Мікрополоскових лінії передачі - вчися як на парах!
Мета роботи. Дослідження мікросмужкових ліній передачі і резонаторів. Набуття практичних навичок роботи з генератором хитається частоти (свіп-генератором) в комплексі з індикатором КСХН і ослаблення.
2.Мікрополосковие лінії передачі і мікрополоскових резонатори.
Микрополосковая лінія (МПЛ) (рис.1 а) - це двухпроводная Полоскова лінія з поперечним перерізом у вигляді паралельних прямих, що має одну площину симетрії, паралельну напрямку поширення енергії (на рис.1 а: 1 - провідна смужка, 2 - екран (земляний електрод), 3 - підкладка з діелектрика). МПЛ - в даний час найбільш широко застосовується СВЧ лінія передачі при розробці мініатюрних пристроїв СВЧ. У МПЛ основним типом є квазі - ТИМ хвиля, проте можуть бути порушені і хвилі вищих типів. Структура поля в поперечному перерізі МПЛ показана на рис.1 б.
Однією з найважливіших характеристик МПЛ є хвильовий опір, яке визначається геометричними розмірами лінії і діелектричної проникністю підкладки. Для смужок нульової товщини
,
де - ефективна діелектрична проникність. У статичному випадку.
Строго кажучи МПЛ є дисперсійним лінією і все її характеристики залежать від частоти. Довжина хвилі в МПЛ визначається виразом
.
Точне визначення частотних залежностей, і інших параметрів МПЛ вимагає рішення крайової задачі з використанням чисельних методів і застосування ЕОМ. Для наближеного обліку дисперсії квазі-Т хвилі можна використовувати Апроксимаційні формулу
,
Яка дає непогані якісні оцінки.
Аналіз показує, що Збільшується з ростом частоти від при до при. Для частот менше 10 ГГц мало відрізняється від.
Одним з найпростіших і, в той же час, найважливіших елементів СВЧ схем на основі МПЛ є Микрополосковая резонатор (МПР), що представляє собою відрізок МПЛ резонансної довжини l. За конструкцією МПР діляться на замкнуті (наприклад, кільцевої), а також короткозамкнені і розімкнуті на кінці. Короткозамкнені на кінцях МПР використовуються рідко через технологічні труднощі забезпечення короткого замикання між провідниками МПЛ. На рис.2. показані приклади лінійного разомкнутого на кінцях МПР (а) і кільцевого МПР (б). Основними характеристиками резонатора є резонансна частота І добротність Q. Експериментально ці характеристики можуть бути отримані з вимірювання характеристик передачі резонатора. Резонансна частота МПР визначається довжиною резонатора l і діелектричної проникністю підкладки. Для лінійного резонатора (рис.2)
Де с - швидкість світла у вакуумі, - ефективна діелектрична проникність, n = 1,2, ... - число півхвиль, що укладаються на довжині резонатора.
Навантажена добротність резонатора визначається як
,
Де - ширина резонансної кривої, виміряна за рівнем 3 дБ від максимуму. Для МПР характерні невисокі величини добротності (100 - 500). Основні переваги МПР - мініатюрність, сумісність з лініями передачі СВЧ і активними планарнимі елементами (діодами, транзисторами і т. Д.).
2. Опис експериментальної установки.
Для вимірювання довжини хвилі в МПЛ використовується вимірювальна лінія (рис.3). Блок - схема показана на рис.4. Микрополосковая вимірювальна лінія являє собою МПЛ в металевому екрані, по якому ковзає каретка зонда, пов'язана з вимірювальною лінійкою. Для вимірювання характеристик микрополосковой резонатора використовується панорамний вимірювач КСВ і послаблень - прилад, Призначений для спостереження на екрані і вимірювання частотних залежностей КСВ і послаблень (модуля коефіцієнта передачі). Прилад забезпечує вимір КСВ в межах від 1,0 до 6,0. Прилад забезпечує вимір коефіцієнта передачі чотириполюсників від 0 до -40 дБ. Частотний діапазон приладу від 1 ГГц до 10 ГГц (зі змінними СВЧ блоками).
Схема вимірювальної установки в режимі вимірювання КСВ і характеристики передачі показана на рис.5 (а) і 5 (б) відповідно.
Панорамний вимірювач КСВ складається з наступних основних блоків і вузлів: генератора що хитається частоти 1, індикатора КСВ і послаблень 2 і блоку спрямованих відгалужувачі 3, 4, 5 з детекторами 8. Принцип дії панорамного вимірювання КСВ полягає в наступному. Генератор СВЧ 1 виробляє НВЧ коливання з частотою, що змінюється по пилкоподібний закону. Значення початкової та кінцевої частот встановлюються ручками "" і "". Потужність СВЧ надходить на блок спрямованих відгалужувачі 3. Спрямований відгалужувач 3 ответвляет частина потужності, пропорційну падаючої потужності і направляє в детектор 6. Спрямований відгалужувач 4 ответвляет частина відбитої від об'єкта дослідження 7 потужності і направляє в детектор. Сигнали, відповідні величинам падаючої і відбитої потужностей, після детектування подаються в індикаторний блок. В індикаторному блоці проводиться посилення і порівняння двох сигналів. В результаті виділяється відношення і подається на індикатор. При зміні частоти на екрані з'являється залежність від частоти. Для зручності вимірювань шкала індикатора проградуірована в одиницях КСВ і перемикається при зміні меж вимірювань перемикачем «Межі». Механічний візир шкали і суміщений з ним електронний візир, який представляє собою лінію, що світиться на екрані індикатора, переміщається за допомогою ручки «Відлік».
Блок-схема установки для вимірювання частотної залежності коефіцієнта передачі показана на рис.5 (б). Спрямований відгалужувач 5 ответвляет частина потужності, що пройшла через досліджуваний елемент СВЧ тракту 7, і направляє в детектор. Надійшли в індикаторний блок 2 сигнали, відповідні потужності падаючої і пройшла хвиль, обробляються в блоці 2, в результаті чого на екрані індикатора спостерігається АЧХ досліджуваного елемента СВЧ тракту.
3. Обробка результатів.
Вимірювання характеристик микрополосковой резонатора.
На екрані індикатора КСВ отримали резонансну характеристику передачі МПР.
Довжина смужка резонатора l = 15мм
Добротність хорошого микрополосковой резонатора при малих втратах в діелектрику і металі дорівнює 500. У нас вийшло 95. Пояснити це просто. Наш мікрополосок - приклеєна мідна фольга, якість якої залишає бажати кращого. Крім того, свій внесок робить і сам клей, який додає додаткові діелектричні втрати. Хороші результати можуть бути досягнуті при роботі з МПР з напиленням мікрополоскамі. Проте, 95 теж гідна величина. Отриманий розподіл поля вздовж МПЛ показало, що це дійсно синус, правда, сильно покручені від перешкод, створюваних старим обладнанням. Залежність довжини хвилі від частоти не є лінійною функцією. Це пояснюється змінюється з частотою eeff.