Техническая электродинамика (стр. 3 )

Основные рабочими характеристиками шлейфных НО являются: переходное ослабление (или связь), направленность, развязка, коэффициент деления мощности, рабочее затухание в первичной линии, КСВН (согласование плеч ответвителя с подводящими линиями) фазовые соотношения для волн в выходных плечах.

Переходное ослабление (или связь) определяется [1] в дб как отношение входной мощности первичной линии к выходной мощности рабочего плеча вторичной линии. Например, для двухшлейфного НО, показанного на рис.1, переходное ослабление равно:

(дб). (1)

Направленностью называют выраженное в дб отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вторичной линии. Для того же примера направленность определяется:

(дб). (2)

Развязка определяется в дб как отношение входной мощности первичной линии к выходной мощности нерабочего плеча вторичной линии. В случае двухшлейфного НО (рис.1) развязка равна:

(дб). (3)

Коэффициент деления мощности определяется:

. (4)

Рабочее затухание первичной линии выражается в дб и определяется отношением мощностей на входе и выходе первичной линии. Для НО (рис.1):

1

. (5)

 

Согласование шлейфных НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН, измеряемым со стороны входного плеча НО, в то время как к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Значение переходного ослабления и фазовые соотношения между выходными волнами напряжений существенно отличаются для различных типов НО. В зависимости от величины переходного ослабления НО делятся на устройства с сильной связью (С14=0+10 дб) и слабой связью (С14>10 дб). НО, имеющие равные мощности в выходных плечах (C14=3,01 дб), выделены в особый класс соединений, называемых гибридными (гибридами) или трехдецибельными.

Шлейфные НО относятся к квадратурным устройствам с сильной связью (разность фаз волн напряжений в выходных плечах равна 90°, переходное ослабление - порядка 0+10 дб). Переходное ослабление и параметры согласования определяются соотношением волновых сопротивлений отрезков линий ответвителя. Направленность и диапазонные характеристики шлейфных НО улучшаются с увеличением количество шлейфов n. Однако при большом числе шлейфов (n>3) увеличивающиеся волновые сопротивления внешних шлейфов не могут быть реализованы в микрополосковой конструкции. На рис.2 показана топология трехшлейфного НО.

Анализ НО, проведенный методом зеркальных отображений 1, позволяет получить расчетные соотношения для рабочих характеристик. В случае двухшлейфного НО (рис.1) при наличии идеального согласования найдена связь между нормированными волновыми проводимостями шлейфов:

, (6)

где , , , ,

r1 и r2 - нормированные волновые сопротивления шлейфов и соединительных линий,

z0, z1, z2 - волновые сопротивления шлейфов, соединительных и подводящих микрополосковых линий соответственно.

Для переходного ослабления получено:

, (дб); (7)

рабочего затухания:

, (дб); (8)

коэффициента деления мощности:

. (9)

В частном случае, когда Y1=1, , двухшлейфный НО является гибридным соединением (C13=C14=3,01 дб). Аналогичные соотношения приведены в [1] и для трехшлейфных НО.

Учет неидеальности шлейфов и неточности изготовления топологической схемы (разброс W1 и W2 ) позволяет расcчитать частную и “технологическую” зависимости рабочих характеристик шлейфных НО.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования производятся на установке, предcтавленной на рис.3.

В данной работе необходимо измерить основные рабочие характеристики двух- и трехшлейфных НО в диапазоне частот, указанном преподавателем. При измерении характеристик ослабления, перечисленных в разделе 2, к свободным плечам НО необходимо подключить согласованные нагрузки. Измерение KСВH входных плеч НО производится обычным способом с помощью измерительной линии.

 

4 ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

4.1 Вычислить топологию двух - и трехшлейфных НО для ряда переходных ослаблений (3 дб, 6 дб, 10 дб) при следующих исходных данных: материал - ситалл CT-50-1 (e=8,2; tgd=50´10); f0=3000 МГц (10000 МГц); Z0 =50 ом, h=1мм (0,5 мм).

4.2 Вычислить частотную (полоса частот равна 10%) и "ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ" (шаг неточности равен 50 мкм) зависимости рабочих характеристик шлейфных НО. Тип НО для расчета согласовать с преподавателем.

4.3 Измерить основные рабочие характеристики двух - и трехшлейфных НО.

5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

5.1 Цель работы, краткое описание измерительной установки, методика измерений.

5.2 Результаты измерений и расчетов в виде таблицы.

5.3 Эскиз топологии двух - и трехшлейфного НО.

5.4 Графики частотной и "технологической" зависимостей рабочих характеристик НО (расчет и эксперимент).

5.5 Погрешности проведенных измерений. Анализ расчетных и экспериментальных результатов.

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1 Поясните принцип работы двух - и трехшлейфного НО.

6.2 Каким образом рассчитывается частотная зависимость рабочих характеристик шлейфных НО. Привести пример расчета.

6.3 Указать способы повышения диапазонных свойств шлейфных НО.

6.4 Пояснить методику построения "технологической" зависимости рабочих характеристик шлейфных НО.

6.5 Сформулировать требования и точности изготовления топологии микрополосковых шлейфных НО.

6.6 Привести примеры применения МП шлейфных НО в конструкциях СВЧ.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Институт электронных информационных систем

Кафедра “Проектирование и технология радиоаппаратуры”

Исследование конструкций

ферритовых СВЧ устройств

Лабораторная работа № 2.

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Анализ конструкций и основных характеристик ферритовых вентилей и циркуляторов.

1.2 Экспериментальное исследование зависимости выходных электрических характеристик ферритовых СВЧ устройств от их конструктивных параметров.

2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

2.1 Электрические характеристики ферритовых СВЧ устройств

Вентилем (или изолятором) в технике СВЧ называют четырехполюсник, обладающий тем свойством, что величина вносимого им затухания зависит от направления движения волны через вентиль. Основными электрическими характеристиками ферритовых вентилей являются:

а) диапазон рабочих частот;

б) прямые ( вносимые) потери – Lпр;

в) обратные потери (развязка) – Lобр;

г) КСВ.

Для применяемых ферритовых СВЧ вентилей характерны следующие значения параметров: Lпр=0,1-1 дБ; Lобр=10-70 дБ; вентильное отношение R=Lобр/Lпр всегда больше 10; КСВ 1,25.

Циркулятором называется ферритовое устройство, в котором движение потока СВЧ энергии происходит в строго определенном направлении, зависящем от ориентации внешнего магнитного поля, намагничивающего феррит. Основные электрические параметры ферритовых циркуляторов:

а) Lпр - прямые потери (0,11 дБ);

б) Lобр - развязка между каналами (2040 дБ);

в) КСВ ( 1,25).

2.2 Ферритовые вентили

Ферритовые вентили используют в качестве широкополосных согласующих устройств, которые прямую волну пропускают с малыми потерями, а обратную - с большим затуханием. На рис.1 а, б представлены эскизы резонансного вентиля и вентиля на смещении поля.

Резонансный ферритовый вентиль работает на основе явления поперечного ферромагнитного резонанса - резонансного поглощения "необыкновенной" волны при определенном значении поперечного постоянного магнитного поля Нрез . Необыкновенной волной называют волну, у которой вектор электрического поля Е параллелен вектору постоянного магнитного поля Н0 , а магнитное поле эллиптически поляризовано в плоскости, перпендикулярной Н0.

Рассмотрим волновод, в котором распространяется волна Н10 вдоль оси X. Эта волна имеет 3 составляющие:

,

, (1)