Согласование линии передачи с нагрузкой в пакете программ Microwave Office

Цель работы: освоение методики одношлейфного согласования линии передачи с нагрузкой в пакете программ Microwave Office.

Теоретические сведения

В радиотехнических устройствах часто цепь, потребляющая высокочастотную (ВЧ) энергию (нагрузка) находится на удалении от источника этой энергии. В этом случае энергия передается с помощью линии передачи (ЛП). Выбор волновых сопротивлений ЛП ограничен несколькими стандартными номиналами (для коаксиального кабеля это 50, 75, 90, 150 Ом), в то время как сопротивление (проводимость) нагрузки может быть самым разным. Очевидно, что для обеспечения эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо иметь в ЛП режим бегущей волны, а для этого она должна быть нагруженной на сопротивление (проводимость), равное волновому. Задача трансформации сопротивления (проводимости) нагрузки для удовлетворения этого условия реализуется с помощью согласующего устройства. Подобная же проблема должна решаться в случае, если выходное сопротивление (проводимость) цепи не равно входному сопротивлению следующей за ней цепи. Согласующие устройства могут выполняться в виде цепей из сосредоточенных реактивностей (обычно на не очень высоких частотах) или из отрезков ЛП. Последний вариант обычно реализуется на СВЧ.

В работе исследуется простейший способ согласования с помощью двух отрезков ЛП. Идея его чрезвычайно проста.

Известно, что проводимость на входе отрезка ЛП без потерь длиною на частоте нагруженной на нагрузку с проводимостью , может быть определена как:

,

где – волновая проводимость ЛП; . Так как функция меняется от до , то вещественная и мнимая части проводимости могут принимать самые разные значения. Выберем такую длину отрезка ЛП, чтобы вещественная часть была бы равна при заданном значении . Тогда получим следующие уравнения для и :

.

Таким образом, на входе этого отрезка ЛП вещественная часть проводимости равна . Для того, чтобы обратить мнимую проводимость в ноль, достаточно в этой точке присоединить параллельно проводимость равную . Следовательно, теперь в ЛП до согласующего устройства будет существовать бегущая волна. Обычно для нахождения длины отрезка ЛП и входной реактивности пользуются не приведенными выше уравнениями, а диаграммой Вольперта–Смита (ДВС) (см. 5.5). На «бумажных» ДВС откладываются нормированные значения сопротивлений (нормированные значения проводимостей). На ДВС в компьютерных программах часто значения на кривых являются абсолютными. ДВС для сопротивлений и проводимостей практически полностью совпадают. Нужно только учитывать, что положительное реактивное сопротивление соответствует индуктивности, а положительная реактивная проводимость соответствует емкости и наоборот. Так как модуль коэффициента отражения от нагрузки не изменяется вдоль ЛП, перемещение вдоль нее происходит вдоль дуги с постоянным радиусом, равным расстоянию от центра диаграммы до точки определяемой сопротивлением (проводимостью) нагрузки. При перемещении от нагрузки к источнику падающей волны (генератору) поворот производится по часовой стрелке. Угол поворота радиуса равен . Здесь – длина перемещения вдоль ЛП, – длина волны в ЛП.

Порядок выполнения работы

1. Выберем в качестве нагрузки RLC-цепь, резонансная частота которой лежит в области 1 ГГц. По указанию преподавателя бригада студентов получает одну из реализаций такой схемы, которую нужно согласовать на частоте (по указанию преподавателя).

Далее открывается программа Microwave Office и в меню File выбираем New Project. Выбираем в меню Project/ Add Schematics/ New Schematics. В появившемся окне вводим название схемы – match, после чего появляется окно, в котором необходимо построить схему RLC цепи. В качестве примера рассмотрим схему цепи (рис. 8.1). Схема строится из элементов, находящихся в закладке Elements, доступной в левой нижней части экрана. Все необходимые элементы находятся в категории Lumped Elements (сосредоточенные элементы), щелкнув по которой открываем их список. Из списка Inductor выбираем элементы IND, Capacitor – CAP, Resistor – RES. Элементы соединяются с помощью мыши и курсора в виде пружинки. После того как схема собрана, к ней подсоединяется порт, находящийся в категории Port (или виде значка в разделе элементов, наверху справа). Щелкнув по значку порт, выбираем PORT. Так же необходимо присоединить значок «земли» – Ground (находится рядом со значком порта).

2. Далее необходимо измерить вещественную и мнимую части проводимости порта в диапазоне от 0,8 ГГц до 1,2 ГГц. Для этого в меню Options/ Project Options в открывшемся окне на закладке Frequencies устанавливаем Start = 0,8, Stop = 1,2, Step = 0,01, нажимаем на кнопки Add, Apply, OK. Далее в меню Project/ Add Graph заказываем первый график Graph 1, затем там же: Add Measurements и в открывшемся окне указываем Linear/ Port Parameter, затем выделяем Y, в окошках справа устанавливаем (сверху вниз) match, 1, 1, Use for x-axes, ставим точку в кружке Real и нажимаем кнопку ОК. Далее нажимаем на кнопку (в верхнем ряду) с желтой молнией и получаем график вещественной части проводимости. Затем снова вызываем Add Measurements и ставим точку в кружке Imag, нажимаем кнопку ОК, затем кнопку с желтой молнией. Нажатием на правую кнопку мыши вызываем маркер (Add marker), с помощью которого можно точно измерить проводимости на заданной частоте, щелкая по кривым проводимостей. По указанию преподавателя выбираем частоту 1.0 ГГц, на которой вещественная часть проводимости равна 0.04592 Сим, а мнимая часть – 0.05402. Вид графика показан на рис. 8.2.

Рис. 8.2

3. Для использования «бумажной» ДВС необходимо нормировать эти проводимости. Так как далее будут использоваться для согласования отрезки ЛП с волновым сопротивлением 50 Ом, нормирование сводится к делению полученных проводимостей на значение . Исходная точка проводимости . Она располагается в нижней правой половине ДВС. Проведем из центра диаграммы через эту точку прямую до пересечения с внешней окружностью. Затем проведем по направлению движения часовой стрелки дугу (радиусом равным расстоянию от центра ДВС до этой точки) до пересечения с окружностью . Проведем через точку пересечения из центра прямую до внешней окружности. Длина дуги, образованной между двумя точками пересечения (в долях длины волны или в градусах) определяет длину отрезка линии, который необходимо включить между нагрузкой и точкой согласования (в данном случае она равна 35°).

4. Теперь включим трансформирующий отрезок линии в данную схему. Для этого щелкнем левой клавишей мыши по проводу, соединяющему порт с RLC схемой (на проводе появится квадратик), а затем нажмем на клавишу клавиатуры Delete. На место исчезнувшего провода вставим отрезок линии, взятый из Elements/ Transmition Lines/ Coaxial/ Electrical. Возьмем линию COAX2 (внешний проводник линии заземлен) и присоединим ее между портом и схемой. Далее щелкнем по линии и в открывшемся окне введем угол (в данном случае 35°) и частоту 1000 MHz. Волновое сопротивление линии должно равняться волновому сопротивлению порта – 50 Ом. Теперь необходимо проверить величину проводимости на входе линии CX1. Щелкнем по желтой молнии и на том же графике получаем кривые проводимостей при наличии трансформирующей линии, приведенные на рис. 8.3.

На частоте 1000 МГц вещественная часть проводимости равна 0.02024 Сим, т. е. практически равна волновой.

5. Далее необходимо оценить реактивную проводимость в точке согласования. В данном случае она будет отрицательной и ее абсолютное значение около 0.04 Сим (нормированное значение -2). Так как эта проводимость отрицательна, то она носит индуктивный характер и ее надо компенсировать емкостной реактивностью такого же абсолютного значения. Емкостной реактивностью обладает отрезок ЛП длиной менее четверти длины волны, разомкнутый на конце (нагрузка отрезка – нулевая проводимость). Длину этого отрезка можно определить, перемещаясь из точки нулевой проводимости ДВС (верхняя точка диаграммы) по часовой стрелке до точки, где реактивная проводимость равна 2. Длина этой дуги определит длину компенсирующей линии (в данном случае она равна 63.5°). Затем берем такую же линию COAX2 и один ее конец присоединяем к проводнику между портом и первой линией (второй конец линии остается свободным), устанавливаем угол для этой линии и частоту 1000 MHz в ее окне. Схема с установленными линиями показана на рис. 8.4.

6. Теперь необходимо проверить наличие согласования на частоте 1000 МГц. Для этого опять щелкнем по желтой молнии и в результате получаем график рис. 8.5.

На частоте 1 ГГц вещественная часть проводимости не изменилась, а мнимая практически равна нулю. Для оценки полосы согласования создадим график Graph 2 и закажем измерение модуля коэффициента отражения . Для этого в окне Measurements вместо Y выберем S, Mag и dB, нажмем ОК и получим график рис. 8.6.

Рис. 8.5

С помощью маркеров определим полосу пропускания на уровне -20 дБ (при этом на краях полосы отражается одна сотая часть падающей мощности, а в точке 1000 MHz отражается только около одной десятитысячной ее доли).

Рис. 8.6

Содержание отчета

В отчете должны быть приведены схема цепи вместе с согласующим устройством, формулы и результаты расчетов, промежуточные и окончательные результаты моделирования, оценка результатов согласования.

8.4. Контрольные вопросы

1. Какова должна быть длина ЛП, замкнутой на конце, чтобы ее входная проводимость была равной проводимости ЛП длиною , разомкнутой на конце.

2. В какой точке ДВС находится проводимость отрезка ЛП длиною , замкнутого на конце.

3. В какой точке ДВС находится проводимость отрезка ЛП длиною , разомкнутого на конце.

4. Какова будет входная проводимость, если между нагрузкой и портом включить отрезок ЛП длиною .

5. Какова будет входная проводимость, если между нагрузкой и портом включить отрезок ЛП длиною .

6. Почему при реализации согласования с помощью отрезков коаксиальных ЛП используется ДВС для проводимостей.

7. В какой точке ДВС находится входное сопротивление отрезка ЛП длиною , замкнутого на конце.

8. В какой точке ДВС находится входное сопротивление отрезка ЛП длиною , разомкнутого на конце.

9. Каково будет входное сопротивление отрезка ЛП с волновым сопротивлением , нагруженной на сопротивление .

10. Каково будет входное сопротивление отрезка ЛП с волновым сопротивлением , нагруженной на сопротивление .

СОДЕРЖАНИЕ

1. ПРИБОРЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ.............. 3

2. Т- ВОЛНЫ В ДЛИННЫХ ЛИНИЯХ................................................................ 15

3. ВОЛНЫ В ВОЛНОВОДАХ............................................................................... 32

4. ТРАНСФОРМАЦИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ ОТРЕЗКАМИ
ДЛИННЫХ ЛИНИЙ........................................................................................... 48

5. ВОЛНЫ В КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ 65

6. ОДНОШЛЕЙФНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ВОЛНОВОДА
С НАГРУЗКОЙ................................................................................................... 80

7. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ
С ПОПЕРЕЧНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ........................................... 90

8. СОГЛАСОВАНИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С НАГРУЗКОЙ В ПАКЕТЕ ПРОГРАММ MICROWAVE OFFICE.................................................................................... 104

 

Грачев Сергей Владиславович,

Лавренко Юрий Евгеньевич,

Малышев Виктор Николаевич,

Степанов Валерий Александрович

 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Лабораторный практимум

 

 

Публикуется в авторской редакции

———————————————————————————

Подписано в печать 29.12.11. Формат 60´84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 7.0

Гарнитура «Arial». Тираж 80 экз. Заказ.

———————————————————————————

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5