3390 ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ВОЛНОВОДЕ

Лабораторная работа № 1

ВОЛНОВОДНЫЕ ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

С ЧЕТВЕРЬВОЛНОВЫМИ СВЯЗЯМИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение методики расчета и настройки полосовых волноводных фильтров с четвертьволновыми связями.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Фильтром называется четырехполюсник, избирательно пропускающий колебания различных частот.

Основной характеристикой фильтра является рабочее затухание . Оно зависит от частоты, сопротивлений генератора и нагрузки. Если эти сопротивления равны волновому сопротивлению подводящих линий, то рабочее затухание определяется значениями  или  коэффициентов передачи и затухания четырехполюсника. Обычно рабочее затухание выражается в децибелах:

 

а                                                   б

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Частотные характеристики полосовых фильтров:

а – максимально плоская; б – чебышевская

 

Задача проектирования фильтра СВЧ состоит в том, чтобы определить конструкцию фильтра, обеспечивающую требуемую частотную характеристику  . При решении этой задачи наиболее широкое распространение получил метод прототипных схем.

Отличительная особенность этого метода в том, что вначале по заданной частотной характеристике определяются параметры схемы низкочастотного прототипа, т.е. -фильтра. Затем осуществляется реализация этой схемы на основе элементной базы СВЧ.

Исходными данными для расчета низкочастотного прототипа полосового фильтра являются шесть параметров: , , ,  (рис. 1). Расчет начинается с выбора типа частотной характеристики, чаще всего чебышевской или максимально плоской – характеристики Баттерворса.

Чебышевская характеристика затухания описывается следующим выражением:

,              (1)

где - полином Чебышева первого рода -го порядка; - множитель, определяющий затухание в полосе пропускания,; - безразмерная частота;  - масштабный множитель.

Максимально плоская характеристика

(2)

где  - добротность фильтра, определяемая по частотной характеристике на уровне 3 дБ. Чебышевская характеристика обладает экстремальными свойствами, состоящими в том, что при одинаковом  обеспечивает наименьшее затухание в полосе прозрачности и наибольшее в полосе заграждения. В случае одинаковых параметров частотных характеристик для чебышевского фильтра    оказывается наименьшим. Рассматриваемые частотные характеристики могут быть реализованы  -фильтром, имеющим лестничную схему, содержащую    звеньев (рис. 2). Все контуры фильтра настраиваются на одну частоту  , вид частотной характеристики определяется нагруженными добротностями контуров.

Таким образом, степень полинома, представляющую частотную характеристику вида (1)-(2), определяет количество элементов фильтра*.

1           2    3              4

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема прототипа полосового фильтра

 

Результатом расчета низкочастотного прототипа являются число звеньев  и их нагруженные добротности .

Количество звеньев может быть рассчитано по следующим формулам [3]:

для чебышевского фильтра ,                              (3)

для фильтра с максимально плоской характеристикой

,                                 (4)

где  при ;  при ; .

 

Наиболее простой закон распределения нагруженных добротностей для фильтра с максимально плоской характеристикой

 

_________________

* Далее рассматривается случай при.

(5)

Нагруженные добротности для фильтра с чебышевской характеристикой рассчитывается по следующим формулам:

где  ;  ;           ; ;;

;  .

Такие добротности имеют место, если нормированная проводимость нагрузки

 

При четном  нагрузка зависит от величины затухания, поэтому в конце фильтра требуется дополнительный трансформатор. Это вызывает некоторые трудности при конструировании фильтра СВЧ, поэтому; как правило,  выбирается нечетным.

Расчет добротностей  для чебышевской характеристики выглядит несколько громоздко, поэтому в справочной литературе [ I, с. 405-408] приведены подробные таблицы.

Основными элементами полосового фильтра являются параллельные и последовательные колебательные контуры. При реали-зации этих элементов на основе прямоугольного волновода в ка­честве параллельного контура, включенного в линию параллельно, используется проходной резонатор. Он представляет собой отрезок волновода, имеющий две реактивные, чаще всего индуктивные диафрагмы, характеризуемые проводимостъю В , расположенные на определенном расстоянии   друг от друга (рис. 3).

Нагруженная добротность такого контура определяется формулой [2]

,                         (6)

длина резонатора            .                               (7)

 

 

 

 

В                     Б

 

 

 

 

Рис. 3. Проходной резонатор

 

Из формулы (7) следует, что в случае индуктивной диафрагмы ()  длина резонатора .

Для реализации на СВЧ последовательного колебательного контура можно использовать тот же проходной резонатор, ко входу и выходу которого подключены четвертьволновые отрезки (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Параллельный контур с четвертьволновыми отрезками

 

Это обстоятельство позволяет построить полосовой фильтр из однотипных элементов. Размер дополнительных отрезков линий составляет только на центральной частоте. Длина волны в волноводе также зависит от частоты. Следовательно, для обеспечения требуемой частотной характеристики добротности контуров низкочастотного прототипа должны выбираться с учетом трансформирующего действия четвертьволновых отрезков. Добротности контуров должны быть уменьшены на величину для крайних звеньев фильтра и на величину для средних звеньев.

Эскиз конструкции трехзвенного полосового фильтра с индуктивными штыревыми диафрагмами имеет вид, показанный на рис. 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Конструкция полосового фильтра

 

Фильтр представляет собой отрезок регулярного волновода, в котором на определенных расстояниях друг от друга располо­жены индуктивные штыревые диафрагмы.

Для расчета геометрических размеров фильтра вначале (по известным добротностям контуров) рассчитываются проводимости диафрагм и диаметры штырей (при этом полезно воспользоваться таблицами и графиками справочника [1] ). Размеры резонаторов просто рассчитываются  по формуле (7), расстояние между резонаторами

.                                         (8)

Для того, чтобы обеспечить настройку резонатора штырем, длину резонатора выбирают на 1-2 % меньше расчетной.

Настройку фильтра целесообразно производить следующим образом. Сначала все резонаторы фильтра расстраиваются глубоким погружением настроечных элементов. В этом положении фильтр под-ключается к измерительной линии, на которой замечается положение одного ив минимумов. Затем производится настройка первого резонатора изменением глубины погружения настроечного элемента этого резонатора. Индикацией настройки является перемещение мини­мума точно на . Индикация настройки второго резонатора -возвращение минимума в первоначальное положение. Настройка остальных резонаторов, кроме последнего, осуществляется аналогично . Последнее звено фильтра настраивается по максимальному значению выходного сигнала.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Структурная схема экспериментальной установки изображена на рис. 6.

1               2                  3               4                 5                6               7

 

Рис. 6. Экспериментальная установка:

I – генератор; 2 – вентиль; 3 – аттенюатор; 4 – измерительная линия; 5 – фильтр; 6 - детекторная секция; 7 - измерительный усилитель

 

Источником ВЧ энергии является генератор, частота которого измеряется с помощью встроенного волномера. Генератор работает в режиме модулированных колебаний. Уровень сигнала на выходе фильтра определяется по показанию прибора измерительного усилителя.

 

ПРОГРАММА РАБОТЫ

 

А. Предварительный расчет (выполняется при домашней подготовке).

Пользуясь таблицами и графиками, приведенными в [1], рассчитать полосовой фильтр с четвертьволновыми связями (количество звеньев фильтра, размеры резонаторов и расстояния между ними, диаметры штырей индуктивных диафрагм). Исходные данные взять из табл. 1.

Таблица 1

вар.

Тип

характеристики

 

 

 

 

 

1

2

3

4

5

6

7

1

Чебышевская

9320

30

90

0,177

20

2

Максимально плоская

3

Чебышевская

9320

60

120

0,177

20

4

Максимально плоская

Окончание табл. 1

1

2

3

4

5

6

7

5

Чебышевская

9320

90

150

0,177

20

6

Максимально плоская

7

Чебышевская

9480

200

260

0,41

20

8

Максимально плоская

 

Номер варианта фильтра указывается преподавателем.

 

Б. Экспериментальная часть

  1. Установить в генераторе среднюю частоту полосы пропускания исследуемого фильтра и минимальное затухание аттенюатора.
  2. Полностью ввернуть настроечные винты всех резонаторов фильтра.
  3. С помощью измерительной линии определить .
  4. Отметить положение некоторого минимума. Изменяя положение настроечного винта первого резонатора, добиться смещения минимума в линии на величину .
  5. Изменяя положение настроечного винта второго резонатора, добиться смещения минимума в исходное положение. Аналогичные операции выполняются для всех остальных звеньев фильтра.
  6. Последний резонатор настраивается по максимуму показаний измерительного усилителя.
  7. В 15-20 точках в диапазоне от  -10 МГц до  +10 МГц измерить частотную характеристику фильтра.

Для этого установить начальное значение аттенюатора 30-40 дБ. Для каждого значения частоты, изменяя затухание аттенюатора, установить первоначальное показание прибора измерительного усилителя. Данные занести в таблицу (см. табл.2).

Таблица 2

Частота, МГц

 

 

Затухание аттенюатора, дБ

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

  1. Результаты расчета и конструкция фильтра с четвертьволновыми связями.
    1. Структурная схема лабораторной установки.
    2. Данные измерений.
    3. График частотной характеристики фильтра.
    4. Краткие письменные выводы, содержащие анализ результатов расчета и эксперимента.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

  1. Какова классификация фильтров по виду частотной характеристики?
  2. В чем состоят различия фильтров с максимально плоской и чебышевской характеристиками?
  3. Какими параметрами характеризуется полосовой фильтр?
  4. Общая характеристика метода расчета полосового фильтра, используемого в данной лабораторной работе.
  5. Конструкция фильтра с четвертьволновыми связями.
  6. Порядок настройки фильтра с четвертьволновыми связями.
  7. Как измеряется частотная характеристика фильтра?
  8. Что такое нагруженная добротность проходного резонатора?
  9. Как зависит нагруженная добротность резонатора от проводимостей диафрагм?

10. Как зависят потери в фильтре от диаметра штырей?

11. Какова роль отрезков волновода, соединяющих проходные резонаторы?

12. Что такое начальная добротность проходного резонатора?

13. Как определяется добротность фильтра?

14. Каковы достоинства и недостатки фильтров с чебышевской и максимально плоской характеристиками?

15. Сколько звеньев содержит фильтр с частотной характеристикой, изображенной на рис. 1,б?

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

  1. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: Сов. радио, 1967. С.405-408.
  2. Модель А.М. Фильтры СВЧ в радиорелейных системах. М.: Связь, 1967. С. 39-52.
  3. Сазонов Д.М., Гридин А.В., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981. С.162-165.
  4. Маторин А.В., Смирнов А.А., Купцов И.В. Анализ и параметрический синтез устройств СВЧ: Учеб. пособие. Рязань: РГРТА, 1997.

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

  1. Освоение методики измерений КСВ при малых отражениях.
  2. Ознакомление с устройством и принципом действия элементов волноводного тракта.
  3. Исследование статистических характеристик модуля коэффициента отражения на входе сложного волноводного тракта.

 



 
замена водопровода сайт . отделка балкона . ремонт квартир под ключ во владимире - все подробности тут . Очистка воды из скважины смотрите на сайте.. Фильтры для воды атолл читать далее.