Měření vlnové délky, impedance, návrh impedančního přizpůsobení

Měření vlnové délky, impedance, návrh impedančního přizpůsobení 1. Zadání: a) Změřte závislost v na kmitočtu pro f 8,12GHz. 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] 8 9 10 11 12

x1 [mm]

x2 [mm]

λv [mm]

λvypoč [mm]

109,6 139 163,5 133,5 143,8

142,5 162,4 183,5 150,4 158,7

65,8 48,8 40 33,8 29,8

65,5 48.7 39,7 34 29,9

x1 a x2 jsou polohy sousedních minim napěťové stojaté vlny.

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: zk = 0,5784 + j.0,5427 Návrh impedančního přizpůsobení:

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

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 Lr tak, aby na indikátoru bylo dosaženo původní výchylky. PSV pak lze určit z rovnice

PSV 

1  10 1  10



Lr 20



Lr 20

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 Lp. b)

c)

Z hodnot Lr a Lp je možné určit moduly rozptylových parametrů měřených dílů:

sij  10



Lp 20

sii  10



Lr 20

4. Naměřené hodnoty: a) Měření odrazů Vlnovodný díl, č. brány Bezodrazová koncovka, 1 Izolátor, 1 Izolátor, 2 Cirkulátor, 1 Cirkulátor, 2 Cirkulátor, 3

Lr [dB] 32 11,5 12,5 23 23 23

PSV [-] 1,05 1,76 1,62 1,15 1,15 1,15

 [-] 0,025 0,266 0,237 0,071 0,071 0,071

b) Měření přenosů Vlnovodný díl, přenos z j – do i Izolátor, 1 - 2 Izolátor, 2 - 1 Cirkulátor, 1 - 2 Cirkulátor, 1 - 3 Cirkulátor, 2 - 1 Cirkulátor, 2 - 3 Cirkulátor, 3 - 1 Cirkulátor, 3 - 2 c) Rozptylové matice Bezodrazová koncovka: [S] = [0,025] Izolátor:

Cirkulátor:

Lp [dB] 1,25 17 0,75 22 22 0,75 0,75 22

Sij [-] 0,866 0,141 0,917 0,079 0,079 0,917 0,917 0,079

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 0 l  tgd  2  ; 0  0 d d v Ze známých hodnot o, l, d určíme řešením této transcendentní rovnice hodnotu  a relativní permitivitu pak dále ze vztahu:

r 

 2  2 / m 

2 /  

2

2

0

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  . b)

Destilovaná voda: Tento vzorek reprezentuje ztrátová dielektrika. Při měření jeho relativní permitivity a ztrátového činitele proto nejprve měříme vstupní admitanci yk sloupce vody. Poměr stojatých vln PSV měřte metodou vhodnou pro velké hodnoty PSV. Při výpočtu vycházíme ze vztahů:   j  j0 yk

c)

a dále

 2       m r  2  2     0  2

2

  

2

tg 

2  2        m  2

2

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: zvst = 10,6844 – j.1,5114 Z diagramu komplexní permitivity odečteno: r = 2,1 a tg   

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

Změřená vstupní impedance: zvst = 0,0841 + j.0,026



Po dosazení do rovnic: r = 51 a tg  

Cejchování krystalové diody, měření Zv 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 Zv je možné určit z hodnoty vstupní impedance zkratovaného kabelu Zvz a ze vstupní impedance Zvo kabelu na konci otevřeného pomocí vztahu

Z v  Z vz .Z vo Změřte normované hodnoty zvz a zvo . 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 ro l = 8.68/2. lnr / r0 

Délka koaxiálního kabelu je l = 8 m.

4. Naměřené hodnoty: a) Cejchování krystalové diody βd [°]

I [nA]

log (sin (βd))

log(I)

0 15 30 45 60 75 90

0 125 525 1200 2000 2500 2750

-0,587 -0,301 -0,151 -0,062 -0,015 0

-6,9 -6,28 -5,921 -5,699 -5,602 -5,561

0 -0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0 -1

log I -2 -3 -4 -5 -6 -7

log (sin (βd))

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 zv0: 176,6 mm PSV = 2 Normovaná impedance zv0 = 1,3185 + j.0,7469 Impedance Zv0 = 65,9 + j.37,3

-8

Vedení zakončené nakrátko Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí zvk: 139,3 mm PSV = 1,95 Normovaná impedance zvk = 0,7113 - j.0,4957 Impedance Zvk = 35,6 - j.24,8

Po dosazení do vzorců Charakteristická impedance Zv = 57,2 – j.2,7 [] = 57,3.e-j.0,047 [] Měrný útlum  = 0,69 [dB/m]

Měření výkonu, frekvence a základních vlastností klystronu 1. Zadání: a) Určete pořadí módů reflexního klystronu v závislosti na stejnosměrném napětí reflektoru Ur a nakreslete jejich průběh. b) Určete frekvenční koeficient  všech modů klystronu. c) Na zvoleném modu změřte závislost generované frekvence f na napětí Ur. 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 Ur. Detekční charakteristika diody je přibližně kvadratická, takže křivky modů na osciloskopu jsou přibližně úměrné výkonu. b) Koeficient =(f2-f1)/(Ur2- Ur1), tj. udává velikost změny generovaného kmitočtu při změně napětí reflektoru o 1V. f2 a f1, resp. Ur2 a Ur1 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 vztahem P  Pw .10(b / 10) , kde Pw je údaj wattmetru a b je útlum atenuátoru. 4. Naměřené hodnoty: a)

b) + d) Mód č. 1 2 3

Ur1 [V] 63 102 160

Ur2 [V] 72 110 170

f1 [GHz] 9,09 9,10 9,14

f2 [GHz] 9,62 9,50 9,47

 [GHz/V] 0,053 0,050 0,037

c) 9,44 f [GHz] 9,42 9,4 9,38 9,36 9,34 9,32 9,3 145

150

155

160

165

170

175

180

185 Ur [V]

P [mW] 3,2 6,3 12,4

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 (zk) 2. otevřeném (zn) 3. zakončeném bezodrazově (z0). 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.

U1  Z11 I1  Z12 I 2 U 2  Z12 I1  Z22 I 2

(1)

Pro vlastní čtyřpól platí

z11 

Z11 ; Z1

z22 

Z 22 ; Z2

z122 

Z122 Z1 Z 2

Hodnoty prvků impedanční matice lze určit pomocí následujících výrazů z11 = zn z22 

z n  z0 z0  z k

z122 = (z11 – z0)(1 + z22) ; z21 = z12

Mezi koeficienty Z-matice a rozptylovými koeficienty s platí vztahy s11 

 Z   Z 22 Z1  Z11 Z 2  Z1 Z 2  Z   Z 22 Z1  Z11 Z 2  Z1 Z 2

s 22 

 Z   Z 22 Z1  Z11 Z 2  Z1 Z 2  Z   Z 22 Z1  Z11 Z 2  Z1 Z 2

s12  kde

2 Z12 Z1 Z 2

 Z  Z 22 Z1  Z11 Z 2  Z1 Z 2

 Z   Z11 Z 22  Z122

4. 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 zk: 140,0 mm PSV = 3,06 Normovaná impedance zk = 2,291 - j.1,229 Měřený dvojbran zakončen nekonečnou impedancí Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí zn: 152,7 mm PSV = 3,48 Normovaná impedance zn = 0,3005 + j.0,2044 Měřený dvojbran zakončen bezodrazově Poloha minima stojaté vlny při zakončení neznámou impedancí z0: 140,0 mm PSV = 3,06 Normovaná impedance z0 = 2,291 - j.1,229

Po dosazení do vzorců: z11 = 0,3005 + j.0,2044 z22 = 0,2887 + j.0,0772 z21 = z12 = 0,1545 + j.0,8421 s11 = - 0,082 - j.0,021 s22 = - 0,096 - j.0,127 s21 = s12 = 0,834 – j.0,033