Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Transkrypt

1 Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki Przedmiot: Technika wysokich częstotliwości Numer ćwiczenia: 4 Temat: Generatory mikrofalowe. Pomiar parametrów fali elektromagnetycznej w układach falowodowych Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem generatorów mikrofalowych oraz poznanie metod i aparatury wykorzystywanej przy pomiarach mikrofalowych.. Wstęp teoretyczny Częstotliwość i długość fali powiązane są następującą zależnością: f vf λt gdzie: v f prędkość fazowa w przestrzeni nieograniczonej i w prowadnicach falowych o rodzaju pola TEM, λ t długość fali w prowadnicy Prędkość fazowa v f w przestrzeni nieograniczonej i w prowadnicach falowych o rodzaju pola TEM zależy tylko od właściwości ośrodka, w którym odbywa się przesyłanie fali elektromagnetycznej. Dla ośrodków bezstratnych: vf0 ε μ c εr μr Wynika z tego, że w przestrzeni nieograniczonej i w prowadnicach TEM długość fali zależy tylko od częstotliwości sygnału i parametrów ośrodka. Struktura, geometria i wymiary poprzeczne prowadnic TEM nie mają w tym wypadku wpływu na długość fali λ t. Zależność długości fali od częstotliwości staje się bardziej złożona w przypadku prowadnic o falowodowych rodzajach pola (falowody, pręty dielektryczne, prowadnice wieloprzewodowe o wymiarach poprzecznych porównywalnych z długością fali). Prędkość fazowa zależy wówczas nie tylko

2 od parametrów ośrodka wypełniającego prowadnicę, ale również od geometrii i poprzecznych wymiarów prowadnicy oraz rodzaju pola, jaki w prowadnicy istnieje. Prędkość fazowa w jednorodnych prowadnicach falowych o falowodowych rodzajach pola TE mn lub TM mn i bezstratnym ośrodku wypełniającym prowadnicę określona jest wzorem: vf c εr μr fgr f mn v f 0 fgr f gdzie: f gr,mn częstotliwość graniczna falowodowych rodzajów pola, zależna od rodzaju pola i wymiarów prowadnicy. mn Falowodowe rodzaje pola mogą istnieć tylko dla sygnałów o częstotliwościach f > f gr,mn, wobec tego prędkość fazowa w takiej prowadnicy jest większa od prędkości v fo w ośrodku nieograniczonym. Długość fali w prowadnicach o rodzajach falowodowych określona jest wzorem: λ f λ 0 λ λ 0 grmn gdzie: λ 0 = v fo /f długość fali w ośrodku nieograniczonym, λ gr,mn graniczna długość fali dla falowodowych rodzajów pola, zależna od wskaźników rodzaju pola m,n i wymiarów prowadnicy. Długość fali λ f w prowadnicy o falowodowym rodzaju pola jest większa od długości fali w przestrzeni nieograniczonej λ 0 i dla danej częstotliwości zależy od geometrii i poprzecznych wymiarów prowadnicy, rodzaju pola oraz od parametrów ośrodka wypełniającego prowadnicę.. Opis aparatury stosowanej w pomiarach mikrofalowych.. Generator mikrofalowy Źródła mocy mikrofalowej nazywane są generatorami. Najogólniej można je podzielić na próżniowe (diody, triody, tetrody mikrofalowe), lampy przelotowe (klistrony szczelinowe i refleksowe), lampy o fali bieżącej z linia opóźniającą (np. magnetrony), masery i generatory półprzewodnikowe (diody Gunna, diody lawinowe i tranzystory), wypierające inne, starsze typy generatorów. W naszym przypadku ma zastosowanie klistron refleksowy (rysunek ), do niedawna najpowszechniejszy generator mikrofal małej mocy. Elektrony emitowane z wyrzutni elektronowej W (katoda z elektrodami ogniskującymi i przyspieszającymi) wpadają w obszar oddziaływania między siatkami S i S (rezonator wnękowy), są hamowane w obszarze między drugą siatką S i reflektorem R, zawracają i ponownie przelatują przez

3 obszar oddziaływania. Wiązka elektronów przelatując od siatki S do siatki S jest modulowana co do prędkości przez zmienne, sinusoidalne napięcie przyłożone do siatki rezonatora. Dalej zachodzi modulacja gęstości prądu. Aby powstające elektrony podtrzymywały drgania w rezonatorze, musi być spełniony warunek: U0 k U0 UR gdzie k jest stałą zależną od rzędu drgań n, częstości i odległości d reflektora od rezonatora wnękowego k m e ωd n π 8 Zwykle wykorzystuje się rząd drgań n=. Aby nastąpił rozruch klistronu, musi popłynąć prąd większy od tzw. prądu rozruchu. Napięcie anodowe wynosi ok. 300V, zaś napięcie reflektora 50 V. Za pomocą śruby ustala się takie warunki modulacji elektronów, aby uzyskać maksymalną amplitudę fali elektromagnetycznej. Wadą klistronu refleksowego jest nieduża stałość częstotliwości, zależna do dobroci rezonatora. Stabilizację częstotliwości można osiągnąć stosując wnęki wzorcowe i kwarcowe generatory źródłowe. Klistron umieszczony jest na wlocie falowodu i poprzez okno sprzęgające generowana fala wbiega do linii mikrofalowej. Rys.. Klistron refleksowy.. Izolator ferrytowy Zadaniem tego elementu jest odizolowanie generatorów mikrofalowych od warunków obciążenia falowodu. Izolator powinien przepuszczać falę bieżącą bez strat mocy, oraz maksymalnie tłumić fale powracającą. Stosuje się izolatory wykorzystujące zjawisko Faradaya polegające na skręceniu płaszczyzny polaryzacji fali w podłużnym polu magnetycznym oraz izolatory ferrytowe. Stosowany w naszym układzie izolator posiada wewnątrz z odpowiednio wyprofilowaną wkładkę ferrytową tłumiącą fale powracającą (0 35 db) przy tłumieniu fali bieżącej mniejszym od db. 3

4 .3. Falomierz Znane są falomierze rezonansowe, absorpcyjne i heterodynowe. W stosowanym w naszym przypadku falomierzu absorpcyjnym za pomocą śruby mikrometrycznej wprowadza się do falowodu pręt ferrytowy. Falomierz taki posiada dużą dobroć i przedział położeń pręta odpowiadający maksymalnemu tłumieniu i jest bardzo wąski. Odczyt mierzonej częstotliwości następuje z krzywej cechowania..4. Tłumik regulowany Regulowany tłumik obrotowy posiada dwa szerokopasmowe przejścia z falowodu prostokątnego na cylindryczny oraz trzy elementy falowodu cylindrycznego na fale typu TE. Wewnątrz sekcji falowodu cylindrycznego znajdują się dielektryczne płytki pochłaniające. Przy stycznym ustawieniu płytki względem pola elektrycznego nastąpi całkowite wytłumienie fali. Przy nachyleniu płytki w obszarze środkowym o kąt tłumienie osiągnie wartość A = -40 lg(sin) [db] Rys.. Tłumik obrotowy Tłumienie nie zależy od częstotliwości, a jedynie od kąta skręcenia sekcji falowodu cylindrycznego z wkładką absorpcyjną. Na bębnie znajduje się podziałka z naniesionymi wartościami tłumienia. 4

5 .5. Linia pomiarowa Rys. 3. Linia pomiarowa ze szczeliną Linia pomiarowa ze szczeliną służy do pomiaru wielu wielkości związanych z propagowaną falą mikrofalową. W górnej części prostokątnego falowodu wykonuje się podłużną szczelinę. Do wnętrza falowodu wprowadza się sondę będącą przedłużeniem pomocniczej linii współosiowej, w której wzbudza się fala o amplitudzie proporcjonalnej do natężenia pola elektrycznego w miejscu zanurzania sondy. Moc odbierana zależy od głębokości zanurzenia sondy. Położenie ruchomego stroika pozwala dostroić układ sonda-detektor-stroik do częstotliwości mikrofal w falowodzie. Napięcie wyjściowe osiąga wówczas wartość maksymalną. Całość umieszczona jest na przesuwanej karetce wyposażonej w podziałkę oraz czujnik zegarowy. Detektorami mogą być diody ostrzowe, diody wsteczne (tunelowe) i diody Schottky ego. Z rozważań teoretycznych wynika, że najbardziej odpowiedni zakres pracy diody detekcyjnej powinien przypadać na kwadratową zależność napięcia wyjściowego od amplitudy natężenia pola elektrycznego. W rzeczywistości zależność ta odbiega od kwadratowej, a wykładnik w poniższym wzorze zależy od typu diody, zakresu częstotliwości, dopasowania itp.: U=AE Skalowanie detektora przeprowadza się zwykle przy linii zwartej na końcu. Wówczas fala stojąca w linii w funkcji długości ma przebieg sinusoidalny. E( l) Epad π sin l λt Zmieniając położenie detektora x w zakresie od węzła do strzałki zdejmujemy charakterystykę (w skali logarytmiczno-logarytmicznej) zależności: π x lg(u) βlgsin lg(u 0) λtz gdzie tz długość fali stojącej w linii pomiarowej 5

6 U 0 napięcie szumów Linia pomiarowa umożliwia pomiar długości fali. Bezpośredni pomiar takiego położenia układu detekcyjnego, w którym wskazuje on minimum napięcia, jest obarczony dużym błędem. Znacznie dokładniejsza jest tzw. metoda widełkowa, w której określa się położenie dwóch punktów symetrycznych względem minimum i odpowiadających jednakowemu wskazaniu układu detekcyjnego. Rys. 4. Metoda widełkowa Położenie minimum fali stojącej jest wartością średniej arytmetycznej tych dwóch położeń. Mierząc położenia dwóch sąsiednich węzłów fali stojącej wyznaczamy długość fali elektromagnetycznej: λ t x 3z x 4z x z x z Pomiar długości fali elektromagnetycznej propagowanej w linii mikrofalowej wykonuje się przy zwartym falowodzie. Dla linii bezstratnej amplitudy fali padającej i odbitej są równe, a natężenie pola elektrycznego i magnetycznego przyjmuje w węzłach wartość równą zeru. Ze względu na skończoną dokładność wykonania linii mikrofalowej, długość fali elektromagnetycznej w różnych miejscach może być różna. Zwykle długość fali mierzy się także w zwieraczu regulowanym stosując metodę widełkową dla określenia położeń dwóch sąsiednich węzłów fali stojącej: λ tz x 3z x 4z x z x z.6. Zwieracz regulowany Zwykle na końcu linii mikrofalowej umieszcza się zwieracze regulowane zapewniające mały opór zwarcia przy zamianach długości zwieracza. Są to zwieracze bezkontaktowe z podwójnym transformatorem ćwierćfalowym. Prezentowany zwieracz posiada wgłębienie w wewnętrznej stronie 6

7 tłoczka. Zwieracz wyposażony jest zwykle w śrubę mikrometryczną umożliwiającą płynne przesuwanie tłoczka. Rys. 5. Zwieracz regulowany.7. Magiczne T Rozgałęzienie hybrydowe EH (magiczne T) przedstawione na rysunku 7 ma między innymi tę właściwość, że energia mikrofalowa doprowadzona do wrót wejściowych toru głównego () jest rozdzielana po połowie do ramion E i H rozgałęzienia. Zakończenie tych ramion zwieraczami powoduje całkowite odbicie energii mikrofalowej, a odpowiednim ustaleniem położenia zwieraczy można doprowadzić do tego, by fale sumujące się w ramieniu wyjściowym () były przesunięte w fazie o 80 0, co jest sygnalizowane minimalnym sygnałem detektora dołączonego do wrót wyjściowych rozgałęzienia. H H E E Rys. 6. Falowodowe rozgałęzienie hybrydowe EH i jego graficzny symbol 7

8 3. Generator Gunna 3.. Schemat układu Rys. 7. Układ pomiarowy stosowany w pomiarze charakterystyki diody Gunna oraz SWR. generator Gunna modulator pin 3 czujnik pola elektrycznego 4 źródło zasilania i miernik SWR. (schemat zaczerpnięty z Pomiar charakterystyki prądowo napięciowej diody Gunna Podłączyć układ zgodnie ze schematem na rysunku 7, stosując się do instrukcji prowadzącego. 8

9 Metodą punkt po punkcie (samodzielnie dobrać rozdzielczość charakterystyki) zdjąć charakterystykę prądowo napięciową generatora. W tym celu użyć potencjometru oznaczonego U G oraz przełączania pomiaru prądu i napięcia (U G / I G ). W sprawozdaniu zamieścić wykres charakterystyki I G (U G ). 4. Pomiar częstotliwości 4.. Schemat układu G TR FA LP ZR V 4.. Pomiar częstotliwości przy pomocy falomierza absorpcyjnego Ustawić tłumik (TR) na maksymalną wartość tłumienia. Falomierz absorpcyjny (FA) ustawić w pozycji zerowej. Poprzez regulację ustawień linii pomiarowej (LP) oraz stopniowe zmniejszanie tłumienia uzyskać maksymalne wychylenie woltomierza (dobrać odpowiedni zakres pomiarowy, aby wychylenie wskazówki przekraczało /3 skali, co gwarantuje większą dokładność pomiaru). Analogicznie postąpić w przypadku oscyloskopu. Zwieracz regulowany (ZR) ustawiamy w pozycji zerowej, następnie dokonujemy pomiaru częstotliwości poprzez zmianę ustawienia śruby mikrometrycznej w falomierzu. Zmieniając ustawienie śruby dążymy do uzyskania minimum wychylenia woltomierza lub wskazania oscyloskopu i odczytujemy uzyskaną wartość. Z wykresu wyznaczamy generowaną częstotliwość. Pomiar powtarzamy trzykrotnie. Lp l 3 f [GHz] f = 9

10 5. Pomiar długości fali 5.. Schemat układu G TR FA LP ZR V 5.. Pomiar długości fali za pomocą zwieracza regulowanego Linię pomiarową ustawiamy w pozycji maksymalnej natomiast falomierz oraz tłumik w pozycji zerowej. Poprzez zmianę położenia śruby mikrometrycznej w zwieraczu dążymy do uzyskania minimum wychylenia woltomierza i wskazania oscyloskopu. Uzyskany wynik odnotowujemy jako pozycję l. Następnie zmieniamy położenie płaszczyzny zwarcia aż do ponownego uzyskania minimalnego sygnału detektora (pozycja l ). Pomiar powtarzamy trzykrotnie i uśredniamy. UWAGA: Przy przejściu od położenia l do położenia l sygnał z detektora będzie osiągał wartość znacznie większą od wartości minimalnej. Przed przejściem przez maksimum sygnału konieczne jest zmniejszenie czułości miernika dołączonego do detektora. Lp l 3 l f = l - l f = 5.3. Pomiar długości fali przy pomocy linii pomiarowej Schemat układu jest identyczny jak w poprzednim podpunkcie. Tłumik ustawiamy na 0 db, a śrubę mikrometryczną zwieracza na 0 mm. Metodą połówkową określamy położenia dwóch sąsiednich węzłów fali stojącej w linii szczelinowej. Pomiar powtarzamy trzykrotnie i uśredniamy. 0

11 Lp l 3 l f = l - l f = 5.4. Pomiar długości fali przy pomocy magicznego T ZR G TR ZR V Układ pomiarowy modyfikujemy w ten sposób, aby pomiędzy generatorem, a detektorem sygnału wstawione było rozgałęzienie hybrydowe EH, zwane potocznie magicznym T. Przebieg pomiaru jest następujący: - Poprzez zmianę położenia płaszczyzny zwarcia jednego ze zwieraczy ruchomych dołączonych do ramion E i H magicznego T uzyskać minimalny sygnał detektora. Zanotować wskazanie śruby mikrometrycznej l. - Zmieniać położenie płaszczyzny zwarcia tego zwieracza aż do ponownego uzyskania minimalnego sygnału detektora. Zanotować wskazanie śruby mikrometrycznej l. - Obliczyć długość fali λ f = l - l - Pomiar powtórzyć 3-krotnie Lp l 3 l f = l - l f = 7. Pomiar współczynnika fali stojącej (WFS) i współczynnika odbicia Γ Parametry fali stojącej wywoływanej odbiciem od niedopasowanej impedancji Z K, zawierają pełną informację o tej impedancji, a więc i o współczynniku odbicia Γ K. Na rysunku 7 przedstawiono rozkłady

12 fali stojącej w prowadnicy obciążonej zwarciem i impedancją Z K 0. W przypadku prowadnicy zwartej (Z K =0) pierwsze minimum fali stojącej występuje w płaszczyźnie zwarcia, a wartość sygnału w minimach fali stojącej jest równa zeru. Zastąpienie zwarcia impedancją Z K 0 powoduje, że minima fali stojącej mają skończoną, niezerową wartość, a cały rozkład fali stojącej ulega przesunięciu wzdłuż prowadnicy o wielkość Δl min, zależną od argumentu współczynnika odbicia. Rys. 8. Rozkład fali stojącej wzdłuż prowadnicy zwartej (linia ciągła) i obciążonej impedancją Z K 0 (linia przerywana) Wartości WFS < 0 mogą być mierzone bezpośrednio jako stosunek amplitud w maksimum i minimum fali stojącej Umax/Umin, przy czym konieczne jest uwzględnienie charakterystyki detektora mikrofalowego. Przy założonej kwadratowej charakterystyce detektora mikrofalowego współczynnik fali stojącej liczymy ze wzoru: WFS U U max min W celu określenia zespolonej wartości współczynnika odbicia wystarczy zmierzyć wartość współczynnika fali stojącej WFS, długość fali w prowadnicy λ t oraz przesunięcie minimum fali stojącej Δl min względem płaszczyzny odniesienia określonej przez położenie minimum fali stojącej dla Z K = 0. przesunięcie Δl min jest tutaj mierzone w kierunku do obciążenia (Rys. 7). Wartość modułu współczynnika odbicia i argumentu można wyznaczyć korzystając ze wzorów Γ WFS WFS arg( ) π 4 π λt Δlmin lub z wykresu Smitha. 6.. Pomiar współczynnika fali stojącej i współczynnika odbicia przy pomocy szczelinowej linii pomiarowej

13 G TR LP ZS V Zk Procedura pomiaru WFS i Γ za pomocą szczelinowej linii pomiarowej jest następująca: - Zewrzeć wyjście linii pomiarowej i określić położenie dwóch kolejnych minimów. Na tej podstawie wyznaczyć długość fali w prowadnicy λ t. Płaszczyznę jednego z minimów przyjąć jako płaszczyznę odniesienia. - Zastąpić zwarcie badaną impedancją. - Określić przesunięcie minimum Δl min w kierunku od płaszczyzny odniesienia do obciążenia oraz wartość współczynnika fali stojącej WFS. Określić analitycznie wartość Γ K, a następnie wartość impedancji Z K. Podać wartość częstotliwości, przy której pomiar był wykonany. - Pomiar wykonać trzykrotnie dla lepszego oszacowania wyniku Lp λ t Δl min WFS Współczynnik odbicia Γ arg Γ 3 7. Pomiar kąta przesunięcia fazowego 7.. Pomiar przesunięcia fazowego przy pomocy linii pomiarowej Pomiar przesunięcia fazy można wykonać w prostym układzie z linią pomiarową i zwieraczem stałym lub regulowanym. G TR LP Badany dwuwrotnik ZS V 3

14 Pomiar w takim układzie polega na badaniu rozkładu fali stojącej w linii pomiarowej zakończonej w pierwszym etapie pomiaru zwieraczem stałym, w drugim zaś badanym dwuwrotnikiem i dołączonym do jego wrót wejściowych tym samym zwieraczem. Przesunięcie fazy liczymy z zależności: π Δl λ gdzie: Δl przesunięcie położenia minimum rozkładu fali stojącej, mierzone w kierunku do generatora. Pomiary wykonać dla kilku wartości podanych w tabelce poniżej Przesunięcie fazowe Φ Lp Wartość nastawiona Wartość wyliczona 30 0 (π/6) 45 0 (π/4) (π/3) (π/) 8. Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia powinno zawierać: Tabelkę z nazwą zakładu, nazwą tematu, składem zespołu i datą wykonania ćwiczenia, Teorię dotyczącą tematu (rozchodzenie się mikrofal w falowodach), Schematy układów pomiarowych, Tabele pomiarowe Wnioski z przeprowadzonych ćwiczeń. Znając wymiary poprzeczne falowodu (dostępne u prowadzącego ćwiczenie) znaleźć rodzaje fal TE i TM które mogą rozchodzić się w tym falowodzie, 4