Měření vlnové délky, impedance, návrh impedančního přizpůsobení

Transkript

1 Měření vlnové délky, impedance, návrh impedančního přizpůsobení 1. Zadání: a) Změřte závislost v na kmitočtu pro f 8,12GHz. b) Změřte zadanou impedanci a impedančně ji přizpůsobte. 2. Schéma měřicí soupravy: 3. Postup měření: a) Výstupní přírubu zakončete zkratem. Na panelu mikrovlnného generátoru nastavte postupně kmitočty 8 až 12 GHz (krok 1 GHz) a změřte v. Naměřené hodnoty porovnejte s vypočtenými. Mějte na paměti, že vlnová délka ve vlnovodu je delší, než ve volném prostoru. b) Neznámou impedanci stanovte pomocí Smithova diagramu. Pro její impedanční přizpůsobení použijte jednokolíkový impedanční transformátor (hloubku zasunutí kolíku do vlnovodu určete z cejchovního grafu, vzdálenost kolíku od změřené impedance vypočtěte s pomocí Smithova diagramu). Jde o paralelní kompenzaci je třeba používat admitanční Smithův diagram. Nastavením impedančního transformátoru do vypočtené polohy ověřte snížení PSV, tj. zlepšení přenosu energie do zakončovací impedance. Vzhledem k nepřesnostem měření i grafické konstrukce se vám pravděpodobně nepodaří docílit úplného potlačení odrazu energie od zakončovací impedance. Pokuste se proto dále snížit PSV jemným doladěním polohy a hloubky zasunutí kolíku. 4. Naměřené hodnoty: a) Měření vlnové délky ve vlnovodu a porovnání s vypočtenou hodnotou f [GHz] x 1 [mm] x 2 [mm] λ v [mm] λ vypoč [mm] 8 109,6 142,5 65,8 65, ,4 48, ,5 183, , ,5 150,4 33, ,8 158,7 29,8 29,9 x 1 a x 2 jsou polohy sousedních minim napěťové stojaté vlny.

2 b) Měření neznámé impedance a návrh impedančního přizpůsobení Polohy minim stojaté vlny při zakončení zkratem: 109,6 mm a 142,5 mm Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí: 136,0 mm PSV = 2,4 Neznámá zakončovací impedance: z k = 0, j.0,5427 Návrh impedančního přizpůsobení:

3 Vzdálenost kompenzačního kolíku od zakončovací impedance: 20,4 mm Hloubka zasunutí kapacitního kolíku (z cejchovní křivky): 5,25 mm Po vykompenzování: PSV = 1,04

4 Měření modulů prvků rozptylové matice vlnovodných dílů 1. Zadání: a) Změřte a PSV vlnovodných dílů dle uvedeného seznamu. b) Změřte hodnoty přenosu mezi jednotlivými vstupy dvojbranu a trojbranu. c) Určete moduly prvků rozptylové matice měřených obvodů. Seznam měřených vlnovodných dílů: Jednobran: přizpůsobená koncovka Dvojbran: feritový izolátor Trojbran: feritový cirkulátor 2. Schéma měřicí soupravy: 3. Postup měření: a) Detektor zapojte do polohy A. Měřený vstup zadaného obvodu připojte na přírubu cirkulátoru měřící trasy a odečtěte výchylku na indikátoru. Potom nahraďte měřený obvod zkratem a zvyšte útlum cejchovaného atenuátoru o hodnotu L r tak, aby na indikátoru bylo dosaženo původní výchylky. PSV pak lze určit z rovnice PSV Lr 20 Lr 20 b) Detektor přesuňte do polohy B. Měřený obvod zapojte mezi cirkulátor a detektor a odečtěte výchylku. Potom připojte detektor přímo na cirkulátor a s pomocí cejchovaného atenuátoru měřte průchozí útlum L p. c) Z hodnot L r a L p je možné určit moduly rozptylových parametrů měřených dílů: s ij L p s ii L r 10 20

5 4. Naměřené hodnoty: a) Měření odrazů Vlnovodný díl, č. brány L r [db] PSV [-] [-] Bezodrazová koncovka, ,05 0,025 Izolátor, 1 11,5 1,76 0,266 Izolátor, 2 12,5 1,62 0,237 Cirkulátor, ,15 0,071 Cirkulátor, ,15 0,071 Cirkulátor, ,15 0,071 b) Měření přenosů Vlnovodný díl, přenos z j do i L p [db] S ij [-] Izolátor, 1-2 1,25 0,866 Izolátor, ,141 Cirkulátor, 1-2 0,75 0,917 Cirkulátor, ,079 Cirkulátor, ,079 Cirkulátor, 2-3 0,75 0,917 Cirkulátor, 3-1 0,75 0,917 Cirkulátor, ,079 c) Rozptylové matice Bezodrazová koncovka: [S] = [0,025] Izolátor: Cirkulátor:

6 Dielektrické vlastnosti materiálů 1. Zadání: a) Změřte poměrnou permitivitu r vzorku č. 1 a 2. b) Metodou měření impedance určete r a tg vzorku č. 3. c) Změřte poměrnou permitivitu r a ztrátový činitel tg vzorku č. 4 (destilovaná voda). 2. Schéma měřicí soupravy: 3. Postup měření: a) Bezeztrátová dielektrika: Změřte vzdálenost prvního minima l napěťové stojaté vlny od dielektrického vzorku. K tomu je výhodné použít úsek vlnovodu stejné délky jako u vzorků č.1 a 2, zakončený zkratem. S jeho pomocí určíte referenční konce vedení a délku vlny na vedení. Pak postupně připojte k měřícímu vedení vlnovody se vzorky č.1 a 2 a určete polohu minim. Z jejich posunu proti referenčním koncům vedení pak již snadno vypočtete l. Konstrukční uspořádání vzorků je znázorněno na následujícím obrázku h d Geometrické rozměry úseku vlnovodu se vzorkem jsou : Vzorek č. 1 h = 44,2 mm d = 5,8 mm č. 2 h = 42,5 mm d = 7,5 mm Dielektrické parametry vzorků vypočtěte ze vztahů: tg l tgd d 0 0 d 2 ; 0 v Ze známých hodnot o, l, d určíme řešením této transcendentní rovnice hodnotu a relativní permitivitu pak dále ze vztahu:

7 2 2 / m r 2 2 / 0 2 b) Určení dielektrických parametrů ze vstupní impedance: Změřte vstupní impedanci vzorku č. 3 a z přiloženého diagramu pak odečtěte jeho relativní permitivitu r a ztrátový činitel tg. c) Destilovaná voda: Tento vzorek reprezentuje ztrátová dielektrika. Při měření jeho relativní permitivity a ztrátového činitele proto nejprve měříme vstupní admitanci y k sloupce vody. Poměr stojatých vln PSV měřte metodou vhodnou pro velké hodnoty PSV. Při výpočtu vycházíme ze vztahů: j j 0 y k a dále m r tg m 2 4. Naměřené hodnoty: a) Vzdálenost prvního minima od vzorku l = 5,3 mm 0 = 130,8 m -1 = 287,7 m -1 m = 45,2 mm 0 = 33,1 mm Po dosazení do vzorců: r = 2,6 b) Polohy minim stojaté vlny při zakončení zkratem: 120,5 mm a 144,5 mm Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí: 132,4 mm PSV = 10,9 Změřená vstupní impedance: z vst = 10,6844 j.1,5114 Z diagramu komplexní permitivity odečteno: r = 2,1 a tg

8 c) Vstupní impedance sloupce vody Polohy minim stojaté vlny při zakončení zkratem: 120,5 mm a 144,5 mm Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí: 120,7 mm PSV = 11,9

9 Změřená vstupní impedance: z vst = 0, j.0,026 Po dosazení do rovnic: r = 51 a tg

10 Cejchování krystalové diody, měření Z v a koaxiálního vedení 1. Zadání: a) Ocejchujte krystalovou diodu koaxiálního měřícího vedení. b) Stanovte charakteristickou impedanci a měrný útlum koaxiálního kabelu. 2. Schéma měřicí soupravy: 3. Postup měření: a) Koaxiální měřící vedení zakončete zkratem. Odečítejte proud diody při posuvu sondy měřícího vedení od místa nulové výchylky k poloze maximální výchylky tak, že (d)=0,15, 30 až 90. Koeficient nelinearity n diody určete ze směrnice tečny závislosti log I= n log (sin (d))+c b) Charakteristickou impedanci koaxiálního kabelu Z v je možné určit z hodnoty vstupní impedance zkratovaného kabelu Z vz a ze vstupní impedance Z vo kabelu na konci otevřeného pomocí vztahu Z Z. Z v vz vo Změřte normované hodnoty z vz a z vo. Charakteristická impedance měřícího vedení je 50. Měrný útlum kabelu lze určit z poloměru r kružnice konstantního PSV, na níž se nacházejí změřené vstupní impedance koaxiálního kabelu, a z poloměru Smithova diagramu r o l Délka koaxiálního kabelu je l = 8 m. 8.68/2.lnr / r = 0

11 4. Naměřené hodnoty: a) Cejchování krystalové diody βd [ ] I [na] log (sin (βd)) log(i) ,587-6, ,301-6, ,151-5, ,062-5, ,015-5, ,561 log I 0-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0, log (sin (βd)) -8 Koeficient nelinearity n = 2,08 b) Měření charakteristické impedance a měrného útlumu koaxiálního kabelu Polohy minim stojaté vlny při zakončení zkratem: 120,8 mm a 208,5 mm Vedení zakončené naprázdno Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí z v0 : 176,6 mm PSV = 2 Normovaná impedance z v0 = 1, j.0,7469 Impedance Z v0 = 65,9 + j.37,3

12 Vedení zakončené nakrátko Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí z vk : 139,3 mm PSV = 1,95 Normovaná impedance z vk = 0, j.0,4957 Impedance Z vk = 35,6 - j.24,8

13 Po dosazení do vzorců Charakteristická impedance Z v = 57,2 j.2,7 [] = 57,3.e -j.0,047 [] Měrný útlum = 0,69 [db/m]

14 Měření výkonu, frekvence a základních vlastností klystronu 1. Zadání: a) Určete pořadí módů reflexního klystronu v závislosti na stejnosměrném napětí reflektoru U r a nakreslete jejich průběh. b) Určete frekvenční koeficient všech modů klystronu. c) Na zvoleném modu změřte závislost generované frekvence f na napětí U r. d) Wattmetrem změřte maximální výkon jednotlivých modů klystronu. 2. Schéma měřicí soupravy: 3. Postup měření: a) K zobrazení modu klystronu využijte osciloskopu. Očíslujte mody s rostoucím napětím reflektoru U r. Detekční charakteristika diody je přibližně kvadratická, takže křivky modů na osciloskopu jsou přibližně úměrné výkonu. b) Koeficient =(f 2 -f 1 )/(U r2 - U r1 ), tj. udává velikost změny generovaného kmitočtu při změně napětí reflektoru o 1V. f 2 a f 1, resp. U r2 a U r1 jsou kmitočty a napětí, při nichž klesá výkon P klystronu na polovinu jeho maximální hodnoty. c) Závislost generovaného kmitočtu f na napětí reflektoru změřte asi v 7 bodech a vyneste do grafu. d) Při měření výkonu modů zrušte modulaci reflektorového napětí. Hodnota změřeného výkonu je dána ( b /10) vztahem P P w.10, kde P w je údaj wattmetru a b je útlum atenuátoru. 4. Naměřené hodnoty: a)

15 b) + d) c) Mód č. U r1 [V] U r2 [V] f 1 [GHz] f 2 [GHz] [GHz/V] P [mw] ,09 9,62 0,053 3, ,10 9,50 0,050 6, ,14 9,47 0,037 12,4 f [GHz] 9,44 9,42 9,4 9,38 9,36 9,34 9,32 9, Ur [V]

16 Měření náhradního obvodu mikrovlnného dvojbranu 1. Zadání: a) Změřte parametry náhradního obvodu vlnovodného dvojbranu. b) Parametry náhradního obvodu převeďte na prvky rozptylové matice. 2. Schéma měřicí soupravy: 3. Postup měření: Prvky náhradního obvodu ve tvaru T článku lze u mikrovlnného čtyřpólu určit změřením jeho vstupních impedancí při výstupu : 1. zkratovaném (z k ) 2. otevřeném (z n ) 3. zakončeném bezodrazově (z 0 ). Otevřený konec vedení realizujte tímto způsobem: posuvný zkrat nastavte do vzdálenosti /4 od vstupní příruby, takže jeho vstupní impedance bude nekonečná. Pozn.: Měřený vlnovodný dvoubran je symetrický. Pro vlastní čtyřpól platí z 11 U1 Z11I1 Z12I2 U2 Z12I1 Z22I2 (1) Z11 ; z Z 1 22 Z22 ; z Z 2 2 Z Z Z

17 Hodnoty prvků impedanční matice lze určit pomocí následujících výrazů z 11 = z n z 22 z z n 0 z0 z k z 12 2 = (z 11 z 0 )(1 + z 22 ) ; z 21 = z 12 Mezi koeficienty Z-matice a rozptylovými koeficienty s platí vztahy Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z s Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z s kde 2Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z s Z Z Z Z Naměřené hodnoty: Polohy minim stojaté vlny při zakončení zkratem: 128,8 mm a 154,5 mm Měřený dvojbran zakončen zkratem Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí z k : 140,0 mm PSV = 3,06 Normovaná impedance z k = 2,291 - j.1,229 Měřený dvojbran zakončen nekonečnou impedancí Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí z n : 152,7 mm PSV = 3,48 Normovaná impedance z n = 0, j.0,2044 Měřený dvojbran zakončen bezodrazově Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí z 0 : 140,0 mm PSV = 3,06 Normovaná impedance z 0 = 2,291 - j.1,229

18 Po dosazení do vzorců: z 11 = 0, j.0,2044 z 22 = 0, j.0,0772 z 21 = z 12 = 0, j.0,8421 s 11 = - 0,082 - j.0,021 s 22 = - 0,096 - j.0,127 s 21 = s 12 = 0,834 j.0,033