2. Měření parametrů symetrických vedení

Transkript

1 . ěření parametrů symetrických vedení. Úvod V praxi používáme jak nesymetrická vedení (koaxiální kabel, mikropáskové vedení) tak vedení symetrická (dvouvodičové vedení). Aby platila klasická teorie vedení, musí být nesymetrické vedení napájeno nesymetrickým zdrojem a musí být zakončeno nesymetrickou zátěží. Analogické podmínky musí být splněny pro symetrická vedení. Pokud uvedené podmínky nejsou splněny, vybudíme na vedení nežádoucí proudy. Na obr..a je nakresleno symetrické vedení, které je buzeno nesymetricky. Díky principu superpozice můžeme původní zdroj rozložit do tří zdrojů. droje a a nastaví svorku na potenciál. droje a b nastaví svorku N na potenciál nulový (viz obr..b). droje a a b vybudí na vedení symetrické proudy (obr..c). droj vybudí proudy asymetrické. Asymetrický proud I as protéká oběma vodiči vedení stejným směrem a zpět se vrací zemí. Asymetrický proud neprotéká zátěží, pokud není spojena se zemí (viz obr..d). Výsledný proud je roven součtu proudů I s + I as s uvážením jejich fází. 3 a b N a) b) a b I s I s I as / I as / I as c) d) Obr.. Buzení symetrického vedení nesymetrickým zdrojem: a) vlastní zapojení, b) rozložení budícího zdroje na symetrické a nesymetrické buzení, c) symetrické buzení, d) nesymetrické buzení.. Cíle práce. Seznámit se s metodou měření parametrů symetrických vedení.. měřit a určit základní parametry předloženého vzorku vedení..3 Přístroje a pomůcky Vektorový obvodový analyzátor R&S LV (9 khz 3 GHz) s kalibrační sadou Vzorky symetrického vedení. -. -

2 .4 Domácí příprava opakujte si defince a význam základních parametrů vedení. pracujte odpovědi na kontrolní otázky. Po prostudování metody měření rozmyslete postup práce..5 etoda měření Vzorek symetrického vedení nelze měřit přímo, protože vektorový obvodový analyzátor má nesymetrický vstup. Jeden konec vedení se při měření musí uzemnit. Na vedení pak teče asymetrický proud, který ovlivní výsledek. Pomocí vícenásobného měření vhodně spojených vodičů vedení lze však vliv asymetrického proudu eliminovat. Y Y a) b) Y c) Obr.. Tři různá zapojení symetrického vedení pro měření. a) Oba vodiče spojeny paralelně, b) konec ve zkratu a jeden vodič uzemněn, c) konec na prázdno a jeden vodič uzemněn. Postupně změříme vstupní admitanci vzorku vedení ve třech různých zapojeních: Vstupní i výstupní svorky vedení zkratujeme (obr..a). Vstupní admitance Y je pak admitancí pro asymetrický proud. Napětí na svorce totiž vnutí oběma vodičům vedení stejně orientovaný asymetrický proud. Výstupní svorky vedení zkratujeme, vstupní svorky rozpojíme (obr..b). měřená vstupní admitance Y je pak rovna součtu admitance pro symetrický proud při zakončení nakrátko Y a čtvrtině admitance pro asymetrický proud Y Y Y ' Y (.) 4 Asymetrický proud je totiž jednak buzen pouze polovičním napětím /, a současně svorkou vedení protéká pouze polovina asymetrického proudu (viz obr..d). Vstupní i výstupní svorky vedení rozpojíme (obr..c). měřená vstupní admitance Y je pak rovna součtu admitance pro symetrický proud při zakončení naprázdno Y a čtvrtině admitance pro asymetrický proud Y Y Y ' Y (.) 4 e vztahů (.) a (.) vypočteme admitanci pro symetrický proud při zakončení nakrátko Y a admitanci pro symetrický proud při zakončení naprázdno Y. Charakteristickou impedanci vedení lze určit jako geometrický průměr vstupní impedance nakrátko a vstupní impednce naprázdno -. -

3 (.3) Y Y Hodnota charakteristické impedance je při zanedbatelných ztrátách ryze reálná. Případná malá imaginární část je obvykle způsobena nepřesnosti měření. Při výpočtu činitele zkrácení vyjdeme z reaktance na vstupu vedení, které je na konci nakrátko Im Y, (.4) tan k' l kde k značí měrnou fázi a l je délka vzorku. (.4) vypočítáme elektrickou délku vedení k ' l atan (.5) Im( Y ) Dále vypočteme elektrickou délku vedení ve volném prostoru (vzduchu) f k l l (.6) c A následně určíme hodnotu činitele zkrácení kl (.7) k' l Útlum vedení obvykle reprezentujeme hodnotou měrného odporu vedení R (tj. odporu na jednotku délky). Lze ukázat, že měrný odpor R lze vypočítat ze vztahu k' l cos( k' l) R Re (.8) l cos( k' l)sin( k' l) k' l Y ěrný útlum pak vypočítáme ze vztahu R (.9) Chceme-li měrný útlum přepočítat z [m - ] na [db m - ], musíme číselnou hodnotu vypočtenou vztahem (.9) vynásobit koeficientem log( e) = 8,6859, e =, adání úlohy. měřte vstupní admitance symetrického vedení Y, Y a Y na zadaných kmitočtech.. e změřených hodnot admitancí Y, Y a Y vypočtěte charakteristickou impedanci vedení, činitel zkrácení a měrný útlum. Parametry vedení vypočtěte jak s korekcí asymetrického proudu a tak bez této korekce. Výsledky porovnejte..7 Poznámky k měření Na pracovišti je k dispozici vektorový obvodový analyzátor. Před vlastním měřením musíme přístroj nastavit a kalibrovat. Při nastavování a kalibraci přístroje postupujte dle návodu na obsluhu obvodového analyzátoru, který je k dispozici na pracovišti. Nastavte: -.3 -

4 frekvenční rozsah měření: 5 až Hz, rozmítání frekvence: lineární, velikost frekvenčního kroku: Hz šířka IF filtru: Hz zobrazení veličiny jako průměr z N měření; N (Average Factor) =. Proveďte jednoportovou kalibraci přístroje a na displeji zobrazte průběh reálné a imaginární části měřené admitance. Hodnoty admitance odečítejte pomocí markrů. Pro zvýšení přesnosti měření je dobré eliminovat vliv N-konektoru. Proto před vlastním měřením posuneme referenční rovinu měření, která je po kalibraci nastavena v místě připojení kalibrační sady. Při změně referenční roviny postupujeme následovně: Stiskneme tlačítko CAL a postupně aktivujte volby Port Extension a echanical Length. V dialogovém okně portu nastavíme echanical Length a Permittivity dle hodnot uvedených na měřeném vzorku pro daný typ konektoru. Vzorek koplanárního vedení je nutné měřit ve všech třech konfiguracích dle obr... Abychom nemuseli pájet, jsou na pracovišti k dispozici všechna zapojení jako samostatné přípravky. Proto stačí na zadaných kmitočtech změřit vstupní admitance přípravků (na každém přípravku je uveden i typ měřené admitance). Je dobré si uvědomit, že při vlastním měření teče vedením asymetrický proud, který vyzařuje. Vlastnosti symetrického vedení jsou pak ovlivňovány blízkým okolím. Snažte se pracovat tak, aby tyto vlivy byly co nejmenší..8 pracování výsledků v ATLABu V ATLABu zpracováváme změřené hodnoty vstupní admitance pro asymetrický proud Y, vstupní admitance při zakončení nakrátko Ym a vstupní admitance při zakončení naprázdno Ym. Podle vztahů (.) a (.) pak spočítáme vstupní admitance pro symetrický proud Y = Ym Y/4; Y = Ym Y/4; % nakrátko, korigovaná % naprázdno, korigovaná korigovaných admitancí vypočítáme dle (.3) charakteristickou impedanci vedení = / sqrt(y*y); e vztahu (.5) vypočítáme elektrickou délku vedení % charakteristická impedance kl = atan( - / (real( ) * imag (Y))); Do proměnné f uložíme kmitočet měření, do proměnné l délku vedení a do proměnné c rychlost světla. e vztahu (.5) vypočítáme elektrickou délku vedení ve volném prostoru kl = *pi*f*l/c; Činitel zkrácení pak je dle vztahu (.7) roven ksi = kl / kl; V dalším kroku vypočteme dle vztahu (.8) odpor vedení na metr délky R = *kl*cos( kl) / (cos( kl)*sin( kl) + kl) * (/l) * real( /Y); e známé hodnoty R vypočteme dle vztahu (.9) měrný útlum vedení beta = *.5 * R / real (); -.4 -

5 .9 Kontrolní otázky. Při bezprostředním spojení symetrické antény s nesymetrickým (koaxiálním) vedením poteče po vnějším povrchu napáječe asymetrický proud. Jaké parametry antény může tento proud ovlivnit? Jak je možné vliv asymetrického proudu potlačit? -.5 -