UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ fakulta přírodovědecká MIKROVLNNÉ PRAKTIKUM Antonín TÁLSKÝ BRNO 1984 Univerzita J.B. Purkynö v Brno PfirodovödeokÄ fakulta MIKROVLNKÄ PRAKTIKUM Antonia T&lsk# B r n o 1984 V učebním plánu studentů specializace fyzikální elektronika j© obsažena přednáška, pro k. ročnik s názvem "Vysokofrekvenční elektronika". Na přednášku navazuje speciální praktikum, pro něž jsou určena skripta ■Mikrovlnná praktikum". Skripta obsahuji teoretický popis a praktický návod pro 12 měřících úloh, které jsou voleny tak, aby se studenti seznámili s činností speciálních vakuových elektronek i polovodičových' diod, používaných pro gene ra o i , zesílení a násobení frekvence v mikrovlnném pásmu, prohloubili si znalosti o těchto elektronkách, získané v přednášce, a naučili se využívat jejich oharakteristiokýoh vlastností v různých aplikacích mikrovlnné měřicí techniky. V každé úloze je zadán konkrétní měřící úkol a uvedena doplňková studijní literatura. 1. TŘÍDY KMIT&JÍ KiFLEXHÍKO KLYSTRONU 1.1. Úvod Reflexní klystron slouží jako generátor aikrovln Malého výkonu. Používa aa Jako nistní oscilátor v přijímačích, zdroj elektroda gnotiakýcii vln t nikrovlnnýoh naříeích. a para tuři ob, pria trojích pro atudlua elektronové par: n»aga«ticlce rsnon-noa apod. Jeho činnost Je založena na rychlostní modulaci elektronového paprsku. Sohéua reflexního klystroau J* na obr. 1. Elektronový paprsek vystupuje 2 katody, Je urychlen potenolálesi CQ a prooh&aí raoai mřížkami ^ a «2, k ninž Je připojen dutinový resonator. Střídavé napětí vysoké frekvenoe UjSin co t^ není nřížkani spůsobí rychlostní nedula o i elektronového paprsku. Elektrony vystupují ■ mřížky &*2 m ryoh-lostni v = ^-jf- ( U0 + UL sin u> tx) , 1,1 kde e a a Je naboj a hmotnost elektronů, V± Je aaplituda vysokofrekvenčního napiti nesl nřlžkani a t^ Je okamžik vstupu elektronu nesl mřížky. Protože U- U » 1»«» P«»* přibližné pro rychlost vystupujíoího elektronu V a V ( 1 + d sintOt.) 1,2 o Zde koefiolent zahrnuje tIIt průletové doby elektronů mší mílikaml a nazývá se koeficient vazby elektroneváhc paprsku a resouátoren, je vždy /5 ° % Zde vQ Je rychlost středních elektronů. vq i 1,8 ^ 2 e U. Po úpravě dostáváme 7" = li - (4 f U° + d) 1,9 U - U o r Aby klystron kmital s maximálním výkonem, musí platit , že T = ^~ n . (n + -2-) . T m li —=- . ( 4 £ -^2- + d ) 1,10 * f 2 * Uo Uo- *r Průletová doba je závislá na napětí U s U . Pro každou třídu kmitáni n or bude existovat množina dvojic Uo a Ur takových, pro něž bude splněna rov nloe 1.10. Závislost U ■ f (U ) pro © = konstanta daná rovnici 1.10 cha r o* n rakterlzuje rozmístěni n— té třídy kmitáni reflexního klystronu. Úpravou rovnioe 1*10 dostáváme Ur m Uq (1--^—, ■ ■•- ) 1.11 T(n+ . » 3*Vn - d Naměříme-li závislost = f(Vq) pro různá n, dostáváme mít křivek, z nichž lze určit hodnotu n příslušnou jednotlivým křivkám. Určení hodnoty n provádíme grafickou metodou. Protneme si€ křivek Ur = í"ínat. Přin,Itou -Jdoucí počátkem Ur m k U0 pro sousední práše člky pak platí 4 í ^ m k 1 - Ur T(n + ) ý 2e Uon _ a " . -1,1 , , - 7 Odtud n a 7 Uon+l -3 f o n 1.13 o n+1 Zde Uon a Oon+1 jsou hodnoty urychlujícího napět! odečtené v průsečících přímky s křivkami rozmístění n-té a n+1 třídy, jak je znázorněno na obr. 3. (VI Li on+1 -kU, o)n=konst. I I I I i-\ on Obr. 3 Rozmístění tříd kmitání reflexního klyatronu Stanovaní tříd kmitaní můžeme také provést ze sítě přímek T a k(X) + q, kde Y a U V - v o r a X => \|UQ . tJpravou rovníce 1,10 totiž dostáváme IJ - U o r n + Z volíme.11 v síti těchto přímek libovolnou přímku Y a konat. , pak pro sousední průsečíky s přímkami Y a k(X) + «^.^„3$ » pl»t* op6t vztah Řečením této rovnice dostáváme pro třídu n opět vztah 1,13* - 8 - Studium tříd kmitáni lze též provést osolXogr&fleky- Přlvedeme-li ni reflektor pilové napětí 2: oaoilografu, lze dosáhnout vhodnou volbou amplitudy pilového napětí toho, že výsledné reflektorové napětí se mění v oblasti několika třid. Při konstantním urychlujíolm napětí UQ a okamžitých hodnotách Vp Q takových, že je splněna, rovnice 1,10, klystron kmitá Přivedeme-li signál z diodové hlavioe na oacllograf, objeví se v místech, odpovídajících hodnotám Q výchylka, úměrná výkonu klyetronu v dané třídě. 1.3 Měření Xlystroa 27SR51t praoujioí v 3 om pásmu, zapojíme podle Obr. 4. Obr. 4. Schéma zapojení pro měření tříd kmitáni 1,2 - stabilizovaný zdroj ss napětí Dr a U0, 3 - osoilograf, k - vlnovod, 5 - útlumový ělon, 6 - vyvažovači člen pro vlno-měr, 7 - držák diody, 8 - vlnoměr, 9 - indikátor. Měřeni rozmístění tříd provádíme tak, Žé pro pevnou hodnotu UQ odečteme všechny hodnoty U , odpovídající maximálnímu výkonu kly str onu. (nastavuje- r me vždy střed třídy kmitání I) Urychlující napětí měníme po 10 V v intervalu 150 V až 300 V. Kaměřené hodnoty sestavíme do tabulky a sestrojíme sil charakteristik Uy a f (U0) a Y s P(X). 2 obou grafů stanovíme Jednotlivé třídy kmitání n. Výpočet provádíme ze všech průsečíků pro 3 libovolně zvolené pomooné přímky. Třídy kmitání vyznačíme v grafech. Osoilografloké studium provádíme tak, že mezi reflektor a katodu přivedeme Ještě modulační pilové napětí a oseilografu. Napětí z detektoru přivedeme na vertikální zesilovač oseilografu. Na obrazovce se objeví výkonové křivky jednotlivých tříd kmitání. Měňte postupně amplitudu pilového na- pěti přiváděného na reflektor, pak Uo a Ur a vysvětlete odpovídající změ-ny obrazu. Modulační citlivost nažene stanovit tak, Že stanovině vlnomě-ren rozdíl frekvenol nesl dvoma body A a B, vis Obr. 5., stejně vzdálený-ni od středu třídy a příslušnou zněnu reflektorového napiti určime při posunuti křivky o vzdálenost bodů A a B voltmetrem, zapojeným mezi reflektor a katodu. Obr. 5. Osoilografioké stanovení modulační citlivosti Modulační citlivost určíme podle vztahu 1.15 1.4» Úkol t 1) Stanovte oharakterlstlky rozmístěni tříd kmitání reflexního klystronu 27SR51. Z těchto křivek a z přímek Y a P(X) určete jednotlivé třídy. 2) Proveďte oscilosrafické studium tříd kmitáni a stanovte modulační citlivost S . o Literatura s 1 Gaponov V.I.t Elektronika II., Moskva 1960 2 Bartoš t SI.O. l6t Ô.12 (1955)í S1.0. 17, 6.2. (1956) - 10 - 2. MODULAČNÍ CHARAKTERISTIKA REFLEXNÍHO KLYSTRONU 2.1 Úvod Reflexní kly*trou nože budit vysokofrekvenční výkon v růxnýoh třf-dáoh kmitaní. Jednotlivé třídy jsou charakterizovány velikosti průletového úhlu ve shlukovaoím prostoru 0. Průletový úhel měříme od středu mřížek k reflektroru a zpět do středu mřížek. Nějvětai výkon v dané třídě u dává klystron pro optimální průletový úhel %n, pro ne J Ž platí • m 2 T (n + -2-) n s 0, lf 2, ..... 2.1 k Mönlme-li průletový úhel v mezí oh. jedné třídy, mění se výkon bušených oscilaci i jejich frekvence. Tento fakt lze objasnit vlivem elektronového paprsku na vlastnosti praoovního rezonátoru. Náhradní schéma reflexního klystronu lze uvažovat ve tvaru, uvedeném na Obr* 6. Ye C = = . L ; Z 9Z 9R \ 1 Obr. 6 . Náhradní schéma praoovního rezonátoru klystronu s elektronovým paprskem a zátěží. Zde T * e + ib Je oelková vodivost elektronové zátěže rezonátoru, e o e * její reálná část b její imaginární část ez je vodivost ztrát rezonátoru eR ^° vodivost zátěže I Elektronový paprsek tedy ovlivňuje jak ztráty energie v rezonátoru, tak i j jeho rezonanční frekvenci* Pro složky vodivosti elektronové zátěže »v a b lze odvodit vztahy »* *o *1 — * * ee ■ - -j oos4© kde (Z je koeficient vazby elektronového paprsku s rezonátorem IQ proud elektronového paprsku Jj^ír) Besselova ťunkoe prvního řádu argimumtw r * shlukovaoí parametr A & změna průletového uhlu vzhledem k optimálnímu průletovému úhlu ▼ rezonanci musi být oelková vodivost mezi body A a B nulovár tedy reálná 1 imaginární část táto vodivosti musi být rovny nule. Celková vodivost je dána součtem vodivosti elektronového paprsku T a vodivosti X tvořené paralelním zapojením prvků C» 1«, c,» gR Pro okolí rezonanoe lze psát Y m *a ♦ 8r * i MC , kde OJ - li-J- 2,3 LC Celková vodivost tedy bude Y. * Y - ** + *r ♦ «• * 1 < ^T" ♦ b.) M Po dosazení a odděleni reálné a imaginární části dostáváme z rezonanční podmínky 2/3 I„ J- (r) UtL * -° V- - ,±»A0 . O "O ° ux 2,5 2 I J, (r) g7 + gR - * 1 1 cosAt? » O Z R ux Podělíme-li prvmí rovnici rovnioi druhou, máme 2^--*£S- . _ tgA0 2,6 Výraz VO.0— = Q_ je kvalita zatíženého rezonátoru. Pro změnu rezonanční frekvence, způsobenou elektronovým paprskem, tedy dostáváme - 12 - Změna frekvence kmitů generovaných klystronom v obkasti jedné třídy kmitáni je určována změnou průletového úhlu d 6 vzhledem k optimálnímu průletovému uhlu »n , 4 • a ' - • 2,8 u Pro průletovou dobu elektronu od středu mřížek k reflektoru a zpět platí r*eU wo r o Průletový uhel Je dán vztahem 6 ■ OJ T Pro změnu průletového úhlu při změně reflektorového napět! n_ A9 moj J—S- ( k Í —^2- * d - á *" P° - d ) | 2e*Q UQ- Ua- Ur a dále po úpravě 4 U, dv a .1-S- O* if I U r eUo " (Uo-Urn> B^ o) shluky elektronů, ve víoerezonátorovém magnetronu Vzhledem k tomu, že elektronická osoilaoe vznikají při kritické hodnote intenzity magnetického pole, mažeme z paraboly kritického režimu magnetronu vyjádřit též závislost vlnové délky buzených osollaol na anodovém napětí U Ae = i— ' ■ 2 e Ua kde r e, r je poloměr katody a poloměr anody. Rezonanční okruh připojený mezi anodu a katodu zajiStuje zrázováni elektronů a musí být naladěn na vlnovou délku danou vztahem 3,2a 3,3- Elektrony, které kmitají v radiálním směru ve vhodné fázi, dodávají do rezonančního okruhu energii a po dokmi t ani musí být z interakčního prostoru magnetronu odstraněny. Dosáhneme toho tím, že oau magnetronu odkloníme od směru magnetické indukce o úhel 3° až 5°. Tím získají elektrony složku rychlosti v axiálním směru, pohybují se k čelu váloové anody a Jsou zde zaohyoeny boční elektrodou. 3*3« Osoilaoe točivého pole Osoilaoo točivého pole vznikaj! v magnetronech e delenou anodou a v magnetronech s dutinovými rezonátory. Tento typ osollaoi má uejvětši praktický význam vzhledem k vysoké účinnosti a velkým vysokofrekvenčním výkonům. Je-li amplituda střídavého napětí v rezonátoreoh dostatečné velké a magnetické indukce B>Bj£, elektrony, které se dostávají do blízkosti anody, se pohybuji po křivkách podobných troohoidé (viz obr. 9.) Radiální složka vysokofrekvenčního pole způsobí zfrázováni a shlukování elektronů. Shluky se pohybují kolem dělené anody s takovou fází, Že Jsou tečnou složkou vysokofrekvenčního pole mezi segmenty brzděny. Tím předávají část své kinetické energie vf poli v dutinovém rezonátoru. Elektronové shluky, kterých je v interakčním prostoru magnetronu vždy poloviční počet než segmentů, připadne rezonátorů, musí obíhat kolem anody s takovou rychlostí, aby byl splněn princip synchronizace. T případě oscilací typu T musí za dobu oběhu elektronového shluku pod jedním segmentem dojit ke změně fáze vf napětí o T • Vyjdeme-li z tohoto prinoipu, můžeme vypočítat minimální anodové napětí, které může elektronu udělit tuto rychlost, tzv. potenciál synchronizace. 8 T o*m r 2 =--- • (—> 3,0 Pro efektivní provoz magnetronu však mu3Í být anodové napětí větší, alespoň takové, aby radiální složka rychlosti elektronu u anody byla kladná, a tudíž mohl téci anodový proud. Rozborem pohybu elektronu v magnetronu dojdeme k tzv. prahovému napětí, od něhož začíná magnetron pracovat 2 2 V uvedeném vzorci je u)^ kruhová frekvence elektronových shluku obíhajících kolem anody a splňujících princip synchronizace _ 4fo kde N Je počet štěrbin. Předpokládáme-li, že práce elektronů, vykonaná působením odstředivé síly, je mnohem menší, než práce elektronů v magnetickém poli, můžeme zanedbat v rovnici 3,5 druhý člen. Za předpokladu, že poloměr katody Je zanedbatelný vůči poloměru anody, dostáváme pro prahové napětí zjednodušený vztah - 18 - 2 T o B ✓v 3,6 Odtud mažeme vypočítat vlnovou délku buzených oscilací točivého pole 2To N B U, 3,7 P 3.4. Měření Studium elektronických oscilaci provádíme s magnetronem s nedělenou valcovou anodou v zapojeni vyznačeném na obr. 10. Obr. 10. Zapojení magnetronu s nedělenou anodou pro studium elektronických oeoilaoí 1 - cívka elektromagnetu, 2 - rezonanční okruh, 3 - Indikátor vf výkonu, Z - charakteristická impedanoe vedení. Nejprve naměříme statickou charakteristiku Ia a f (B) při konstantním anodovém napětí. Prudký pokles anodového proudu X odpovídá kritické hod-notě magnetické indukce B^. Za kritickou hodnotu B^ budeme brát tu hodnotu, při níž anodový proud klesne na 80 % maximální hodnoty. Statickou oha r&kteristiku vyneseme do grafu. Dále naměříme parabolu kritického režimu Eignetronu B^ = *"(ua)» fc*®rou rovněž zpracujeme graf loky. Studium oscilaci provádíme tok, že pro příslušné hodnoty U a B^ z paraboly kritického režimu dolaďujeme rezonanční okruh tak, až nastanou oscilace a magnetron dává maximálni výkon. Pak odečteme frekvenci buzených kmitů. Měřeni provádíme pro různé dvojioe Uft a B^ a vyneseme do grafů - 19 - závislost A = f( ) 3,8 Tato závislost by měla být lineární. Z grafu stanovíme směrnioi přímky a porovnáme ji s teoretickou hodnotou. Studium oscilací točivého pole v případě čtyřsegmentového magnetronu provádíme v zapojení podle obr. 11. Obr. 11. Zapojení čtyřsegmentového magnetronu 1 - elektromagnet, 2 - rezonanční okruh, 3 - indikátor vf výkonu. Magnetické pole vytváříme elektromagnetem. Hodnotu magnetické indukce mezi pólovými nástavol pro procházejíoí magnetizační proud odečteme z gra-duačního grafu. Anodové napětí odebíráme ze stabilizovaného stejnosměrného zdroje. Anoda magnetronu je uzemněna katoda je na vysokém záporném potenciáluI t Anodový proud měříme millampérmetrem. Žhavící napětí udržujeme konstantní, neboť jeho kolísání způsobuje velké změny anodového prou du. Výkon buzenýoh oscilací určujeme relativně pomooí vazební smyčky s diodovým detektorem v místě posuvného zkratu. Frekvenoi buzenýoh osoilaoi určujeme absorpčním vlnoměrem. Měření provádíme tak, že nastavíme hodnotu anodového napětí v intervalu 500 až 1000 voltů a zvyšujeme magnetizační proud- Jakmile dosáhne magneticko indukce B hodnoty vyšší než je kritická hodnota B^, hledáme pro různé hodnoty B doladěním resonančního okruhu nasazeni osoilaoí. Os-oilace zjistíme z výchylky na měřiči výkonu. Jakmile se Osoilaoe objeví, doladíme resonančnf okruh na maximální výkon. Pak odečteme vlnovou délku I buzených kmitů. Měření provádíme pro několik hodnot magnetické indukce B v rozmezí B^ < B < 1,8 3^. Naměřenou závislost X - ŕ í3^) vyneseme do grafu pro 2 hodnoty anodového napětí Uft V intervalu [500 V, 1000 V.] Z naměřených závislosti stanovíme konstantu úměrnosti K ve vzorci 3,7 a porovnáme ji s teoretickou hodnotou. Závislost prahového napětí na magnetické indukci se nazývá Hartree-ho přímka. V další části provedete měření těchto přímek *p « *u=konst. j při konstantním naladění rezonančního okruhu. S uvážením možnýoh vidů n oscilaci magnetronu a činnosti magnetronu na p-té prostorové harmonioe dostáváme pro prahové napětí vztah U = - B - -ä-- ( —^ ) 3(n * pH) 2 e n + P» kde u>n je kruhová frekvence buzených kmitů, n = 0, 1, 2, ... je vid osoilaoí a p s 0, -1, Í2, ... je číslo prostorové harmoniky. (Obvykle bývá p a 0 a pro čtyř segmentový magnetron pro vid T J« n 3 2 ). Při měřeni postupujeme tak, že pro danou hodnotu magnetické indukce B najdeme minimální hodnotu V_, příslušnou n-tému vidu, při níž osoilaoe Ir právě vznikají . Do H .rtreeho grafu vyneseme naměřenou Hartreeho přímku spolu s vypočtenou hodnotou potenciálu synchronizace O a vypočtenou pa- o rabolou kritického režimu. Ns.mSříte-li při konstantní magnetické indukoi několik hodnot T7p, při nichž vznikají osoilaoe, znamená to, že magnetron může kmitat v různýoh videch. Hartreeho přímky pak naměříte pro každý vid oscilaci. ■ ťkol t 1. Proveďte studium elektronických osoilaoí magnetronu* vyneste do grefu závislost J\ ~ * S*"" * stanovte konstantu k a porovnejte ji s teoretickou hodnotou. 2. Naměřte závislost vlnové délky elektromagnetických vln, buzených čtyř segmentovým magnetronem na magnetické indukoi pro 2 hodnoty anodového napětí. Vyneste do grafu a výsledek porovnejte s teorií* - 21 - 3. Namorte závislosti Up ss f (B)^^^ pro zjištěné vidy oscilací čtyřsegmentového magnetronu, sestrojte Hartreeho graf a určete vid buzených osoilaol. Literatura ; 1. A.Víebei : Velmi krátké vlny, Praha 1957. 2. Koválenko v : Vvedenie v elektroniku SvS., Moskva, 1956. 3. R, I- Sarbaoher, V.A.Edson I Hyper and Ultrahigh Frequenoy Bnginering, V.York, 19^6 k. I.V.Lebedev ; Technika i pribori SYČ, Moskva 1961 - 22 - k. PRACOVNÍ CHARAKTERISTIKY MAGNETRONU 4.1. Úvod Přímý výpočet vysokofrekvenčního výkonu, předávaného elektronovým paprskem vf poli v interakčním prostoru mnohorezonátorového magnetronu, Je velmi obtížný vzhledem k složitým drahám elektronů. Určení výkonu magnetronu a elektronové účinnosti se provádí proto tak, že určíme příkon magnetronu a anodovou ztrátu. Podle Slatera energie, kterou elektron předává anodě, je dána Jeho cyklotronovým pohybem. Pro,rovinné uspořádáni magnetronu dostáváme pro poloměr vytvářecí kružnioe R»-aJš- . 4,1 e B e B a kde d je vzdálenost anody a katody. Ryohlost, se kterou dopadá elektron na anodu, závisí na jeho fázi, maximálně může být 2 Ua v„ = cj . 2 R =s "■ 1 4,2 m ° B d Odtud maximální energie, předaná elektronem anodě bude 2 V = 2mTÍ 4,3 am "" "22 2 B d Průchodem potenoiálového rozdílu U mezi anodou a katodou získal elektron a celkovou energii V = eU . Pro účinnost tedy dostáváme s použitím zákona zaohování energie lf - V, u _am , 7 a ——— " 1 - «- am „ , - a 2 m 4 k B'' ed Rovnici můžeme upravit použitím vztahu mezi UftJt a z paraboly kritického režimu na tvar U B. 2 7=1- —2- ( ) 4,5 L U . B ak Tato rovnice vyjadřuje skutečnost, že pro hodnoty anodového napětí a m&g-tické indukce rovné kritickým hodnotám nastávají osoilaoe a účinnost je nulová, čím jsme dále od paraboly kritického režimu, účinnost vzrůstá. Pro magnetron s válcovou anodou a katodou můžeme v prvním přiblížení nahradit d = r - r. - Pak máme OL Ji, U Použijeme-li vztahu pro prahová napětí, můžeme psát, zanedbáme-li práoi elektronu v důsledku odstředivá sily, U (O (r2 - r2) B 2(n + p» ) Pro účinnost dostáváme pro p = O *.7 1 - r - r, n B a k 4,8 Pro daný magnetron a konstantní frekvenci con tedy účinnost vzrůstá s rostoucím n a rostouoí magnetickou indukcí B. Pro posouzení použitelnosti magnetronu pro praktická účely nám slouží tzv. pracovní charakteristiky magnetronu. Je to závislost U s f(l ), mařená při připojená přizpůsobená zátěži magnetronu. Prámetrem slouží magnetioká indukoe, buzený vf výkon a účinnost. Sií těchto charakteristik je vyznačena na obr. 12 Obr. 12. Pracovní charakteristiky impulznlho magnetronu praoujícího na frekvenci 3 GHz. Použití těchto charakteristik je zřejmá z následujíoího příkladu. Při anodovém napětí U s 20 kV potřebujeme generovat s uvedeným magnetro- nem výkon N s 400 k¥. Tyto údaje definují bod C v síti pracovních charakteristik. V bodě C tedy musí být magnetická indukce B = 0,194 T, účinnost bude ^ a 37 jí a anodový proud v impulzu lft a 47 A. 4.2. Měřeni pracovních charakteristik Provedete měření pracovních charakteristik Ü =j / (i )„ a o y a'B=konst. üa a f {Ia)Hsslconstm Pro magnetron 30SA51, který pracuje v trvalém režimu! na frekvenoi 2450 MHz. Zapojení magnetronu a měříoí aparatury Je uvedeno na obr. 13 Obr.13 Zapojení magnetronu pro měření pracovních Charakteristik 1 - magnetronový generátor MG 200s 2 - útlumový člen, 3 - směrová odbočnice s detektory postupujícího výkonu A a odraženého výkonu B, 4 - kalorimetrický vodní klín, 5 - vodní nádrž se stabilizaci hladiny, 6 — průtckoměr, 7 — termočlánek, 8 — zapisovací mikrovo1trnetr. I Pro měření používáme magnetronový generátor, osazený magnetronem 30SA51. Změnu anodového napětí provádíme regulací na primáru vysokonapäťového transformátoru. Magnetron zapínáme vždy s nulovým anodovým napťtísi i které pak postupně zvasujeme- Anodové napětí a anodový proud odečítáme - 25 - ' i ' na měřících přístrojích na panelu generátoru. Magnetické pole je vytvářeno permanentním magnetem s přestavitelnými pólovými nástavoi. Změnou vzdálenosti pólových nástavců maníme magnetickou indukoi B, Hodnotu magnetické indukce odečítáme z graduačniho grafu, udávajíoí závislost B na vzdálenosti pólových nástavců. Měření výkonu magnetronu provádíme kalorimetrickou metodou. Kalorimetrický wattmetr se skládá ze dvou hlavníoh části a) zatěžovaoího odporu dokonale přizpůsobeného, v němž doohází k absorpoi veSkeré přiváděné vf energie a b) zařízení na měřeni tepelné energie v zátěži Zatěžovaoi odpor Je tvořen klínem z plexiskla, jímž protéká voda. Průtok vody klínem měříme průtokoměrem. Rozdíl teplot vtékající a vytékají oí vody určujeme termočlánkem Cu-koustantan» umístěným přímo u vtoku a výtoku vody do klinu. Napětí termočlánku měříme zapisovacím mikrovolt-metrem. Cejchovnl křivka termočlánku udává přímo rozdíl teplot vtékající a vytékájíoí vody pro naměřené napětí. Známe-li rychlost protékající vody v zátěži v [om? a""1] a rozdíl teplot vody A t vypočteme výkon, dodávaný do zátěže dle vztahu P m v . A t . 4,18 [ ¥ " 4,9 Při měření je nutno vyčkat, až se teplota vody ustálí a napětí na zapisovači se dále nemění. Rychlost ustálení závisí na průtoku v a trvá i několik minut. Ve vlnovodové trase Je umístěn reflektometr, který měří výkon postupující vlny ve větvi A a odražené vlny ve větvi B. Vzhledem k tomu, že vlnovodová trasa je ukončena přizpůsobenou zátěži , musí být údaj ve větvi B nulový. Postup měření t Nejprve provedeme ocejchováni detektoru ve větvi A reflektometru. Magnetickou indukci nastavíme na maximální hodnotu, zvyšujeme postupně výkon magnetronu zvyšováním anodového napětí Ua, měříme proud magnetronu Ift a kalorimetrickou metodou výkon. Při měření odečítáme též příslušné hodnoty proudu 1^ detektoru ve větvi A. Do grafu vyneseme závislost P s f Při tomto měření získáme současně Jednu pracovní charakteristiku U s f (I )n Q . V další části měřeni snižujeme hodnoty B a pro kaž- a a oa; umax dou hodnotu B naměříme charakteristiku V st f (i )R Tyto charakte- Tconst. ristlky vyneseme do grafu. Dále naměříme křivky konstantního výkonu V& s f (^íp-toust. Mgřeni provádíme tak, že pro zvolenou hodnotu výkonu P « konst měníme magnetickou indukci B a anodové napětí U . Měřeni výkonu provádíme tentokrát - 26 - pomocí, ocejchovaného reflektometru pro pět hodnot nastaveného výkonu. Síí křivek konstantního výkonu Uft s Ť (la)p=konst vyznačíme ve stejném grafu spolu s křivkami konstantní magnetické Indokoe. Úkol : 1. Proved* t e ocejchovaní detektoru ve větvi A ref lektometru. 2. Naměřte síí praoovnloh charakteristik magnetronu U& = = f (Vlfakonst. a Ua a f (la>P=konst. a Wto J« *>:*»*». Literatura t I.V. Lebedev : Technika i pribori S9Č, Moskva 1964 5* STUDIUM ČINNOSTI ELEKTRONKY SE ZPĚTNOU VLNOU Elektronka se zpětnou vlnou - karci.notron - se používá Jako zdroj elektromagnetických vln v centimetrovém a milimetrovém oboru, činnost té-, to elektronky Je založena na interakci elektronového paprsku s elektromagnetickou vlnou, Siřici se po zpožďujícím vedení. Je-li fázová rychlosti vln, Siřících se po zpožďujícím vedeni vffrovna rychlosti elektronů v o a mé-li elektromagnetická vlna v místě, kde prochází elektronový paprsek, složku intenzity elektrického pole ve směru rychlosti vq, dooházi během celého průchodu elektronového paprsku kolem zpožďující struktury k vzájemnému působení elektronů s vlnou, jehož důsledkem je shlukování elektronů a předávání energie elektronů vlně. Princip vzájemného působeni lze objasnit analýzou drah elektronů v souřadném systému, pohybujícím se stejnou rychlostí, Jako je fázová rychlost vlny - obr. ľ*. Vó>Vř B Obr. l*t. Shlukování elektronů při interakci elektronového paprsku s elektromagnetickou vlnou Dráhy elektronů 1, pohybujíoloh se s rychlostí vo = vf v místě vlny, kde Ez ■ O, se pohybují stále stejnou rychlostí, elektrony 2, které se nacházely na počátku své dráhy ve zpožďujícím vedení v místě, kde složka pole vlny E^ má urychlující směr, získávají přírůstek rychlosti, elektrony 3 Jsou naopak zbrzděny. V důsledku toho vznikají po určité době průohodu elektronů zpožďujioim vedeném v místě A shluky elektronů, v místě B pak zředění. Je-li rychlost elektronů v paprsku vQ málo větší než fázová rychlost, přesouvají se shluky A do míst brzdného pole Ez , jak je vyznačeno Šipkou v Obr. 1'+, a předávají tudíž část své kinetické energie brzdnému vf poli £g. Činnost karoinotronu je umožněna interakcí mezi elektronovým paprskem a první zpětnou prostorovou harmonikou zpožděné vlny v periodiokém zpožďujícím vedení. Schéma karoinotronu s vyznačenou rychlostí vlny a elektronů je na obr. 15• 4- JI 1=1 1 1 1 hH+H - 11 _ 1 1 1 1 Kol. zv o * Obr. 15> Schematický nákres karoinotronu v - rychlost elektronů, v - grupová rychlost elmg.vlny, v^_^ - fázová rychlost první zpětné harmoniky, K - katoda, Kol - kolektor, ZV - zpožďující periodické vedení, ZQ - útlumový člen. Grupová rychlost elektromagnetické vlny, a tedy i přenos energie vlnou, je ve směru od kolektoru ke katodě, rychlost elektronů VQ a fázová rychlost prvé zpětné harmoniky míří v opačném směru, od katody ke ko lektoru. Je-li splněna synchronizační podmínka a platí přibližně vf_1 == vQ dochází k interakci elektronů S vlnou a Její amplituda vzrůstá od kolektoru směrem ke katodě, kde je výstup vf energie. Karoinotron pracuje Jako generátor elektromagnetických vln. Elektromagnetickou vlnu, šířící se po periodickém zpožďujícím vedení, ^ lze považovat za superpozioi nekonečno mnoha vln - prostorovýoh harmonik p. Fázová konstanta jednotlivýoh vln je dána vztahem i ^P ■ 5,1 kde p = 0, íif +2, zpožďující struktury. je číslo prostorové harmoniky a L je periodicita - 29 - Pro gonemoi elektromagnetických vln v karoinotronu se využívá první zpětná harmonika p = -1. Fázová ryohlost táto harmoniky Je vf-l 3 — 5,2 OJ /3 ♦ Jak Je zřejmé ze vzoroe 5,3 , Jsou prostorová harmoniky vlny disperzní, to znamená, že fázová ryohlost Je funkcí frekvonoe. T důsledku toho dané rychlosti elektronů vQ odpovídá Jen Jedna frekvence OJ , při níž je splněna podmínka synchronizaoe vf-l = vo 5.* Změnou urychlujícího napětí měníme vq, a tím měníme i frekvenci generovaných vln. Disperzní charakteristika Tf-1 " F 5,5 tedy určuje elektronickou přeladitelnost karoinotronu. Fázová ryohlost první zpětné harmoniky je záporná v oboru frekvencí, pro něž platí f->A >•< Pouze za této podmínky dochází ke generaci elektromagnetických vln. Budeme tedy vyšetřovat průběh fázové rychlosti ▼ tomto oboru frekvencí a všímat si pouze její absolutní hodnoty. Úpravou vzoroe 5,5 dostáváme pro 1 . 1 - 30 - a dále po využiti vztahu os X • f o L o 7 5,8 V těchto rovnloíoh vfq je fázová ryohlost zpožděné základni vlny. Za před pokladu, Se karoinotron praouje v režimu synchronizace vQ ■ vf<>1 , můžeme fázovou rychlost vf . určit z urychlujícího napětí U . r—j. _ o 2e U. Vo = vf-l 5,9 Grafem závislosti -~- ss F0(/\) je přímka, z jejíž směrnice lze určit "I periodicitu zpožau jícího vedeni L a z průsečíku s osou X pak fá- zovou rychlost v^ . 5.1 Měření Měření disperzní charakteristiky vf_x a P(f) provádíme v zapojení podle obr. 16 Obr. 16. Schema aparatury pro studium činnosti karoinotronu 1 - napájecí zdroj pro karoinotron, 2 - karoinotron, 3 - útlumový člen, 3 - vyvažovači člen pro vlnoměr, 5 - hybridní vlnoměr. 6 - ladltelný držák termistoru, 7 - aéřič výkonu. - 31 - Nejprve moříme závislost frekvence generovaných kmitů na urychlují-oím napětí Uo. Hodnotu napětí odečítáme na voltmetru na panelu zdroje, Při měření udržujeme konstantní proud karoinotronem. Frekvenci měříme hybridním vlnoměrem a odečítáme z přiložených grafů. Současně odečítáme generovaný výkon. Při každé změně frekvenoe však musíme doladit držák termistoru na maximální výchylku vra t metru. Z naměřených hodnot sestavíme graf závislosti vf-1 = F(f), P ■ Fj^f) a y»-c ■ ■ s F2 (a). Z poslední závislosti určíme L a v^. . f-1 Měření provedeme pro dvě hodnoty proudu karoinotronem I =» 20 mA a I . 30 ml. Dále provedeme měření závislosti výkonu karoinotronu na proudu elektronového paprsku. Výkon karoinotronu Je dán vztahem P - cc . Uft ÍI0 5,10 kde i I0 = Io - *on' *^on prahová hodnota proudu elektronového paprsku, odpovídájícíjjaasazení oscilaci. Maximální účinnost karoinotronu bývá pro hodnoty ° ■ = 2,5 -ŕ- 4,5» I on Do grafu vyneseme závislost výkonu P a účinnosti ^7 a ™ na proudu elektronového paprsku I0- °. ° Při měření větších hodnot výkonu používáme cejchovaný zeslabovaě, jimž snížíme generovaný výkon na hodnotu měřitelnou měřičem výkonu. 5.2. Úkol i 1. Naměřte disperzní charakteristiku s F(f), závislost výkonu P na frekvenci a z grafu s2—• = F0(> ) určete h a v_ . f-1 * ro 2. Stanovte závislost výkonu karoinotronu P a účinnosti ^ na proudu elektronového paprsku IQ. Literatura : 1 I.V.Lcbedôv : Technika i pribori SjfČ, Moskva, 196^. - 32 - 6. GENERÁTOR MIKROVLN S GUNNOVOU DIODOU 6.1. Princip Činnosti Gunnovy diody V rooe 1963 Gunn zjistil, že při vloženi stejnosměrného napětí Uo, vyššího než jistá prahová hodnota Up , na polovodičovou diodu s GaAst objeví se v proudu diodou periodické impulsy. Tento Gunuův jev byl později objasněn kvantovou teorii polovodičů typů podvojných sloučenin AXIIDV nebo ATTBV, (GaAs, CdTe, ZnSe atd.), které krystalují v mřížce typu sfaleritu. Pásové schéma těchto polovodičů je podobné GaAs, u něhož vodivostnl pás má kromě centrálního potenciálového minima P pro vlnový vektor k s 0 podružné minimum X^, položené o 0,36 eV výše a mající mnohem menší poloměr zakřivení, jak je patrno z obr. 17' WíeVJ Obr. 17. Pásová struktura GaAs typu N Vlivem silného elektrického pole může dojit k přenosu elektronů z hlavního minima do podružného minima. Vzhledem k tomu, že toto minimum je plo-ohé, Je efektivní hmota elektronu môf3|.^větší než efektivní hmota elektronů v hlavním minimu m , - 33 - Efektivní hmota, je dána vztahem *ef a2y d*1 6,1 Pro GaAs je ™efp « 0,068 me a m^yr^ a 1,2 me. V důsledku toho Je pohyblivost elektronů, naoháze jíoíoh se v minimu x_ , mnohem menší O 1 * -1 *■ 1 1 ( ^U2 a 5 * 10" m V" s~ ) než pohyblivost elektronů v hlavním minimu ( px s 0,62 m2 V"1 s"1). Vzroste-11 tedy intenzita pole ve vzorku GaAs nad prahovou hodnotu Ep = 3-0O0 V oa"1', vzroste koncentraoe elektronů v podružném minimu a v důsledku toho klesne celkové pohyblivost elektronů ve vodivostnlm pásu 6,2 - pl ^1 + n2 /V r - nl + n2 Zde n^ Je koncentraoe elektronů v hlavním minimu a n^ konoentraoe v postranním. Driftová rychlost elektronů v závislosti na Intenzitě elektrického pole ve vzorku má pak průběh, zobrazený na obr. 18. IkVmV Obr. 18 Závislost driftové rychlosti elektronů na intenzitě elektrio-kého pole a) a voltampérová oharakteristika b) diody GaAs - 3h - Diferenciální pohyblivost dvd od 0 do B je konstantní a odpovídá pohybu elektronů v hlavním potenciálovém minimu. Mezi body B a D se projevuje přechod elektronů do postranního minima a Je záporná. V bodě D jsou vSeohny elektrony v postranním minimu, pohyblivost je opět kladná, ale menší než v prvém případě. Jakmile ryohlost elektronů klesne pod v dU vrací se elektrony do hlavního minima. Záporné diferenciální pohyblivosti mezi body B a D odpovídá klesající část VA charakteristiky znázorněná, na obr. 18b. Uvedený jev dává vznik doméně vysoké intenzity elektrického pole, která se pohybuje od katody k anodě. Je-li intenzita elektrického pole v polovodiči větší než prahová hodnota Ep( pak jakákoliv náhodná fluktuace může vést ke vzniku lokalizovaného prostorového náboje v místech s nehomogenitou dopováni, v defektech krystalové mříže a zvláště v blízkosti katody. Nechť u katody vznikne vrstva záporného náboje, jak je znázorněno na obr. 19a. a) K c) drift i \ domény b) d) Obr. 19 Vznik domény vysoké intenzity elektrického pole v Gafls Za oblasti záporného náboje 3měrem k anodě vznikne vyšší elektrické pole, než Je kritické. V prostoru této domény klesne ryohlost elektronů. Z anodové strany domény budou elektrony rychle unikat k anodě, od katody se pohybují elektrony rychle do oblasti záporného náboje. Doména velmi rychle narůstá a pole mimo ni klesá. Za dobu přibližně 10~10s Je doména dobudovaná a začne se pohybovat rychlostí v^ = -"I"* vdp* *"*e vdp ^e drlftová rychlost ve slabých políoh, odpovídájíoí prahovému napětí ( vdu * ias~^). Dokud se ve vzorku doména pohybuje, nemůžo vzniknout další, neboť pole mimo ni je podkritické. 35 - P0 dopadu domény na anodu se objeví ve vnějším okruhu proudový impuls, původní hodnota intenzity elektrického pole E se obnoví a může vznikat další doména. Doba průletu domény závisí na dlíce Jí vzorku r- ^ Frekvence proudových impulzů je dána vztahem /= f . 6.2. Vidy činnosti Gunuovy diody Proudové impulzy, produkované Gunnovou diodou,vyvolávají na odporu, zapojeném do serie s diodou, napěťové skoky. Intenzita elektrlokého pole ve vzorku nesmí klesnout pod udržovací hodnotu &u, jinak se doména počni rozpadat. P0dmínky vzniku a rozpadu domény je nutné vzít v úvahu při studiu možných vidů osoilaoi buzených Gunnovou diodou. a) Rezonanční Gunnův vid Napětí napájecího zdroje t3q zvolíme takové, aby pole v diodě bylo větši než prahové E^ <. E^. Diodu připojíme k rezonátoru,, jehož rezonanční frekvence se rovná opakovacímu kmitočtu vytváření domény. Doba kmitu rezonátoru je tudíž rovna průletová době T = T . Doména může narůstat do stabilního stavu,dříve než intenzita pole klesne pod prahovou hodnotu. Tvar kmitů intenzity elektrického pole v diodě Je sinusový, jak je znázorněno na obr. 20 a. Musíme pouze zajistit, aby pole nekleslo poť/hodnotu E^. 1 když v záporné v čase t^ - t0 klesne intenzita pole pod prahovou hodnotu, doména se může vytvořit a dorazit k anodě na konol cyklu. Účinnost v tomto vidu je nízká, neboť proud do zé.t&Žě teče pouze při vybíjení domény. - 36 - I-1-1-(—i- i-(-H-1-- ti r t2T t tjt2 t t b) d) Obr. 20 Podmínky buzeni různýoh vidů osoilaoí Gunnovy diody b) Vid se zpožděnou doménou Doba kmitu rezonátoru T je větší než doba průletu T , Doména so dostane k anodě v okamžiku *£ - viz Obr. 20 b. T intervalu ^t^í t2> $e doména vybiji, nová jeäte nemůže vzniknout, protože B Ep. Z toho plyne, že frekvence je v určitém rozmezi určována laděním rezonátoru. Teoretická účinnost Je větší než v prvém případě , = 20 c) Vid s potlačenou doménou Zvýäit účinnost lze podle Copelanda tak, že necháme doménu rozplynout dříve, než dosáhne anody. Podmínkou pro potlačení domény je, aby pole kleslo pod hodnotu E I Dosahujeme toho tím, že zvýšíme amplitudu kmitá rezonátoru tak, že v záporné půlperiodě E < Eu. Obr. 20 o. Aby doména nemohla dojit v čaae <0; t^> k anodě, musí průletová doba T > T, tedy buzená frekvenoe f > . Frekvence buzenýoh kmitů se dá v určitém rozmezí ovlivňovat vlastní frekvencí rezonátoru. - 37 d) Vid s omezením akumulace prostorového náboje - LSA Volíme dobu kmitu rezonátoru menši , jako je doba průletu v domény. Při dostatečně velké amplitudě vf kmitů v rezonátoru a vhodném napětí U , I o i bude se v záporné půlperiodě snižovat pole v diodě pod hodnotu E , jak je znázorněno na Obr. 20 d. Časový úsek O až t^ nepostačuje na vznik domény,' případný náboj, který vznikl, se rozpadne v intervalu <*^5 t^>> " se náboj mohl v tomto intervalu rozpadnout, nemůže být tento interval libovolně malý. Tím je dáno horní omezení buzená frekvenoe. Označení LSA je zkratka anglického Limited Spaoe - chargé Aooumulatlon. Elektrony se pohybuji od katody k anodě vzorkem s negativní vodivosti a homogenním polem v převážné části cyklu, s výjimkou intervalu - tg. Impulzy proudu vůbec nevznikají. Dioda svým záporným odporem způsobuje odtlumenl připojeného rezonátoru. Pracovní frekvenoe je určena prakticky Jen rezonátorem a může být značně větší než frekvenoe průletu domény v předchozích videch. Oscilátory tohoto typu dosahuji frekvenoe kolem 100 GHz s výkonem desítky' mV. Vzhledem k jednoduchosti, účinnosti a vysoké frekvenoi se tento vid nejvíce rozšířil. Obr. 21 Zapojení oscilátoru ve vidu LSA - 38 - 6.3 Měřeni Studium činnosti Gunnovy diody Jalco osoilátoru pracujícího s videm LSA provádíme v pásmu X, v zapojení vyznačeném na obr. 22. Obr. 22 Schéma, zapojení pro studium osoilaoi Gunnovy diody v pásmu X 1 - zdroj ss napětí, 2 — osoilátor s Gunnovou diodou, 3 - útlumový člen, k — směrová odbočníce, 5 - vlnoměr, 6 - indikátor výkonu, 7 - držák termistoru, 8 - měřič výkonu. Nejprve nastavíme předepsané hodnoty napětí U0 > Up a proudu IQ diodou, odpovidajíoi činnosti GD v oblasti klesající voltampérové charakteristiky. Přelaďujeme rezonátor a hledáme oscilace podle výchylky indikátoru výkonu. Při nasazení osoilaoi odečteme jejich výkon a frekvenci. Při odečítání výkonu je nutno provést při každém měření doladění držáku termistoru, nebol; frekvence kmitů se mění. Při každém měření zaznamenáváme hodnoty proudu Gunnovou diodou a hodnotu pracovního napětí. Do grafu vyneseme závislost N = F^(f) a pro maximální hodnotu výkonu vypočteme účinnost. Měřeni provedeme pro 3 hodnoty pracovního napětí Gunnovy diody UQ s 10 V, 9 v» 8 V. Dále provedeme měření závislosti výkonu buzených osoilaoi P na pracovním napětí GD pro stálou hodnotu vyladěni rezonátoru. P = F2(U0). Napětí UQ snižujeme, až oscilaoe zaniknou. Současně měříme proud GD. Id = ^(00). Obě závislosti vyneseme do grafu. - 39 - 6.k tJkol: 1) Naměřte závislost výkonu oscilátoru s Qunnovcu diodou na frekvencii pro 3 hodnoty napájejícího napětí. Z) Pro konstantní frekvenci naměřte závislost výkonu a proudu Id na napájeoím napětí. Literatura! 1 L.Eckertová: Elektronika polovodičů, Skripta UK-Praha 1978. 2 P.Mihálka: Polovodičové súčiastky, Bratislava 1975. 3 J.Pokorný, F.Jelínek, K.Kieslloh: Gunnovy diody a lavinové diody, Praha 1974. k J.Plnot Přeladítelný mikrovlnný osoilátor s Ounnovou diodou, SI.O, _4_2_ (1981JN0 3f 115 - 120. - ko - f I 7. POLOVODIČOVÁ DIODA JAKO NÁSOBIČ FREKVENCE ■ 7.1 ÚVod Velni vysoké frekvence získáváme často násobením základní frekvence vf napětí použitím prvku s nelineární voltampérovou charakteristikou. Typickým prvkem s nelineární charakteristikou je polovodičová dioda. Náhrad* ní sohema násobiče frekvence je vyznačeno na obr. 23. a) 4 nx oj b) I 1 c^us J..1 Obr. 23 Náhradní schéma diodového násobiče frekvence a) s pomocným zdrojem předpětl TJ9, b) s automatickým vytvářením předpětí. 1 - zdroj střídavého napětí základní frokvenoe, 2 - pomocný zdroj závěrného napětí, 3 - dioda, k - vyvazovaoí obvod n-té harmonické. Vysokofrekvenční napětí U0 sin oj t se přivádí na diodu, jejíž úhel otevřeni e Je určován stejnosměrným napětím Us. Pulzující proud obsahují-oi vyšší harmonická složky prochází obvodem pro vyvázání požadované harmonické složky, na niž Je obvod naladěn. Pro tuto složku představuje vyvazovaoí obvod reálný odpor, na němž vzniká úbytek napětí. Pro ostatní harmonické složky představuje vyvazovaoí obvod zkrat. Vyšetřeme násobení frekvence na druhou harmonickou 2<*> . Napětí této frekvence, vznikající na vyvazovaoim obvodu, bude tím vyšší, čím vyšší bude druhá harmonická složka v proudu tekoucím diodou, tuto amplituda závisí Jednak na tvaru VA charakteristiky diody, Jednak na praoovním bodě diody, tj. na úhlu otevření diody «. Předpokládejme, že VA charakteristika diody je kvadratická - kl - I s k 7,1 Zde k je konstanta závislá na typu diody. Praoovni bod, a tedy 1 uhel otevřeni diody nastavíme napětím U , jek je patrno z obrazu Zh. 2a Oj/ Obr. 24 UsmSmSní střídavého proudu diodou s kvadratickou charakteristikou Amplitudu druhé harmonické složky pulzujícího proudu určíme z Fonrierova rozvoje. KapStí, přivedené na diodu v době otevření diody, je dáno vztahem V = TJo(oos OJ t - cos e) 7,2 Pro proud tekoucí diodou dostáváme dosazením do 7|1 2 2 I a k U (cos oj t - oos ») o 7,3 Velikost stejnosměrné složky proudu Io a amplitudu druhé harmonické I, určíme užitím vztahů ■ + -| •• 7,* I£ = I . oos 2 OJ t d CO t -t Dosadíme-li do těchto rovnic za proud X(t) z rovnice 7,3, dostaneme po provedeni, integrace pro stejnosměrnou složku Ic = ~jp-*- [ • - -J- -in 2 • + — oos 2«] 7.5 a pro amplitudu druhé harmonické * T 1 i i 1 1« a - • - sin 2 © + -*— sin k • 7,6 L 2 3 2k ■2 ti0 r x, Průběhyy —a f (») a -r» a f - (•) určené teoreticky k U* ,l k TT ~~—— o o jsou znázorněny na grafu - Obr. 25. Ve stejném grafu Je vyznačen i podíl — = f (§) , který charakterizuje činnost diody ve funkoi násobiče o v závislosti na úhlu otevřeni diody. Obr. 25 Teoretioký průběh stejnosměrné složky I0, amplitudy druhé harmonické I0 a jejich podílu —2- v závislosti 2 I na úhlu otevření 0. o - 43 - 7.2 Násobení frekvence v pásmu X Závislost fx (©), f2(e) a ^t0) ar5l«e experimentálne měřením stejnosměrné složky I0 a amplitudy druhé harmonické X^ pří násobení základní frekvenoe f± = 10 GHz na frekvenci f 2 a 20 GHz. Měření provádíme v zapojení podle Obr. 26 S ô Obr. 26 Schéma zapojeni pro násobeni frekvenae v pásmu X 1 - zdroj pro klystron, 2 - reflexní klystron, 3 - směrová odbočnice, k — vlnoměr, 5 — útlumový člen, 6„- přechod vlnovÔC/- koaxiál, 7 - násobící dioda, 8 - vlnoměr, 9 - detektor druhé harmonické, 10 - měření složky I0 a zdroj Ug. Vysokofrekvenční výkon z klystronu přivádíme přes útlumový člen a přechod vlnovod-koaxiál na násoblol diodu, umístěnou v laditelném vlnovodovém držáku diody, určeném pro frekvenční pásmo (f^ = 20 GHz). Frekvenol v pásmu X měříme dutinovým vlnoměrem QHV 22211. Proud tekouc! násoblol diodou IQ měříme ^A—metrem, pracovni bod a úhel otevřeni nastavujeme pomocným obvodem A. Vysokofrekvenční signál druhé harmonické vedeme vlnovodem přes vyvažovači člen pro vlnoměr do laditelného držáku diody, kde usměrněný proud 1^ je úměrný výkonu na frekvenol 20 GHz. Amplituda budícího proudu druhé harmonické I2 bude úměrná Y 1^ !-> = k 7,7 Při měření udržujeme mikrovlnný výkon v pásmu X konstantní, tzn. U ve vzorci 7,5 a 7,6 je konstantní. Měříme závislost proudů IQ a 1^ na stej- nosměrném napětí V£ sáhne nulové hodnoty, je U = U 9 (J Proud! Io klesá s rostoucím U^, v případě, že I do- - 45 - Úhel otevření diody určíme ze vztahu U oos 9 a 7,8 Do grafu vynášíme závislostiZQ = (»), fž^ = f2(e) a a porovnáváme s teore tickými průběhy. 7*3 Ověření činnosti diody ve funkci násobiče.pomocí frekvenčního analyzátoru Násobení frekvence pomocí diody můžeme ověřit na modelovém zapojení - Obr. 27- „1kHz o ANALYZÁTOR Obr. 27 Zapojení pro frekvenční analýzu proudových pulzů diody Měření provádíme tak, Se nejprve nastavíne potenciometrom napětí Ug na hodnotu 0,5 V. Poté zvyšujeme amplitudu signálu na frekvenci 1 kHz, až se objeví minimální hodnota proudu diodou Z. Amplitudu střídavého napětí pak neměníme a proměřujeme pouze amplitudy harmonlokýoh složek proudu Ix, I2, Xy 1^ v závislosti na úhlu otevření diody, který je dán vztahem 7,8. Závislosti I^j, 1^ na 0 vyneseme do jednoho grafu. 7.k Použití varaktoru pro násobení frekvence Varaktor je jedním druhem kapacitní diody s hyperstrmým přechodem P+N. Protože konoentraoe nečistot v typu P+ Je mnohonásobná větší než v typu N, oblast prostorového náboje je situovaná prakticky Jen v typu N. Kapacita diody vzniká ze dvou příčin a) z hromaděni nosičů náboje b) z kapacity prechodu OPN Když dioda tohoto typu pracuje jako vf usměrňovač, nadbytečný náboj v typu N, nahromaděný v kladná půlperiodě napětí, potrebuje Jistý krátký čas na rozptýlení po vypnutí zdroje. Tento čas je určován dobou života děr v polovodiči typu N. V důsledku toho na tnikrovlnnýoh frekvenoíeh pokračuje vodivost určitou dobu i po obráoení polarity vf napětí. V průtoku usměrněného proudu diodou se pak objeví i píky opačná polarity s velmi strmým poklesem, jak je znázorněno na obr. 28. Obr. 28 Tvar proudu varaktorem při usměrněni mikrovlnného napětí Tento průběh proudu s ostrými píky má bohatý obsah vyääíoh harmonických, takže dokonce i 25 harmonická složka má upotřebitelnou amplitudu z hlediska násobení frekvence. Je-li připojen k varaktoru ostře laděný rezonátor, je účinnost ješt^ na 8 harmonice ^ = 30 i». S rostoucím činitelem násobení n účinnost = -p" klesá. Zde P^ je výkon základní frekvence a Pn výkon n-té harmonická. ^ Varaktory praoují bez stejnosměrné polarizace a Je nutno je při provozu velmi dobře chladit. u V zapojení podle obrazu 29* provedete měření účinnosti 'y ■ — násobiče s varaktorem na k harmonické v závislosti na výkonu P^. Obr. 29 Schéma zapojení pro násobení frekvence s varaktorem 1 - zdroj pro klystron, 2 - klystron, 3 - směrová odbočuioe, h - vlnoměr, 5 - útlumový člen, 6 - přechod vlnovod-koaxiál, 7 - držák varaktoru, 8 - vlnoměr v pásmu K, 9 - držák termistoru, 10 - měřič výkonu - k7 - <6 ■e X 6 X K 10 K 7 8 h--«HH 7-5 Úkol: Obr. 29 1) Namgřte závislost stejnosměrné složky XQ a amplitudy 2 harmonické I2 na úhlu otevření diody ©. Do grafu vyneste průběh funkoi Io = ^(e), I2 = f2(B) a = (e) 2) Pomooí frekvenčního analyzátoru stanovte závislost první oh k harmonických složek proudového pulzu diodou na úhlu otevření I. a f(e) pro i . 1, 2, 3, p 3) Stanovte účinnost násobiče na h harmonické s p** pro různé hodnoty vstupního mikrovlnného výkonu P^. * Sestrojte graf /J = /(P^). Literatura: 1 P. Mihálka : Polovodičové súčiastky, Bratislava 1975- - US - 8- MŽÍIeNÍ VYSOKOFREKVENČNÍHO VÝKONU 8.1 Úvod Při měření vysokofrekvenčního výkonu Je nutné nejprve přeměnit energii elektromagnetického pole na jiný druh energie, přímo měřitelné, např, na energii tepelnou. Při této přeměně musíme dbát na to, aby veškerá energie elektromagnetické vlny se absorbovala v měřícím prvku. Dále Je nutné přesně měřit energii absorbovanou v měřícím prvku. Další problém, který je nutno řešit v souvislosti s měřením vysokofrekvenčních výkonů různých úrovní je problém děličů výkonů a odbočnic se známým průchozím útlumem. Jednotlivé měřící metody se liší řešením uvedených problémů. Podle účelu a metody měření dělíme wattmetry na pohlcovaoi a průchozí. Jejich konstrukce se liší podle velikosti měřeného výkonu i podle frekvenčního pásina. Pro měřeni v pásmu centimetrových vln se nejčastěji používá měřič výkonu s můstkovým zapojením termistoru, v němž dochází k absorpoi vysokofrekvenčního výkonu. Využívá se zde negativní závislosti odporu termistoru nu teplotě. 8.2 Přenos vysokofrekvenční energie ze zdroje do zátěže Vyšetřeme nejprve podmínky optimálního přenosu energie z vf generáto ru do zátěže. Náhradní schéma generátoru s obecnou vnitřní impedancí Z zatíženého impedancí Zg, je uvedeno na Obr. 30. 8' Zg=Rg*>Xg Uz 1 Zz=R2+iXg J Obr. 30 Náhradní schema generátoru se zátěží Z Pro výkon střídavého proudu v zátěži platí P s ? R U . í* z 2 e z z 8,1 Zde U a I je komplexní amplituda napětí a proudu zátěži, symbol oznn. z z čuje komplexně sdruženou veličinu. Po dosazení dostáváme a,2 - i*9 - Výkon, absorbovaný v zátěži, je jak funkcí R^, tak i X . Za předpokladu, že Z je konstantní, dostáváme pro maximální výkon podmínku S Xe " a Rg = Rz 8«3 Pro maximální výkon, dodávaný ze zdroje do zátěže, není podmínka rovnosti reálných, části impedance zátěže a generátoru dostačujíoí. Je-li výstupní impedance indukční povahy, musí být zatěžovaoí impedance stejně velká,ale kapacitního charakteru, to znamená, že reaktančni složky musí být v sériové rezonanci. Za těchto podmínek je přizpůsobení generátorů závislé na frekvenoi a je nutno ho při změně frekvence obnovit. V případě, že generátor je přizpůsobený na použité přenosové vedení, je Xď = O a R st Z , a tudíž pozadu jeme-11 maximum přeneseného výkonu do jj g o zátěže, musí = ZQ. To znamená, že vedení je zakončeno oharakteristio-kou impedanoí vedení ZQt nedochází k odrazům vf energie a na vedení nevznikají stojaté vlny* Tento případ se většinou v praxi vyžaduje. 8.3 Měřič výkonu s termistorem Měřič sestává v podstatě ze dvou čái-tí. První je držák termistoru, který se připojuje na mikrovlnnou trasu. Tento prvek musí zaručit, že veškerá dopadající energie je v termistoru absorbována a změní se na tepelnou energii. Držák musí obsahovat mikrovlnná prvky, jimiž je možné provést přizpůsobení odporu termistoru charakteristické impedanci vedení. V našem případě je přizpůsobení prováděno paralelním reaktačním vedením, které můžeme připojovat v proměnné vzdálenosti od termistoru, umístěného na konci vedeni. Přizpůsobení lze sledovat pomoci Smithova polárního diagramu. Neohf y^ a g^ + ib^ Je obecná normovaná admitance termistoru. Transformací vedením délky 1^ dostaneme v místě A vedení hodnotu yt2 s 1 + ibt2. Připojime-ii v místě A k této transformovaná admitanoi reaktačni vedení s admitanci yR = - ibt2' J° výsledná admitance v místě A dána součtem v ■ Vt2 + TR = 1 8»lf Dosáhli jsme tedy přizpůsobeni. Druhou částí měřiče výkonu Je odporový můstek, do Jehož jedné větve je termistor umístěný v držáku připojen. Tímto můstkem můžeme kontrolovat hodnotu odporu termistoru. Vzhledem k tomu, že odpor termistoru se při absorpci vf energie nesmí měnit, aby se neměnilo impedanční přizpůsobení v mikrovlnné trase, používáme můstkovou metodu měření výkonu se stejnosměrnou nebo střídavou kompenzaci. Objasněme činnost můstku se stejnosměrnou kompenzací, používaný ve cvičení. 50 - Schéma můstku je vyznačeno na obr. 31 Obr. 31 Termistorový můstek se stejnosměrnou kompenzaci Abychom dosáhli nejvyšší citlivosti můstku, volíme = a približ4 ně R^ = R^,« Můstek vyrovnáme ve stavu, kdy můstkem teče proud IQ, který současně předehřívá termistor. Za uvedenýoh předpokladů se proud rovnoměrně dělí do obou větví mostu, Ig = 0. Pak výkon, dodaný stejnosměrným proudem do termistoru, bude r. •)' 8,5 Přivedem-li nyní vf výkon P^ do termistoru, vzroste v důsledku toho jeho teplota a klesne odpor - rovnováha mostu se poruší. Obnoveni rovnováhy mostu dosáhneme změnou stejnosměrného proudu I0, který musíme snížit na hodnotu 1^ takovou, aby platilo P„ + P, = P„ v 1 o 8,6 kde P^ Je výkon dodávaný nyní stejnosměrným proudem 1^. Pro vysokofrekvenční výkon tedy dostáváme Pv = r- < *o - 4> Přesnost měření závisí na přesnosti stanoveni rozdílu proudů IQ 8,7 5J . 8. Měření Mořeni výkonu dra generátoru provádíme v zapojení podle obr. 32 _1— ? 1 '-L ' j. / -2~^-1-= U 3 - f^T J 4 A 12 Obr. 32 Schema zapojení měřící aparatury s termistorem a přizpůsobovacími prvky 1 - vf generátor, 2 - měřící vedení , 3 - přizpůsobovací Člen, 4 - můstek Nejprve vyrovnáme můstek s předepsanou hodnotou odporu termistoru R. zaě- t nou napájecího proudu IQ. Hodnotu proudu IQ odečteme. Pak provedeme přizpůsobení termistoru v mikrovlnné trase. Zapneme vf generátor a "^"^ délky vedení lx a 12 tak, až absorbovaný výkon v termistoru je maximální. 7 tom případě na měříoím vedení zjistíme PSVN rovný 1. Před přizpůsobením sl ještě zjistíme ze vzdálenosti minim stojatých vln na vedení frekvenci elektromagnetických vln. Máme-li přizpůsobení provedeno, odečteme hodnotu stejnosměrného proudu 1^ při zapojeném vf generátoru a vypočteme vysokofrekvenční výkon P podle vzoroe 8,7* Měření výkonu provedeme pro 5 hodnot anodového proudu vysílací elektronky v generátoru. Odečteme dálky přizpůsobovacího vedení 1^ a 1^ a porovnáme Je s teoretickými hodnotami, získanými pomooí Smithova impedančního diagramu za předpokladu, ze impedance termistoru Je čistě reálná R^. 8.5 tJkol t 1) Změřte závislost výkonu vf generátoru na proudu IR vysílací elektronky, vyznačte graficky P s f (i } 2) Naměřte délky 1, a 1„ přizpůsobovacího vedení a porovnejte Je s teoretickými hodnotami. Literatura : 1 Valitov, Sretenskij : Radioteohnioká měření, Praha 1957 - 52 - 9. VYZAŘOVACÍ A POLARIZAČNÍ DIAGRAM SMEROVÝCH ANTÉN 9.1 Úvod í Směrovou anténou rozumíme takové uspořádání jednoho nebo několika činných anténníoh vodičů, vyzařující energii převážně v jednom směru. S výhodou používáme těchto antén při radiových spojích mezi dvěma účastníky. Směrového účinku dosahujeme u lineárních antén tak, že použijeme víoe jed-noduohýoh dilčíoh antén, napájených vhodně velkými proudy s vhodnou fází. Některé dílčí antény nemusí být vůbec napájeny, působí pak jako reflektory nebo direktory. V praxi nepoužíváme obvykle zcela obeoného uspořádání anténní oh prvků, anténa se skládá z určitého počtu dílčích antén, geometrioky shodných. V pásmu centimetrovýoh vln se používá jako směrových antén trychtýřových antén, případně dielektrických antén. Maximální ostrosti svazku elektromagnetických vln dosahujeme kombinaoí trychtýřových antén s parabolickými reflektory. Záření antény charakterizujeme buďto intenzitou elektrické složky pole v konstantní vzdálenosti od antény v závislosti na směru záření, nebo pomooí vf výkonu, vyzařovaného do různých směrů. V prvém případě vyjadřujeme intenzitu elektrioké složky pole na kouli, opsané kolem antény jako bodového zdroje, pomooí poměrové charakteristické funkce záření Bo< f,* > a Eomax^< f- 9'X E0 Je amplituda intenzity elektriokého pole v obecném směru, Eojnax pak ve směru maximálního vyzařováni. ($ (f.91) ÍB poměrová charakteristická funk-oe záření. Vyneseme-li tuto závislost v polárníoh souřadnicích, dostáváme polární diagram záření antény. Je-li ^ ( ý , v* ) funkoí obou proměnných, sestrojujeme obvykle dva diagramy. Horizontální d\( fc» V* ) » vertikální d2( f, f0)• Vyneserae-li v polárních souřadnioích závislost vyzařovaoiho výkonu na směru záření, dostáváme výkonový diagram záření. Tento diagram se často používá v oboru om vln. 9.2 Zisk antény Předpokládejme, že v anténě nedochází ke ztrátám energie, pak poměr výkonu, vyzářeného isotropiokou anténou k výkonu, vyzářenému smerovou anténou V za předpokladu, že v libovolném bodě ve směru maximálního vyza-řování směrové antény je intenzita elektromagnetického pole obou antén stej-ná, nazýváme zisk směrové antény s 53 - Výpočtem výkon, vyzářený isotropiokou a směrovou anténou, jejíž charakteristickou funkci záření £ (*f , ^P)známe. Celkový výkon, vyzářený anténou. Je dán integrací Poyntingová vektoru P přes kulovou plochu, opsanou kolem antény jako bodového zdroje ¥ = [ P"(ft$) ÚS 9t3 8 Elektromagnetickou vlnu u povrchu koule, jejíž poloměr je dosti velký, můžeme považovat za rovinnou. Pak platí E = H . Zp 9tk kde Zp je vlnový odpor volného prostoru. V soustavě SI je Z b 120 1T . V oblasti záření je E X H a tedy P-Hr- 9,5 Po dosazení do 9,3 dostáváme ¥ s ^i- J E2 d S 9,6 P s Integraoi po kulové ploše _ o poloměru R dostáváme pro vyzářený výkon ^- Í I E2 sin f d f dJ 120 t ^=0 fzzO 9,7 Pro izotropní anténu ( E = konst. ) dostáváme 2 2 ¥ 3 -£—2— o 8 i 30 y,° Použitím vzoroe 9,1 provedeme výpočet výkonu vyzařovaného směrovou anténou pro známou charakteristickou funkoi záření d ( 'f > -í) charakterizující rozdělení intenzity elektrického pole na kouli opsané kolem antény a hodnotu Emax intenzity pole ve směru maximálního vyzařování antény. Dostáváme r 2T 2 »2 - Emax11 V, 120 ^(f sin v* d f dv* 9,9 0 0 Pro zisk antény máme po použití vztahu 9,2 - 54 - 1 . R2 E2 nx max -J£_,___ 9,10 í2ôt r2eL j f d2 (f,f) *±n?*n 0 0 - Za předpokladu , ž* vyzařovaoí funkoe nezávis! na úhlu f , anténa záři lounirni kolem osy anténního vodiče umístěného ,v ose Z, dostáváme -7- 9,11 4- f ) si»v*dv* Provedem-li výpočet pro elementárni dipól, pro nějž ^ (#) = «in v" dostáváme O = ^ Zisk můžeme určit graf loky z naměřeného vyzařovacího diagramu (i?1). Sestrojíme funkoi M(v") = é (v") * ^sin {T a vyneseme ji v polárních sou-radnicích. P]ooha A omezená křivkou M je dána integrálem A*| J <*2 (?) sinvW 9,12 Porovnáme-li tento vyraz se vzoroem 9,11, vidíme, že zisk Je dán vztahem G » -J- 9,13 Při stanovení plochy A a určení funkoe MÍ-^ } nesmíme zapomenout. Se 6* (v") má maximální hodnotu ve směru maximálního vyzařování Bax s 1. T těohžs jednotkách, v nichž zobrazujeme & , počítáme i II a A. Orientaoi antény v souřadném systému musíme volit tak, aby osou symetrie vyzařovaoího diagramu byla oaa z, tj. charakteristická funkoe zářeni nezávislá na azimutu f . V případe antén, zářících symetricky kolem anténního vodiče (dipól), umísťujeme vodič v ose z. V případě, že anténa září Jen v jediném směru, umísťujeme osu z do tohoto směru. Orientace antén 1 vyzařovaoího diagramu^Jsou vyznačeny na obr. 33 Daläí veličinou, charakterizující směrovost antény, je směrový úhel. Je definovaný jako úhel, který svírá směr maximálního vyzařování se směrem, v němž vyzařovaný výkon klesne na polovinu. - 55 - Obr. 33 vyzařovací diagram směrovýoh antén 9.3 Polarizační diagram Některé antény mohou vytvářet elektromagnetioké vlny elipticky nebo kruhové polarizované, jiné vytvářejí vlny lineárne polarizované. Leží-li vektor intenzity elektrického pole v rovině kolmé k povrchu zemskému, hovoříme o svislé polarizaci. Eliptickou polarizaci si lze představit jako eliptickou šroubovioi, jejíž osa splývá se směrem Šíření vln. Vektor intenzity elektrického pole má počátek na ose ěroubovioe a koncový bod se pohybuje po Šroubovioi* Polarizaci elektromagnetických vln můžeme určit pomoci lineárně polarizované antény, která Je otáčivá v rovině kolmé na směr Síření vlny. Otáčením přijímaoí antény k této rovině zaznamenáme polarizační diagram - obr. 3**. Polarizační elipsa Je tomuto diagramu vepsaná. a) V Obr. 3k Polarizační diagram - 56 - $.k Měření Měřeni vyzařovacího diagramu dipólu, Yagi-antény a šroubovioové antény provádíme v pásmu dm vln. Vf výkon odebíráme z generátoru LMS 522. Jako vysílací antény používáme půlvinný dipól, který napájíme přes měřící vedení,pomocí něhož kontrolujeme přizpůsobení dipólu. Schéma zapojení je vyznačeno na Obr. 35 - 7 Obr. 35 Schéma zapojení pro měření vyzařovaoí charakteristiky Měřenou anténu nastavíme do směru maximálního příjmu. Pak otáčíme anténou v horizontální rovině a zaznamenáváme výchylky detektoru v závislosti na úhlu otáčeni fy . T detektoru používáme polovodičovou diodu s kvadratickou charakteristikou. Údaj detektoru Je tedy úměrný kvadrátu intenzity elektrického pole. Charakteristickou funkoi záření proto získáme jako odmocninu měřenýoh údajů. é = |(f(^) kdef(^)s-^~ 9,14 ' max Do diagramu vyneseme závislost fív71), ď (T) a Mí^*) a stanovíme ploohu A, jak je vyznačeno na obr. 36- Zisk určíme pomocí vztahu 9|13* Z diagramu určíme rovněž směrový úhel \T • Měřeni provedeme nejprve pro půlvlnný di-pól, pak pro Yagi-antenu a nakonec pro anténu šroubovioovou. Sroubovioová anténa je zdrojem kruhově polarizovaných vln. Uspořádání antény je vyzná, čeno na Obr. 37a. Sroubovioová anténa je napájena koaxiálním vodičem, jehož vnější plášť končí na vodivé odrazové desce, která zaostřuje záření ve směru šroubovice. Šroubovice může vyzařovat energii třemi různými způsoby v závislosti na průměru D, rozteči S a počtu závitů N. Způsoby záření Jsou vyznačeny na Obr. 37 b, o, d. Obr. 37 Sroubovioová anténa a) konstrukce, b) osový způsob záření, oj způsob „v d) normální způsob záření - 58 - Pro normální způsob záření platí , přičemž musí být splně- na podmínka D <0,15 ^ a S <^0,1 /\ , tedy vlnová délka musí být větší než rozměry spirály. Je-li použito příliš vysokého kmitočtu, září tato anténa ve tvaru . Nejdůležitější Je osové záření. Aby Šroubovioe zářila tímto způsobem, musí obvod smyčky O = A , stoupáni závitů 5°<" cC < 20° a maximální rozměry D a S dané vztahem D = ■t2^fl . V těohto vztazích se D a S vyjadřuje ve vlnových dálkách. Činná složka vstupní impedance Je přibližně 150Í1 . 9*5 Měření vyzařovacího diagramu dielektrické antény Předpokládáme-li kruhový průřez dielektrického válce, můžeme si představit, že elektromagnetická vlna je vytvořena superpozicí rovinných vln, postupujícíoh normální rychlostí šikmo na osu válce a odrážejíoíoh se částečně zpět od rozhranní do dielektrika, částečně pak procházejících mimo n - ij- 1 1 1 a) b) Obr. 38 Schéma drah jednotlivých rovinných vln v dielektriokám válci Jedná se tedy o typ vedení, které ní pájí anténní řadu bodových zdrojů s podélným vyzařováním. Dielektrická anténa dává úzký svazek elektromagnetických vln, s rostoucí délkou anténního válce se zužuje hlavní paprsek. Průměr antény se volí přibližně 0,5 ^ , zisk antény je dán přibližným vzoroem O = 8 a šířka paprsku pro poloviční výkon -ty =• 60 Místo plného dielektrického válce můžeme také použít dielektrioké trubice. Optimální průměr trubice D = A a tloušťka stěny b = kde £ je dielektrioké konstanta materiálu antény. 10 9.6 Měření polarizačního diagramu Šroubovicovou anténu a dipól, jejichž polarizační diagram měříme, za< pojíme postupně jako vysílací antény. Signál vysílaný přijímáme anténou s lineární polarizaol - půlvlnným dipólem. Otáčíme-li přijímacím dipólem 59 - v rovině kolmá na směr šíření, je napětí na anténě úměrné složce intenzity elektrického pole, rovnoběžné právě s dipólem. Jako detektoru používáme polovodičové diody. Polarizační diagram vysílací antény získáme tak, že vy-neseme v polárních souřadnicích závislost F(^>) = Id(^) , kde *f je úhel, který svírá přijímací dipól s vodorovnou rovinou. Minimumja maximum polarizačního diagramu určuje polarizační elipsu. Pro konstrukci polarizační elipsy můžeme využit vlastnosti, že polarizácii! diagram je geometrickým místem vrcholů pravých úhlů mezi průvodičem a tečnou elipsy. 9.7 £0 10,6 Pro reálnou a imaginární složku dostáváme £r =£ » f i = Jf0 10,7 Ztrátový úhel Je definován vztahem £t oj££0 dielektrika V optioe se používá pro charakter i s tikuYkoeficient odrazu r a fázový posuv y* vektoru intenzity elektrického pole rovinné vlny dopadáJíoí kolmo na povrch dielektrika. Užijeme-li Fresnelovýoh vzorců, můžeme psát E s — B r e1^ = * - °^ " **>- Eo 10,9 ° 1 + n(l - ik) ° T tomto vzorci n Je index lomu a k koefioient absorpce. Ze vztahu 10,9 dostáváme r2 „ (n - l)2 4- n^ 2 (n + i)2 + nV a pro úh-.T tjf 2 n k tg tf/ = 10,10 10,11 nÄ(l - k*) - 1 2 Analogioky jako komplexní dielektrickou konstantu zavádíme komplexní index lomu nQ = n - i k. Z tohoto vztahu užitím Maxwellovy realoe £Q = (no) můžeme vypočítat vztah mezi £T, £^ a n, k. cr = n2 - » £i ~ 2 n k 10,12 - 62 - 10.2 Hezonátorová metoda Jednou z často používanýoh metod měření dielektrické konstanty a ztrátového úhlu pevných i kapalných dielektrik v mikrovlnné oblasti je rezo-nátorová metoda. Spočívá v tom, že při zaplnění vnitřní dutiny rezonátoru, aE již částečně nebo zcela, dojde ke změně rezonanční frekvence a ke změně kvality rezonátoru. Tyto změny jsou určeny vlastnostmi dielektrika, jeho objemem a polohou v rezonátoru. Z naměřených změn lze určit reálnou i imaginární část komplexní dielektrické konstanty. Zcela přesné řešení uvedeného problému spočívá v řešeni Maxwellovýoh rovnic v dutině bez dielektrika a s dielektrikem. Toto řešení je značně obtížné a vede na trnsoendentni rovnice a dá se řešit pouze grafickými metodami tl I Nejčastěji se používá přibližné řešeni pomocí poruchové teorie, vypracované Slatérem |2 | . Podle této teorie pro změnu rezonanční frekvence a změnu kvality částečně zaplněného rezonátoru platí v prvním přiblížení 4 dV ZA U) fc = - ( SL - D r ■*■' , 10,13 J E,2 . A -i- = £ __V_ 10,14 dV Zde ^(x, y, z, t) značí prostorové rozložení inzenzity elektriokého pole k-tého vidu uvnitř rezonátoru, V Je objem rezonátoru zaplněný dielektrikem, V Je objem rezonátoru, oj^ je rezonanční frekvenoe k-tého vidu, AOJy^ - t*J(j ~ We ^e změna rezonanční frekvenoe způsobená dielektrikem. Použijeme váloový rezonátor, pracujíoí s videm TEq11 a dielektriku ve formě válcové tyčinky o poloměru b umístíme v ose rezonátoru. Rozložení pole uvažovaného vidu v dutině je dáno vztahem E y (r, z) = A sin J± (3,832 f) 10,15 Elektrické pole má pouze složku E ý , ^ je výška rezonátoru, a je poloměr rezonátoru, Jj^ je Besselova funkce l.řádu. Zavedeme-li válcové souřadnice a dosadíme-li do rovnic 10,13 a 10,14 za E^. = E ý , můžeme vypočí- - 63 - tat integrály a určit £^ a Po úpravě dostáváme l b - 2 (f _ f) A* J Sll»2^ dz | Jí(3»832 f) • r . dr -—- ~ ( £' - 1) -/ - 1 A2 J sin2^ dz j"jfj(3,832 f) . r . dr Vzhledem k tomu, že dielektrioký váleček má délku větší než výška rezoná- 1 . toru, jsou Integrační meze v prvním integrálu v čitateli i jmenovateli výrazu 10,16 stejná. Výraz se zjednoduší na tvar b i jjj(3,832 |).r.ar a JjJ(3,832 J).r.dr A f a ^r ' O_ 10,17 fo " O Použijeme rekurentního vzorce ! x J2(kx) x dx = \ x2 [jj (ki) - JQ(kx) J2(kx)] 10,18 Pro změnu rezonanční frekvence dostáváme df - €T ■ 1 /D,2 [4<3,832 |) - J0(3,832 |) J2<3,832 £)] f 2 *a' [jj(3,832) - JG(3,832) J2Í3,832)] 10,19 Z tabulek vyhledáme hodnoty Besselových funkcí příslušného argumentu ^(3,832) a O, J0(3,832) = - 0,^028, J2(3,832) = 0,4028 Označíme-li dále B = [j2(3,832 |) - J0(3,832 |) J2(3,832 £)] 10,20 - 64 - dostáváme Af fo B a odtud 0,325 LOSI . (£■) ŕ^-ľ2 d ' B fo V-Jr 10,21 Obdobně dostávám* pro Imaginární část dielektrické konstanty A i fi ófioi <»>' a odtud 0^ . (g)2 . 41 B 10,22 10.3 Měření Měření budeme provádět v pásmu 3 om vln . Sohema mSříoí aparatury je vyznačeno na obr. 39 ř ^3 Obr. 39 Aparatura pro měření dielektrické konstanty resonátorovou metodou 1 - zdroj pro klystron, 2 - reflexní klystron, 3 - smérová odboční oe , 4 - dutinový vlnoměr, 5 - držák diody, 6 - proměnný útlum, 7 - měříoí rezonátor, 8 - diferenoiálnl zesilovač, 9 — osciloskop - 65 - Zdrojem elektromagnetických vln je reflexní klystron 28SR53, který je napájen ze stabilizovaného zdroje a frekvenčně modulován pilovým napätím z osciloskopu. Signál z klystronu postupuje přes směrovou odbočnici do dutinového vlnoměru QHV 22211. Signál procházející rezonátorem je detekován křemíkovou diodou a přiveden na vstup deferenoiálního zesilovače osciloskopu. Při vhodném naladěni dostaneme na obrazovce zobrazení rezonanční křivky vlnoměru. Druhá část mikrovlnného signálu proohází přes atenuátor do měřícího rezonátoru s dielektrikem. Signál, prošlý měřioím rezonátorem je opět usměrněn a přiveden na druhý vstup vertikálního diferenciálního zesilovače. Na obrazovce dostaneme takto i obraz rezonanční křivky měřícího rezonátoru. Při vhodné polaritě diod dostáváme zobrazení obou křivek s opačnou polaritou. Dolaďováním vlnoměru můžeme dosáhnout koinoidence rezonančních křivek, a tak přesně zjistit rezonanční frekvenci mořícího rezonátoru. Nastavení vlnoměru v případě rovnosti rezonančních frekvencí obou rezonátoru je zobrazeno na obr. kO. a) * b) Obr. hO Stanovení rezonanční frekvence a kvality dutinového rezonátoru a) nastavení koinoidence rezonanční křivky vlnoměru 2 a měřícího rezonátoru 1 b) určení kvality měřícího rezonátoru, a f2 Jsou frekvence, odpovídající poloviční výšoe rezonanční křivky 1 Dynamickou metodou můžeme stanovit i kvalitu dutinového rezonátoru. Za předpokladu, že zobrazená rezonanční křivka měříoiho rezonátoru Je výkonová rezonanč-ií křivka, tj- je-li detektor kvadratioký, dostáváme pro kvalitu dutinového rezonátoru vztah f Q = —-— 10,23 *fl/2 Zde ^^1/2 = f2 " ?1 ^e ^^^^ rezonanční Jtřivky v poloviční výSoe, Signál, prošlý dutinovým vlnoměrem, zvolíme tak, aby jeho výška při rezonanční frekvenci měřícího rezonátoru f byla rovna poloviční výšoe rezonanční křivky měříoího rezonátoru, jak je zobrazeno na Obr. kQb. Pak nastavíme frekvenci vlnoměru tak, aby rezonanční křivka vlnoměru dosahovala nejprve vlevo, pak vpravo od rezonanční frekvence f nulové hodnoty. Tím stanovíme bez ohledu na výkon klystronu ve třído kmitání přesné hodnoty šířky rezonanční křivky 4f^2, Vlastni maření provádíme tak, že nejprve stanovíme rezonanční frekvenoi f a kvalitu Q dutinového rezonátoru bez di- o o elektrika. Pak umístíme přesné v ose rezonátoru' jednotlivé dielektrické válečky, jejichž průměr 2b jsme přesně naměřili. Určíme rezonanční frekvenci fd a kvalitu Qd s dielektrikem. Užitím vztahů 10,21 a 10,22 pak určíme reálnou i imaginární složku dielektrické konstanty a tg tf. 10.k Úkol : 1. Proveďte měření dielektrické konstanty a ztrátového úhlu tg 6 čtyř dielektrických vzorků Literatura : 1 S.C. Browna dr. 1 J.Appl. Phys. (195*0 25, »0 3, 302 - 307 2 J.C. Slater : Rev. Mod. Phys., 18 (19^6), Hkl.' 3 A.A. Brandt : Issledovanie dielektrikov Moskva 1963 Příloha : Tabulka Besselovýoh funkcí - 67 - 11. STANOVANÍ IMPEDANCÍ CLON MÍNÍCÍM VEDENÍM 11.1 Úvod Šiří-li se elektromagnetická vlna po vedeni ve směru osy y, lze charakterizovat tuto vlnu v každém miste normovaným proudem I a napětím V |lj Pišme pro dopadající vlnu y ei(wt - /*y) a z ei( oJt - fiy) X X a odraženou vlnu ei( OJt + fiy) a ei( OJt ♦ fiy) a 2 " " *2 oj Fázová ryohlost je kladná pro postupnou vlnu, záporná pro vlnu odra- ženou . Proud můžeme vyjádřit pomoci napětí a oharakteristioké impedance vedení Z . o Dostáváme It ei(o>t -fiy) a !l_ ei(Wt./7) Uf3 O í I ei(t*>* +/y) = . Iž- #i( o>t + /#y) 2 Z o Poměr výsledného napětí k výslednému proudu určuje impedanci v daném místě vedení 1 + IS- • e12/ z = z --- 11.4 o * Je-li v místě y = i na vedeni zátěž Z n Z^, dostáváme V„ 12/6/ 1 + 2 e V, ZL = ZQ -i- 11,5 i V 12^/ Vl Z poslední rovnice můžeme vypočítat koeficient odrazu - 68 - Z. - Zrt -2i/£/ O = -2- 8 llp6 ^ + 2o Dosadíme-li do vztahu 11,4 za koeficient odrazu z 11,6, dostávané ZL + iZ ts/# (1 - y) Z ■ Zft- 11,7 ° zo + izLte4(i - y) Tato rovnioe udává vztah mezi impedancí Z^ zapojenou na vedení v místě t a impedanol , kterou vedení vykazuje v libovolném místě y. Rovnioe 11,7 můžeme použit ke stanovení impedanoe, připojené k vedení naměříme-li rozložení stojatých vln na vedení. T důsledku odrazu od této impedanoe vznikají stojaté vlny, jejichž maximum je dáno součtem napětí postupující a odražené vlny, minimum pak Jejioh rozdílem . Poměr maxima a minima udává poměr stojatých vln napětí - PSVN označovaný písmenem r. V max r ■ ——— V . min Je to reálná veličina. Vyjádřírae-11 ji pomooí dopadáJioí a odražené vlny, máme r = lVl|-iV2| 1-1*1 11,8 Koeficient odrazu G můžeme vyjádřit v exponenciálním tvaru G = 2L- 2o -i2(/5A^) e 11,9 ^ + Zo kde f je úhel vektorové veličiny v závorkách absolutní hodnoty Po dosazení do 11,8 máme 1ZL tZolHZL- Zo' !ZL + Zo! " lZL - ZJ r = 11,10 V minimu nebo maximu stojatýoh vln je poměr napětí v proudu reálná veličina. Nachází-li se tedy Z^ v minimu, pak Z^ Je čistě reálné a v rovnici můžeme odstranit znaménka absolutní hodnoty, nebol ZQ Je také reálné veličina. - 69 - Z, Z Pro ZL> Zc dostáváme r = ^ a pro Z^ ZQ r = ~- 11,11 O Li Impedance Z^ připojená na konec vedeni vyvoláváme den í stojaté vlny s po-nerem stojatých vln r. V minimu těchto vln vzdáleném o d od kg no e vedeni je tato impedanoe pretransformovaná na óistě reálnou hodnotu —- . Použi- r Jeme-li nyní vztahu 11,7» dostáváme . 2 h, + 12o tg^ r ° zo + IZ^tg/fc^ zo kde Z b —~ ad=^-yje vzdálenost minima od konce vedeni, v němž je umístěna impedanoe Z^, Přejdeme-li k normovaným hodnotám impedanol s a i; L = ZQ , dostáváme po úpravě 1 - ir tg /3 d a n--- 11,12 * r-i t5/^d Pomooí tohoto vztahu můžeme stanovit neznámou impedanol připojenou na konec vedeni z^, určíme-11 poměr stojatých vln r a vzdálenost minima od konce vedení* Řešení rovnice 11,7 se často provádí pomooí impedančních diagramů 11.2 Pravoúhlý Impedanční diagram Známe-li impedanci v určitém místě vedení, můžeme podle vzorce 11,7 vypočíst impedanci v libovolném místě. Máme-li vedení zakončeno nějakou impedancí Z,, můžeme naměřit poměr stojatých vln r a známe tedy impedanci v minimu, nebot impedanoe v minimu je rovna podle 11,11 reálné hodnotě — PoužiJeme-li vzorec 11,7 pro tento případ, dostáváme pro impedanol v libovolném místě y vztah O* z s Z -2 + i Z0 tg/3 CA, - y) , . r " po úpravě máme 20 + i t*/6{JL0 - y) 1 + i r /Z a r + i tg/? 11,13 Ť tomto vzoroi JíQ Je souřadnice minima a JťQ - y = s je vzdálenost uvažovaného bodu od minima. Redukovanou impedanol z můžeme zobrazit v Qaussově rovině. Po úpravě má tvar z = R + i X - 70 - dostáváme z _ r (1 ♦ tS2/Ss) LtK/3e rr2 - l) r2 + r2 + tg2 /3 tg fis Zavedeme-li r = p* a q = tg/$&, máme R - , 2 2 1 + p q a X = 1 * P2 q2 11,14 11,15 Řešením těchto rovnic dojdeme ke vztahům R + (X — 2 q - 1 2q q + 1 2 2q 11,16 V + l 2 2p p - 1 2 2p ) 11,17 Tyto rovnice nám určují síí křivek konstantního q a konstantního p. Rov-nioe ll,l6^je rovnici kružnioe konstantního q, má střed na ose X ve vzdálenosti 2q^ od P0^^ticw a. poloměr g*q^)» Rovnice 11,17 podobně určuje kružnice konstantního p - viz obr. 4l. Obr. 41 Pravoúhlý a polární impedanční diagram - 71 - 11,3 Polární Impedanční diagram Vyjádřírae-li impedanci z ve vzdálenosti s od minima pomooí koeficientu odrazu, dostáváme pro normovanou hodnotu i Ol*-2*' * = - 11,18 i - ah e"2 í- Zde G^ je koeficient odrazu na konoi vedení, kde Je umístěna impedance ZL, tj. v místě / = O. GL můžeme vyjádřit v exponenciálním tvaru GL * *L " 1 = e-2<ťo + iuo> 11,19 ZL + 1 V exponenoiálním tvaru oharakterizuje t velikost GT a u Jeho fázi, Do-sadíme-li dále za konstantu Siření Jj = 0Ĺ + ±fó , můžeme psát z = 1 + e-2(to - ~ 2i(»o - 1 - e"2(to + " 2i(uo " 4») Označíme-li dále t = t t s a u = u + /3a, dostáváme o o ' ' -2(t + iu) 1 + e z s 11,20 -2(t +iu) 1 - e Zaveďme dále nové proměnné b a o vztahem -2(t + iu) a, e ' = b + io 11,21 Dosazením do vztahu 11,20 dostáváme normovanou impedanci z ve vzdálenosti s od minima na vedení zakončeném impedancí Z^ vyjádřenou pomooí nových proměnných z = R + i X = ^ * b t lc 11,22 1 - b - io Znázorníme-li b + io v Gaussově rovině, můžeme podle vzorce 11,21 stanovit v této rovino křivky konstantního t a n a podle 11,22 pak křivky konstantního R a X. Tím dostáváme Smithův neboli polární impedanční diagram. Každý bod tohoto diagramu definuje pak tři čísla i R + IX, t + iu - 72 - a b + io. Hodnoty b a o nás obvykle po konstrukci diagramu nezajíme ji. Křivkami konstantního R, X a t jsou kružnice a geometrickým místem konstantního u jsou přímky, prooházejíoí počátkem, jak Je znázorněno na obr. 41. 11,4 Měření Měřeni impedanci olon provádíme v pásmu X v zapojení vyznačeném na Obr. 42 A ! I É i i Obr. 42 Aparatura pro měření impedancí olon 1 - zdroj pro karoinotron, 2 - karoinotron, 3 - feritový izo. látor, 4 - proměnný atenuátor, 5 - měříoí vedeni, 6 - charakteristická Impedance vlnovodu, A - vlnovodové olonky Abyohom mohli naměřit impedanoi vlnovodové olonky, je nutné zakončit vlnovod za olonkou charakteristickou impedancí ZQ. Y tomto případě máme v místě A paralelní zapojení Impedance olonky ZQ a charakteristické impe-danoe ZQ. Vzhledem k paralelnímu zapojení přejdeme k admitanoím. Admitance v místě A tedy bude Y. = Y + Y A o O 11,23 přejdeme-li k normovaným hodnotám y A 11,23 Vztahy, odvozené dříve pro transformaci impedanoi podél vedeni a výpočet připojené impedance lze použít 1 pro admitanoe. V platnosti zůstá- - 73 - raji i impedanční digramy, pouze místo komplexního čísla oha rak t erizu jícího impedanci hledáme komplexní číslo charakterizující admitanci. Tak např. vzorec 11,7 psaný v normovaných hodnotách dá sL ♦ itg/g (Iry) 1 + iz. tg /3 U-y) 1 * izL tg^U-y) ZL + 1 *«/^(/-T) Podělíme-li čitatele i jmenovatele posledního výrazu zL, dostáváme yL + i tg /$ c/-y) y 3 1 11,23 1 + iyL tz/Z(Jl-y) tedy vztah formálně stejný jako 11,7* Pro výpočet admitanoe, připojená na konci vedeni, dostáváme užitím 11,12 r - i tg /3 d yL =- ii, & 1 - r i ie d Pro určení admitanoe y^ musíme tedy určit poměr stojatých vln napětí r a vzdálenost minima od konoe vedení d. Místo na vedení odpovídající konoi vedení zjistíme tak, že zakončíme vedení místo impedanci z^ v tomtéž bodě zkratem. Na konoi vedení bude v tom případě ml ni mtim stojatýoh vln. Kterékoliv další minimum na vedení můžeme tedy považovat za opěrný bod Ľ -koneo vedení - a odečíst posuv minima d od tohoto bodu směrem ke zdroji, jak je patrno z obr. 43* Pro stanoveni r Je však nutné znát charakteristiku diody v daném zapojeni. Charakteristiku diody určime z naměřenýoh stojatýoh vln na vedení při zkratovaném konoi vedení. Obr. 43 Průběh proudu I. podél měříoíhc vedení - 7k - Posouváme sondu podál vedení v rozmezí Jedná vlnové délky a odečítáme vý-ohylky detektoru 1^. Počátek souřadného systému položíme do minima a vyneseme do grafu závislost Id a £(y). Teoretický průběh napětí podél vedení Je sinusový iOJt , 2^ v = v e . sin ~— . y 11,25 Zde A.y Je délka vlny na vedeni a y vzdálenost čtená od minima. Pro relativní hodnotu napětí T v = = sin 4£ y. Předpokládejme, že charakteristika diody je typu Id = kV01. Hodnotu exponentu m můžeme snadno určit ze směrnice přímky log I.(y) a f (log sin y) 11,26 Sestrojíme-li závislost Id = f(v)..lze z_ tohoto grafu přímo odečítat k naměřenému proudu přísluěná relativní hodnoty napětí v. K naměřeným hodnotám I a I . takto stanovíme hodnoty v a v . a určime r s - max min max min riJáx Vin V případě kvadratické charakteristiky m s 2 a r = U K1 min Je-li r > 10, můžeme určit r metodou dvojnásobného minima, jak je patrno z obr. 43. Pak r = -, Při měření postupujeme tak, že nejprve připojíme na koneo vedení rezonanční okénko a charakteristickou impedanci Zq a nastavíme frekvenci karcinotronu tak, až na vedení bude r = 1. Odečteme hodnotu frekvence f^. Poté nahradíme clonu zkratem. Frekvenci fj^ neměnímei Na vedení vzniknou stojaté vlny, z nichž určíme vlnovou délku ž\v, charakteristiku diody m a polohu minima Ľ. Pak provádíme měření admitance induktivní olonky a kapacitní clon- ky Yq^.Z naměřených hodnot rad určíme ycj_a Ycic užitím vztahů 11,24 a 11,23. a pomocí Smithova polárního diagramu. Naměřené hodnoty admitance clon YqL a Y^ porovnáte s teoretickými hodnotami, danými vztahy 11,27 v » b , ,r . b'v Bk = Yo k lD OSC <2 b > - 75 - Zde YQ je charakteristická admitanoe základního vlnovodu pro vlnu H 10* Na obr. kk jsou zobrazeny oba typy vlnovodových olonek. Rozměry a, aj b, b - určíte měřenídi. 1 á a 6 Induktivní Obr. kk Induktivní a kapacitní olona 1 1 T a Kapacitní 11.5 Úkol* 1. Naměřte charakteristiku diody a stanovte vínovou dálku \v a pracovní frekvenci rezonanční clouky Z. Naměřte adnitanoe kapacitní a induktivní olonky a porovnejte je • teoretiokou hodnotou určenou z rozměrů. Literatura : B.L. Ginzton: Microwave Measurements, London 1957 I.V. Lebedev: Technika i pribori SVČ, Moskva 19Ä1 - 76 - 12. DIODA JAKO SMĚSOVAČ NA CM VINÁCH 12.1 Úvod Křemíkové hrotová diody se mohou používat jako heterodynní mtrlče frekvence - směšovače, v případě, že se na diodu současně s mikrovlnným signálem přivádí vf napětí místního osoilátoru. Výstupní napětí rozdílového kmitočtu bude přímo úměrné vstupnímu napětí, poku-vstupní signál bude mnohem menší než napětí místního osoilátoru. Výhody přijímačů mikrovlnných signálů s heterodynním směšovačem spočívají ve větší linearitě a větší ciltivosti ve srovnáni é kvadratickými detektory a není nutné znát charakteristiku použitých diod. Heterodynní aparatura pro registraci mikrovlnných signálů je sohomaticky znázorněna na Obr. k5 UfSilCJjt 1 3 4 5 t > co2~OJ1 ? u>2~cj1 U2sinud 2 2 Obr. k5 senem* heterodynního mikrovlnného přijímače 1 - držák diody, 2 - místní oscilátor, 3 - mf zesilovač, k - detektor, 5 - indikátor Držák diody Je konstruován tak, aby mikrovlnný signál mohl přicházet současně se signálem z místního osoilátoru na diodu. Při tom se musí převážně absorbovat v diodě a nepronikat do okruhu osoilátoru. Oscilátor musí mít výkon několikrát vyšší, než je optimální výkon pro směšování, který bývá obvykle 1 mV, aby mohla být mezi ním a diodou slabá vazba. Rozdíl frekvencí f. - f„ bývá několik MHz a zesiluje se mezifrekven-čním zesilovačem. Po zesíleni a detekci je pak signál registrován indikátorem. Činnost diody v heterodynním měniči frekvence je patrna z obr. k6 Obr. k6 Vznik střídavé složky proudu diodou o rozdílové frekvenci Na diodu přichází současně signál oos OJ ^t ze vstupu a signál U2 oos <*>^t z místního oscilátoru. Na diodě dostáváme součet obou napětí U = oos oj ji + U2 oos £*>2t 12,1 úpravou pravé strany rovnice dostáváme U 2 > tJj_» U2 <^ na tvar r u1 U a U2 [l + ^p. oos ( "2- " x)t ] OOS £*>2 t 12,3 Na diodě se tedy objeví napětí o frekvenoi 6J2, jehož amplituda u"2 je modulována s frekvenoi ( oj ^ - í*>1), hloubka modulace Je Uj/02. Výstupní okruh pro rozdílovou frekvenoi z držáku diody musí dovolovat průchod této rozdílové frekvence a potlačovat základní frekvenoi oj 2< Jak je patrno z obr. k6, U2 musí být dostatečně veliké, aby oblast modulace spadala do lineární části VA charakteristiky diody. Pak dostaneme 1 lineární závislost mezi amplitudou vstupního napětí a amplitudou mezifrekvenčního napětí Obvykle se volí úroveň signálu z místního os- cilátoru taková, aby proud diodou byl I = 0,6 mA 12.2 Měřeni Mezi nejdůležitěJŠí charakteristiky diody jako směSovače patří směáo-vaoí ztráta, hladina šumu, vstupní impedance a impedance mezifrekvenční. Směšovaoi ztráta je definována jako poměr výkonu mezifrekvenčního sig nálu na vstupu do mf zesilovače k výkonu mikrovlnného signálu na vstupu přijímače N, K s 10 log mf Směšovací ztrátu budeme měřit v zapojení podle obr. kj. 8 o 7 12 t -0 Obr. kf Schéma zapojení pro měření směšovaoloh ztrát I - zdroj pro klystron, 2 - klystron, 3 - proměnný útlum, k - směrová odbočnioe, 5 - držák termistoru, 6 - měřič výkonu, 7 - přechod vlnovod-koaxiál, 8 - držák směšovaoi diody, 9 - místní osoilátor, 10 - mezifrekvenční zesilovač (30 MHz) II - detektor, 12 - indikátor proudu směšovací diodou « detektorem - 79 - Měřeni provádíme v pásmu S ( j\ = 10 ora)- Signál z klystronu přichází přes proměnný útlum, jímž můžeme nastavovat požadovanou velikost vstupního signálu do směrové odbočnice s průchozím útlumem 30 dB a dále pak do měřiče výkonu- Zeslabený signál z odbočnioe je přiváděn na vstup směšovací diody. Velikost signálu z místního oscilátoru, přiváděného na směšovací diodu, nastavujeme změnou vazebního prvku. Proud směšovací diodou, který je mírou, n fi —■ signálu f2, odečítáme-indikátoru. Tentýž přistroj slouží po přepnutí k naměření proudu detekční diodou. Tento proud je mírou reálného mf signálu. Nejprve nastavíme proud směšovací diodou na 0,6 mA a po přepnutí indikátoru doladíme místní oscilátor při zapojeném vstupním signálu na frekvenci, odpovídájíoí ladění mf zesilovače f„ - t, m 30 MUz. Vyladění poznáme podle maximální výchylky indikátoru. Další měření pak provádíme při nezměněné frekvenci. Proměříme závislost proudu detektoru lHm s f(N^) na vstupním výkonu N^ pro tři hodnoty proudu směšovaoi diodou 1^ = (0,1; 0,6; 1,0) mA. Měřeni provádíme při konstantním zesílení mf zesilovače. Z grafů závislosti 1^ s f (Uj^) pro zvolenou hodnotu přepínače zesílení určíme z naměřených hodnot hodnoty mezifrekvenčního napětí ze směšovací diody v závislosti na vstupním vf výkonu D^ s f (N^). Výpočet vyznačíme v tabulce měřeni. Ze známého vstupního odporu mezifrekvenčního zesilovače vypočteme výkon mezifrekvenčního signálu z diody 2 Umf Nmf * R™~ 12'5 vra Nmf Nl Závislosti Idm = f (Nx) a KÍ^) = 10 log Vyneseme do grafu pro 3 hodnoty proudu Ia. Dále provedeme měření závislosti K = f (i^) pro konstantní vstupní mikrovlnný signál N^ s konst. a konstantní nastavení mezifrekvenčního zesilovače. Tuto závislost rovněž vyznačíme graficky. Měření koeficientu šumu mikrovlnného přijímače Koeficient šumu je definován jako poměr výkonu PmjLn vstupního signálu, dávajíoího na výstupu výchylku stejnou jako je šum přijímače, k výkonu, který můžeme detekovat ideálním přijímačem P^ s k T á t F = ^—s: 12.6 kT4 f Měření F provedeme tak, že signál z výstupu mf zesilovače přivedeme na osoilograf a nastavíme výkon vstupního mikrovlnného signálu v pulzním provozu tak, až úroveň výstupního signálu v pulzu je dvojnásobné jak - 80 - úr o ven šuntů. 12.3 Úkol : 1. Naměřte závislost 1^ * f (Nx) a K = f (Nj^) pro tři proudy směšovací diodou 2. Naměřte závislost K = f (ld) 3« Pro Id = 0,6 mA stanovte koeficient šumu F přijímače literatura : E.L. Ginzton: Uzmerenije na santimetrovyoa volnaoh, překl.z angl Moskva 1960 - 81 - PŽÍLOHA I. Smithüv Impedanční diagram - 82 - PŘÍLOHA. II Tabulky Besselových funkcí. x I JO I Jl I J2 I B e. sa 1 1. 0000030 1 0. 8000000 1 0. 0000300 t 0. 8888880 0. 01 t 0. 9999750 i 8. 0049999 1 Cr 0000125 1 0 0080125 0. 02 1 0. 9999006 1 0. 0099995 1 Q. 0000508 1 Q. 0090500 0. 03 1 0. 9997750 1 0. 0149933 1 0 8001125 1 0. 0001125 0. 04 * t 0. 9996000 1 0. 0199960 1 0 0002000 1 Q 0081993 0. 05 1 0. 9993751 1 0. 0249922 1 e. 00Q3124 l 0. 0003124 0. 06 1 0. 9991002 1 8. 0299365 1 0. 0804499 1 0. 0604497 0. 07 1 0. 9987754 1 0. 0349736 1 0. 0086122 l 0. 0806120 0. 03 1 0. 9984006 1 0. 0399680 1 0' 0807996 1 0 0007991 0. 09 1 0. 9979760 1 0. 044954S 1 0. 8018118 1 0. 0018111 0. 10 1 0. 9975016 1 0. 0499375 1 8. 0012498 t e. 0612479 0. 11 1 0. 9969773 1 0. 0549169 1 0. 0015110 1 8. 0015095 0. 12 1 0. 9964032 1 0. 8598921 1 0. 0017978 1 8. 0817957 0. 13 1 0. 9957795 1 0. 0648628 1 0. 0821095 1 8. 8021866 0. 14 1 0. 9951060 1 0. 0693286 1 8. 0324460 1 e. 0024420 0. 15 1 0. 9943329 l 8. 8747893 1 0. 0823072 1 e. 0028828 0. 16 Í 0. 9936102 t 0. 0797443 1 0. 8831932 1 8. 0031864 0. 1? 1 0. 9927830 1 8. 8846933 1 0. 8036038 1 e. 8035951 0. 18 1 0. 9919164 1 0. 0896360 1 0. 8048391 1 8. 0040282 0. 19 1 0. 9909953 1 0. 09457*20 1 0. 0044989 1 8. 0044854 0. 20 1 0. 9903250 1 0. 0995008 1 8. 8849334 1 0. 8049668 0. 21 1 0. 9890054 1 8. 1044223 1 0. 0Q54923 1 0. 8054721 Ü. 22 1 0. 9379366 1 0. 1093358 1 e. 8060256 1 8. 8068814 0 23 t 0. 9363137 1 0. 1142412 1 0. 0065834 i 8. 8065544 G 24 1 0 9356518 1 0. 1191331 1 0 8071655 1 e. 8871312 0. 25 1 0. 9S44359 1 0. 1240260 1 0. 0077719 1 8. 0877315 0. 26 1 0 9831713 t 8. 1289046 1 0. 0884825 1 0. 8983553 0. 2? 1 0. 9313579 1 0. 1337735 1 0. 0098573 1 B. 8090824 0. 23 1 0. 9304958 1 0. 1386325 1 0. 809736í 1 8. 8096727 0. 29 1 0. 9790853 l 0. 1434810 1 8. 0184390 1 8. 8103661 0. 30 1 0. 9776262 t 0. 1483183 1 0. 0111659 1 0. 0110824 0 31 1 0. 9761189 1 0. 1531455 1 0. 0119166 1 8. 0118215 S 32 1 0. 9745634 I 0. 1579607 " 1 8. 0126911 I e. 8125833 0. 33 1 0. 9729597 ) 0. 1627641 1 8. 0134894 1 0. 0133675 ů. 34 1 0. 9713081 1 0. 1675553 1 8. 0143113 1 0. 8141741 8 35 1 0. 9696087 1 0. 1723340 1 0. 8151568 1 0. 0150823 0. 36 1 0. 9678615 1 0. 1770997 1 8. 0160257 1 0. 0158536 0. 37 1 0. 9660667 1 0. 1818522 ( 0. 0169181 1 0. 8167262 0. 33 I 0. 9642245 1 0. 1865911 1 8. 0173338 1 0. eiŕ'6205 0. 39 1 0. 9623350 1 0. 1913160 1 0. 0187727 1 8. 0185362 0. 40 1 0. 9603982 1 0. 1960266 1 8. 0197347 1 8. 8194733 0. 41 i 0. 9584145 1 0. 2007225 1 e 0207197 1 0. 0284315 0. 42 1 0. 9563838 1 Ü. 2854034 1 o. 0217276 1 8. 0214106 0 43 1 0. 9543065 1 0. 2108639 1 0. 0227534 1 0. 0224105 8. 44 1 0. 9521325 1 8. 2147183 1 0. 0238119 1 0. 02343O9 0. 45 1 0. 9500121 1 0. 2193525 1 0 0248888 1 0. 0244716 0. 46 1 0. 9477955 1 0. 2239699 1 0. 0259367 1 0. 0255325 Ü. 47 1 0. 9455323 1 0. 2285705 1 0. 0271077 1 8. 9266133 0. 43 1 0. 9432242 1 0. 2331540 1 0. 0282510 1 8. 8277133 0. 49 1 0. 9408698 1 0. 2377201 1 8. 0294165 1 0. 8238333 a. 58 1 0. 9334693 1 0. 2422685 1 0. 8366840 1 0 0299731 I - 83 - Obsah 1. Třídy kmitání reflexního klystronu ........................... 3 2. Modulační charakteristika reflexního klystronu ........».....,10 3. Studium činnosti magnetronu................................. 15 4. Pracovní charakteristiky magnetronu......................... 22 5. Studium činnosti elektronky se zpětnou vlnou................ 27 6. Generátor mikrovln s Gunnovou diodou ..*..'................... 32 7. Polovodičová dioda jako násobič frekvence................... 40 8. Měřeni vysokofrekvenčního výkonu............................ 48 9. Vyzařovací a polarizační diagram směrových antén............ 52 10. Měření dielektrické konstanty rezonátorovou metodou......... 60 11. Stanovení impedancí olon měřícím vedením.................... 67 12. Dioda jako směaovač na cm vlnách...............-..........76 Název: Mikrovlnné praktikum Autor: RNDr. Antonín Tálský, CSc. Ved.katedry: doc. RNDr. Vratislav Kapička, CSc. Vydavatel: rektorát UJEP Brno, A. Nováka 1 - vlastním nákladem Určeno: pro posluchače íakulty přírodovědecké Povoleno: vydavatelské oprávnění min. kultury č. 21 514/79 Počet stran: 83 AA r VA: 5,91-6,05 Vydání: první Náklad: 150 výtisků Tisk: výrobna skript rektorátu UJEP Brno, Jaselská 25 ofsetový tisk Poř. číslo: 1100 Tém. sk.: 17/32 Číslo : 55-977-84 Cena: 5,50 Kčs