Masurarea lungimii de unda si a frecventei

Indroducere. Tehnica microundelor, ca subdomeniu al radioelectronicii, prezinta particularitati atat in ceea ce priveste metodele teoretice, cat si aparatura si procedeele experimentale utilizate.

In continuare vor fi prezentate, pe scurt, cateva din caracteristicile aparaturii specifice de microunde.

Linia de masura - este un dispozitiv utilizat frecvent in tehnica microundelor, atat la masurarea semnalelor(lungime de unda) cat si la masurarea retelelor (de exemplu coeficientul de reflexie). Din punct de vedere constructiv, linia de masura este o portiune de ghid uniform, prevazuta cu ghid uniform in care se introduce o sonda.

Sonda este, in majoritatea cazurilor, o tija metalica introdusa in ghid, perpendicular pe directia de propagare. In acest tip de sonda se induce o tensiune proportionala cu intensitatea campului electric transversal E_T din locul respectiv. Sensibilitatea liniei este limitata de sensibilitatea aparatului indicator sau de nivelul zgomotului. Existenta unui anumit zgomot, inerent in orice instalatie poate sa duca la erori de masura importante daca nivelul semnalului util este insuficient.

Pierderile liniei se considera neglijabile, deci consideram cazul liniei fara pierderi.

Detectorul liniei de masura - este constituit din diode semiconductoare de diverse tipuri: cu contact punctiform, diode Schottky, diode "inverse". Aceste diode, special realizate (si incapsulate) pentru microunde, a elemente parazite reduse la minim, astfel incat frecventa lor de detectie este foarte ridicata. Ca urmare a detectiei se obtine o tensiune continua, dependenta de amplitudinea semnalului cules de sonda si de caracteristica diodei. Aceasta tensiune, eventual amplificata, este masurata, obtinandu-se astfel o indicatie corelata cu intensitatea campului electric in ghid.

Indicatia aparatului de masura conectat la detectorul liniei poate fi considerata proportionala cu patratul intensitatii campului electric in ghid, cu conditia ca semnalul cules de sonda sa fie suficient de mic.

Generatoarele de microunde - sunt realizate intr-o gama foarte variata de tipuri. Unele dintre ele sunt compuse dintr-un simplu oscilator de microunde cuplat la linia de masura. Alte generatoare - mai complexe - permit aplicarea unui semnal de nivel calibrat si reglabil, de frecventa variabila, eventual baleiata. Uneori generatoarele permit optiunea intre cateva tipuri de modulatie (MA, MF).

Elemente de circuit si dispozitive de microunde uzuale - majoritatea masuratorilor de microunde efectuate cu linia de masura necesita folosirea unor dispozitive specifice cum ar fi:

izolatorul - este un diport nereciproc, prezentand o atenuare foarte

mica intr-un sens si o atenuare mare in sens contrar. Este realizat cu materiale nereciproce (ferita magnetizata). Se foloseste la eliminarea influentei undei reflectate.

atenuatorul variabil - este un diport care produce o aceeasi atenuare

(reglabila) in ambele sensuri ale propagarii. Este realizat de obicei sub forma unei placi de o forma speciala, acoperita cu un material absorbant. Variatia atenuari se obtine prin modificarea pozitiei placii in interiorul ghidului.

sarcina adaptata - este o terminatie al carei coeficient de reflexie este

teoretic nul. Se realizeaza tot cu ajutorul unor materiale absorbante depuse pe peretii ghidului sau pe o placa din interior.

scurtcircuitul fix - este o simpla placa de scurtcircuitare a capatului

liniei.

scurtcircuitul mobil - este o terminatie de ghid care produce reflexie

totala, cu o faza variabila. Se prezinta in realitate sub forma unui piston deplasabil in interiorul ghidului. Deplasarile pot fi controlate cu un vernier.

cuplorul directional - poate fi folosit la masurarea separata a undelor

directa si inversa.

circulatorul - este un dispozitiv nereciproc cu trei porti , prezentand un

anumit sens de circulatie. In sensul de circulatie 1 - 3 - 1 - 1 atenuarea este foarte mica. In sens contrar (1 - 3 - 2 - 1) atenuarea este foarte mare. Functionarea se bazeaza pe propagarea prin ferita magnetizata.

surubul mobil de acord - este un diport cu care o sarcina complexa se

poate acorda la ghidul de acces. Se prezinta sub forma unui surub care patrunde printr-o fanta longitudinala practicata in peretele lat al ghidului. Este reglabil atat pe verticala, cat si pe orizontala.

Propagarea undelor electromagnetice in ghiduri uniforme. In ghidurile metalice uniforme transmiterea energiei poate avea loc numai daca frecventa depaseste o anumita valoare numita frecventa critica. Frecventa critica depinde de forma si dimensiunile sectiunii transversale a ghidului. Intr-un ghid dat se pot propaga mai multe structuri ale campului ale campului electromagnetic (moduri), care difera intre ele atat prin configuratia liniilor de camp si prin frecventa critica, viteza de propagare, etc.

Modul care are cea mai joasa frecventa critica se numeste mod fundamental sau dominant in ghidul respectiv. Celelalte se numesc moduri superioare.

Lungimea de unda in ghid este determinata de frecventa de lucru si de frecventa critica - deci depinde de ghid:

Pentru ghidurile cu aer, lungimea de unda in ghid este mai mare decat lungimea de unda a undei plane in aer l_o=c_o/f.

In cazul ghidurior de sectiune transversala, modurile posibile de propagare se pot imparti in moduri de tip transversal magnetic si moduri de tip transversal electric.

Dintre toate aceste moduri, modul TE₁₀ =H₁₀ are cea mai joasa frecventa critica. Frecventa critica a acestui mod fundamental este determinata numai de dimensiunea mare a sectiunii dreptunghiulare prin ghid:

unde c_o este viteza luminii in vid, e_r este permitivitatea electrica a dielectricului din ghid, iar a este dimensiunea interioara a ghidului.

UNDELE STATIONARE

Insumarea undei directe cu unda inversa produce fenomenul de unda stationara. In aceasta situatie amplitudinea oscilatiei rezultante difera de la un punct la altul in lungul ghidului, deoarece rezultatul insumarii depinde de defazaj. Valoarea maxima a oscilatiei se produce cand cele doua unde sosesc in faza, iar valoarea minima cand cele doua puncte sosesc in antifaza. Distanta dintre doua minime sau maxime succesive este egala cu l_g

Se noteaza cu G coeficientul de reflexie, fiind prin definitie raportul dintre raporturile amplitudinilor complexe ale undelor directe, respectiv inverse.

REZONATOARE ELECTROMAGNETICE

O cavitate rezonanta ideala este un domeniu din spatiu, avand de obicei o forma geometrica simpla, inchis complet de pereti metalici perfect conductori. Intr-o cavitate ideala campul electromagnetic nu poate exista decat la anumite frecvente discrete numite frecvente de rezonanta ale diferitelor moduri de oscilatie posibile.

METODE DE MASURA

MASURAREA LUNGIMII DE UNDA

Masurarea lungimii de unda in ghid se bazeaza pe proprietatile undei stationare si anume pe faptul ca distanta dintre doua maxime sau minime consecutive este egala cu l_g

Metoda deplasarii sondei

Se monteaza la capatul liniei de masura un scurtcircuit. Se deplaseaza sonda in lungul liniei si se noteaza pozitiile minimelor. Se calculeaza distanta dintre doua minime consecutive, distanta din care se obtine l_g

Metoda deplasarii scurtcircuitului

Se monteaza la capatul liniei de masura un scurtcircuit mobil. Se deplaseaza scurtcircuitul si se noteaza pozitiile pentru care apar minime ale semnalului in sonda fixata intr-o pozitie oarecare. Secalculeaza distanta dintre doua minime succesive, din care rezulta cu l_g

Masurarea frecventei

Determinarea frecventei prin intermediul lungimii de unda. Daca s-a masurat frecventa critica, frecventa de lucru se poate calcula cu relatia:

in care l_c este lungimea de unda critica. Pentru modul H₁₀ in ghid dreptunghiular, lungimea de unda critica este determinata de dimensiunea mare a sectiuni interioare a ghidului:

DESFASURAREA LUCRARII

Schema bloc.

	G

F      scurtcircuit fix

sarcina adaptata

scurtcircuit mobil

gol

primul bloc: generator de microunde G-49, productie URSS;

al doilea bloc: izolator;

al treilea bloc: atenuator tip TRF 10;

al patrulea bloc: sonda de masura( dioda redresoare + milivoltmetru BM 509 produs de Tesla );

- al cincilea bloc: sarcina adaptata tip OF10A;

- ultimul bloc: scurtcircuit mobil tip 2RF10B.

Parametrii ghidului de unda sunt: 72,14 mm latimea si 34,04 lungimea interiorului ghidului. Cu ajutorul acestor parametri se determina frecventa critica dupa formula: f_c=c_o/2a=2,0778518 Ghz. Lungimea de unda critica este egala cu 2a, adica 138,510274 mm.

Prin metoda deplasarii sondei se determina cele doua minime folosind in acest scop metoda interpolarii si obtinem pozitia primului minim ca fiind la 48,7 mm, iar a celui de-al doilea 118 mm. De aici obtinem l_g=138,6 mm.

Se determina eroarea cu urmatoarea formula:

, unde

l_g)_c reprezinta valoarea calculata, iar (l_g)_m reprezinta valoarea calculata.

e

Folosind metoda deplasari scurcircuitului si metoda interpolarii obtinem

pozitia primului minim la 48,7 mm iar a celui de-al doilea la 118 mm. De aici obtinem l_g=137,7 mm.

e

Frecventa de lucru a generatorului este de 299 Mhz.

Se masoara distributia amplitudinii oscilatiei in lungul ghidului, pentru diverse situatii: ghid terminat in scurt circuit, ghid terminat cu sarcina adaptata si ghid terminat in gol.

Se va determina s pentru cazurile de ghid terminat in gol si cu sarcina adaptata:

Pentru gol s

Pentru sarcina adaptata: s

Se va completa tabelul de mai jos si se vor trasa pe acelasi grafic cele trei caracteristici.

Raspunsuri la intrebari

1.Cum se explica aspectul general al curbelor obtinute la punctul 3.2

Aparitia maximelor si minimelor se datoreaza faptului ca in ghid se propaga o unda directa si o unda inversa, insumarea acestora producand fenomenul de unda stationara. In aceasta situatie rezultatul insumarii difera de la un punct la altul in lungul ghidului, deoarece rezultatul insumarii depinde de defazaj. Valoarea maxima se produce in punctele in care cele doua unde sosesc in faza, iar valoarea minima in punctele in care cele doua unde sosesc in antifaza. Minimele nu ating valoarea zero datorita erorilor pe care le introduce milivoltmetrul.

2. Cum se constata pe curbele obtinute prezenta zgomotului inerent oricarei instalatii de masura

Prezenta zgomotului pe curbele trasate se poate observa prin faptul ca nu exista o simetrie perfecta a caracteristicii de amplitudine, existand mici variatii. Acest lucru poate duce la erori de masura importante, daca semnalul este mic.

De asemenea, se pot evidentia erorile instalatiei de masura prin oprirea generatorului.

3.De ce distributia obtinuta in cazul terminatiei "in gol" nu are minime nule

In cazul terminarii in gol, absenta minimelor nule se datoreaza faptului ca o parte din energie se radiaza.

4. Nivelul semnalului de la generator afecteaza masurarea lungimi de unda Dar sarcina de la capatul liniei

Atat nivelul de semnal de la generator, cat si sarcina de la capatul liniei nu afecteaza masurarea lungimii de unda.

5. Ce rol are atenuatorul conectat intre generator si linia de masura

Atenuatorul este un diport care produce o aceeasi atenuare in ambele sensuri ale propagarii.