Vysokofrekvenční transformátory a vedení

Transkript

1 Vysokofrekvenční transformátory a vedení Úkol měření: 1. Stanovte amplitudovou a fázovou přenosovou charakteristiku předložených vzorků vf. transformátorů 2. Stanovte vstupní impedanci předložených vzorků vf. transformátorů při zatížení jmenovitou impedancí 50 Ω 3. Stanovte vstupní impedanci úseku nepřizpůsobeného vf. vedení Měření proveďte v rozsahu frekvencí 0,5 až 110 MHz s dostatečným počtem hodnot. Vzorky transformátorů: vzorek č. feritový rel. permeabilita průměr jádra materiál µ R [-] [mm] vinutí 1 N závitů, bifilární 2 N závitů, jednoduché 3 N závitů, bifilární 4 H závity, trifilární 5 H závity, jednoduché 6 H závity, bifilární Pozn.: Počty závitů jsou stejné jak pro primární, tak pro sekundárním vinutí. Všechna vinutí jsou vinuta vodičem o průměru 0,3 mm s PVC izolací. Transformátory mají převod 1:1. Vzorek vedení: Koaxiální kabel RG 213; Z 0 = 50 Ω; N konektory; zátěže 16 Ω, 150 Ω a zkrat. Pokyny pro měření: Měření provádějte na přístrojích Tesla BM 650. Jeden přístroj je určen pro měření přenosu - jeho sonda má vstupní a výstupní bránu. Před měřením bodu 1 je nutné tento přístroj kalibrovat propojit vstupní a výstupní brán koaxiálním vedením a dostavit potenciometrem přenos 1 a fázový posun 0. Přístroje jsou již před cvičením nakalibrovány, studenti provádějí jen kontrolu odečtem hodnot. Při vlastním měření (body 1 a 2) jsou obě vinutí transformátorů připojena k měřicímu přístroji. Měření bodu 2 se provádí na druhém přístroji, vybaveném jen snímací sondou (pouze vstupní brána). Přístroj je přepnut za měření vstupní impedance Z a fáze Φ. Nezapojená brána vf. transformátoru musí být zakončena jmenovitou impedancí 50 Ω. K tomu slouží přiložený N-terminátor. Při vlastním měření odečítejte jak absolutní hodnotu impedance, tak i fázi. Závislosti na frekvenci vyneste do grafu, dle potřeby volte vhodně měřítko (lineární, logaritmické). Počet bodů měření volte tak, abyste přesně určili horní a hlavně dolní mezní kmitočet vf. transformátoru (hlavně u měření bodu 1). Bod 3 se měření na stejném přístroji jako bod 2. K hlavici sondy přístroje BM 650 připevníte přiložený koaxiální kabel RG 213. Jeho mechanická délka λ MECH je cca 2 m. V rozsahu 0,5 MHz až 25 MHz lze měřit průběh vstupní impedance kabelu na frekvenci. Pro další měření je postačující měřit pouze v okolí frekvence 23 MHz a přesně nalézt kmitočet, kde kabel vykazuje minimální hodnotu vstupní impedance typicky okolo 1-3 Ω. Pak lze hovořit o tzv. čtvrtvlnné rezonanci, kdy se kabel chová jako čtvrtvlnný transformátor. Z hodnoty této frekvence f REZ se dá určit elektrická délka kabelu λ EL dle vzorce c λ EL = ; c = m/s. Poměr mechanické délky λ MECH a elektrické délky λ EL se 4 f REZ

2 nazývá činitel zkrácení k λ λ MECH = a jeho velikost bývá v závislosti na použitém typu EL dielektrika okolo 0,66. Přesněji se činitel zkrácení dá vypočítat jako k = 1/ ε ; ε R je relativní permitivita použitého dielektrika. Pro běžně používaný polyetylén činí ε R 2,25. Kabel chovající se jako čtvrtvlnný transformátor lze popsat takto: impedance připojená na konec konec kabelu o charakteristické impedanci Z 0 se transformuje na počátek kabelu dle vztahu 2 Z 0 Z =. Toto chování lze ověřit měřením na BM 650, kdy na konec kabelu střídavě POČ Z KON připojíte impedance 16 Ω a 150 Ω. Přibližně platí, že = Dále lze při dané frekvenci určit poměr stojatých vln (PSV), koeficient odrazu Γ a z něj určit útlum kabelu Z 0 v db/100 m. Poměr stojatých vln PSV =, Z POČ je změřená vstupní impedance Z POČ PSV 1 v ohmech, Z 0 = 50 Ω. Koeficient odrazu v absolutní hodnotě je roven Γ =. Je nutné si PSV + 1 uvědomit, že vypočtený koeficient odrazu odpovídá kabelu o dvojnásobné mechanické délce, neboť postupující elektromagnetická vlna musela projít kabelem tam i zpět. Skutečný koeficient odrazu pro λ MECH bude odmocninou-krát menší. Číselně odpovídá útlumu kabelu dané délky, který stačí přepočítat na délku 100 metrů a vyjádřit v jednotce db. Vyhodnocení měření: V závěru vyhodnoťte vliv feritového materiálu (µ R ) a vinutí (jednoduché, bifilární, trifilární) na dolní mezní kmitočet f 1. Uvědomte si, že dolní mezní kmitočet závisí především na velikosti rozptylových indukčností L σ a použitelnost na nízkých kmitočtech je podmíněna velkou hlavní indukčností L H. Na velikost hlavní příčné indukčnosti lze usuzovat například z průběhů Z VST = g (f). Jednotlivé feritové materiály porovnejte mezi sebou. Určete vliv zkrouceného vinutí na rozptylové indukčnosti. R Obr. 1: Náhradní schéma vf. transformátoru. Obr. 2: Přenos vf. transformátoru a jeho toleranční pole. Literatura: Vysokofrekvenční transformátory kap , str. 50

3 Šumové číslo Úkol měření: 1. Proveďte kalibraci měřicího přístroje Agilent Noise Figure Analyzer N8973A. Nastavte režim pro měření, například zvolte konfigurační soubor C:\A.STA. Propojte sondu se vstupem přístroje a proveďte kalibraci v režimu Calibration. 2. Proveďte kontrolu měřicího přístroje. Při propojeném vstupu a výstupu musí přístroj zobrazovat nulové šumové číslo a zisk, obojí v db. (Je nutné spustit průměrování na cca 16 odměrů). 3. Stanovte šumové číslo a zisk předložených vzorků zesilovačů. Měření proveďte v rozsahu frekvencí 140 až 150 MHz, při měření dbejte na maximální ochranu vstupu přístroje zesilovač je napájen z akumulátoru, připojen musí být nejdříve k sondě přístroje. Výsledky měření zaznamenejte na disketu (*.CSV nebo *.GIF). 4. Ověřte vliv nepřizpůsobení na šumové číslo. Měření provádějte při zařazení transformačního vedení mezi vstup zesilovače a sondu (1. zesilovač). 5. Ověřte vliv volby pracovního bodu na šumové číslo. Měření proveďte pro nižší napájecí napětí (6 V, 1. zesilovač). Pozor Akumulátor nemá proudovou ochranu, dbejte na správnou polaritu. Ochranná dioda proti přepólování je zapojena na vývodu pro kladné napájení. Měřené vzorky: 1. vf. zesilovač pro pásmo 140 MHz až 150 MHz, napájení +12 V, měděný stínicí kryt, vstup zesilovače je ze strany přizpůsobovací cívky 2. vf. zesilovač XXXX, pásmo 1,2 GHz (před měřením nutné načíst konfigurační soubor C:/B.STA a provést kalibraci 3. vf. zesilovač ZZZZZ, pásmo cca 100 až 200 MHz, napájení +12 V, vnitřní stabilizace na +5 V

4 Literatura: Obr. 2: Rozdílnost výkonového a šumového přizpůsobení Šumové parametry tranzistorů kap , str. 121

5 Vlastnosti cívek Úkol měření: Zjistěte měřením kmitočtové závislosti činitele převýšení daných vzorků cívek vliv konstrukčního provedení (délky vinutí, rozměrů a formy vinutí) na jejich kvalitu. Pokyny: Měřte na Q-metru v kmitočtovém rozsahu určeném nejmenší a největší kapacitou ladicího kondenzátoru přístroje (obvod s cívkou se ladí do rezonance). Kmitočtový krok volte tak, abyste u každé cívky změřili alespoň 8 hodnot rovnoměrně rozložených v kmitočtovém intervalu. Vzorky: Vzduchové cívky: D = 32 mm, l = 45 mm, N = 50; č. cívky D [mm] L [mm] d [mm] x 0, x 0, , , , ,25 Cívky s feromagnetickými jádry: tlumivka MESC 10 µh, GES Electronic, jádro typu tyčka cívky 09P, 560 µh, GM Electronic, jádro typu činka Literatura: Vlastnosti induktorů kap. 1.5, str. 35

6 Úkol měření: Měření křemenných výbrusů a piezoelektrických filtrů 1. Měření křemenného výbrusu. Změřte teplotní závislost křemenného výbrusu od teploty okolí do cca 90 C. Stanovte nejistotu měření. Z grafického zobrazení určete typ výbrusu - jeho řez (AT, BT, CT, DT, GT). 2. Měření piezoelektrických filtrů a. Změřte a graficky znázorněte kmitočtovou charakteristiku piezoelektrického filtru pomocí rozmítače Elsy SG Rozmítač nastavte na rozsah kmitočtů 10 MHz až 11 MHz. Přenos se odečítá z nastavení výstupního útlumového členu rozmítače (údaj je nelineární). b. Změřte a graficky zaznamenejte kmitočtovou charakteristiku filtru měřením výstupního napětí při buzení filtru proměnnou frekvencí v propustném pásmu filtru s krokem asi 500 Hz. Stanovte útlumovou charakteristiku filtru vztaženou k velikosti vstupního signálu (napětí signálního generátoru). Přístroje: ad 1) čítač Black Star ,3 GHz, elektrický termistorový teploměr, 2 zdroje 15 V/1 A ad 2) vf. generátor Elsy SG 2000, vf. milivoltmetr Tesla BM 495A 10 khz 1,2 GHz Pokyny pro měření: Ad 1) Měřte od teploty okolí až do 90 C. Zaznamenávejte odchylku oscilátoru od ideální hodnoty Hz. Tuto odchylku pak vyneste do grafu jako funkci teploty. Po zapnutí přípravku se oscilátor musí ustálit, během této doby může údaj čítače značně kolísat. Ručkové měřicí ústrojí (mikroampérmetr) indikuje činnost přípravku, údaj je pouze informativní. Ad 2) Měření kmitočtové charakteristiky je možné provádět dvěma způsoby. Lze měřit výstupní napětí na filtru voltmetrem při dané frekvenci. Generátor nemá zapnuto rozmítání, zapojení odpovídá obr. 3. Nevýhodou je zdlouhavost měření, výhodou je absence zkreslení, které vzniká při vysoké rychlosti rozmítání (obrázek 4). Nejpohodlnější je zaznamenávat kmitočtovou charakteristiku na osciloskopu (zapojení dle obr. 2). Na generátoru musí být správně nastaveno rozmítání: počáteční frekvence tlačítko FREK a šířka rozmítání sweep tlačítko SW. Oba parametry musí být nastaveny tak, rozmítání bylo širší než je propustné pásmo měřeného filtru. Obr. 1: Schéma pro měření teplotní závislosti frekvence krystalového oscilátoru

7 Obr. 2: Měření přenosu filtru pomocí rozmítače a osciloskopu Obr. 3: Uspořádání pracoviště pro měření přenosu filtru metodou bod po bodu generátorem a voltmetrem Obr. 4: Možné pozorované průběhy, určení šířky propustného pásma Měřené filtry: 1. mezifrekvenční krystalový filtr f 0 = 10,445 MHz, velmi úzké propustné pásmo (10 khz) 2. keramický filtr f 0 = cca 10 MHz, širší propustné pásmo, typicky 100 khz 3. laděný LC filtr, f 0 = cca 10 MHz, šířka propustného pásma cca 1 MHz, měděné stínění Literatura: Piezoelektrické součástky kap. 1.9, str. 143