Направляющие системы электросвязи: Методические указания к лабораторным работам

НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

Ульяновск 2007

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

Направляющие системы электросвязи Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Направляющие системы электросвязи» для студентов дневной и вечерней форм обучения специальности 21040665 «Сети связи и системы коммутации»

Составитель В. Г. Анисимов

Ульяновск 2007

УДК 621.395(076) ББК 32.88я7 Н27 Рецензент доцент кафедры «Телекоммуникации» Радиотехнического факультета Ульяновского государственного технического университета Елягин С.В. Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета Направляющие системы электросвязи : методические указания к Н27 лабораторным работам по дисциплине «Направляющие системы электросвязи» для студентов дневной и вечерней форм обучения специальности 21040665 «Сети связи и системы коммутации» / сост. В. Г. Анисимов. - Ульяновск : УлГТУ, 2007. - 29 с. Составлены в соответствии с программой курса «Направляющие системы электросвязи». В методических указаниях даются сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ. Разработка включает также перечень контрольных вопросов и заданий к лабораторным работам по указанной теме. Предназначена для студентов дневной и вечерней форм обучения специальности 21040665 «Сети связи и системы коммутации». Работа подготовлена на кафедре «Радиотехника» Ульяновского государственного технического университета.

УДК 621.395(076) ББК 32.88я7

© Анисимов В. Г., составление, 2007 © Оформление. УлГТУ, 2007

Лабораторная работа №1 Исследование кабелей связи Цель работы: исследовать и описать структуру кабеля связи, определить марку кабеля, определить характеристики кабеля связи. Перед началом выполнения работы следует обратиться к преподавателю. Преподаватель выдаст кабель связи, с которым будет проводиться лабораторная работа. Лабораторное задание: 1. Определить структуру поперечного сечения предложенного кабеля связи. 2. Определить область применения кабеля. 3. определить тип и маркировку кабеля 4. Определить электрические характеристики кабеля. 5. Определить механические и другие характеристики кабеля. Примечание. При выполнении лабораторного задания следует воспользоваться справочной литературой к данной лабораторной работе, приведенной в конце методических указаний. Содержание отчета: 1. Цель работы. 2. Рисунок поперечного сечения кабеля связи. 3. Расшифровка буквенного обозначения марки кабеля. 4. Описание области применения кабеля. 5. Таблицы с характеристиками кабеля связи. Контрольные вопросы. 1. Типы и конструкции кабелей связи. 2. Конструкции коаксиальных кабелей связи и системы их использования. 3. Конструкции симметричных кабелей связи и системы их использования. 4. Конструкции оптических кабелей связи и системы их использования.

3

Цель работы: изучить конструкцию ступенчатых и градиентных световодов, особенности распространения в них электромагнитных волн оптического диапазона и влияние на энергию передаваемого по световоду излучения рассогласования, угла ввода и радиуса изгиба. Описание лабораторного стенда. В состав лабораторного стенда (рис. 1) входят: генератор импульсов (ГИ), управляемый источник тока (УИТ), светодиод (источник оптического излучения), устройство ввода излучения (УВИ), фотоприемное устройство (ФПУ), индикатор и исследуемый световод.

Рис. 1. Функциональная схема стенда. ГИ вырабатывает импульсы напряжения с частотой следования 1 кГц и скважностью Q=10. Эти импульсы поступают на УИТ, где преобразуются в импульсы тока, протекающие через светодиод типа АЛ336К. Светодиод излучает оптические импульсы с длиной волны 680 мкм. В УВИ световой поток светодиода предварительно преобразуется в коллимированный поток, который фокусируется на торце исследуемого световода. Светодиод и УВИ конструктивно жестко связаны друг с другом и размещаются на предметном столике, снабженном микровинтами для линейного перемещения по двум горизонтальным осям и, кроме того, способным вращаться вокруг вертикальной оси. Это позволяет осуществлять настройку устройства ввода на максимум введенной в световод энергии, а также исследовать влияние на ввод излучения линейного и углового рассогласования и измерять апертуру световода. Для этого столик снабжен отсчетными устройствами для измерения как линейных, так и угловых перемещений. Для изучения влияния изгиба световода на его затухание в состав стенда введено специальное устройство, позволяющее осуществить многократные

4

изгибы световода. При этом радиус изгиба световода может изменяться в широких пределах. Из выходного торца световода излучение поступает на ФПУ, собранное на фотодиоде типа ФД256 по трансимпедансной схеме. ФПУ преобразует оптические импульсы в однополярные электрические импульсы, которые поступают на индикатор - микроамперметр. Показания индикатора позволяют произвести оценку значения оптической мощности, передаваемой по световоду. Лабораторное задание: 1. Подключить стенд к сети питания 220 В 50 Гц и подготовить его к работе, для чего установить тумблер в положение «ВКЛ» и убедиться в наличии излучения светодиода. Установить изгибающее устройство в исходное положение так, чтобы световод вытянулся по прямой линии. Используя микрометрические винты и вращая предметный столик вокруг оси, добиться максимального показания индикатора. 2. Исследовать влияние рассогласования на уровень вводимой в световод мощности. Для этого поочередно снять зависимость выходного сигнала ФПУ от перемещения столика по осям X и Y. Результаты свести в таблицу. 3. Измерить апертуру исследуемого световода. Медленно вращая предметный столик вокруг оси в обе стороны от исходного положения, снять зависимость показаний индикатора от угла поворота через каждые 5°. Результаты свести в таблицу. По полученной зависимости определить искомую апертуру. 4. Исследовать влияние изгиба световода на затухание мощности передаваемого оптического излучения. Снять зависимость показаний индикатора от перемещения подвижной части изгибающего устройства. Результаты измерений свести в таблицу. Содержание отчета: Отчет должен содержать: цель работы, схему лабораторной установки, экспериментальные результаты в форме таблиц и построенных по ним графиков, выводы, содержащие анализ результатов экспериментов. Контрольные вопросы: 1. Какова конструкция световодов со ступенчатым и градиентным распределением показателя преломления? 2. Как распространяется световая волна в ступенчатых и градиентных световодах? 3. Что такое межмодовая дисперсия? Какова величина межмодовой дисперсии в световодах различного типа? 4. Что такое предельный угол и апертура световода? Как они связаны с параметрами световодов? 5. Как определить минимально допустимый радиус изгиба световода? Чем определяется его значение?

5

Лабораторная работа №3 Определение расстояния до места повреждения кабеля импульсным методом Цель работы: исследовать импульсный метод определения расстояния до места повреждения кабеля; определить расстояние до места повреждения кабеля импульсным методом В лабораторной работе использован прибор Р5-9. 1. Принцип импульсных измерений Принцип импульсных измерений заключается в том, что в измеряемую линию подаются короткие импульсы (зондирующие импульсы) напряжения, которые, распространяясь по линии, частично или полностью отражаются от неоднородностей волнового сопротивления (транспозиция, короткое замыкание, обрыв, кабельная вставка и т. д.) и возвращаются к месту, откуда они были посланы. Сигналы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления, будут смещены во времени относительно зондирующего импульса в зависимости от расстояния до неоднородности, т. е. время запаздывания отраженного импульса по отношению к зондирующему импульсу пропорционально расстоянию до неоднородности волнового сопротивления и равно:

где lx — расстояние до неоднородности; Т— время запаздывания отраженного сигнала; V— скорость распространения электромагнитной волны в линии. Величина неоднородности волнового сопротивления характеризуется коэффициентом отражения (отношением амплитуд отраженного и зондирующего импульсов):

где Р — коэффициент отражения; рх — волновое сопротивление в месте повреждения; р — номинальное волновое сопротивление линии. Значение коэффициента отражения, равное нулю, соответствует точному согласованию линии по волновому сопротивлению, т. е. отсутствию отражения. Коэффициент отражения достигнет предельного значения, равного ±1, при полном отражении волны от данной точки линии. Таким образом, по знаку коэффициента отражения, т. е. по полярности отраженного сигнала относительно зондирующего импульса, можно судить о характере неоднородности: отраженный импульс сохраняет свой знак при увеличенном сопротивлении в месте отражения относительно волнового (в пределе при обрыве) и изменяет свой знак при уменьшенном значении сопротивления в

6

месте отражения (в пределе при коротком, замыкании). Импульсные измерения дают возможность определить не только место повреждения, но и характер изменения волнового сопротивления. Точность импульсных измерений определяется следующими параметрами: 1. Частотной характеристикой затухания измеряемой линии, определяющей степень искажения фронта отраженного импульса и уменьшение его амплитуды. 2. Скорость распространения импульсного сигнала является одной из главных величин, определяющих точность импульсных измерений. Каждая линия, имеющая определенные первичные параметры (сечение, материал проводов, - диэлектрик, расстояния вежду проводами, между проводами и землей и др.), обладает собственной скоростью распространения импульсного сигнала:

где ε — диэлектрическая проницаемость материала линии. Многочисленными измерениями установлено, что с достаточной для практических целей точностью можно считать скорость распространения постоянной для целого ряда линий данного назначения. Скорость распространения импульсного сигнала можно охарактеризовать коэффициентом укорочения ЭМВ, γ:

Для того, чтобы сделать импульсные измерения максимально объективными, необходима зарисовка наблюдаемой импульсной характеристики линии (при определенном положении ручек регулировки длительности зондирующего импульса, скорости развертки, масштаба, усиления) и сопоставления ее с картой линии. Таким образом, осуществляется привязка отражений на экране к ориентирам на местности, позволяющая проводить отсчет не от места подключения прибора, а от ближайшей к месту повреждения постоянно существующей неоднородности или ориентира (кабельной вставки, контрольного столба, транспозиции и др.). При наличии зарисованных ИХ линии, отражающих все их неоднородности, место повреждения определяется по появлению нового всплеска. В ряде случаев, для более полного использования возможностей прибора, целесообразно снимать импульсную характеристику при различных режимах работы прибора. При этом данные ИХ должны быть зафиксированы отдельно в соответствующем масштабе. Если паспортные данные линии вызывают сомнение, рекомендуется методика привязки длины линии к отметкам прибора путем введения

7

искусственного повреждения линии во время градуировки. Это дает возможность определить расстояние до места повреждения по наблюдаемой ИХ линии непосредственно в единицах длины. 2. Принцип действия В основу прибора Р5-9 положен импульсный метод измерения с индикацией процессов, происходящих в линии, на экране ЭЛТ. Измерение времени запаздывания отраженного импульса относительно зондирующего производится с помощью калиброванной временной задержки, масштаб которой выставляется в соответствии с коэффициентом укорочения данной линии. Изменением временной задержки производится совмещение фронта отраженного сигнала с отсчетной риской на шкале ЭЛТ, с которой до начала измерения был совмещен зондирующий импульс. Так как расстояние и время пробега зондирующего импульса до повреждения находятся в линейной зависимости, шкала «РАССТОЯНИЕ» прокалибрована непосредственно в единицах длины. 3. Функциональная схема Принцип работы приборов и взаимодействия основных узлов поясняются функциональной схемой прибора, приведенной на рис. 2, и диаграммой временных соотношений (рис. 3).

Рис. 2. Функциональная схема прибора.

8

Функциональная схема включает в себя: — задающий генератор; — тактовый генератор; — схему задержки развертки; — схему развертки; — схему задержки генератора зондирующих импульсов; — генератор зондирующих импульсов; — усилитель приходящих сигналов; — калибратор; — индикатор; — блок питания (зарядное устройство).

9

Рис.3. Диаграмма временных соотношений Синусоидальные колебания задающего генератора преобразуются для калибровки прибора и синхронизации его работы. Импульсы синхронизации поступают на запуск тактового генератора. Импульсом тактового генератора одновременно запускаются схемы задержки развертки и задержки генератора зондирующих импульсов. Выходной импульс схемы задержки развертки подается на запуск схемы развертки, создающей линейно-изменяющееся во времени напряжение,

10

необходимое для создания временной развертки на экране электронно-лучевой трубки. Выходной импульс схемы задержки генератора зондирующих импульсов подается на запуск генератора зондирующих импульсов/формирующего видеоимпульсы, посылаемые в кабель. Отсчет времени пробега зондирующего импульса от места подключения прибора к кабелю до места неоднородности и обратно производится с помощью схемы задержки развертки. Время задержки развертки относительно тактового импульса регулируется плавно и определяется положением ручки «РАССТОЯНИЕ». Меняя потенциометром «РАССТОЯНИЕ» временное положение начала развертки до появления на экране сигнала, отраженного от неоднородности, и производя отсчет по положению ручки потенциометра (шкала «РАССТОЯНИЕ»), измеряется время пробега зондирующего импульса от места подключения прибора до неоднородности и обратно. Отсчет производится с учетом положения переключателя «ДИАПАЗОНЫ М», которым производится коммутация времязадающих элементов в схеме прибора, и в положении ручки «УКОРОЧЕНИЕ», зависящем от скорости распространения электромагнитной волны в данном кабеле. Изменение масштаба просматриваемого участка кабеля осуществляется регулировкой скорости развертки в схеме развертки ручкой «СКОР. РАЗВ.». В зависимости от длины и типа измеряемого кабеля с помощью переключателя «ЗОНД. ИМИ. ns» можно производить выбор длительности зондирующего импульса. Отраженный сигнал, поступающий из линии, в зависимости от положения переключателя усиления «V» подается либо непосредственно на пластины ЭЛТ, либо через усилитель приходящих сигналов. Калибровка прибора осуществляется с помощью калибрационных меток включаемых переключателем меток (положение «МЕТКИ»). Перед включением в сеть необходимо убедиться в том, что к прибору подключен шнур питания, соответствующий напряжению питающей сети. Прибор может питаться от любых выносных источников тока, обеспечивающих напряжение 27 В ± 10% и ток не менее 550 мА. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Расположение и назначение органов управления Органы управления, подсоединения и контроля прибора размещены на передней панели прибора (рис. 4). Назначение органов управления приведено в табл. 1.

11

Рис. 4. Передняя панель прибора Таблица 1 Назначение органов управления прибора Назначение органов управления 2

Обозначение органов управления 1 1. Ручка «ПИТАНИЕ»

Выбор вида работы: «ЗАРЯД», «ОТКЛ.», «ВНЕШ.», «КОНТР.», «ВНУТР.» Управление калиброванной задержкой развертки, предназначенное для определения расстояния до неоднородности Установка коэффициента укорочения ЭМВ испытуемого кабеля Плавное изменение скорости развертки для изменения масштаба просматриваемой линии Переключение диапазона измерения расстояния: I диапазон - «100» II диапазон - «1000» III диапазон - «10000» Регулировка длительности зондирующего импульса Включение меток и УПС

2. Ручка «РАССТОЯНИЕ»

3. Ручка «УКОРОЧЕНИЕ» 4. Ручка «СКОР. РАЗВ»

5. Ручка «ДИАПАЗОНЫ М»

6. Ручка «ЗОНД. ИМП. ns»

7. Ручка 8. Ручка «ПЛАВНО»

Плавная регулировка усиления УПС Регулировка яркости луча

9. Ручка

12

1

2 Регулировка фокусировки луча

10 Ручка 11. Ручка «УСТ. ОТЧЕТА»

Перемещение импульсной характеристики по горизонтали Перемещение луча по вертикали

12. Ручка 13. Разъем «220 V, 50,400 HZ»

Подключение шнура сетевого при питании от сети переменного тока Подключение шнура питания при питании от сети постоянного тока

14. Разъем «-27 V»

Подключение соединительного кабеля

15. Разъем

Заземление корпуса прибора

16. Клемма 17. Держатель вставки плавкой «1 А»

Защита по питанию в цепи постоянного тока

18. Вставки плавкие «0,5 А»

Защита по питанию в цепи переменного тока

19. Выведенные шлицом потенциометры

Калибровка шкалы «РАССТОЯНИЕ»

20. Индикаторная лампа Л2

Контроль включения прибора

2. Подготовка прибора к включению 2.1. Произведите внешний осмотр прибора и убедитесь в отсутствии механических повреждений и неисправностей. 2.2. Установите прибор в удобное для работы положение — вертикальное или горизонтально-наклонное. 2.3. Установите органы управления в исходное положение — «РАССТОЯНИЕ» — «О»; — «СКОР. РАЗВ.» — в крайнее левое; — «ПЛАВНО» — в среднее; — «ПИТАНИЕ» — «ОТКЛ.». 2.4. Подключите к разъему питания прибора соответствующий шнур питания. Заземлите прибор. Подключите шнур питания к питающей сети. 3. Включение прибора и проверка на функционирование 3.1. Установите ручку «ПИТАНИЕ» в положение «ВНЕШ.» при подключении прибора к внешней сети или в положение «ВНУТР.» при питании от внутреннего источника. При этом должна загореться индикаторная лампа, и через 0,5 — 2 мин на ЭЛТ появляется линия развертки. 3.2. ВНИМАНИЕ! В качестве автономного источника в приборе используется батарея из кадмиево-никелевых аккумуляторов НКГ, разряд которых ниже предельной нормы недопустим.

13

При питании прибора от внутреннего источника в процессе эксплуатации необходимо контролировать напряжение на аккумуляторной батарее. Контроль напряжения производится по экрану ЭЛТ в положении «КОНТР.» ручки «ПИТАНИЕ». При этом луч на экране ЭЛТ должен сместиться вверх относительно нулевого уровня (при полностью заряженной батарее на 10—15 мм). Если луч на экране ЭЛТ будет находиться ниже нулевого уровня, то работа прибора от внутреннего источника не допускается. В этом случае необходимо произвести заряд аккумуляторной батареи. Заряд аккумуляторной батареи производится в следующем порядке: - подключите к разъему питания шнур сетевой; - включите шнур сетевой в сеть переменного тока напряжением 220 В, частотой 50, 400 Гц; - установите ручку «ПИТАНИЕ» прибора в положение «ЗАРЯД». Длительность полного заряда 15 часов, заряд прекращается автоматически по мере полного заряда батареи. Произведите контроль напряжения на аккумуляторной батарее после заряда. Время непрерывной работы прибора от внутреннего источника после полного заряда батареи не менее 1 час. 3.3. Проверьте прибор на функционирование. Для этого ручками отрегулируйте яркость, фокусировку и положение луча на экране ЭЛТ. Положение линии развертки должно быть на середине экрана ЭЛТ. Включите переключателем метки. При этом на линии развертки должны появиться масштабные метки времени. ПОРЯДОК РАБОТЫ 1. Подготовка к проведению измерений 1.1. ВНИМАНИЕ! Во избежание выхода из строя прибора все измерения необходимо производить на отключенной с обеих сторон и разряженной линии. При работе с прибором на кабелях, пролегающих вблизи других кабелей, которые находятся под напряжением, и если не исключена возможность попадания в линию напряжения, прибор следует подключить к линий через разделительный бумажный конденсатор емкостью 5—10 мкФ и пробивным напряжением, превосходящим возможное напряжение в линии. 1.2. Подключите к прибору соединительный кабель. Для подключения исследуемого кабеля в комплект прибора входят, кроме того, наконечники для подсоединения к различным типам разъемов. 1.3. Установите переключатель «ДИАПАЗОНЫ М» в положение, соответствующее длине испытуемого кабеля. Результат измерения расстояния до неоднородности (временной задержки) будет более точным, если отсчет производить в конце диапазона измерения.

14

1.4. Установите ручку «УКОРОЧЕНИЕ» в положение, соответствующее значению коэффициента укорочения ЭМВ в испытуемом кабеле. Значения коэффициентов укорочения волны для ряда типов кабелей приведены в табл. 2. 1.5. При измерениях кабелей больших длин или большим затуханием ручку «ЗОНД. ИМП. ns» установите в одно из положений «100», «500» или — в положение «20». «2000», а переключатель Таблица 2 Значения коэффициентов укорочения волны для ряда типов кабелей Тип линии

Воздушные линии электропередачи: 35—110—220—400 кВ Воздушные линии связи, бронзометалл Воздушные линии связи, сталь Кабели силовые энергетические Коаксиальные высокочастотные кабели: кабели с полиэтиленовой изоляцией (РК-50-2-11,РК-75-4-16); кабели с полувоздушной изоляцией (РК-150-7-1);. кабели с фторопластовой изоляцией Кордельные кабели, стирофлексные кабели: П296 ТТВК 5X2 ПТРК 5X2 ПТРК 10X2 ПТРК 20X2 КРПК 3X2,6 П272 П270

Скорость расп­ ространения импульсного сигнала, м/мкс 295

Коэффициент укорочения ЭМВ у

286 230 150—158

1,05 1,3 1,9 — 2,0

200

1,51

250 213

1,2 1,41

187 143 190 200 200 133 27-52 59—100

1,6 2,1 1,58

1,02

1,5 1,5 2,26 5,78 — 11,1 3 — 5,1

1.6. Ручкой «УСТАН. ОТСЧЕТА» совместите фронт зондирующего импульса с отсчетной риской на шкале ЭЛТ. 1.7. Подключите к соединительному кабелю измеряемый кабель. Штекер, соответствующий выводу средней жилы соединительного кабеля, подсоединяется к незаземленной жиле измеряемого кабеля. Штекер с маркировкой соответствующий выводу оболочки соединительного кабеля, подсоединяется к заземленной оболочке кабеля. 2. Указания по калибровке 2.1. Калибровка электрического масштаба прибора производится с целью обеспечения заданной погрешности измерения расстояния до неоднородности (временной задержки). 2.2. Калибровка электрического масштаба прибора производится с

15

помощью встроенного калибратора. 2.3. Установите ручку «РАССТОЯНИЕ» в положение «О», «УКОРОЧЕНИЕ» — «1,5», переключатель — в положение «МЕТКИ». Установите ручкой «ПЛАВНО» необходимую амплитуду калибрационных меток. Совместите ручкой «СКОР. РАЗВ.» одну из меток с риской на шкале ЭЛТ. Совместите вращением ручки «РАССТОЯНИЕ» вправо поочередно метки с этой же риской. При этом отсчет по шкале «РАССТОЯНИЕ» должен составить по диапазонам: «100» — 0,1000, «1000» — 0,100, 2 0 0 , 9 0 0 , 1000, «1000» — 0 , 10, 2 0 , 1 0 0 , 110, 1 2 0 , 9 9 0 , 1000. 2.4. Если показания шкалы «РАССТОЯНИЕ» отличаются от указанных более чем на ±10 делений шкалы ± 1 % , произведите калибровку с помощью выведенных шлицом потенциометров R153, R154, R155 «Т» соответственно на I, II, III диапазонах. 3. Проведение измерений Обнаружение сосредоточенной неоднородности волнового сопротивления в кабелях и определение расстояния до нее производится в следующем порядке: — подключите к разъему « —> » прибора соединительный в.ч. кабель; — выберите необходимый диапазон измерения, исходя из ожидаемой длины кабеля; — установите ручку «УКОРОЧЕНИЕ» в положение, соответствующее значению коэффициента укорочения волны для данного типа кабеля (коэффициент укорочения — паспортная величина» определяемая по справочнику или по табл. 4); — установите тумблер «ЗОНД, ИМП. ns» в положение «10» или «30» при испытании кабелей малых длин и в положении «100» при испытании кабелей с большим затуханием или при плохом согласовании, если измерения проводятся на диапазонах 100 м и 1000 м. При измерении на диапазонах 1000 и 10000 м длительность зондирующего импульса устанавливается равной «100», «500» или «2000» в зависимости от длины кабеля и затухания; — совместите ручкой «УСТ. ОТСЧЕТА» фронт зондирующего импульса с отсчетной риской на шкале ЭЛТ; — подключите к соединительному кабелю испытуемый кабель; — произведите осмотр импульсной характеристики (ИХ) линии на экране ЭЛТ путем вращения ручки «РАССТОЯНИЕ» вправо. Для получения более четкой импульсной характеристики ручку установите в положение «20» и ручкой «ПЛАВНО» произведите увеличение или уменьшение величины изображения; — отыщите всплеск на ИХ линии, соответствующий отражению от

16

неоднородности — места предполагаемого повреждения линии. Установите характер повреждения. Примечания: 1. Для отыскания сигнала, отраженного от места повреждения линии при сложной ИХ линии, насыщенной отражениями от транспозиций, вставок, переотражениями, произведите зарисовку ИХ и сравните ее с ранее зарисованной ИХ этой линии при отсутствии повреждений и при тех же положениях ручек управления прибором. 2. При отсутствии ранее снятой ИХ необходимо по карте прокладки изме­ ряемой линии установить соответствие (по времени пробега) всплесков ИХ местам транспозиций, вставок и т. д. Всплеск на ИХ, который не соответствует ни одной из неоднородностей, обозначенной на карте прокладки линии, будет сигналом, отраженным от места повреждения. — вращением ручки «РАССТОЯНИЕ» совместите фронт отраженного сигнала с отсчетной риской; — произведите отсчет расстояния до неоднородности по шкале «РАССТОЯНИЕ» с учетом положения ручки «ДИАПАЗОНЫ М». Отсчетное устройство «РАССТОЯНИЕ» имеет две шкалы: грубую — 10 делений и точную — 100 делений. Отсчет производится следующим образом: 1 3 Lx =/ д (^.10" +л-10" ), где Lx — измеряемое расстояние, м; 1д — показание ручки «ДИАПАЗОНЫ М», м; N— показание грубой шкалы; п — показание точной шкалы. Пример отсчета: — показание грубой шкалы — 2; — показание точной шкалы — 36; — диапазон измерения — «100». 1 3 Lx = 100 (2-Ю- + 36-Ю- ) - 23,6 м. Для повышения точности измерения из результата отсчета вычтите длину соединительного кабеля в. ч.; если линия протяженная и прибор показал повреждение в конце ее, то для большей точности желательно произвести измерение с другого конца; после устранения повреждения следует повторно просмотреть линию и зарисовать ИХ или внести поправку в старую, если на месте устраненного повреждения появилось заметное отражение; следует помнить, что каждому выбросу на ИХ соответствует определенная причина, вызвавшая неоднородность волнового сопротивления линии. Поэтому желательно всегда сопоставить ИХ с картой линии, в которую должны быть записаны следующие данные: а) диапазон измерения (положение ручки «ДИАПАЗОНЫ М»); б) длительность ЗИ (положение ручки «ЗОНД. ИМП. ns»); в) скорость развертки (количество меток на экране ЭЛТ, за висящее от положения ручки «СКОР. РАЗВ.»); и «ПЛАВНО»; г) положение ручек 17

д) коэффициент укорочения (положение ручки «УКОРОЧЕНИЕ»). На зарисованной ИХ нужно указать причины, вызвавшие каждый выброс, и расстояние до него. Это позволит при дальнейших измерениях иметь на ИХ добавочные ориентиры, привязанные к трассе линии. Периодический просмотр линии прибором в случае ее выключения следует использовать для тренировки обслуживающего персонала. Этим самым сводятся к минимуму ошибочные измерения и повышается скорость измерения; зарисовка импульсной характеристики производится на прозрачную ленту из кальки шириной 40 мм (самостоятельного изготовления) с помощью камеры — приставки для зарисовки. Для зарисовки выбирается такое усиление, при котором достаточно четко видно отражение от конца. Выбор диапазона измерения, скорости, развертки определяется длиной просматриваемой линии. Импульсные характеристики длинных линий целесообразно зарисовывать на лентах длиной до 30 см, что позволяет достаточно четко зарисовывать отражения от отдельных неоднородностей. Перед началом выполнения лабораторной преподавателя кабели для исследования.

работы

получить

у

Лабораторное задание: 1. Включить прибор. 2. Откалибровать прибор. 3. Подключить к входу прибора исследуемый кабель. 4. Определить при помощи прибора расстояние до места обрыва кабеля. 5. Определить расстояние до места обрыва кабеля при помощи метра. 6. Определить погрешность измерения расстояние до места обрыва кабеля. 7. Выполнить п.п. 3-6 для остальных кабелей. 8. Свести результаты измерений и вычислений в таблицу. Содержание отчета: Отчет должен содержать: цель работы, схему лабораторной установки, экспериментальные результаты в форме таблиц, выводы, содержащие анализ результатов экспериментов. Контрольные вопросы: 1. Какие основные способы электрических измерений применяются при определении мест повреждения кабеля. 2. Поясните принцип определения места повреждения кабеля импульсным методом.

18

Лабораторная работа №4 Согласование линии передачи с нагрузкой Цель работы: - изучение теоретического обоснования согласования устройств; - изучение согласующих элементов; - изучение практических приемов согласования устройств; Сведения из теории Под согласованием понимают комплекс мер, применяемых для уменьшения амплитуды отраженных волн. Отраженные волны приводят к ряду следующих недостатков: - снижают к.п.д. устройств, так как уносят часть подводимой мощности; - уменьшают предельную мощность, передаваемую по линиям передачи; - в измерительной аппаратуре приводят к увеличению погрешностей измерений (особенно в фазовых измерениях); - отраженные волны, попадая обратно в генераторы или в передатчики приводят к ухудшению стабильностей частоты и мощности вырабатываемых колебаний.

Рис. 5. Линия передачи Для количественного описания относительной величины отраженных волн вводится ряд параметров (см. рис.5): - комплексный коэффициент отражения по напряженности поля Г

комплексные амплитуды отраженной и падающей волн, для

где

рассматриваемого сечения линии передачи, соответственно; - коэффициент отражения по мощности Гр 2

где характеристическое

мощности отраженной и падающей волны, W сопротивление линии передачи в рассматриваемом

19

сечении; - коэффициент стоячей волны по напряженности поля (КСВ), равный отношению максимального значения амплитуды поля в линии передач к минимальному значению:

Принято различать три режима в линии передачи в зависимости от амплитуды отраженной волны: - режим полного согласования (или режим бегущих волн), при котором Ертр=0, а следовательно - режим полного рассогласования (или режим стоячих волн), при котором |Еотр|= |Епад|, а, следовательно, и КСВ стремится к бесконечно большому значению; - рассогласованный режим (или смешанный режим), при котором В реальных линиях передачи обычно существует третий режим. Для измерения режима в линиях передачи применяются измерительные линии (ИЛ). Схема волноводной ИЛ показана на рис.6.

Рис. 6. Схема волноводной измерительной линии Линия содержит отрезок волновода со щелью в середине широкой стенки. Щель не искажает картины токов в волноводе, а значит не влияет на структуру поля в волноводе. Через щель в волновод введен приемный емкостный зонд, отбирающий из волновода часть мощности. Эта мощность попадает на СВЧ детектор, где колебание детектируется и выпрямленная составляющая подается через СВЧ дроссель на НЧ индикатор. Выходной сигнал на ИЛ будет пропорционален квадрату амплитуды напряженности электрического поля в месте расположения зонда. В конструкции ИЛ имеются устройства для изменения погружения зонда (для изменения связи с

20

волноводом) и устройство для согласования зонда с детектором. Зонд вместе с указанными устройствами крепится на подвижной каретке и может перемещаться вдоль волновода. Перемещая зонд, можно выполнять измерения структуры поля в волноводе и измерения КСВ [2]. Рассмотрим простейшую линию передачи, введем продольную координату как показано на рис.5. Будем считать, что генератор полностью согласован с линией передачи, тогда в ней могут существовать падающая и отраженная от нагрузки волны, фазы которых зависят от продольной координаты. Поле в любом сечении линии можно представить в виде Первый сомножитель описывает падающую волну, а выражение, стоящее в квадратных скобках описывает режим в линии передачи. Это выражение можно изобразить графически на комплексной плоскости, как показано на рис.7.

Рис. 7. Построение диаграммы режимов. Полученная точка Q(Z, Г) отражает режим в линии передачи. Геометрическое место точек, отображающих все возможные режимы в линии < 1. Если передачи, является кругом единичного радиуса, так как перемещать точку наблюдения к нагрузке, то точка Q будет перемещаться по окружности с радиусом

Г

против часовой стрелки,

если двигаться к

генератору, то точка Q будет перемещаться по часовой стрелке. Угол, на который перемещается точка Q, связан с величиной перемещения точки наблюдения в линии передачи соотношением, следующим из (1)

Если переместить точку наблюдения на расстояние

то точка Q

пройдет по окружности и вернется в исходное положение. Таким образом, если на круг единичного радиуса нанести окружности равных значений |f | или КСВ, а по краю круга разметить величину угла Ац/ или отложить величину Аг/Яв, то получится диаграмма, на которой можно отобразить все возможные режимы в

21

линии передачи. Коэффициент отражения от нагрузки определяется величиной ее полного входного сопротивления (импеданса; также используется понятия полной входной проводимости - адмитанс или иммитанс, означающее или импеданс, или адмитанс по смыслу задачи) и может быть рассчитан по формуле

где ZH - импеданс нагрузки; W - характеристическое сопротивление линии передачи; ZHH - нормированный импеданс нагрузки, являющийся безразмерной относительной величиной. Поскольку импеданс нагрузки является комплексной величиной, то можно записать (4) Отсюда видно, что каждому значению коэффициент отражения нагрузки соответствует определенные значения активной и реактивной составляющей нормированного импеданса нагрузки. Если в (4) фиксировать значения R, а X придавать всевозможные значения, то на плоскости Г (на диаграмме режимов) можно получить линии равных значений R. Если фиксировать X ,а изменять R (то на диаграмму режимов можно нанести линии равных X [I]. Результаты этого показаны на рис.7.

Рис. 8. Линии равных значений активной и реактивной составляющей нормированного импеданса нагрузки на диаграмме режимов. Выражение (3) можно также записать в нормированном виде относительно адмитанса нагрузки. Повторяя последующие рассуждения можно показать, что линии равных значений активной Y и реактивной В составляющих нормированного адмитанса будут совпадать с R и X соответственно. Если нанести на диаграмму точку, соответствующую заданному импедансу ZHH, то точка, соответствующая адмитансу 1/Zнн будет симметричной относительно центра диаграммы построенной ранее точке. Полученная диаграмма полных режимов и полных иммитансов называется диаграммой Смита-Вольперта. Она применяется при расчете и при пояснении методики согласования.

22

Принято различать узкополосное согласование, выполняемое на одной частоте или в диапазоне порядка 5% от центральной частоты, и широкополосное согласование, которое выполняется в заданном диапазоне частот. В данной работе рассматривается, в основном, узкополосное согласование. Из ( 3 ) следует, что согласование нагрузки можно получить, если ее импеданс будет совпадать с характеристическим сопротивлением линии передачи. Для достижения этого параллельно или последовательно с нагрузкой можно включить согласующее устройство, так чтобы общий импеданс нагрузки и согласующего устройства был равен W. При этом, если согласующий элемент будет иметь активную составляющую иммитанса, то на нем будет теряться часть подаваемой мощности, что приводит к снижению к.п.д. СВЧ устройства. Чтобы исключить это, согласующий элемент должен иметь чисто реактивный иммитанс. Такими согласующими устройствами являются элементы передач, выполненные из хорошо проводящих материалов или из высококачественных диэлектриков, к ним относятся, например, металлические диафрагмы и штыри, применяемые для согласования устройств на волноводах (рис.9). Но реактивные согласующие элементы могут согласовывать только реактивную составляющую иммитанса нагрузки и поэтому должны устанавливаться в таких сечениях в волноводе, где нормированная активная составляющая иммитанса нагрузки равна 1.

Рис 9. Согласующие элементы в волноводах: ^симметричная емкостная диафрагма, б) симметричная индуктивная диафрагма, в) индуктивный штырь.

Рассмотрим методику согласования реактивными элементами на примере емкостного штыря с применением ИЛ и диаграммы Смита-Вольперта. Согласование будет выполняться в следующем порядке: - измерение адмитанса нагрузки; - определение места включения и величины проводимости согласующего элемента; - изготовление и установка согласующего элемента. Рассмотрим подробнее эти операции. Для измерения адмитанса нагрузки нужно определить режим в линии передачи. Для этого перед нагрузкой включается ИЛ, и производится измерение КСВ нагрузки и положение любого минимума напряженности поля в волноводе [1]. Затем нагрузка временно

23

заменяется короткозамыкателем и определяется новое положение минимума напряженности поля в волноводе [2]. Такая процедура необходима для измерения фазы коэффициента отражения по методу Татаринова. Действительно, из (1) и рис.7 следует, что минимумы амплитуды поля в волноводе (узлы поля) будут находиться в точках с координатами ZMUH:

Здесь учтено, что фаза коэффициента отражения от короткозамыкателя равна 7 С . Вычитая второе соотношение из первого получаем

Определяя разность Δl = l2 - lХ и пользуясь (5) можно вычислить фазу коэффициента отражения. Вычисление обычно проделывают на диаграмме Смита-Вольперта. По измеренному значению КСВ определяется окружность, соответствующая этому значению, и смещаясь по окружности на угол величины

в направлении к нагрузке (если Δl>0), находится точка на

диаграмме, характеризующая режим в волноводе на входе нагрузки (точка А на рис.10). Непосредственно с диаграммы при этом можно отсчитать составляющие нормированного импеданса нагрузки. Так как согласующий штырь будет включаться относительно нагрузки по параллельной схеме, то удобнее пересчитать импеданс нагрузки в адмитанс, для этого нужно построить симметричную относительно центра диаграммы точку С. Определение место включения штыря производят из следующих соображений. В общем случае активная составляющая нормированного адмитанса нагрузки не равна 1, поэтому невозможно получить полное согласование реактивным согласующим элементом, включаемым непосредственно на входе нагрузки. Но если смещать точку наблюдения по волноводу от нагрузки в сторону генератора, то входной адмитанс нагрузки будет изменяться за счет отрезка волновода, как бы включаемого между нагрузкой и местом расположения точки наблюдения . При этом точка С будет перемещаться по диаграмме в направлении движения часовой стрелки по окружности, соответствующей КСВ нагрузки. Очевидно, точка С попадает на линию активного адмитанса, равного 1 (точка D на рис.10).

24

Рис.10. Пояснение согласования емкостным штырем В точке D входной нормированный адмитанс нагрузки с отрезком волновода равен 1 - jB. Если включить реактивный согласующий элемент в этом месте и скомпенсировать реактивную составляющую В, то получится режим полного согласования. Поэтому из рис.6 и (1) следует, что согласующий емкостной штырь нужно сместить от нагрузки на расстояние, равное

где у/ - угол, на который нужно переместить точку С до точки D на диаграмме. Согласующий штырь должен иметь нормированную реактивную проводимость В. Согласование нагрузки можно получить также применяя устройства, включаемые перед нагрузкой и поглощающие отраженную волну. К ним относятся ферритовые вентили, циркуляторы или в простейших случаях, поглощающие аттенюаторы. Рассмотрим согласование нагрузки поглощающим аттенюатором. Волна Епад, создаваемая генератором, проходя через аттенюатор ослабляется в N раз и будет иметь амплитуду Епад / N . После отражения от нагрузки появится отраженная волна с амплитудой которая проходя через аттенюатор в обратном направлении, ослабляется также в N раз и получает амплитуду

где М - затухание аттенюатора в децибелах. Отсюда следует, что применяя поглощающие аттенюаторы, можно уменьшать амплитуду отраженных волн и получать согласование. Недостатком такого согласования является низкий коэффициент полезного действия по мощности. Но широкополосность такого согласования будет определяться широкополосностью поглощающих устройств и может быть очень большой. Широкополосное согласование может быть

25

получено также и при использовании реактивных согласующих устройств. Для этого используют плавные или ступенчатые волноводные переходы с целью согласования активной составляющей иммитанса нагрузки и СВЧ фильтры для согласования реактивной составляющей иммитанса [3]. Описание лабораторной установки. Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.11.

Рис 11. Функциональная схема лабораторной установки Работа выполняется в диапазоне волн 7 см. С выхода СВЧ генератора СВЧ колебания по радиочастотному коаксиальному кабелю через коаксиальноволновой переход П подается в волноводный тракт. Уровень поступающей мощности может регулироваться выходным аттенюатором генератора, а также волноводным поглощающим аттенюатором А1. Падающая волна с выхода аттенюатора проходит через измерительную линию ИЛ, согласующее устройство С и падает на нагрузку Н. Волна, отраженная от нагрузки распространяется в противоположном направлении. Для измерения входного сопротивления по методу Татаринова вместо нагрузки на конце волноводного тракта может включаться короткозамыкатель КЗ. В качестве согласующего устройства применяется поглощающий аттенюатор А2 (в первом методе согласования) или металлический емкостной подвижный штырь Ш (во втором методе согласования). При изучении согласующих элементов вместо отражающей нагрузки на конце волноводного тракта включается согласованная нагрузка СН, перед которой устанавливается изучаемый элемент. Прямоугольные волноводы, на которых выполнен лабораторный стенд, имеют сечение a xb = 48 х 24 (мм). Порядок выполнения работы. Ввести затухание аттенюатором А1. Включить СВЧ генератор и индикатор в соответствии с инструкциями по их эксплуатации. Дать им прогреться в течение 10-15 минут. Настроить генератор на максимальную выходную мощность. Измерить частоту колебаний, вырабатываемых СВЧ

26

генератором. Подготовить к работе индикатор. Подключить к индикатору НЧ выход измерительной линии ИЛ. Ввести полностью затухание аттенюатора А2 и вывести из волновода штырь Ш. 1. Измерение входного импеданса нагрузок Н. 1.1. Уменьшая затухание аттенюатора А1, получить удобные показания на индикаторе. 1.2. Перемещая каретку измерительной линии ИЛ между соседними минимумами поля в волноводе ИЛ, измерить длину волны в волноводе Лв. 1.3. Измерить КСВ нагрузки и положение минимума поля в волноводе 11. 1.4. Ввести затухание аттенюатором А1 и заменить нагрузку Н на короткозамыкатель КЗ. 1.5. Уменьшая затухание аттенюатора А1 получить удобные показания на индикаторе. 1.6. Измерить новое положение минимума напряженности поля в волноводе ИЛ 12, соответствующее короткозамыкателю КЗ. 1.7. Ввести затухание аттенюатором А1 и подключить вновь нагрузку Н в конце тракта. Уменьшить затухание А2. 1.8. Рассчитать входной нормированный импеданс нагрузки по результатам измерений, используя круговую диаграмму Смита-Вольперта. Вычислить коэффициент отражения от нагрузки Гн и коэффициент передачи 2 мощности в нагрузку Кр = 1 - fw'

2. Согласование нагрузки Н. Согласование реактивным штырем. 2.1. Пользуясь диаграммой Смита-Вольперта рассчитать место включения емкостного согласующего штыря и определить величину его проводимости (при этом учесть, что нулевая отметка шкалы каретки перемещения штыря удалена от фланца подключения нагрузки на расстояние 158 мм). Вычислить длину штыря по формуле 3

2

= -0,135Х -0,52Х -0,67X (эмпирическая формула), где Х- нормированный реактивный импеданс штыря. 2.2. Переместить штырь в рассчитанное положение, установить, пользуясь нониусом штыря, рассчитанную длину штыря и измерить КСВ нагрузки Н согласованной штырем. Определить соответствующие значения Гн и Кр. 2.3. Вывести штырь из волновода. Согласование поглощающим аттенюатором. 2.4. Вводя затухание аттенюатором А2, проводить измерения КСВН нагрузке Н. Снять зависимость КСВ от величины затухания А2 в пределах 0 до

27

0

М,дБ КСВ

•••

10

...

2.5.

Вывести полностью затухания аттенюатора А2.

3. Исследование согласующих элементов. 3.1. Заменить нагрузку Н согласованной нагрузкой СН. Между фланцем СН и вол ново дным трактом зажать индуктивную диафрагму Д1. 3.2. Измерить при помощи ИЛ положение минимума поля в волноводе ИЛ и КСВ. 3.3. Пользуясь результатом полученным в п. 1.6 и данными п. 3.2.рассчитать входной адмитанс согласованной нагрузки с диафрагмой. В расчетах использовать диаграмму Смита-Вольперта. Пользуясь эквивалентной схемой, вычислить проводимость диафрагмы. 3.4. Проделать п.п. 3.1 - 3.3 для емкостной диафрагмы и индуктивного штыря. Измерить и записать размеры всех согласующих элементов. После окончания работы привести в порядок рабочее место, выключить аппаратуру и предъявить результаты эксперимента преподавателю. Содержание отчета: 1. Цель работы. 2. Функциональная схема лабораторной установки. 3. Результаты измерений по п.п. 1.2, 1.3, 1.6, 1.8, 2.1, 2.2, 2.4, 3.2, 3.3. 4. Теоретические расчеты проводимостей согласующих элементов, исследованных в п. 3. 5.Выводы по проделанной работе. Контрольные вопросы. 1. С какой целью проводят согласование линии передачи с нагрузкой. 2. В чем заключается согласование линии передачи с нагрузкой. 3. Перечислить основные методы согласования линии передачи с нагрузкой. 4. Как рассчитать место включения и величину проводимости согласующего элемента пользуясь диаграммой Смита-Вольперта? 5. Пояснить принцип согласования поглощающими устройствами.

28

Рекомендуемая литература: К лабораторной работе №1 1. Гроднев И.И., Фролов П.А. Коаксиальные кабели связи. - М.: Связь, 1980.-320 с. 2. Белоруссов Н.И., Гроднев И.И. Радиочастотные кабели. М.:. Энергия, 1973.-340 с. 3. Справочник строителя кабельных сооружений связи. - М.: Связь, 1977. 4. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник. /Под редакцией Гроднева И. И. - М.: Радио и связь, 1993. К лабораторной работе №2 1. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник /Под редакцией Гроднева И. И. М.: Радио и связь, 1993. 2. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 174 с. 3. Верник СМ., Гитин В.Я., Иванов B.C. Оптические кабели связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 142 с. К лабораторной работе №3 1. Руководство по электрическим измерениям линий магистральной и внутризоновой сетей связи. - М.: Радио и связь, 1987. - 136 с. 2. Яловицкий М.П. Электрические измерения на линиях связи. - М.: Радио и связь, 1984. - 144 с. К лабораторной работе №4 1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. т.1,-М.;Высшая школа,1970. 2. Максимов В.М. Линии передач СВЧ-диапазона: Учебное пособие для вузов - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с. 3. Вольман В.И., Пименов О.В. Техническая электродинамика.М.;Связь,1971.

29

Учебное издание НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ Методические указания

Составитель АНИСИМОВ Владимир Геннадьевич

Подписано в печать 17.12.2007. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,86, Тираж 100 экз. Заказ 1697. Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32 Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32 ,