Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Приборы, используемые при выполнении работы
УДК 621.385.6 (076.5) ББК 32.851Я73 М54
Составители: А. П. Белошицкий, М. М. Касперович, А. В. Ворошень, С. С. Гурский, А. В. Гусинский, М. С. Свирид
Методические указания содержат цель работы, краткие сведения из теории, описания приборов, используемых при выполнении работы, лабораторное задание и рекомендации по его выполнению, а также указания по оформлению отчета, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.
Содержание
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Изучение методов и средств измерения параметров отражения и передачи СВЧ устройств. 1.2 Изучение алгоритмов и методик калибровки панорамных измерителей коэффициентов отражения и передачи (скалярных анализаторов цепей). 1.3 Изучение принципа работы скалярного анализатора цепей SNA 2-8 и приобретение практических навыков работы с ним. 1.4 Изучение программного обеспечения анализатора SNA 2-8.
КраткИе сведениЯ из теории
Особенностью радиотехнических цепей, работающих на сверхвысоких частотах (СВЧ), является то, что их геометрические размеры соизмеримы с длиной волны распространяющихся вдоль них колебаний, т. е. они представляют собой цепи с распределенными постоянными. Характерные примеры таких цепей – волноводные, коаксиальные, полосковые и микрополосковые линии (тракты) передачи. Наиболее распространенными видами измерений в диапазоне СВЧ являются измерения коэффициентов отражения |Г| (коэффициентов стоячей волны (КСВН)) и передачи (ослабления) различных СВЧ устройств. Строгое описание физических явлений и структуры электромагнитного поля в СВЧ измерительных трактах проводится с использованием методов теории электромагнитного поля. Однако с целью упрощения задач теоретических и экспериментальных исследований СВЧ устройств и трактов на практике используют методы теории цепей с распределенными постоянными. При использовании этих методов линия передачи представляется как однородная линия. В этой линии энергия от генератора к нагрузке передается в виде волн напряжения и тока (электромагнитных волн), распространение которых описывается соотношениями:
U(l)=U·e-γ l, I(l)=I·e-γ l, (2.1) где U и I – напряжение и ток в начале длинной линии; l – расстояние; γ =α +jβ – коэффициент распространения, определяющий изменение амплитуды и фазы волны при ее распространении вдоль линии; α – постоянная затухания; β =2π /λ л – фазовая постоянная (λ л – длина волны в линии передачи). Линии передачи, обычно используемые в измерительных трактах, имеют малые потери (α ≈ 0) и для них можно полагать γ =jβ. В общем случае, когда в измерительном тракте (как показано на рисунке 2.1, а) существуют волны, распространяющиеся от генератора к нагрузке (падающие волны) и от нагрузки к генератору (отраженные волны), передачу энергии от генератора к нагрузке можно описать следующим соотношением:
, (2.2)
где и – амплитуды падающей и отраженной волн соответственно. В результате интерференции этих волн образуется стоячая волна напряжения (тока), которую можно описать уравнением:
. (2.3)
На рисунке 2.13, б показана векторная диаграмма, интерпретирующая уравнение (2.3), а на рисунке 2.13, в – распределение напряжения в электрически длинной линии при стоячей волне.
Стоячие волны принято оценивать с помощью коэффициента отражения по напряжению (напряженности электрического поля), представляющего собой отношение комплексных амплитуд напряжения отраженной и падающей волн в заданном сечении линии передачи:
, (2.4) где φ 0 – фазовый угол коэффициента отражения в начале линии. Из выражения (2.4) следует, что модуль коэффициента отражения в линии без потерь не зависит от места измерения, а фазовый угол коэффициента отраженияφ = φ 0+2β l зависит от координаты l и имеет разное значение для разных точек линии. Пользуясь тем, что модуль коэффициента отражения не зависит от места измерения, экспериментально его можно определить путем измерения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН):
, (2.5)
где Umax и Umin – амплитуды напряжения стоячей волны в пучности и узле. Модуль коэффициента отражения |Г| связан с КСВН соотношением
. (2.6)
Коэффициент отражения и связанный с ним соотношением (2.5) КСВН характеризуют качество согласования сопротивлений в трактах и полностью определяют номенклатуру измеряемых параметров двухполюсников (ДП). У четырехполюсников (ЧП) помимо измерения коэффициентов отражения входа и выхода определяют еще коэффициенты передачи в прямом (S12) и обратном (S21) направлении. Модули коэффициентов передачи обычно измеряют в децибелах (ослабление):
, (2.7)
где и – амплитуды падающей на ЧП и прошедшей через него волн соответственно. В современных скалярных анализаторах цепей (САЦ) (панорамных измерителях модуля коэффициентов передачи и отражения) в качестве индикаторного блока используют либо унифицированный индикатор Я2Р-70, либо персональный компьютер совместно с блоком обработки сигналов. САЦ на базе унифицированного индикатора включает в себя генератор качающейся частоты (ГКЧ) с системой автоматического регулирования мощности (АРМ), СВЧ измерительный тракт (рефлектометр), состоящий из трех последовательно соединенных направленных ответвителей и унифицированного индикатора. Структурная схема САЦ на базе индикатора Я2Р-70 представлена на рисунке 2.2.
На выходе ГКЧ формируется частотно- и амплитудно-модулированный СВЧ сигнал постоянного уровня. Для частотной модуляции в качестве модулирующего напряжения используется сигнал генератора развертки, который конструктивно входит в ГКЧ. Амплитудная модуляция обычно осуществляется напряжением типа «меандр» частоты 100 кГц от внутреннего или внешнего источника модулирующего напряжения. Постоянство выходной мощности ГКЧ поддерживается с помощью системы АРМ, которая работает по сигналу , подаваемому из индикатора в генератор. Использование измерителя отношений в индикаторном блоке существенно снижает требования к качеству стабилизации выходной мощности ГКЧ. ГКЧ включает в себя и блок частотных меток. Выходные сигналы этого блока после преобразования в индикаторе воспроизводятся на изображении исследуемых характеристик в виде подвижных частотных меток. Измерительный тракт состоит из трех направленных ответвителей (НО). НО1 ответвляет сигнал пропорциональный мощности падающей волны Рп; НО2 – мощности отраженной волны Ро; НО3 – мощности прошедшей волны Рпр. Сигналы НО детектируются квадратичными детекторами. Выходные напряжения детекторов позволяют определить модуль коэффициента отражения
, (2.8) и ослабление , (2.9) Для скалярных аналогов цепей характерно применение унифицированного индикатора КСВ и ослабления, работающего на частоте амплитудной модуляции ГКЧ. Этот индикатор обеспечивает усиление сигналов пропорциональных , , , деление их с помощью измерителя отношений, детектирование и панорамное воспроизведение на экране ЭЛТ измеряемых характеристик в линейном и логарифмическом масштабах с отсчетом значений измеряемых величин. В настоящее время новые возможности по автоматизации САЦ, обработке, хранению и отображению информации в цифровом виде дает возможность применения в измерительных схемах анализаторов цепей персональных компьютеров (ПК). Структурная схема САЦ, использующего в качестве индикаторного блока ПК совместно с приемным блоком обработки сигналов представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Структурная схема САЦ с применением ПК
Данные анализаторы включают в себя ГКЧ, СВЧ измерительный тракт, персональный компьютер со встроенным в него блоком обработки сигналов (БОС), имеющего в своем составе интерфейсы USB и КОП. Совместная работа ГКЧ и БОС в системе обеспечивается через КОП под программным управлением компьютера. С детекторов направленных ответвителей СВЧ измерительного тракта снимаются сигналы, несущие информацию об измеряемых параметрах объекта измерения. Эти сигналы поступают в БОС, который осуществляет их аналого-цифровую обработку и преобразует их к виду, необходимому для передачи в компьютер. Управление работой анализатора, выбор режимов измерения и калибровки, а также выбор формы индикации и регистрации результатов измерения осуществляется с клавиатуры компьютера в диалоговом режиме. Программное обеспечение анализатора, реализующее алгоритм функционирования анализатора и различные сервисные функции, хранится в памяти компьютера. Оно позволяет решать задачи измерения и калибровки, а также выведение на экран или печать результатов в удобном для пользователя виде. Основными источниками погрешности, рассмотренных выше САЦ являются: 1) неточность установки и отсчета частоты; 2) нестабильность частоты; 3) неидеальность и неиндентичность направленных ответвителей; 4) погрешность рассогласования; 5) неквадратичность характеристик детекторов; 6) погрешности индикатора.
Подготовка к выполнению работы
4.1 По рекомендуемой литературе детально изучить параметры СВЧ цепей, методы и средства их измерения. 4.2 По приложению А изучить устройство, принцип действия и работу анализатора SNA 2-8, применяемого при выполнении лабораторной работы, а также методики проведения измерений и оценки погрешностей полученных результатов. 4.3 Ответить на контрольные вопросы. 4.4 Сделать заготовку отчета по лабораторной работе в соответствии с требованиями настоящих методических указаний (одну на бригаду).
5 Лабораторное задание 5.1 Изучить программное обеспечение (ПО) анализатора SNA2-8. 5.2 Изучить алгоритм работы, методику калибровки и провести калибровку скалярного анализатора SNA2-8. 5.3 Измерить КСВН нагрузок №1, №2. 5.4 Измерить ослабление аттенюаторов №1, №2.
Порядок выполнения работы
6.1 Выполнить пункт 5.1 лабораторного задания. 6.1.1 По описанию ПО, приведенному в пункте А.5.2 приложения А изучить структуру ПО анализатора. 6.1.2 Включить измеритель и, используя справку (HELP), изучить назначение четырех основных групп средств управления инструментальной панели (TOOLBAR). 6.1.3 Изучить назначение кнопок группы средств управления: 1 Стандартная
2 Control
3 «Старт / Стоп» 4 «S21/S11»
6.2 Изучить методику и провести калибровку анализатора SNA 2-8 в соответствии с пунктом 5.2 лабораторного задания. 6.2.1 По описанию, приведенному в пункте А.5.3.2, изучите алгоритм и методику калибровки анализатора. 6.2.2 Пользуясь указаниями, изложенными в пункте А.5.3.2, выполните операции «Предустановка» и «Калибровка», проведя калибровку для обоих коэффициентов S11 и S21. 6.3 Выполнить измерения в соответствии с пунктом 5.3 лабораторного задания. Измерения проводить в следующей последовательности. 6.3.1 Перейдите к измерению модулей коэффициентов отражения руководствуясь пунктом А.5.3.3. 6.3.2 К выходу НО (см. рисунок А.5.3.3 приложения А) подключите нагрузку №1. 6.3.3 Руководствуясь методикой пункта А.5.3.3 приложения А, получите изображение частотной характеристики модуля коэффициента отражения |S11| исследуемой нагрузки №1 в полосе частот 2–8 ГГц. Нажав кнопку VSWR перейдите к отображению характеристики в значениях КСВН. Зарисуйте изображение полученной характеристики и поместите его в соответствующую ячейку таблицы 6.2. С помощью маркера и кнопок измерьте значения КСВН на частотах fизм, указанных в таблице 6.1. Результаты измерений занесите в таблицу 6.2.
Таблица 6.1
6.3.4 Пользуясь техническими характеристиками прибора, оцените инструментальные погрешности измерения КСВН ( ). Результаты расчетов погрешностей занесите в таблицу 6.2.
Таблица 6.2
6.3.5 Установите полосу качания генератора анализатора Δ f, указанную в таблице 6.1, и откалибруйте анализатор для режима измерения КСВН в этой полосе. 6.3.6 Подключите к выходу НО нагрузку №1. Руководствуясь методикой п. А.5.3.3 приложения А, получите изображение частотной характеристики КСВН в полосе частот Δ f (от fminдо fmax). Зарисуйте изображение полученной характеристики и поместите его в соответствующую ячейку в таблицы 6.2. 6.3.7 На полученной характеристике выберите пять характерных точек. Измерьте в этих точках с помощью кнопки «Метка» значения КСВН и соответствующие им частоты f. Результаты измерений занесите в таблицу 6.2. 6.3.8 Пользуясь техническими характеристиками прибора, оцените инструментальные погрешности измерения КСВН ( ). Результаты расчетов погрешностей занесите в таблицу 6.2. 6.3.9 Повторите измерения по пунктам 6.3.2–6.3.8 для нагрузки №2. Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 6.3.
Таблица 6.3
6.4 Выполнить измерения в соответствии с пунктом 5.4 лабораторного задания. Измерения проводить в следующей последовательности. 6.4.1 Соберите схему измерения ослабления в соответствии с рисунком п. А.5.3.3 приложения А. Измеряемый объект (аттенюатор №1) включите между НО и детекторной секцией. 6.4.2 Руководствуясь методикой пункта А.5.3.3 приложения А получите изображение частотной характеристики модуля коэффициента передачи |S21|, которая является характеристикой ослабления (А) исследуемого аттенюатора №1 в полосе частот 2–8 ГГц. Зарисуйте изображение полученной характеристики и поместите его в соответствующую ячейку таблицы 6.4. С помощью маркера и кнопок измерьте значения А на частотах fизм указанных в таблице 6.1. Результаты измерений занесите в таблицу 6.4. 6.4.3 Пользуясь техническими характеристиками анализатора, оцените инструментальную погрешность измерения ослабления (∆ А), результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 6.4.
Таблица 6.4
6.4.5 Установите полосу качания генератора анализатора Δ f (от fminдо fmax), указанную в таблице 6.1, и откалибруйте анализатор для режима измерения ослабления в этой полосе. 6.4.6 Включите между НО и детекторной секцией аттенюатор № 1. Руководствуясь методикой пункта А.5.3.3 приложения А, получите изображение частотной характеристики ослабления в полосе частот Δ f. Зарисуйте изображение полученной характеристики и поместите его в соответствующую ячейку таблицы 6.4. 6.4.7 На полученной характеристике выберите пять характерных точек. Измерьте в этих точках с помощью кнопки Метка значения А и соответствующие им частоты f. Результаты измерений занесите в таблицу 6.4. 6.4.8 Пользуясь техническими характеристиками прибора, оцените инструментальные погрешности измерения Δ А. Результаты расчетов погрешностей занесите в таблицу 6.4. 6.4.9 Повторите измерения по п. 6.4.2-6.4.8 для аттенюатора № 2. Результаты измерений и расчётов занесите в таблицу 6.5. 6.5 Согласуйте с преподавателем результаты измерений и выключите анализатор.
Таблица 6.5
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет по лабораторной работе оформляется на стандартных листах бумаги. Структурные схемы вычерчиваются с необходимыми обозначениями и пояснениями. Результаты измерений и расчетов сводятся в таблицы, которые должны соответствовать рекомендованным в методических указаниях. Текст отчета должен содержать цель работы, лабораторное задание, всю информацию о проделанной работе и выводы по результатам каждого пункта лабораторного задания Сведения об используемом при выполнении работы измерительном приборе должны быть оформлены в виде таблицы по форме таблицы 7.1.
Таблица 7.1
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Какие методы измерения используются при измерении параметров отражения и передачи СВЧ цепей? 2 Поясните сущность параметра КСВН. Запишите формулу для его определения. 3 Поясните сущность параметра ослабления. Запишите формулу для его определения. 4 Как связаны между собой и КСВН? 5 Какими параметрами характеризуются НО? Поясните принцип работы НО. 6 Как классифицируются приборы для измерения параметров СВЧ цепей? 7 Какой метод измерения положен в основу работы анализатора SNA 2-8? В чем сущность этого метода? 8 Каковы основные источники погрешностей панорамных измерителей КСВН и ослаблений?
ЛИТЕРАТУРА 1 Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: учебник для вузов / В. И. Нефедов [и др.]; под ред. В. И. Нефедова и А. С. Силова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. – 599 с. 2 Белошицкий, А. П., Метрология и измерения. Измерение параметров цепей с распределенными постоянными: учебно-метод. пособие для радиотехнических специальностей / А. П. Белошицкий, А. В. Гусинский., А. М. Кострикин – Минск: БГУИР, 1996. 3 Метрология и радиоизмерения: учебник для вузов / Нефедов В. И. [и др.]; под ред. В.И. Нефедова. – М.: Высш. шк., 2003. – 383 с. 4 Мейзда, Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений / Ф. Мейзда. – М.: Мир, 1990. – 535 с. 5 Елизаров, А. С. Электрорадиоизмерения: учебник для вузов / А. С. Елизаров. – Минск: Выш. шк., 1986. – 320 с. Приложение А Скалярный анализатор SNA 2-8
А.1 НАЗНАЧЕНИЕ
Анализатор предназначен для автоматизированного измерения модулей коэффициентов передачи и отражения коаксиальных СВЧ устройств, работающих в частотном диапазоне 2–8 ГГц, с цифровым отсчетом измеряемых величин и воспроизведением их частотных характеристик в декартовой системе координат на экране компьютера, входящего в состав измерителя. Объектами измерения (ОИ) могут быть двухполюсники (ДП) – устройства оконечного типа и четырехполюсники (ЧП) – устройства проходного типа).
А.3.1 Принцип действия
А.3.1.1 Принцип действия анализатора основан на направленном ответвлении падающей на объект измерения (ОИ), отраженной от него и прошедшей волн сигнала СВЧ, распространяющихся в измерительном тракте измерителя; выделении напряжений , и , пропорциональных амплитудам падающей, отраженной и прошедшей волн соответственно; усилении и дискретном преобразовании этих напряжений; вычислении значений измеряемых параметров – модуля коэффициента отражения |Г|, КСВН и ослабления (А) по специальным алгоритмам с использованием параметров калибровки; воспроизведении частотных зависимостей в декартовой системе координат с отсчетом значений измеряемых параметров на любой частоте (в пределах диапазона рабочих частот анализатора) с помощью маркера. А.3.1.2 Анализатор состоит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), СВЧ измерительного тракта, приемного блока обработки сигналов (ПБ), имеющего в своем составе интерфейсы RS-232, USB и КОП и персонального компьютера. Структурная схема САЦ приведена на рисунке А.1.
Рисунок А.1 – Структурная схема САЦ
Совместная работа ГКЧ и блока обработки сигналов в системе обеспечивается либо через интерфейс КОП, либо через интерфейс RS-232 под программным управлением компьютера. С детекторов направленного ответвителя СВЧ измерительного тракта снимаются сигналы, несущие информацию об измеряемых параметрах (ОИ). Эти сигналы поступают в ПБ, который осуществляет их аналого-цифровую обработку и преобразует их к виду, необходимому для передачи в компьютер. В измерителе используется СВЧ измерительный тракт, состоящий из двунаправленного ответвителя (НО) и детекторной секции (ДС). Структурная схема измерительного тракта представлена на рисунке А.2.
Рисунок А.2 – Структурная схема СВЧ измерительного тракта для измерения КСВН
НО выделяет сигнал, пропорциональный мощности волны, падающей на ОИ и отраженной от ОИ волны (при измерении КСВН), а ДС-сигнал пропорциональный мощности прошедшей через ОИ волны (при измерении ослаблений). Продетектированные сигналы поступают в ПБ. Эти сигналы обрабатываются, преобразуются в цифровую форму и запоминаются в памяти компьютера. За один период перестройки частоты ГКЧ формируются и запоминаются цифровые коды, соответствующие значению измеряемого параметра. Неидентичность и неравномерность амплитудно-частотных характеристик параметров СВЧ измерительного тракта определяется при калибровке измерителя, а затем учитывается при обработке результатов измерений. Управление работой измерителя, выбор режимов измерения и калибровки, а также выбор формы индикации и регистрации результатов измерения осуществляется с клавиатуры компьютера в диалоговом режиме. Программное обеспечение и алгоритмы отдельных подпрограмм разработаны таким образом, чтобы исключить неправильные действия оператора. Программное обеспечение измерителя, реализующее алгоритм функционирования измерителя и различные сервисные функции, хранится в памяти компьютера измерителя. САЦ имеет в своем составе интерфейсы КОП, USB и RS232, которые обеспечивают возможность его работы в составе различных автоматизированных систем.
А.3.3 Приемный блок
Структурная схема приемного блока представлена на рисунке А.4. ПБ выполняет следующие основные функции: – обработку сигналов измерительной информации, поступающих с детекторов СВЧ измерительного тракта, преобразование их в цифровой код и фильтрацию; – установку соответствующего режима работы анализатора; – преобразование измерительных и других информационных сигналов в стандартные сигналы интерфейсов USB, RS-232 и КОП и передачу этих сигналов в память компьютера; – прием от компьютера управляющих сигналов, преобразование этих сигналов и передачу их по КОП на ГКЧ.
Рисунок А.4 – Структурная схема приемного блока
Сигналы с детекторов СВЧ измерительного тракта «R», «А» и «В» с частотой модуляции fМ=50 кГц усиливаются с помощью предварительных усилителей, фильтруются с помощью фильтров низких частот (ФНЧ) и поступают через коммутатор на АЦП. Дальнейшая обработка сигналов осуществляется программным путем в микропроцессорном устройстве. Оцифрованные сигналы каналов «R», «А» и «В» подвергаются цифровой фильтрации с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье. За один период перестройки ГКЧ (1 с) в память компьютера передаются массивы данных, содержащие информацию о значениях сигналов «R», «А» и «В» в 256 частотных точках. Обмен данными между ИБ и ПК осуществляется через интерфейс USB. Интерфейсы RS-232 и КОП преобразуют управляющие и информационные сигналы ПК в стандартные сигналы RS-232 или КОП соответственно.
А.4 ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
Произведите сборку анализаторов следующей последовательности: – установите САЦ на рабочее место; – соедините клеммы «┴ » ГКЧ и компьютера с шиной защитного заземления; – установите переключатели Сеть в положение «Откл.»; – подключите кабели сетевого питания 220 В к генератору и персональному компьютеру; – подключите вилки сетевых соединительных шнуров к розеткам сети питания; – соедините ГКЧ и компьютер соединительным кабелем К3 КОП, а ПБ и компьютер кабелем К7, используя соответствующие разъемы на задних панелях ГКЧ, ПБ и компьютера; – убедитесь в наличии плавких вставок в цепи питания ГКЧ и компьютера; Соберите СВЧ измерительный тракт в конфигурации, соответствующей рисунку А.2. Подключите СВЧ измерительный тракт в выходу ГКЧ, используя кабель К1, как показано на рисунке А.3. Выходы выносных усилителей НО и детекторной секции соедините с соответствующими входами ПБ, как показано на рисунке А.3. Переключатели Сеть ГКЧ и компьютера установите в положение «Вкл.» и прогрейте САЦ в течение 15 мин.
А.5 ПОРЯДОК РАБОТЫ
УДК 621.385.6 (076.5) ББК 32.851Я73 М54
Составители: А. П. Белошицкий, М. М. Касперович, А. В. Ворошень, С. С. Гурский, А. В. Гусинский, М. С. Свирид
Методические указания содержат цель работы, краткие сведения из теории, описания приборов, используемых при выполнении работы, лабораторное задание и рекомендации по его выполнению, а также указания по оформлению отчета, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.
Содержание
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-31; Просмотров: 560; Нарушение авторского права страницы