Устройства СВЧ и антенны

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПоволжскИЙ ГосударственнЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Телекоммуникации и Информатики»

Кафедра ОКиТ РТС

Устройства СВЧ и антенны

Методическая разработка к лабораторным работам

"ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ"

Составители: д.ф.-м.н .Неганов В.А.

к.ф.-м.н Солдатов А.А.

Рецензенты: д.ф.-м.н. Карякин В.Л.

Самара

ИУНЛ ПГУТИ

В методической разработке дается методика расчета и измерения основных параметров полосковых СВЧ-устройств: микрополосковой линии передачи (МПЛ) СВЧ; полосно-пропускающего СВЧ-фильтра; трансформатора и неоднородностей в СВЧ-цепи.

Для студентов специальностей 210302, 210404.

ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ СТУДЕНТОВ В ЛАБОРАТОРИИ

1. Работа в лаборатории проводится в часы, установленных расписанием.

2. Каждый студент, ознакомившийся заранее с описанием работы и изучив рекомендуемую литературу, должен представить руководителю занятий необходимые расчеты по выполняемой работе и бланк отчета.

3. К выполнению работы студент допускается после того, как руководителем занятий будут проверены расчеты и выявлены достаточные знания студента по данной работе.

4. Лабораторная работа оформляется в виде отчета согласно « Содержание отчета» в описании работы.

5. Студент сдает зачет по накопительной схеме, т.е. зачет сдается по каждой работе во время, указываемое преподавателем.

6. При работе в лаборатории студент обязан строго выполнять правила техники безопасности.

7. С очередностью выполнения лабораторных работ студент обязан ознакомится по специальным графикам.

Лабораторная работа №1

"ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ СВЧ"

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1- изучить основные параметры и характеристики микрополосковой линии передачи (МПЛ); 2- освоить методику измерения и расчета основных параметров МПЛ; 3- освоить методику расчета и подборки оптимальной по ослаблению МПЛ в заданном диапазоне частот.

2. ЛИТЕРАТУРА

1. Конструирование экранов и СВЧ-устройств.: Учебник для ВУЗов./ Под редакцией Чернушенко А.М. - М.: Радио и связь, 1990.- 351 с.

2. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982.- 328 с.

3. Неганов В.А., Осипов О.В. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь. 2005. – 647 с.

4. . Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ. М.: Радио и связь. 2006. – 719 с.

5. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. /Под ред. Ю.В.Пименова . –М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.

6. Неганов В.А., Востров Н.А. Методическая разработка к лаб. работам "Проектирование и исследование характеристик микрополосковых согласующих элементов ". Самара, ПИИРС, 1993.- 21 с.

7. Приложение к настоящей методической разработке.

3. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

При подготовке к лабораторному занятию необходимо:

- изучить задание на работу, цель работы;

-ознакомиться с работой приборов, входящих в схему измерительной установки (рис.1,2,3);

-изучить соответствующие разделы лекций, материалы, изложенные в [1-6], методические указания к работе и ответить на контрольные вопросы.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие типы линий передачи СВЧ вы знаете? Их краткая характеристика.

2. Каковы основные требования, предъявляемые при выборе линии передачи СВЧ?

3.Какие виды полосково-щелевых линий вы знаете? Каковы индивидуальные особенности каждой из них?

4. Назовите основные достоинства и недостатки полосковых линий передачи СВЧ.

5. Как определить ширину полоски НПЛ?

6. Что такое аффективная диэлектрическая проницаемость и как ее рассчитать?

7. Привести классификацию типов волн в МПЛ. Нарисовать силовые линии основной волны в МПЛ.

8. Как зависит волновое сопротивление МПЛ от ширины подложки? Как рассчитать геометрические размеры МПЛ при известном волновом сопротивлении?

9. Что такое критическая частота для МПЛ и какова формула ее расчета?

10. Из чего складываются потери в МПЛ? Напишите формулы расчета коэффициента затухания в полосковых линиях.

11. Нарисуйте схему экспериментальной установки? Что и в какой последовательности измеряется?

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать измерительную установку согласно рис.1.

Рис.1. Схема измерительной установки в исходном положении: 1- генератор СВЧ (Г4-80) ; 2- измерительная линия; 3- измерительный усилитель (У2-8); 4- короткозамыкатель.

2. Установить органы управления на приборах в исходное положение согласно (приложению 4 из [6]).

3. Откалибровать измерительный усилитель (см.прилож.4 [6]). Т.е. вращая ручки настройки детекторного блока измерительной линии, добиться минимума потерь на шкале измерительного усилителя.

4. Измерить ширину полоски МПЛ , высоту подложки h, длину линии (с помощью линейки или штангенциркуля), нужные результаты измерений занести в таблицу I.

5. Выставить на генераторе частоту 2.6 ГГц. Провести калибровку измерительного тракта на частоте f₁= 2.6 ГГц (см.п.п.2.2, 2.3 прилож.2 [6]). Значение затухания L₀ занести в табл.2.

6. Собрать измерительную установку для измерения характеристик МПЛ. для чего в схему рис.1 между генератором I и измерительной линией 2 включить измеряемую МПЛ №1. согласно рис.2.

Рис.2. Схема измерительной установки для измерения потерь в МПЛ: 1- генератор СВЧ (Г4-80); 2- измерительная линия; 3- измерительный усилитель (У2-8); 4- короткозамыкатель; 5- измеряемая линия.

7. Провести измерение потерь СВЧ - энергии L в МПЛ на частоте f₁. Истинное значение потерь будет вычисляться по формуле

Измеренное значение занести в табл.2.

8. На частоте f₁ измерить длину волны в МПЛ с помощью измерительной линии. Длина волны в линии λ_Г равна удвоенному расстоянию между двумя соседними минимальными (максимальными) значениями индикатора (отсчет ведется по продольной шкале измерительной линии).

9. По формуле

где L_f, - измеренное ослабление на частоте f,

длина полоска в метрах,

рассчитать коэффициент затухания в МПЛ на основе измеренных данных (дБ/м).

10. Получите у преподавателя значение диэлектрической проницаемости . Используя измеренные данные , рассчитайте в MathCAD (см. приложение 2 данной методички) на частоте 2.6 ГГц следующие характеристики: эффективную диэлектрическую проницаемость ; волновое сопротивление линии ; потери в МПЛ . Результаты занести в таблицу 1 и 2.

11. Собрать установку согласно рис.3 для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) К_ст. Если обозначить через Г коэффициент отражения, то К_ст вычисляется по формуле:

.

Рис.3. Схема измерительной установки для измерения КСВ в МПЛ: 1- генератор СВЧ (Г4-80); 2- измерительная линия; 3- измерительный усилитель (У2-8); 5- измеряемая линия; 6 – согласованная нагрузка.

12. Измерить КСВ в линии. Для этого , перемещая каретку линии с помощью ручки механизмам перемещения, отсчитывают по линейной шкале индикатора усилителя максимальную и минимальную амплитуды стоячей волны в линии.

Коэффициент стоячей волны определяется по формуле

.

Занести значение КСВ в таблицу 1.

13. Провести измерения согласно п.п.5-12 в диапазоне частот от f₁ =2.6 ГГц до f_n = 3.8 ГГц с шагом 0.2 ГГц. Результат занести в табл.1 и табл2.

Построить графики зависимости α_изм и α_теор от частоты f. Сравнить результаты. Построить график зависимости КСВ от f.

14. Подключить в измеряемую установку вместо МПЛ №1 МПЛ №2, а затем МПЛ №3 и повторить с ними исследования по п.п.4-13.

Учитывая, что входное сопротивление линии равно = 50 Ом, с помощью приложения 2 рассчитайте оптимальные размеры МПЛ.

Сделать выводы.

Таблица 1

№ МПЛ	Частота f, ГГц	Длина полоска l в мм	Толщина Подлож- ки h в мм	Шири-на Полос- ка W мм	Длина волны в см			КСВ
	2.6 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8
	2.6 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8
	2.6 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8

Таблица 2

Частота f, ГГц	МПЛ №1	МПЛ №2	МПЛ №3
2.6	…	3.8	2.6	…	3.6	2.6	…	3.6
Ослабле ние L0, дБ
Измерен ное ослабле ние L, дБ
Ослабле ние Lизм, дБ
, дБ/м
, дБ/м

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен включать:

-цель работы;

-функциональные схемы измерений;

-результаты измерений в виде таблиц и графиков;

- выводы.

Лабораторная работа №2

“ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИХ СВЧ ФИЛЬТРОВ”

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1- ознакомится с принципом работы фильтров; 2- изучить методы синтеза и реализации микрополосковых фильтров; 3- провести экспериментальное исследование частотных зависимостей основных параметров микрополоскового полосно-пропускающего фильтра (ППФ); 4- исследовать влияние экрана на амплитудно-частотные характеристики ППФ.

2. ЛИТЕРАТУРА

1. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. – М. : Сов.радио, 1976, с.12, 13, 29, 30, 34-38, 41-43, 49-54, 165-184.

2. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях.- М.: Сов.радио, 1972, с.89-92, 97, 95-103, 110-114.

3. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волновой техники.- М.: Сов.радио, 1967, с. 439-552.

4. Конструирование экранов и СВЧ-устройств.: Учебник для ВУЗов. А.М Чернушенко, Б.В. Петров, Л.Г. Малорацкий и др.- М.: Радио и связь, 1990, с. 138-143.

5. Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ.- М.: Радио и связь, 2006, с. 415-472.

6. Приложение к настоящей методической разработке.

3. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

При подготовке к лабораторному занятию необходимо:

- изучить задание на работу, цель работы;

- рассчитать чебышевский микрополосковый ППФ на связанных линиях передачи;

- изучить методику измерения параметров фильтра.

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить соответствующие разделы лекция, материалы, изложенные в [1-6], и ответить на контрольные вопросы.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков принцип действия и эквивалентная электрическая схема ППФ?

2. Каковы частотные характеристики ППФ?

3. Каковы задачи синтеза фильтров, требования к конструкциям фильтров?

4. Назвать этапы синтеза фильтров.

5. Что представляют собой чебышевская и максимально гладкая характеристики?

6. Что такое фильтр-прототип нижних частот?

7. Описать конструкции ППФ и фильтра нижних частот (ФНЧ).

8. Назвать способы сокращения габаритов фильтров.

9. Какие материалы используются в качестве подложек проводников для фильтров СВЧ?

10. Какова технология изготовления микрополосковых СВЧ устройств?

11. Как определяется число звеньев?

12. В чем заключается нормализация полосы пропускания? Как осуществляется переход от фильтра-прототипа нижних частот к ППФ?

13. Каков порядок расчета микрополоскового ППФ?

14. Какое влияние на характеристики фильтра оказывает наличие экрана?

15. Как зависит частотная характеристика фильтра от ширины полосковых проводников и зазоров между ними?

16. На каком расстоянии друг от друга располагаются фильтры в интегральных схемах?

17. Нарисовать схему экспериментальной установки и рассказать о порядке исследования микрополоскового ППФ.

5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Пользуясь формулами, приведенными в Приложении и литературой [1-4], рассчитать чебышевский микрополосковый ППФ на связанных линиях передачи и разработать рисунок печатной платы (см. топологию фильтра на рис.I0б).

Волновое сопротивление питающей микрополосковой линии (МПЛ) W_о=50 Ом; ее размеры: относительная диэлектрическая проницаемость подложки =9,6; высота подложки h=1 мм. Ширина МПЛ w определяется из следующих соотношений:

1) при

;

2) при

,

где

;

.

При расчетах каждая бригада должна пользоваться данными табл.1.

Таблица 1

6. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПОРЯДОК ИССЛВДОВАНИЯ ППФ

Расчетная часть, изучение теоретических вопросов и инструкций по эксплуатации приборов выполняется во время самоподготовки к работе.

Схема установки показана на рис.1. Установка, помимо генератора, исследуемого ППФ и индикатора, содержит набор крышек, позволяющий изменять высоту экрана и исследовать ее влияние на частотную характеристику фильтра. В работе исследуются характеристики двух типов фильтров. I тип фильтра имеет топологию, показанную на рис.10, б. II тип фильтра имеет более сложную топологию с присоединенными к полоскам резонаторами, что позволяет значительно расширить полосу пропускания фильтра.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ – ФИЛЬТРА 1-ГО ТИПА

Экспериментальные исследования характеристик ППФ производить в следующей последовательности.

1. Собрать лабораторную установку согласно рис.2, где цифры обозначают такие же приборы, что и на рис.1.

2. Выставить на генераторе типа Г4-81 частоту f₁ (см. табл.2).

Рис.1. Схема экспериментальной установки: I- генератор СВЧ; 2- исследуемый ППФ; 3- измерительная линия; 4- измерительный усилитель; 5- нагрузка

Рис.2

(если стрелка прибора отклонилась незначительно) сместить каретку ручкой механизма перемещения каретки и добиться максимального отклонения.

По децибельной шкале индикатора усилителя отсчитать показание ослабления в измерительном тракте L₀ и занести это значение в табл.2

4. Собрать установку для измерения частотной зависимости ослабления фильтра L(f) (см.рис. 1). Не изменяя положения органов управления генератора и линии, определить показание индикатора усилителя L_n с помощью его органов управления (если это необходимо). Внести

3. Настроить измерительную линию на частоту f₁:

- перемещая короткозамкнутый плунжер индикаторной головки добиться минимального отклонения стрелки индикатора усилителя от нуля по нижней шкале, т.е. добиться минимума потерь в линии;

- если сигнал отсутствует или уровень его мал (стрелка это показание L_n в табл.2.

Величина ослабления ППФ определяется по формуле

, дБ.

Провести измерения в частотном диапазоне от 4.2 ГГц до 5.2 ГГц с шагом 200 МГц. Результаты занести в табл.2.

5. Не изменяя положения органов управления генератора и усилителя, собрать лабораторную установку для измерения частотной зависимости коэффициента стоячей волны K_ст (см. рис. 3). Перемещая ручкой перемещения каретку измерительной линии, определить максимальную U_max и минимальную U_min амплитуды сигнала. Отсчет производится по верхней линейной шкале индикатора усилителя.

Рис. 3

Из соотношения

,

найти КСВ.

6. Повторить исследование согласно п.п. 1…5 для всего частотного диапазона.

7. Исследовать влияние высоты экрана на характеристики фильтра. Повторить п.п. 1...6 для фильтра с экранами, устанавливаемыми на Значения U_max и U_min занести в табл. 2. Величина K_ст определятся высотах H₁= 2.5 мм и Н₂= 0.5 мм над подложкой.

8. Построить графики частотных зависимостей P, K_ст ППФ согласно рис.4.

Таблица 2

II. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ – ФИЛЬТРА 2-ГО ТИПА

Провести все измерения характеристик фильтра согласно п.1…6. Только СВЧ-генератор типа Г4-81 заменить генератором типа Г4-80. Вместо фильтра типа 1 на связанных полосках исследуется фильтр 2-го типа с резонаторами. Измерения проводятся в частотном диапазоне от 2.6 до 3.8 ГГц с шагом 200 МГц. Результаты занести в табл.3.

Таблица 3

Рис.4

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

- наименование работы;

- цель работы;

- расчет конструкции микрополоскового ППФ;

- эскизную документацию микрополоскового ППФ по ЕСКД;

- функциональные схемы измерений;

- результаты измерений (в виде таблицы и графиков);

- сравнение результатов расчета чебышевского микрополоскового ППФ с конструкцией исследуемого фильтра на связанных линиях;

- выводы.

Лабораторная работа №3

“ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПОЛОСКОВЫХ СОГЛАСУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ”

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1 – изучить основные принципы согласований линий передачи с различными волновыми сопротивлениями; 2 – освоить методику расчета четвертьволнового согласующего трансформатора; 3 – освоить методику изготовления и настройки микрополоскового четвертьволнового трансформатора.

2. ЛИТЕРАТУРА

1. Конструирование экранов и СВЧ-устройств. Учебник для ВУЗов. Под ред. А.М. Чернушенко – М.: Радио и связь, 1990.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988.

3. Лебедев Н.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. Техника сверхвысоких частот. – М.: Высшая школа, 1970.

4. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. – М.: Высшая школа, 1988.

5. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ. Под ред. В.В. Никольского. – М.: Радио и связь, 1982.

6. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. – М.: Сов. радио, 1976.

7. Приложения к настоящей методической разработке.

3. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

При подготовке к лабораторным занятиям необходимо:

1. Изучить задание на работу и цель работы.

2. Используя данные, приведенные в табл.1, рассчитать геометрические размеры четвертьволнового согласующего трансформатора (рис.1).

3. Изучить методику изготовления трансформатора из фольгированного диэлектрика.

4. Ознакомиться с устройством микроскопа, основными органами управления генератора СВЧ, измерительной линии.

5. Изучить соответствующие разделы лекций, материалы, изложенные в [1-6], методические указания к работе и ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1

Вари-ант	Диэлектрическая проницаемость подложки	Толщина диэлек-трической подложки, мм h	Толщина фольги, мм     t	Волновое сопроти-вление входной линии,Ом Z0	Центральная частота,   f0, ГГц	Ширина выходной линии, мм   H
					4,5	2,0
					4,5	2,5
					4,5	3,0
					4,5	3,5
					4,5	2,0
					4,5	3,0
					4,5	2,5
					4,5	3,5

Рис.1

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково назначение согласующих элементов в технике СВЧ?

2. Какие существуют способы согласования? Их достоинства и недостатки.

3. В чем отличие узкополосного и широкополосного согласований?

4. Что такое полоса частот согласования и как она определяется?

5. Какие типы согласующих трансформаторов используются при узкополосном и широкополосном согласованиях?

6. Объяснить принцип действия четвертьволнового согласующего трансформатора.

7. Вывести формулу доля волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора.

8. Объяснить принцип действия трансформатора с компенсирующей реактивностью.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Представить преподавателю результаты домашнего расчета согласующего трансформатора. Получить допуск к выполнению работы.
2. Изготовить с помощью микроскопа согласующий трансформатор (см. прилож.3). Готовый макет представить преподавателю.
3. Провести измерения частотной зависимости коэффициента стоячей волны К_ст(f) (см.п.4.2 прилож.4). Измерения проводятся во всем заданном преподавателем частотном диапазоне с шагом 10 МГц. Результаты измерений вносятся в табл.2.
4. Провести измерения частотной зависимости полного сопротивления Z(f) (см.п.4.3 прилож.4). Измерения проводятся во всем заданном преподавателем частотном диапазоне с шагом 10 МГц. Результаты измерений вносятся в табл.2.
5. Используя данные табл.2 построить графики частотных зависимостей К_ст, | Z | и Arg Z согласно рис.2.
6. Оценить влияние степени точности изготовления трансформатора (допуска на ширину полоски) на К_ст (см. стр.43 в [6]).
7. Сделать выводы.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Таблица 2

Рис.2

Отчет должен содержать:

1. Название, цель работы.
2. Результаты расчетной части работы.
3. Схемы измерений.
4. Результаты измерений в виде таблиц и графиков.
5. Оценка влияния степени точности изготовления трансформатора на К_ст.
6. Краткие выводы.

Лабораторная работа №4