Измерение разности фаз в СВЧ-диапазоне. Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума ''Радиофизика и электроника''

Министерство образования Российской Федерации РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Зеленчук П.А., Орлов С.В., Лерер А.М., Нойкин Ю.М., Нойкина Т.К.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» (специальность 013800, радиофизика и электроника) ЧастьXII ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

Ростов-на-Дону 2004

Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования

Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета и рекомендовано в качестве методических указаний для выполнения специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» для студентов 3-го курса дневного отделения и 4-го курса вечернего отделения. Основание: Протокол № 16 от 18 марта 2003 г.

Рецензенты: доцент Сидоренко Е.Н.(кафедра радиофизики), доцент Чеботарёв Г.Д. (кафедра квантовой радиофизики). Ответственный редактор – профессор кафедры прикладной электродинамики и компьютерного моделирования Зоргано Г.В.

Авторы: Зеленчук Павел Анатольевич – студент, Лерер Александр Михайлович – профессор, Нойкин Ювеналий Михайлович – доцент, Нойкина Тамара Константиновна – доцент, Орлов Сергей Валентинович – доцент. Компьютерный набор и вёрстка: Зеленчук П.А.

3 Лабораторная работа № 12 ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ Цель работы – изучить основные методы измерения разности фаз двух сигналов и научиться измерять сдвиг фаз в СВЧ диапазоне компенсационным методом. Задание – переписать в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы, основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы. 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Фаза характеризует состояние гармонического колебания в рассматриваемый момент времени. Математически фазу определяют как аргумент синусоидальной или косинусоидальной функции. Так, например, в выражении

переменного напряжения U(t)= Umcos(ωt+ψ)

(1)

фазой является весь аргумент косинусоидальной функции ϕ = ωt+ψ .

(2)

Из (2) следует, что фаза гармонического колебания является линейной функцией времени. Такое определение фазы позволяет ввести понятие о сдвиге (разности) фаз колебаний с разными частотами. Действительно, пусть имеются два переменных напряжения: U1(t)=Um1cos(ω1t+ψ1)

(3)

U2(t)=Um2cos(ω2t+ψ2)

(4)

с круговыми частотами ω1 и ω2. Тогда фазы этих колебаний ϕ1 и ϕ2 соответственно равны:

4 ϕ1=ω1t+ψ1

(5)

ϕ2=ω2t+ψ2 ,

(6)

а разность фаз или, как ещё говорят, сдвиг фаз этих напряжений (колебаний) равен ϕ = ϕ1 - ϕ2 = (ψ1 - ψ2) + (ω1 - ω2)t .

(7)

Из выражения (5) следует, что сдвиг фаз является также линейной функцией времени. Обычно измерение сдвига фаз проводится для колебаний одной частоты. В этом случае выражение (5) упрощается и принимает вид ϕ = ϕ 1 - ϕ 2 = ψ1 - ψ2 .

(8)

Таким образом, сдвиг фаз между двумя гармоническими колебаниями одной частоты является постоянной величиной и не зависит от времени. Ещё более простое выражение получится, если принять начальную фазу одного из измеряемых колебаний равной нулю, т. е. положить ψ2 = 0 . В этом случае ϕ = ψ1. Учитывая сказанное, для двух колебаний одной частоты ω, сдвинутых по фазе на угол ϕ, можно записать: U1(t) = Um1cosωt

(9)

U2(t) = Um2cos(ωt -ϕ).

(10)

Приведенные рассуждения справедливы только для случая гармонических колебаний. Измерения фазы стали широко применяться в радиотехнике, особенно в связи с развитием когерентных систем и методов голографии.

2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ Способы измерения фазового сдвига многообразны. На низких частотах широкое распространение получили осциллографические способы, при

5 которых исследуемые колебания попадают на осциллограф. Фазовый сдвиг определяется

по

измеренным

параметрам

изображения

на

экране.

Рассмотрим один из них. Измерение по осциллограммам исследуемых напряжений. Два колебания можно наблюдать одновременно на экране двухлучевого осциллографа. Измерение фазового сдвига по осциллограммам напряжений

U

d a

b

t

c

Рис. 1 Измерив на экране осциллографа величину отрезка ad (рис.1), соответствующую периоду колебаний, и величину отрезка ab, соответствующую величине сдвига фазы одного напряжения относительно другого, определим величину сдвига фазы в градусах: ϕ=

ab 3600 . ad

Погрешность этого метода составляет несколько градусов. В СВЧ диапазоне широкое распространение получил способ измерения разности фаз, основанный на компенсационном методе.

6 Компенсационный метод. Принцип действия приборов, основанных на этом методе, может быть легко уяснен из рассмотрения блок-схемы, представленной на рис. 2. Структурная схема измерительной установки

Вход 1

U1(t)

Калиброванный фазовращатель Индикатор равенства фаз

Вход 2

U2(t) Рис.2

Колебания U1(t)=Um1cosωt и U2(t)=Um2cos(ωt + ϕ), разность фаз между которыми надо измерить, попадают на вход 1 и вход 2 . С помощью калиброванного фазовращателя фаза колебания U1(t) меняется до тех пор, пока индикатор не покажет равенства фаз (или сдвиг на 1800). Искомый сдвиг фаз определяется по градуированной шкале фазовращателя. Как следует из принципа рассмотренного метода, для его осуществления, кроме калиброванного фазовращателя, необходим индикатор равенства фаз. Последние бывают разных типов. В простейшем случае используют электронно-лучевой осциллограф. Подавая на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины сравниваемые колебания ( преобразованные в низкочастотные ), мы будем наблюдать на экране эллипс. При равенстве фаз этих колебаний эллипс стягивается в прямую. В качестве индикатора равенства фаз также могут применяться различные схемы.

7 Приборы для измерения фазы и измерения фазовых характеристик называются фазометрами. Для измерения фазы на СВЧ можно использовать измерительную линию. Схема фазометра с измерительной линией. На рис. 3 показана схема фазометра с волноводной измерительной линией. Схема фазометра 5 4 ϕx 7

1

3

2

6

Рис.3 Генератор высокочастотных колебаний 1 питает одновременно схему измерения 2 и исследуемый элемент ϕх. В сместительной камере 3 смешиваются два сигнала : от исследуемого элемента и опорный сигнал с постоянной фазой. Усилитель 4 усиливает выходной сигнал полупроводникового сместительного диода, который подается на стрелочный прибор 5. Аттенюаттор 7 необходим потому, что сигнал, принятый зондом из измерительной линии 6, очень мал, а сигнал поступающий от исследуемого элемента, может иметь гораздо большую величину. Зонд имеет минимальные размеры благодаря чему, при внесении в поле линии не дает искажения. Измерение фазы проводится по наблюдению положения минимальной суммы сигналов, т.е. точки, где сигналы противофазны.

8 Чтобы иметь возможность проводить подобные измерения, в тот канал фазометра, который получает опорный сигнал, помещается фазовращатель. Таким фазовращателем в данном случае является измерительная линия. Если в СВЧ-тракте осуществить режим бегущей волны, то в измерительной линии установится поле, амплитуда которого будет постоянна по всей длине линии, а фаза будет меняться по следующему соотношению: ∆ϕ =

2π

λ

∆l,

где ∆ϕ - изменение фазы; ∆l - перемещение зонда по линии; λ - длина волны в волноводе. Таким образом, при перемещении зонда вдоль линии можно в каждом отдельном измерении определить

положение минимума. Относительное

перемещение минимума при подключении исследуемого элемента даёт сдвиг фаз, создаваемый этим элементом.

Рассмотрим более подробно основные элементы СВЧ-тракта, входящие в нашу измерительную установку.

3 РАЗВЕТВИТЕЛИ (ДЕЛИТЕЛИ) МОЩНОСТИ Делители мощности представляют собой группу устройств , предназначенных для разделения высокочастотной мощности в заданном отношении. Применяемые на практике делители мощности используются для ослабления мощности генераторов и для питания различных устройств от

9 одного источника высокой частоты. Делители мощности в большинстве случаев представляют собой высокочастотные разветвленные передающие линии или оконечные нагрузочные сопротивления со специальными отводами. К делителям мощности предъявляют следующие требования: 1) входное сопротивление должно быть активным и равным выходному сопротивлению линии по возможности во всем рабочем диапазоне частот; 2) точность деления мощности должна быть постоянной в рабочем диапазоне частот независимо от величины мощности; 3) допускаемая мощность делителя должна быть не меньше максимальной мощности поступающей в него от генератора. В волноводном постоянном делители мощности, показанном на рис.5, деление производится при помощи очень тонкой перегородки. Делитель мощности с тонкой перегородкой

b1

Z1

Zb

b2

Рис. 5

Z2

10 Если обе ветви волновода с волновыми сопротивлениями Z1 и Z2 нагружены на согласованные сопротивления и выполняются соотношения Z Z1

=

b ; b1

Z b = ; Z 2 b2

Z = Z1 + Z2,

то коэффициент деления мощности n=

P Z = , P1 Z 1

а ослабление мощности: ξ=10Lg

P Z =10Lg . P1 Z1

Обычно одна ветвь волновода нагружается на поглощающее сопротивление, другая при помощи трансформатора сопротивлений приводится к стандартному волновому сопротивлению Z. Делители мощности могут быть сконструированы для двух, трех и более ответвлений с различными коэффициентами деления мощности. В данной работе используется делитель мощности для волновода прямоугольного сечения с очень тонкой перегородкой и коэффициентом деления мощности n=2 ( рис.6.). Делитель мощности с коэффициентом деления 2

2Z

11 4 ФЕРРИТОВЫЕ ЦИРКУЛЯТОРЫ Циркулятором в технике СВЧ принято называть многополюсник, схематически изображенный на рис. 6 Идеальный восьмиполюсный циркулятор

2

1

3

4

Рис. 6 Этот многополюсник отличается следующими свойствами. При подаче сигнала в плечо 1 энергия передается только в плечо 2 и не ответвляется в другие плечи. Если энергия поступает на вход циркулятора со стороны плеча 2, то она не попадает в плечи 1 и 4, а передается только в плечо 3. Плечо 3 в свою очередь оказывается связанным только с плечом 4. Последнее 4-ое плечо обеспечивает связь только с плечом 1. Идеальный циркулятор должен передавать сигнал между соответствующими плечами без потерь мощности, т. е. обладать недиссипативными

12 свойствами. Получить перечисленные свойства можно только с помощью невзаимных (необратимых) элементов, входящих в состав рассматриваемого восьмиполюсника. В данной работе используется трехплечный (Y-образный) ферритовый волноводный циркулятор, показанный на рис. 7. Y-образный ферритовый циркулятор

13 5 ДВОЙНОЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ТРОЙНИК Рассмотрим двойной волноводный тройник, показанный на рис. 9. Он образован соединением двух тройников: тройником в плоскости Е и тройником в плоскости Н, имеющими общую плоскость симметрии. Предполагается, что в рассматриваемом диапазоне частот по волноводам может распространяться только волна типа Н10. Двойной волноводный тройник 4

2

Е Н

3 1

Рис. 9 Качественный анализ свойств двойного тройника можно провести, зная свойства Е- и Н- тройников. Пусть в плечах 1 и 2 данного двойного тройника включены два равноотстоящих когерентных генератора, работающих синфазно. Тогда в плоскости симметрии тройника будет существовать максимум электрического поля, энергия будет ответвляться только в плечо 3 (Н-плечо). В Е-плечо энергия поступать не будет. Следовательно, по принципу взаимности , если включить генератор в плечо 3, то в 1 и 2 плечах

14 будут распространяться синфазные волны. Передача энергии из плеча 3 в плечо 4 не должна происходить. Таким образом, связи между плечом 3 и 4 нет. Можно доказать, что при возбуждении двойного тройника через плечо 1, энергия будет делиться между плечами 3 и 4 , а связи с плечом 2 не будет происходить. Вообще , развязанными оказываются любые два противоположных плеча двойного тройника. Практически, разумеется, за счёт неизбежно присутствующей асимметрии, изоляция противоположных

плеч

двойного тройника не является идеальной. Реально достижимая развязка составляет обычно от 30 до 50 дб.

6 КОРОТКОЗАМКНУТЫЕ ПОДВИЖНЫЕ НАГРУЗКИ Короткозамкнутые подвижные нагрузки (короткозамыкающие металлические поршни) необходимы в разнообразных волноводных и коаксиальных устройствах, например, в трансформаторах полных сопротивлений. Основным требованием, предъявляемым к поршню, является обеспечение малых потерь в контактах, т.е. получение чисто стоячей волны. Существенно также, чтобы потери не изменялись при перемещении поршня вдоль линии и со временем. При работе на большой мощности важно, чтобы отсутствовало искрение в контактах между поршнем и линией. Наконец, в некоторых случаях требуется постоянство положения плоскости короткого замыкания, обеспечиваемого поршнем. Широкое распространение получили так называемые дроссельные поршни. Волноводный дроссельный поршень, показанный на рис.7, имеет два четвертьволновых зазора.

15 Волноводный дроссельный поршень А

А

Zc1

λ

λ

4

4

Zc2

Рис.7 Сопротивление контакта Rк оказывается в максимуме

продольного

тока. Нетрудно показать, что трансформированное входное сопротивление контакта R1к в плоскости АА составляет R1к=Rк (Zc1/Zc2)2 , где Zс1 и Zc2 – волновые сопротивления «коаксиальных» линий, образованных стенками волновода и поршнем. В соответствии с этим выражением следует уменьшать волновое сопротивление Zc1 по сравнению с Zc2. Из этих соображений и выбирается различная ширина дроссельных зазоров поршня. Недостатком всех дроссельных поршней является зависимость их свойств от длины волны. Обычно дроссельные поршни работают удовлетворительно в полосе частот порядка 20-30% от средней частоты. В настоящей работе используется короткозамкнутая подвижная нагрузка НКП-8, показанная на рис.8.

16 Короткозамкнутая подвижная нагрузка НКП-8

1 – волновод; 2 – поршень; 3 – лимб; 4 – пружина; 5 – шарик; 6 – латунный корпус Рис. 8 Необходимый коэффициент отражения обеспечивает

круглый

поршень, имеющий секции большого и малого диаметров. Длина каждой секции составляет приблизительно одну четверть длины волны. Таким образом, дроссель из чередующихся секций большого и малого диаметра делает невозможным распространение волны основного типа дальше начала секции большого диаметра, что и обеспечивает большой коэффициент отражения. Перемещение поршня вызывает изменение фазы коэффициента отражения.

17 7 АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ Амплитудным детектором (АД) называют устройство, предназначенное для преобразования СВЧ-сигналов в сигналы постоянного тока, т.е. для выделения огибающей колебаний СВЧ. Они являются составной частью фазовых и частотных демодуляторов СВЧ, используются в устройствах контроля и автоматического регулирования уровня мощности, частоты, контроля формы сигналов, а также в широкополосных детекторных приемниках. К амплитудным детекторам предъявляют следующие требования: 1) высокая чувствительность и ее равномерность в рабочей полосе частот; 2) квадратичность характеристики преобразования (при контроле мощности) или линейность (при контроле формы сигнала); 3) хорошее согласование по входу; 4) надежность конструкции и удобство в эксплуатации; 5) малые габариты и масса. Главный параметр АД в импульсном режиме – тангенциальная чувствительность Рtg . В непрерывном режиме чувствительность АД характеризуют минимально различимой мощностью Рраз min СВЧ-сигнала, поданного на вход усилителя с АД , при которой на его выходе отношение мощности сигнала к мощности шума равно 1 (Рс/Рш=1). Чувствительность принято выражать в децибелах относительно милливатта, причём, как следует из определений, Рtg = Рраз min + 4. Оба эти параметра зависят от полосы частот усилителя и режима диода. Часто АД используют в квадратичном режиме, когда выпрямленный ток диода пропорционален мощности СВЧ. Выходная мощность, при которой нарушается линейная зависимость тока от мощности, называется гра-

18 ничной Ргр .Обычно в зависимости от типа диода в АД Ргр=50…200 мкВт. На рис.9 показан эскиз широкополосного (до 10…20%) АД на основе гребневого волновода 1. К гребню 2 волновода на расстоянии

λ 4

от закоро-

ченного конца прикреплен центральный проводник коаксиала, в разрыв которого включен полупровониковый детекторный диод 3. Шайбовый резистор 4 с сопротивлением, равным волновому сопротивлению коаксиала, выравнивает амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) АД. Широкополосный амплитудный детектор

3 5 4

1

2 Рис.9

19 В сторону входного фланца 5 волновода высота гребня плавно снижается для получения широкополосного согласования

детекторного СВЧ

диода с прямоугольным волноводом стандартного сечения.

8 ФАЗОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ Назначение фазового детектора состоит в получении постоянного тока, пропорционального разности фаз ϕ двух когерентных колебаний СВЧ. Они применяются в фазовых демодуляторах, фазометрах, цепях фазовой синхронизации систем фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) и т. п. Рассмотрим принцип действия фазового детектора. Пусть входные колебания U1 (t) = U1sin(ωt +ϕ) и U2(t) = U2sinωt имеют неизменные амплитуды, причем U2≥U1. Обычно, U2(t) называют опорным напряжением, U1(t) – напряжением сигнала. В фазовом детекторе используется зависимость амплитуды суммы UΣ (t) =U1(t) + U2(t) когерентных колебаний от разности фаз 2

2

ϕ между ними: UΣ= U1 +U2 +2U1U2cosϕ . Поэтому фазовые детекторы состоят из сумматора Σ (схемы сложения) входных колебаний и амплитудного детектора (АД), а общие требования к ним аналогичны требованиям к АД. Основная

характеристика

фазового

детектора – нормированная

амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) Uвых / Uвых max = F(ϕ), рад, крутизна и линейность которой зависят от соотношения амплитуд колебаний, режима работы амплитудного детектора и схемы фазового детектора. Простейшая небалансная (однотактная) схема фазового детектора с сумматором Σ на синфазном кольцевом делители мощности ( рис.10) имеет АФХ, изображенную на рис.11.

20 Структурная схема небалансного фазового детектора

Σ

U1(t)

UΣ

Uвых

U2(t)

Рис.10 В режиме квадратичного детектирования АД ( Uвых ~ U2Σ при UΣ ≤ ≤ 0,2..0,3 В) АФХ представляет собой косинусоиду 1 (для случая U1 < U2) и косинусоиду 2 (для случая U1 = U2 ). АФХ фазового детектора U, В 1

2 ϕ , рад -п

-п/2

0

п/2

п

Рис.11 В настоящей работе используется фазовый детектор, у которого в качестве сумматора Σ применяется двойной волноводный тройник ( Т-мост ).

21 9 ФАЗОВРАЩАТЕЛИ Рассмотрим волновод прямоугольного сечения, внутри которого параллельно оси расположена диэлектрическая пластина (рис.12). Внутри пластины скорость распространения электромагнитной волны измениться, поскольку постоянные среды ε и µ будут иными. Прямоугольный волновод с диэлектрической пластиной y b Диэлектрик аI

а Рис.12

Если менять размер aI , передвигая пластину внутри волновода, то эффективная диэлектрическая проницаемость должна изменяться в зависимоссти от конфигурации поля внутри волновода. Пусть, например, в волноводе возбуждена волна типа Н10, при которой электрическое поле изменяется вдоль широкой стенки волновода по синусоидному закону. Тогда возмущающее действие пластины будет наименьшим, если она прижата к узкой стенке (aI →0 ). Наибольшее возмущение может быть получено при размещении а 2

пластины в максимуме электрического поля, т.е. при aI= .Скорость волны в этом случае должна быть наименьшей. Частота же не изменится. Следовательно, перемещая диэлектрическую

пластину внутри

волновода, можно плавно изменять длину волны в нем λв и регулировать

22 электрическую длину линии (отношение геометрической длины волновода к длине волны λв ). Описанное устройство можно назвать фазосдвигателем или фазовращателем. Фазовращатели служат для изменения фазы колебаний, поступающих от источника колебаний. Степень изменения фазы выражается в градусах или радианах. Самый простой и наиболее распространённый на практике фазовращатель для СВЧ техники изображён схематически на рис.13. Схема конструкции СВЧ фазовращателя

Вход

Выход

Рис.13 Он содержит диэлектрическую пластину с заострёнными для согласования краями, которая вводится в волновод и может перемещаться от узкой стенки до середины волновода. Чем дальше пластина от узкой стенки, тем больший фазовый сдвиг вызывает она в проходящей волне. Основное требование к фазовращателям состоит в том, чтобы они обеспечивали плавное изменение фазы при постоянной амплитуде выходного напряжения. Фазовращатели

применяются в специальных радиоизмери-

тельных устройствах, приборах, в том числе в индикаторных устройствах радиолакационных станций. В настоящей работе используется

волноводный фазовращатель с

диэлектрической пластиной, представленный на рис 14.

24 Пластина устанавливается параллельно узкой стенке волновода и вектору поля Е. По мере введения пластины внутрь волновода фазовый сдвиг возрастает. Пластина имеет по концам срезы, предназначенные для сведения к минимуму отражений. 10 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Для экспериментального изучения компенсационного метода измерения разности фаз СВЧ колебаний используется лабораторная установка, структурная схема которой приведена на рис. 15. Структурная схема лабораторной установки

л 3 ϕ

1

2 4

α

25 На этом рисунке обозначены : G1 – генератор высокочастотный Г4-56; P1 – микровольтметр селективный В6-9; W1 – вентиль ферритовый 3ВВС-100А; W2 – делитель мощности волноводный; W3 – фазовращатель диэлектрический Д5-1; W4 – циркулятор ферритовый ФЦВ2-12 сечением 28 х 12 мм; W5 – короткозамкнутая подвижная нагрузка НКП- 8; W6 – двойной волноводный Т- мост; W7 – согласованная волноводная нагрузка (эквивалент антенны); W8 – амплитудный детектор; XW1, XW6, XW7 – отрезки волноводные; XW2, XW3, XW8 – волноводные изломы в плоскости Н; XW4 – переход волноводный с сечения 23 х 10 мм на сечение 28 х 12 мм; XW5 – волноводный изгиб в плоскости Е; А – кабель соединительный. Исходный сигнал от генератора G1 поступает через ферритовый вентиль W1 (который обеспечивает необходимую развязку между СВЧ трактом и генератором) в разветвитель (делитель) мощности W2, где делится на два сигнала 1 и 2. Сигнал 1 попадает в фазовращатель W3, с помощью которого можно изменять фазу, а затем в плечо 1 двойного волноводного Т-моста W6. Сигнал 2 через циркулятор W4 попадает в короткозамкнутую подвижную нагрузку W5, с помощью которой можно изменить длину СВЧ-тракта (а значит и фазу), а затем в плечо 2 моста W6. В плоскости симметрии тройника будет существовать максимум электрического поля, энергия СВЧ сигнала будет ответвляться в плечо 3 и поступать в амплитудный детектор W8, преобразующий её в постоянный ток, величину которого показывает микровольтметр Р1.

26 11 УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ВНИМАНИЕ! При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо руководствоваться правилами, изложенными в «Инструкции по технике безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории». Изучите раздел «Указания мер безопасности» в «Техническом описании и инструкции по эксплуатации» (ТО и ИЭ) к каждому прибору, входящему в установку и руководствуйтесь им при работе. 12 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ Ознакомьтесь с приборами по «ТО и ИЭ». Включите

приборы

тумблерами «СЕТЬ» и подготовьте их к работе согласно инструкциям. Генератор должен работать в режиме внутренней модуляции, т. е. переключатель « РОД РАБОТЫ »

необходимо поставить в положение

« ВНУТР. МОД . » 13 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ Методика измерения зависимости фазового сдвига между двумя сигналами от изменения длины СВЧ-тракта следующая : при изменении поршнем длины СВЧ тракта номер 2, показания микровольтметра изменяться. Вращая ручку фазовращателя, и изменяя тем самым фазу сигнала 1, необходимо стремиться к тому, чтобы стрелка микровольтметра вернулась в исходное положение , это и будет означать равенство фаз двух колебаний. Показания фазовращателя в градусах находятся по графикам калибровки (см. рис. 16 ), это и будет искомый сдвиг фаз.

27 14 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ Для того, чтобы провести измерения, необходимо проделать следующее: 1) установить ручку фазовращателя W3 на отметку 0; 2) установить короткозамкнутый поршень W5 на метку 0; 3) настроить генератор G1 на частоту 8500 МГц; 4) регулируя мощность генератора ручкой «мощность» добиться того, чтобы стрелка микровольтметра P1 отклонилась приблизительно до середины шкалы . Необходимо запомнить это показание микровольтметра; 5) изменить на 1 мм длину СВЧ тракта 2 (по которому распространяется сигнал номер 2 ) при помощи короткозамыкающего поршня W5. Стрелка индикаторного прибора при этом сместится вправо; 6) поворачивая ручку фазовращателя W3, добиться возвращения стрелки прибора в прежнее положение. Записать показания фазовращателя W3; 7)

измерить зависимость фазового сдвига между сигналами 1 и 2 в

делениях N фазовращателя W3 от изменения длины СВЧ тракта номер 2 в делениях n поршня W5; 8) провести аналогичные измерения на частотах 9000 МГц и 10000 МГц; 9) занести результаты измерений в таблицу; 10) перевести деления фазовращателя в градусы. По окончании измерений выключить приборы. Таблица Результаты измерений n (мм) N(дел.) ∆ϕ

0

28 Графики калибровки диэлектрического фазовращателя Д5– 1

ϕ0 1300 1200 1100

1000 10Ггц

900

9Ггц

8,5Ггц

800 700

600 500 400

300 200 100 Деления шкалы N фазовращателя

10

20

30

40

50

Рис.16

60

70

80

90

100

29 15 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ При оформлении результатов необходимо выполнить

следующее:

1) оформить в виде таблиц результаты измерений по п . 14; 2) построить графики зависимости разности фаз двух сигналов от изменения длины СВЧ тракта ∆ϕ (град.) = F (n) (дел.) на частотах f = 8,5 ГГц , 9 ГГц и 10 ГГц.

16 УКАЗАНИЯ К ОТЧЁТУ Отчёт должен содержать: 1) все пункты задания; 2) структурную схему лабораторной установки; 3) результаты работы в виде таблиц и графиков; 4) выводы по работе и оценку полученных результатов;

17 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1) Что называется фазой? 2) Какие методы измерения фазового сдвига вы знаете? 3) Что называют делителем мощности? 4) Что такое ферритовый циркулятор и для чего он нужен? 5) Как действует двойной волноводный тройник? 6) Что представляет собой короткозамкнутые подвижные нагрузки? 7) Как работает амплитудный детектор? 8) Из чего состоит фазовый детектор?

30 9) Объясните принцип действия диэлектрического фазовращателя. 10) Объясните принцип действия приборов, входящих в установку. 11) Объясните результаты измерений.

ЛИТЕРАТУРА 1. Валитов Р.А., Сретенский В.Н. Радиоизмерения на сверхвысоких частотах. – М.: Военное издательство, 1958. – 412 с. 2. Гассанов Л.Г., Липатов А.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. – М.: Радиосвязь, 1988. – 354 с. 3. Измерения в электронике. Справочник. Том 1. / Под ред. Б.А.Доброхотова. – М.: Энергия, 1965. – 288 с. 4. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. – М.: Высшая школа, 1970. – 439 с. 5. Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. – М.: Сов. Радио, 1972. – 144 с.

23

Волноводный диэлектрический фазовращатель

По ББ

По АА

1 керамическая пластинка; 2 — керамическая ножка; 3 — рычаг; 4 — ручка; 5 —ось; 6 и 7 — винты; 8 — указатель; 9—шкала; 10 — направляющий стержень: П — эксцентрик (кулачок).

Рис.14