даже для хороших ответвителей Lнапр не превышает 40 дБ, что определяется неидеальным исполнением направленного ответвителя, в частности, неточным расположением отверстий связи и неидентичностью этих отверстий.
3.ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ
3.1. Исследовать направленный ответвитель: ознакомиться с устройством и областью применения; измерить переходное ослабление и направленность.
3.2. Измерить мощность СВЧ поля, поглощаемую нагрузкой, с помощью направленного ответвителя.
4. МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1. Измерение переходного ослабления и направленности
направленного ответвителя
Собрать установку, как показано на рис.4.1. Для этого необходимо подключить направленный ответвитель к выходу волноводного тракта от генератора (например, к выходу измерительной линии).
Рис.4.1
Подсоединяя измеритель мощности поочерёдно к ответвляющему и основному волноводам направленного ответвителя, измерить значения мощности P1+ и P2+ Перевернуть направленный ответвитель (см. рис.4.2) и измерить значения мощности P1+ и P2–. При этих измерениях на свободные выходы направленного ответвителя устанавливается согласованная нагрузка.
При включении направленного ответвителя в обратном направлении с согласованной нагрузкой на выходе основного волновода ответвляемая мощность будет очень мала. Поэтому, если Вы не увидите отклонения стрелки индикаторного прибора, можно условно принять Р2– = 0,02 мВт.
Рис.4.2
Параметры Lпер и Lнапр рассчитываются по формулам (2.3) и (2.4).
Результаты измерений и расчёта занести в таблицу типа табл. 4.1.
Таблица 4.1
Результаты экспериментального исследования характеристик
направленного ответвителя на частоте ……… МГц
|
P1+, мВт |
P2+, мВт |
P2–, мВт |
Lперех, дБ |
Lнапр, дБ |
|
|
|
|
|
|
4.2. Определение величины мощности электромагнитного поля, поглощаемой нагрузкой, при помощи направленного ответвителя
В волноводном тракте непосредственное измерение уровня мощности электромагнитного поля СВЧ, распространяющегося в волноводе, затруднено.
Измерение и контроль уровня мощности производят с помощью направленных ответвителей, включенных в волноводный тракт.
В настоящей лабораторной работе измерение мощности, поступающей в нагрузку, размещенную на конце волновода, производится с помощью одного НО. Для этого необходимо выполнить следующие операции.
Установить произвольную волноводную нагрузку (сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению волновода) на выходе основного волновода направленного ответвителя (рис.4.3) и измерить значение мощности P2-.
Рис.4.3
Включить направленный ответвитель в противоположном направлении (рис.4.4) и измерить значение мощности P2+.
Рис.4.4
Отсоединить произвольную нагрузку от основного волновода направленного ответвителя и вместо неё подключить измеритель мощности, измерить значение мощности P1+.
С помощью формулы (2.2) рассчитать значение мощности Рн электромагнитного поля, поглощаемой произвольной нагрузкой.
Результаты измерений и расчёта занести в таблицу типа табл. 4.2
Таблица 4.2
Результаты определения величины мощности, поглощаемой
произвольной нагрузкой на частоте ……… МГц
|
P1+, мВт |
P2+, мВт |
P2–, мВт |
Рн, мВт |
|
|
|
|
|
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчёт должен содержать:
5.1. Структурные схемы для определения переходного ослабления и направленности направленного ответвителя. Значения измеренных мощностей P1+, P2+ и P2– и результаты расчета параметров Lпер и Lнапр (табл.4.1).
5.2. Структурные схемы измерения мощности.
5.3. Результаты расчета мощности, поступающей в нагрузку, на выходе направленного ответвителя (табл.4.2).
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Какое устройство называется направленным ответвителем? ([1] §17.5, [2] §8.8, [3] §24.10).
6.2. Нарисуйте волноводный двухдырочный направленный ответвитель и объясните его принцип действия ([1] §17.5, [2] §8.8, [3] §24.10).
6.3. Какими параметрами характеризуются направленные ответвители? ([2] §8.8, [3] §24.10).
6.4. Дайте определения переходного ослабления и направленности направленного ответвителя ([2] §8.8, [3] §24.10).
6.5. Нарисуйте структурную схему установки для измерения и контроля мощности в волноводном тракте с помощью направленного ответвителя ([2] §8.9).
6.6. Нарисуйте структурные схемы установок для определения параметров направленного ответвителя. ([2] §8.8).
6.7. Нарисуйте структурную схему установки для определения модуля коэффициента отражения с помощью двух направленных ответвителей ([2] §8.9).
6.8. Почему волноводный двухдырочный ответвитель является узкополосным устройством? Как можно увеличить рабочую полосу частот направленного ответвителя? ([1] §17.5, [2] §8.8, [3] §24.15).
6.9. Для чего предназначена детекторная секция (головка)? Нарисуйте волноводную детекторную секцию и объясните принцип её действия ([2] §8.6).
6.10. Для чего предназначена поглощающая (согласованная) нагрузка? Нарисуйте поглощающую нагрузку для прямоугольного волновода, объясните принцип её действия ([2] §8.3, [3] §24.2).
6.11. Объясните принцип работы многодырочного волноводного направленного ответвителя ([1] §17.5, [2] §8.8, [3] §24.15).
6.12. Объясните функцию отверстия связи как возбуждающего устройства ([1] §17.4, [2] §8.8).
ЛИТЕРАТУРА
1. Вольман В.И., Пименов Ю.B. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1971.
2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, том 1. – M.: Высшая школа, 1970.
3. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1978.
Методическое руководство к лабораторной работе № 3 «ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ» по дисциплинам «Электромагнитные поля и волны» и «Антенны и устройства СВЧ» рассмотрено на заседании кафедры АФУ 23.02.04 г. (протокол № 16 от 19.04.2004) и рекомендовано к печати.
Отв. редактор доц. Ликонцев Д.Н.
Составители:
доц. Ликонцев Д.Н. (работы № 3,4,5)
ст. преп. Кан В.С. (работа №3)
Редакционно-корректурная комиссия:
редактор доц. Романенко Б.А.
корректор ст. преп. Павлова С.И.