Zintegrowany interferometr mikrofalowy z kwadraturowymi sprzęgaczami o obwodzie 3/2λ

Transkrypt

1 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. ppr. mgr inż. Hubert STADNIK ablwent WAT, Opiekun naukwy: dr inż. Adam Knrad RUTKOWSKI, Intytut Radielektniki, Wydział Elektrniki WAT, Kalikieg, Warzawa. WPROWADZENIE Zintegrwany interfermetr mikrfalwy z kwadraturwymi przęgaczami bwdzie /λ Mikrfalwe interfermetry ą układami, których zadaniem jet wypracwanie ygnałów niących infrmację różnicach parametrów ygnałów pdanych na ich wejścia. Pdtawwe zatwania mikrfalwych interfermetrów t: miernictw mikrfalwe, pmiar różnicy faz ygnałów, pmiar charakterytyk przejściwych dwójników i pmiar impedancji wejściwej; układy autmatycznej regulacji fazy; rzpznanie radielektrniczne, a w zczególnści kreślanie namiaru na źródł emiji w ytemach wielantenwych, jak również natychmiatwy pmiar częttliwści ygnału. Interfermetr jet również elementem funkcjnalnym mikrfalweg dykryminatra częttliwści [-]. Bardz ittnym prblemem na etapie prjektwania układu, bk prblemu frmalizacji ameg prceu dwzrwania ygnałów realizwaneg przez układ, jet prblem realizwalnści funkcji układu zarówn w enie pełnienia przez nieg warunków fizycznej realizwalnści, jak i praktycznej jeg realizacji w parciu przyjęty zbiór dtępnych elementów. Najczęściej twanymi elementami d budwy interfermetrów mikrfalwych ą: przęgacze kierunkwe, dzielniki mcy i przeuwniki fazy.. PARAMETRY KWADRATUROWEGO SPRZĘGACZA O OBWODZIE /λ Pjęcie przęgacza kwadraturweg znacza, że różnica pmiędzy argumentami tranmitancji przęgacza, d wrót charakterze wrót bezpśrednich i d wrót charakterze wrót przężnych, wyni 90. Taką właściwścią charakteryzują ię na przykład przęgacze zbliżeniwe i gałęziwe [,6,7]. SHOR MLIN MTEE ddatkwe dcinki linii MLIN SHOR a) b) Ry. Kwadraturwy przęgacz pierścieniwy bwdzie /λ: a) mdel wykrzytywany w prgramie ymulacyjnym, b) zdjęcie wyknaneg układu.

2 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. W przypadku przęgacza pierścieniweg /λ, mżna zauważyć, że różnica wartści argumentów tych tranmitancji jet różna d 90, a także nie jet tała w żadnym paśmie częttliwści [8]. Jednak, gdy dpwiedni zmdyfikujemy klayczny przęgacz pierścieniwy za pmcą ddatkwych dcinków linii, mżliwe jet uzykanie równległych przebiegów argumentów tranmitancji przęgacza w paśmie częttliwści. Natmiat różnicę faz ygnałów równą 90º na wyjściach przęgacza, uzykuje ię p dpwiednim pdłączeniu d truktury przęgacza pierścieniweg ze zrównanymi nachyleniami argumentów tranmitancji, zerkpamwych elementów przeuwających fazę [0,]. Na ryunku.a przedtawiny ztał układ SPHS MQ ZM 006 kwadraturweg przęgacza bwdzie /λ. Parametry fizyczne układu uzykane ztały na pdtawie ymulacji teg układu. Zwarcie trjników ztał wyknane w ptaci wielżyłweg przewdu, pprwadzneg przez twór wywiercny na kńcu trjnika i przylutwaneg dpwiedni d kńca trjnika i metalizacji may [5,8,9]. Tplgiczny rzkład linii mikrpakwych ztał tak dbrany, aby układ zajmwał mżliwie mały bzar pwierzchni laminatu. Jedncześnie zachwany ztał warunek, że pmiędzy dwma równległymi dcinkami linii dległść jet więkza niż dziewięć zerkści najzerzej z linii. Przebiegi mdułów parametrów amplitudwych kwadraturweg przęgacza pierścieniweg SPHS MQ ZM 006 przedtawin na ryunku. 0 S [db] 0,5 0,7 0,9,,, S S S S S S S S S S Ry. Przebiegi mdułów parametrów amplitudwych wyknaneg układu kwadraturweg przęgacza SPHS MQ ZM 006 bwdzie /λ (wyniki pmiarów) W przyjętych warunkach, na częttliwści f=,ghz, uzykan wartść mdułów tranmitancji pmiędzy wrtami wejściwymi a wrtami bezpśrednimi i przężnymi na pzimie k. -,6dB. Parametry te nie zmieniają wjej wartści więcej niż ±db w paśmie częttliwści f=(0,9,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,. Odbicia d wrót nie ą więkze niż -5dB w paśmie częttliwści f=(0,8,5)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,9. Natmiat izlacja pmiędzy wrtami izlwanym nie jet grza niż -5dB w paśmie częttliwści f=(0,8,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,58mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,69.

3 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. Względne przeunięcia fazy przęgacza SPHS MQ ZM 006 ztały przedtawine na ryunku. Parametry te ztały wyznaczne na pdtawie wyników pmiarów argumentów tranmitancji przęgacza. Linia dnieienia ztała tak wyznaczna, aby uzykać zmianę względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami i nie więkzą niż ±,5º w jak najzerzym paśmie częttliwści. Φ w [ ] Φ 0 w Φ w Φ w Φ w 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,,,,,5 Ry. Przebiegi względnych przeunięć fazy wyknaneg układu kwadraturweg przęgacza SPHS ZM 006 bwdzie /λ dla tej amej linii dnieienia (wyniki pmiarów) Dla częttliwści f=,5ghz względne przeunięcie fazy pmiędzy wrtami i raz pmiędzy wrtami i wyni Φw=,5, zmiana tej wartści nie więkza niż ±,5º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,8,5)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,65mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,8. Względne przeunięcie fazy pmiędzy wrtami i wyni Φw =50,, zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,8,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,6mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,8. Natmiat względne przeunięcie fazy pmiędzy wrtami i wyni Φw =0,, zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,9,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,.. STRUKTURA I PARAMETRY INTERFEROMETRU MIKROFALOWEGO IS-HS DKSP- Z DWOMA DZIELNIKAMI MOCY I DWOMA KWADRATUROWYMI SPRZĘGACZAMI PIERŚCIENIOWYMI O OBWODZIE /λ WYKONANEGO W TECHNICE NLP W kład interfermetru mikrfalweg prezentwaneg w pracy wchdzą takie elementy jak: kwadraturwe przęgacze kierunkwe, dzielniki mcy raz zerkpamwe przeuwniki fazy. Ze względu na t, że kńcwym efektem pracy miał być wyknanie interfermetru mikrfalweg w werji zintegrwanej w technice nieymetrycznej linii pakwej (NLP), wzelkie rzwiązania elementów wchdzących w kład interfermetru były dbierane tak, aby prce wyknania rzeczywiteg układu był jak najprtzy raz wymiary wyknaneg układu były mżliwie małe.

4 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. S -db L -db/90 L L O -db -db/90 przeuwnik fazy 90 L Ry. Schemat blkwy wybranej werji interfermetru mikrfalweg Dprwadzając d wrót wejściwych S i O ygnały mikrfalwe u i u jednakwej częttliwści i dwlnych fazach, we wrtach wyjściwych interfermetru uzyka ię ygnały, których amplituda jet w kreślny pób (wyznaczny przez kntrukcję układu) zależna d pzimu ygnałów wejściwych, a ddatkw jet funkcją różnicy faz tych ygnałów [,]. Jeśli przyjmie ię, że: - wzytkie wrta każdeg z elementów mikrfalwych interfermetru ą dpawane; - izlacje dpwiednich wrót przęgaczy kierunkwych i dzielnika mcy ą niekńczenie duże; - wzytkie elementy mikrfalwe ą w pełni ymetryczne, t dzięki takim załżenim uzykać mżna znaczne uprzczenie zależnści piujących funkcjnwanie układu. Jeśli na wejścia S i O dykryminatra pdane ztaną ygnały: u = U in ω t + ϕ ) (.) ( u = U in ( ω t + ϕ ) (.) gdzie: U, U amplitudy ygnałów, dpwiedni u i u, ϕ, ϕ fazy pczątkwe ygnałów, dpwiedni u i u, ω pulacja ygnału, t cza, t napięcia na pzczególnych wrtach wyjściwych interfermetru na częttliwści śrdkwej układu będą piane wzrami []: π u w = U in( ω t + ϕ + ϕl π) + U in ω t + ϕ + ϕl (.) π u w = U in ω t + ϕ + ϕl + U in( ω t + ϕ + ϕ L π) (.)

5 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. uw = U in( ω t + ϕ + ϕ L π) + U in( ω t + ϕ + ϕl ) (.5) π π u w = U in ω t + ϕ + ϕ L + U in ω t + ϕ + ϕ L (.6) gdzie: ϕ Li długść elektryczna linii tranmiyjnej numerze i. Sygnały wyjściwe interfermetru mgą być pddawane detekcji, p czym dpwiedni przetwarzane, w rezultacie czeg, (dzięki znajmści budwy i zaady działania interfermetru) trzymuje ię infrmację np. różnicy faz ygnałów u i u. Przedtawine w tym rzdziale charakterytyki ztały trzymane z pmiarów wyknaneg interfermetru mikrfalweg IS-HS DKSP- (ryunek 5) []. Układ ten ztał wyknany w technice NLP na pdłżu zklan epkydwym (FR) grubści,5mm, ε r =,6. Grubść metalizacji wyniła 0,07mm. Ry. 5 Zdjęcie wyknaneg układu interfermetru mikrfalweg IS-HS DKSP- Zwarcie trjników ztał wyknane w ptaci wielżyłweg przewdu, pprwadzneg przez twór wywiercny na kńcu trjnika i przylutwaneg dpwiedni d kńca trjnika i metalizacji may, natmiat dla trjników przeuwnika fazy 90º ztały wyknane p dwa punkty zwarcia na kńcach trjników. Tplgiczny rzkład linii mikrpakwych ztał tak dbrany, aby układ zajmwał mżliwie mały bzar pwierzchni laminatu. Jedncześnie zachwany ztał warunek, że pmiędzy dwma długimi równległymi dcinkami linii dległść jet więkza niż dziewięć zerkści najzerzej z linii. Przebiegi mdułów tranmitancji i względnych przeunięć fazy mikrfalweg interfermetru IS-HS DKSP- przedtawin na ryunkach 6 9.

6 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. S [db] -5 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,,,,,5,6, S S S S S S S S S O S O S O S O Ry. 6 Przebiegi mdułów tranmitancji wyknaneg układu interfermetru mikrfalweg IS-HS DKSP- (wyniki pmiarów) Wartść mdułów tranmitancji pmiędzy wrtami wejściwymi i wrtami wyjściwymi wyni k. S T =-7,5dB. Zmiana wartści tych parametrów nie więkza niż ±db wytępuje w paśmie częttliwści f=(0,9,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,5. Na ryunku 7 przedtawine ztały przebiegi mdułów wpółczynników dbicia d pzczególnych wrót mikrfalweg interfermetru IS-HS DKSP-. 0 S [db] 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,,,,,5,6, S SS S OO S S S S Ry. 7 Przebiegi mdułów wpółczynników dbicia d wrót wyknaneg układu interfermetru mikrfalweg IS-HS DKSP- (wyniki pmiarów)

7 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. Odbicia d pzczególnych wrót interfermetru nie ą więkze niż -0dB w paśmie częttliwści f=(0,78,8)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,5mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,6. Na ryunku 8 przedtawine ztały przebiegi mdułów izlacji pmiędzy wrtami wejściwymi i pmiędzy wrtami wyjściwymi mikrfalweg interfermetru IS-HS DKSP-. S [db] -5 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,,,,,5,6, S SO S S S S S S Ry. 8 Przebiegi mdułów izlacji pmiędzy wrtami wejściwymi i pmiędzy wrtami wyjściwymi wyknaneg układu interfermetru mikrfalweg IS-HS DKSP- (wyniki pmiarów) Izlacja pmiędzy wrtami wejściwymi S i O raz pmiędzy wrtami wyjściwymi interfermetru nie jet grza niż -0dB w paśmie częttliwści f=(0,8,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,6mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni, Φ w [ ] S S S S S S S S S O S O S O S O ,5 0,6 0,7 0,8 0,9,,,,,5,6,7 Ry. 9 Przebiegi względnych przeunięć fazy wyknaneg układu interfermetru mikrfalweg IS-HS DKSP- (wyniki pmiarów).

8 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. Względne przeunięcia fazy mikrfalweg interfermetru IS-HS DKSP- ztały przedtawine na ryunku 9 Parametry te ztały wyznaczne na pdtawie wyników pmiarów argumentów tranmitancji przęgacza., a długść elektryczna linii dnieienia ztała tak dbrana, aby uzykać zmianę względneg przeunięcia fazy nie więkzą niż ±º, w jak najzerzym paśmie częttliwści, równcześnie we wzytkich wrtach wyjściwych. Wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami S- na częttliwści f=,ghz wyni Φw S =0º. Zmiany wartści względneg przeunięcia Φw S, w prównaniu d wartści na częttliwści,ghz, nie więkze niż ±º zawierają ię w paśmie częttliwści f=(0,9,8)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,6mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,8. Wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami S i wyni Φw S =89, a zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,8,8)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,8mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,8. Natmiat wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami S i wyni Φw S =08, a zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,89,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,7. Wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami S i wyni Φw S =50, a zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,95,8)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,. Wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami O- na częttliwści śrdkwej pama f=,ghz wyni Φw O =96º. Zmiany wartści względneg przeunięcia Φw O, w prównaniu d wartści na częttliwści f=,ghz, nie więkze niż ±º zawierają ię w paśmie częttliwści f=(0,7,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,59mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,8. Wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami O i wyni Φw O =06, a zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,. Natmiat wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami O i wyni Φw O =59, a zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,95,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,5mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,7. Wartść względneg przeunięcia fazy pmiędzy wrtami O i wyni Φw O =508, a zmiana tej wartści nie więkza niż ±º zawiera ię w paśmie częttliwści f=(0,99,)ghz, czyli bezwzględna zerkść pama wyni f=0,mhz. Stunek częttliwści górnej teg pama d częttliwści dlnej wyni,.. WNIOSKI Praktycznie ptwierdzn, że mżna wyknać kwadraturwy przęgacz bwdzie /λ uzupełniając werję klayczną ddatkwymi dcinkami linii i przeuwnikami fazy. Układ tak uzykaneg kwadraturweg przęgacza pierścieniweg zachwuje rzbieżnść mdułów tranmitancji d wrót wyjściwych nie więkzą niż db w paśmie częttliwści f=(0,9,)ghz, natmiat izlacja wrót izlwanych i dpawanie d wrót nie jet grze niż -0dB w paśmie częttliwści d 0,8GHz d,5ghz. Odchyłka względneg

9 VII Międzynardwa Knferencja Elektrniki i Telekmunikacji Studentów i Młdych Pracwników Nauki, SECON 006, WAT, Warzawa, r. przeunięcia fazy nie więkza niż ±.5º w dnieieniu d wartści na częttliwści śrdkwej, utrzymuje ię w paśmie f=(0,75,)ghz. Z pmiarów wyknaneg układu interfermetru mikrfalweg wynika, że zatwanie kwadraturwych przęgaczy pierścieniwych bwdzie /λ umżliwia trzymanie załżnych funkcji realizwanych przez układ. Wart również wpmnieć, że technlgia wyknania takieg przęgacza jet duż prtza niż technlgia wyknania zbliżeniweg przęgacza Lange a, w którym trzeba wyknać precyzyjne płączenia linii za pmcą bndów. Zaprjektwany i wyknany interfermetr mikrfalwy, zawierający w wjej trukturze kwadraturwe przęgacze pierścieniwe bwdzie /λ, charakteryzwał ię rzbieżnścią mdułów tranmitancji nie więkzą niż db i zmianą względneg przeunięcia fazy nie więkzą niż ±5º w paśmie: d 0,9GHz d,ghz. 5. WYKAZ LITERATURY. Smólki B.: Analiza i ynteza mikrfalwych układów natychmiatweg pmiaru częttliwści. Ddatek d biuletynu nr 7 (5) Wjkwej Akademii Technicznej, Warzawa Stec B.: Analiza i badania mikrfalweg dykryminatra częttliwści. Biuletyn WAT nr 7(), Warzawa Stec B., Rutkwki A.: Struktura dykryminatra fazy przeznaczneg d pracy w wyżzych zakreach pama mikrfalweg. Materiały XI Knferencji Naukwej Sterwanie i Regulacja w Radilkacji i Obiektach Latających, Jelenia Góra, -6 czerwca 000, Tm I, Galwa B.: Miernictw mikrfalwe. Wydawnictwa Kmunikacji i Łącznści, Warzawa Rutkwki A.: Mikrfalwe przeuwniki fazy ze trjnikami równległymi. Kwartalnik Elektrniki i Telekmunikacji, 00, 9, z., Dbrwlki J.: Technika wielkich częttliwści. Oficyna Wydawnicza Plitechniki Warzawkiej, Warzawa Litwin R., Suki M.: Technika mikrfalwa. Wydawnictwa Naukw-Techniczne, Warzawa Rutkwki A., Stec B.: Względne przeunięcie faz wybranych układów mikrfalwych. Materiały V Knferencji Prblemy Wpółczenej Radilkacji, WAT, Warzawa, 0 litpada 998, Tm II, Rutkwki A.: Wybrane truktury biernych mikrfalwych przeuwników fazy. Materiały X Knferencji Naukwej Sterwanie i Regulacja w Radilkacji i Obiektach Latających, Jelenia Góra, 0- czerwca 00, Tm III, Malezyk M.: Kztałtwanie charakterytyk częttliwściwych przęgaczy bwdzie/λ. Praca dyplmwa, Warzawa 00.. Stadnik H.: Interfermetr mikrfalwy ze przęgaczami bwdzie /λ. Praca dyplmwa, Warzawa 006.