Materiał na prawach rękopisu.
Do użytku wewnętrznego.
TEORIA I TECHNIKA MIKROFALOWA
Ćwiczenie laboratoryjne
Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Opracował:
dr inż. Adam Konrad Rutkowski
dr inż. Waldemar Susek
Warszawa 2008
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Ćwiczenie laboratoryjne
Temat:
BADANIE PARAMETRÓW SPRZ
GACZY KIERUNKOWYCH
A. Cel ćwiczenia:
- ugruntować znajomość konstrukcji i parametrów mikrofalowych sprzęgaczy kie-
runkowych,
- ugruntować znajomość budowy oraz zasady działania podzespołów i układów sto-
sowanych w urzÄ…dzeniach mikrofalowych,
- opanować praktyczną umiejętność pomiaru podstawowych parametrów elementów
i obwodów mikrofalowych.
B. Zagadnienia do przygotowania przed zajęciami:
- przeznaczenie i zastosowania sprzęgaczy kierunkowych,
- podstawowe parametry sprzęgaczy,
- konstrukcja sprzęgaczy kierunkowych realizowanych w technice falowodowej,
- konstrukcja sprzęgaczy kierunkowych realizowanych w technice niesymetrycznej
linii paskowej NLP,
- charakter i sens fizyczny wyrazów macierzy rozproszenia podzespołów mikrofa-
lowych,
- metoda pomiaru modułów transmitancji podzespołów mikrofalowych stosowana
w ćwiczeniu,
- metoda pomiaru modułów współczynników odbicia podzespołów mikrofalowych
stosowana w ćwiczeniu,
- struktura, kalibracja i wykorzystanie skalarnych i wektorowych analizatorów ob-
wodów mikrofalowych,
- zakres zadań ćwiczenia laboratoryjnego (przewidziany w instrukcji),
- struktura stanowiska pomiarowego (znajomość schematu połączeń i wyglądu fi-
zycznego przyrządów pomiarowych),
- sposób wykonywania pomiarów w trakcie realizacji ćwiczenia laboratoryjnego.
2
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
C. Zadania do wykonania w trakcie ćwiczeń (szczegółowy zakres, kolejność i warunki re-
alizacji określa nauczyciel prowadzący zajęcia w podgrupie):
- pomiar modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza zbliże-
niowego (linii sprzężonych),
- pomiar modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza dwuga-
łęziowego,
- pomiar modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza zbliże-
niowego Lange a,
- pomiar modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza pierście-
niowego o obwodzie 3/2.
D. Literatura:
Technika wielkich częstotliwości, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Dobrowolski J. A. 2001
Warszawskiej, Warszawa
Miernictwo mikrofalowe, Wydawnictwa Komunikacji i A
ączności,
Galwas B. 1985
Warszawa
Technika mikrofalowa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, War-
Litwin R., Suski M. 1972
szawa
Liniowe obwody mikrofalowe, Wydawnictwa Komunikacji
Rosłoniec S. 1999
i A
ączności, Warszawa
Oraz skrypty, podręczniki i inne materiały pomocnicze zalecone do przedmiotu.
Wybrane zagadnienia dotyczące niektórych typów sprzęgaczy kierunkowych zamieszczono
także w załączniku 1.
E. Opis stanowiska pomiarowego
W ćwiczeniu będą podlegały badaniu moduły współczynników odbicia i transmitancji
wybranych modeli mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych. Pomiary będą wykonywane
według metodyk podanych w rozdziale 3 i 4 materiałów pomocniczych zatytułowanych
Technika Mikrofalowa. Wybrane zagadnienia pomiaru parametrów sygnałów i układów mi-
krofalowych. Cz. 1. W dalszej części niniejszej instrukcji dokument ten będzie nazywany Ma-
teriały TM. W Materiałach TM znajdują się również istotne informacje o głównych
podzespołach i przyrządach wykorzystywanych w ćwiczeniu. Schemat stanowiska
pomiarowego przedstawiono na rysunku 1, a na rysunku 2 zamieszczono widok stanowiska
laboratoryjnego.
3
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
W konstrukcji stanowiska pomiarowego wykorzystano podwójny sprzęgacz kierunkowy (Ma-
teriały TM - rozdział 1 i dodatek D1). Ponieważ jedne z wrót sprzężonych nie będą wykorzy-
stywane więc podłączono do nich obciążenie dopasowane Zo. Jako mierniki mocy będą wyko-
rzystywane układy składające się z detektorów mikrofalowych i woltomierzy napięć wolno-
zmiennych (Materiały TM  rozdział 1 i dodatek D1). Tłumik 20 dB włączono w celu zapew-
nienia porównywalnych warunków pracy detektora D1 i D2.
V1 V2
D2
Sprzęgacz
kierunkowy
(podwójny)
TÅ‚umik
-20 dB
D1
20 dB
Generator
Badany
sprzęgacz
mikrofalowy
-20 dB
Z0
Rys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyk transmisyjnych
i odbiciowych mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych.
Rys. 2. Widok stanowiska laboratoryjnego Badanie sprzęgaczy kierunkowych (wariant).
4
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Po włączeniu badanego sprzęgacza woltomierz V1 będzie wskazywał napięcie proporcjonalne
do mocy sygnału wyjściowego, a z woltomierza V2 będzie odczytywana wartość napięcia
proporcjonalnego do mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych (pobudzanych) sprzęga-
cza. Wykorzystywany w pomiarach generator mikrofalowy 8648D posiada oddzielny przy-
cisk włączania obwodów zasilania i układu generacji sygnału mikrofalowego. W związku
z tym sygnał mikrofalowy pojawi się na wyjściu generatora dopiero po wciśnięciu przycisku
RF ON/OFF. Tym przyciskiem należy również wyłączać generację sygnału przed całkowitym
wyłączeniem zasilania generatora.
F. Przebieg ćwiczenia
1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego
Sprawdzić poprawność połączeń elementów stanowiska pomiarowego (rys. 1.). Spisać
przyrządy wykorzystywane w ćwiczeniu. Włączyć zasilanie przyrządów pomiarowych (wol-
tomierz V1 i V2, generator mikrofalowy). Ustawić moc sygnału wyjściowego z generatora Pg
równą +3 dBm.
2. Pomiar mocy sygnału dobiegającego do wrót wejściowych sprzęgacza  dla potrzeb wy-
znaczenia modułu współczynnika odbicia badanych sprzęgaczy.
Pozostawić rozwarte (nieobciążone) wrota wyjściowe pomiarowego sprzęgacza kierun-
kowego. W tym celu do wrót wyjściowych sprzęgacza podłączyć przejście NW-SMAG.
Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału z generatora mikrofalowego pomierzyć i zanoto-
wać w tabeli 1a, 1b i 1c wartości napięć Ud2 wskazywane przez woltomierz V2.
3. Pomiar mocy sygnału dobiegającego do wrót wejściowych sprzęgacza  dla potrzeb wy-
znaczenia modułu transmitancji badanych sprzegaczy.
Do wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego podłączyć (poprzez przejście NW-
SMAG) detektor D1 (wraz z tłumikiem 20 dB). Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału
z generatora mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 1a, 1b i 1c wartości napięć Ud1
wskazywane przez woltomierz V1.
Po zakończeniu tej serii pomiarowej przejście NW-SMAG zastąpić przejściem NW-
SMAW.
5
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Tabela 1a. Tabela 1b.
f Ud1 Ud2 Pwe Ppad_2 f Ud1 Ud2 Pwe Ppad_2
[MHz] [mV] [mV] [MHz] [mV] [mV]
[µW] [µW] [µW] [µW]
Tabela 1c.
f Ud1 Ud2 Pwe Ppad_2
[MHz] [mV] [mV]
[µW] [µW]
6
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
4. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-
gacza zbliżeniowego.
W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 3.) do
wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć
detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza
podłączyć obciążenia dopasowane.
Rys. 3. Sprzęgacz zbliżeniowy wykonany w technice niesymetrycznej linii paskowej.
Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 2a
wartości napięć Ud1 proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć Ud2 proporcjo-
nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.
Tabela 2a.
f Ud1 Ud2 Pwy Podb_2
ćł“1ćł ćł“1ćł ćłS21ćł ćłS21ćł
[MHz] [mV] [mV] WFS
[µW] [µW] [V/V] [dB] [V/V] [dB]
7
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 2b wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 2b.
f Ud1 Pwy
ćłS31ćł ćłS31ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 2c wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 2c.
f Ud1 Pwy
ćłS41ćł ćłS41ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
8
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
5. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-
gacza Lange a.
W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 4.) do
wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć
detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza
podłączyć obciążenia dopasowane.
Rys. 4. Sprzęgacz Lange a wykonany w technice niesymetrycznej linii paskowej.
Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 3a
wartości napięć Ud1 proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć Ud2 proporcjo-
nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.
9
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Tabela 3a.
f Ud1 Ud2 Pwy Podb_2
ćł“ćł ćł“ćł ćłS21ćł ćłS21ćł
[MHz] [mV] [mV] WFS
[µW] [µW] [V/V] [dB] [V/V] [dB]
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 3b wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 3b.
f Ud1 Pwy
ćłS31ćł ćłS31ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
10
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 3c wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 3c.
f Ud1 Pwy
ćłS41ćł ćłS41ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
11
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
6. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-
gacza dwugałęziowego.
W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 5.) do
wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć
detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza
podłączyć obciążenia dopasowane.
Rys. 5. Sprzęgacz dwugałęziowy wykonany w technice niesymetrycznej linii paskowej.
Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 4a
wartości napięć Ud1 proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć Ud2 proporcjo-
nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.
Tabela 4a.
f Ud1 Ud2 Pwy Podb_2
ćł“ćł ćł“ćł ćłS21ćł ćłS21ćł
[MHz] [mV] [mV] WFS
[µW] [µW] [V/V] [dB] [V/V] [dB]
12
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 4b wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 4b.
f Ud1 Pwy
ćłS31ćł ćłS31ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 4c wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
13
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Tabela 4c.
f Ud1 Pwy
ćłS41ćł ćłS41ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
7. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-
gacza pierścieniowego o obwodzie 3/2.
W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 6.) do
wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć
detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza
podłączyć obciążenia dopasowane.
Rys. 6. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2 wykonany w technice
niesymetrycznej linii paskowej.
14
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 5a
wartości napięć Ud1 proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć Ud2 proporcjo-
nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.
Tabela 5a.
f Ud1 Ud2 Pwy Podb_2
ćł“ćł ćł“ćł ćłS21ćł ćłS21ćł
[MHz] [mV] [mV] WFS
[µW] [µW] [V/V] [dB] [V/V] [dB]
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 5b wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 5b.
f Ud1 Pwy
ćłS31ćł ćłS31ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
15
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 5c wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 5c.
f Ud1 Pwy
ćłS41ćł ćłS41ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
16
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 3 badanego sprzęgacza (rys. 6.) do
wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć
detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza
podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego
pomierzyć i zanotować w tabeli 6a wartości napięć Ud1 proporcjonalnych do mocy sygnału
wyjściowego i napięć Ud2 proporcjonalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez
woltomierz odpowiednio V1 i V2.
Tabela 6a.
f Ud1 Ud2 Pwy Podb_2
ćł“3ćł ćł“3ćł ćłS23ćł ćłS23ćł
[MHz] [mV] [mV] WFS
[µW] [µW] [V/V] [dB] [V/V] [dB]
17
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do
pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne
częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 6b wartości napięć Ud1
proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-
zań woltomierza V2 nie odnotowywać.
Tabela 6b.
f Ud1 Pwy
ćłS34ćł ćłS34ćł
[MHz] [mV]
[µW] [V/V] [dB]
18
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
G. Opracowanie wyników pomiarów
W oparciu o napięcia Ud1 i Ud2 zanotowane w kolejnych tablicach należy obliczyć warto-
ści poszczególnych mocy, a na ich podstawie należy ostatecznie wyznaczyć parametry bada-
nych sprzęgaczy.
Tabela 1a, 1b, 1c:
Ud1( f )
Pwe ( f ) = (1)
Å‚
Ud 2( f )
Ppad _ 2( f ) = (2)
Å‚
gdzie:
Ud1  napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D1,
Ud2  napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D2,
Pwe  moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanych sprzęgaczy,
Ppad_2  moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanych sprzęgaczy, ale
zmierzona poprzez wrota sprzężone sprzęgacza pomiarowego,
Å‚  czuÅ‚ość napiÄ™ciowa detektora mikrofalowego (przyjąć: Å‚ = 0.9mV/µW),
Tabela 2 ÷ 6:
Ud1( f )
Pwy ( f ) = (3)
Å‚
Ud 2( f )
Podb _ 2( f ) = (4)
Å‚
Podb _ 2( f )
“ ( f ) = (5)
j
Ppad _ 2( f )
“ ( f ) = 20Å"log[ “ ( f ) ] (6)
j j
[ dB ]
1+ “ ( f )
j
WFS ( f ) = (7)
j
1- “ ( f )
j
Pwy( f )
Sij( f ) = (8)
Pwe( f )
Sij( f ) = 20Å"log[ Sij( f ) ] (9)
[ dB ]
19
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
gdzie:
Ud1  napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D1,
Ud2  napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D2,
Pwe  moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanego sprzęgacza (tabela
1a, 1b, 1c),
Pwy  moc sygnału we wrotach wyjściowych badanego sprzęgacza,
Ppad_2  moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanego sprzęgacza, ale
zmierzona poprzez wrota sprzężone sprzęgacza pomiarowego (tabela 1a, 1b,
1c),
Podb_2  moc sygnału odbitego od wrót wejściowych badanego sprzęgacza, ale zmie-
rzona poprzez wrota sprzężone sprzęgacza pomiarowego,
Å‚  czuÅ‚ość napiÄ™ciowa detektora mikrofalowego (przyjąć: Å‚ = 0.9mV/µW),
ćł“jćł moduÅ‚ współczynnika odbicia wrót wejÅ›ciowych badanego sprzÄ™gacza wyra-
żony w skali liniowej [V/V],
ćł“jćł[dB]  moduÅ‚ współczynnika odbicia wrót wejÅ›ciowych badanego sprzÄ™gacza
wyrażony w skali logarytmicznej [dB],
WFSj  współczynnik fali stojącej wrót j,
ćłSijćł  moduł transmitancji od wrót j do wrót i badanego sprzęgacza wyrażony
w skali liniowej [V/V],
ćłSijćł[dB]  moduł transmitancji od wrót j do wrót i badanego sprzęgacza w skali loga-
rytmicznej [dB].
H. Informacje końcowe
Sprawozdanie powinno być sporządzone starannie na arkuszach papieru formatu A4
i musi zawierać:
- sposób obliczania wartości badanych parametrów mikrofalowych,
- tabele z wielkościami zarejestrowanymi w trakcie ćwiczenia oraz z obliczonymi na ich
podstawie wartościami parametrów mikrofalowych,
- wykresy w funkcji częstotliwości wszystkich wielkości zawartych w każdej z tabel.
Wszystkie charakterystyki poszczególnych sprzęgaczy przedstawić na jednym ukła-
dzie współrzędnych,
- wnioski obejmujÄ…ce:
- opis rodzaju badanych mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych,
- komentarz kształtu charakterystyk zbadanych mikrofalowych sprzęgaczy kie-
runkowych,
- ocenę możliwości zastosowania każdego z badanych mikrofalowych sprzęgaczy
kierunkowych,
- opis istoty wykorzystywanej metody pomiarowej,
- omówienie czynników, które mogły mieć wpływ na dokładność pomiarów wy-
konywanych w trakcie ćwiczenia.
20
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Załącznik 1
MIKROFALOWE SPRZ
GACZE KIERUNKOWE
Wybrane zagadnienia
Sprzęgacze kierunkowe są to czterowrotniki stanowiące obszerną grupę pasywnych obwodów
mikrofalowych, mających wspólną cechę, kierunkowego przepływu i podziału mocy dopro-
wadzonych sygnałów. Sprzęgacz kierunkowy tworzą dwie prowadnice falowe z odpowiednim
mechanizmem pobudzania. W idealizowanym przypadku wszystkie wrota sprzęgacza są do-
pasowane, a pomiędzy określonymi parami wrót nie zachodzi przepływ sygnałów tzn. są one
wzajemnie izolowane. Ideę działania sprzęgacza kierunkowego przedstawia rysunek Z1
i rysunek Z2.
1 2
3 4
Rys. Z1. Idea działania sprzęgacza kierunkowego typu  w przód ( z falą postępującą ).
1 2
3 4
Rys. Z2. Idea działania sprzęgacza kierunkowego typu  w tył ( wstecz ,  z falą wsteczną ).
W sprzęgaczu przedstawionym na rysunku Z1, fala pobudzająca wrota 1 propaguje się do
wrót 2, część mocy przepływa do wrót 4 a wrota 3 są izolowane względem wrót 1, tzn. przy
pobudzeniu wrót 1 we wrotach 3 nie pojawi się energia. Często stosuje się następujące okre-
ślenia do poszczególnych wrót (stosownie do oznaczeń z rysunku Z1): wrota 2 są w tym
przypadku wrotami bezpośrednimi względem wrót 1, wrota 4 są wrotami sprzężonymi
względem wrót 1, a wrota 3 są wrotami izolowanymi względem wrót 1. Natomiast w układzie
przedstawionym na rysunku Z2, fala pobudzająca wrota 1 propaguje się do wrót 2, które są
21
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
wrotami bezpośrednimi, część energii przepływa do wrót 3, które są wrotami sprzężonymi, a
we wrotach 3 nie pojawia się energia, wrota te są więc wrotami izolowanymi względem wrót
1. W sposób analogiczny można określić przepływ energii w sprzęgaczu przy pobudzeniu
innych wrót.
1.3.1. Podstawowe parametry sprzęgacza
Do podstawowych parametrów sprzęgacza zaliczamy:
ëÅ‚ Moc wyjsciowa we wrotach sprzezonych öÅ‚
- sprzężenie sprzÄ™gacza C = -10logìÅ‚ ÷Å‚ dB
ìÅ‚ ÷Å‚
Moc pobudzajaca wrota wejsciowe
íÅ‚ Å‚Å‚
ëÅ‚ Moc wyjsciowa we wrotach izolowanych öÅ‚
- Izolacja sprzÄ™gacza I = -10logìÅ‚ ÷Å‚ dB
ìÅ‚ ÷Å‚
Moc pobudzajaca wrota wejsciowe
íÅ‚ Å‚Å‚
- Kierunkowość sprzęgacza D = (I - C) dB
1.3.2. Sprzęgacz zbliżeniowy
Sprzęgacz ten jest zrealizowany za pomocą dwóch ćwierćfalowych niesymetrycznych linii
paskowych położonych równolegle w niewielkiej odległości od siebie (rys. Z3.). Wykorzystu-
je się tutaj naturalne sprzężenie między dwiema liniami, występujące wskutek istniejącego
rozproszonego pola elektromagnetycznego. Zasada działania tych sprzęgaczy wynika
z kierunkowych właściwości sprzężonych prowadnic falowych. W modelu takich prowadnic
przyjmuje się, że w najprostszym przypadku, zachodzi w nich jednoczesna propagacja dwóch
rodzajów pola TEM (tzw. parzystego i nieparzystego).
Rys. Z3. Sprzęgacz zbliżeniowy.
Oba rodzaje pola sÄ… charakteryzowane za pomocÄ… odpowiadajÄ…cych im impedancji charakte-
rystycznych Z0e i Z0o oraz prędkości fazowych vo i ve (lub efektywnych stałych dielektrycz-
22
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
nych µeffe i µeffo). Idealny czterowrotnik utworzony z odcinków dwóch linii sprzężonych
o długości l ma następującą macierz rozproszenia:
2
îÅ‚ Å‚Å‚
1- k jk sin(Åš)
0 0
ïÅ‚ śł
2 2
ïÅ‚ 1- k cos(Åš)+ j sin(Åš) 1- k cos(Åš)+ j sin(Åš) śł
ïÅ‚ 2 śł
1- k jk sin(Åš)
ïÅ‚ śł
0 0
2 2
ïÅ‚
1- k cos(Ś)+ j sin(Ś) 1- k cos(Ś)+ j sin(Ś)śł
S =
ïÅ‚ śł
2
jk sin(Åš) 1- k
ïÅ‚ śł
0 0
ïÅ‚ 2 2
1- k cos(Ś)+ j sin(Ś) 1- k cos(Ś)+ j sin(Ś)śł
ïÅ‚ śł
2
ïÅ‚ jk sin(Åš) 1- k śł
0 0
ïÅ‚ śł
2 2
1- k cos(Åš)+ j sin(Åš) 1- k cos(Åš)+ j sin(Åš)
ðÅ‚ ûÅ‚
Macierz ta powstała przy następujących założeniach:
lf lf
2Ą = 2Ą = Ś , Z02= Z0e*Z0o gdzie Z0 jest impedancją obciążającą poszczególne wrota
Åe Åo
Z0e - Z0o
sprzęgacza a k współczynnikiem sprzężenia równym k = . Przedstawiany sprzęgacz
Z0e + Z0o
charakteryzuje się niezależnym od częstotliwości dopasowaniem impedancyjnym we wszyst-
kich wrotach oraz nieskończenie dużą izolacją pod warunkiem, że impedancja wyjściowa
z
ródła pobudzającego i impedancje obciążające wszystkie wrota wyjściowe są takie same
i równe Zo. Sprzęgacz zbliżeniowy jest przykładem sprzęgacza z falą wsteczną lub inaczej
sprzęgacza typu  wstecz (rys. Z2.).
1.3.3 Sprzęgacz gałęziowy
Sprzęgacze gałęziowe zrealizowane są w postaci dwóch równoległych, najczęściej niejedno-
rodnych linii przesyłowych, połączonych ćwierćfalowymi odcinkami linii (gałęziami)
o odpowiednio dobranych impedancjach. Odległości między gałęziami sprzęgającymi wyno-
szÄ… /4 (rys. Z2.).
23
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Rys. Z4. Sprzęgacz dwugałęziowy.
W sprzęgaczu gałęziowym (rys. Z4.) elementami realizującymi sprzężenie pomiędzy dwiema
liniami są gałęzie. Doprowadzając energię fali elektromagnetycznej do wrót 1 tego sprzęga-
cza, wrota 2 będą wrotami bezpośrednimi a wrota 3 wrotami sprzężonymi, natomiast wrota 4
2 2
będą wrotami izolowanymi (przy spełnieniu warunku y01 = y02 -1 gdzie poszczególne y są
admitancjami charakterystycznymi linii i łączących je gałęzi unormowanymi względem admi-
tancji charakterystycznej wrót sprzegacza. Dla przypadku gdy y01=1 oraz y02= 2 sprzęgacz
staje się sprzęgaczem 3 dB, tzn. dla częstotliwości środkowej moc doprowadzona do wrót na
przykład 4, dzielona jest po połowie pomiędzy wrota 3 (w tym przypadku bezpośrednie) i
wrota 2 (w tym przypadku sprzężone). Macierz rozproszenia tego sprzęgacza na częstotliwo-
ści środkowej pasma i dla przedstawionych warunków ma postać:
0 1 j 0
îÅ‚ Å‚Å‚
ïÅ‚1 0 0 jśł
-1
ïÅ‚ śł
S =
ïÅ‚ śł
j 0 0 1
2
ïÅ‚0 j 1 0śł
ðÅ‚ ûÅ‚
Zgodnie z rysunkiem Z1, sprzęgacz gałęziowy jest przykładem sprzęgacza z falą postępującą
lub inaczej sprzęgacza typu  w przód .
1.3.4 Sprzęgacz zbliżeniowy Lange a
Inną oryginalną konstrukcją sprzęgacza kierunkowego jest sprzęgacz Lange a. Składa się on
z kilku odcinków sprzężonych linii paskowych połączonych krzyżującymi się przewodami
jak to pokazano na rysunku Z5.
24
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Rys. Z5. Sprzęgacz Lange a.
Sprzęgacz Lange a składa się z dwóch przenikających się wzajemnie ćwierćfalowych odcin-
ków linii paskowych sprzężonych, charakteryzujących się jednakowymi szerokościami pa-
sków W i szczelin S pomiędzy tymi paskami. Paski o tym samym potencjale elektrycznym są
połączone ze sobą za pomocą półcylindrycznych  mostków , wykonanych z kilku cienkich,
krótkich i sprężystych przewodów. Impedancje charakterystyczne Z0e i Z0o dowolnej pary linii
sprzężonych (linie bezpośrednio przylegające) mogą być obliczone według następujących
wzorów:
1- k (n -1)(1+ q)
Z0o = Z0
1+ k (k + q)+ (n -1)(1- k)
k + q
Z0e = Z0o
(n -1)(1- k)
2
q = k2 + (1- k2)(n -1)
gdzie k, podobnie jak dla opisanego sprzęgacza zbliżeniowego jest współczynnikiem sprzęże-
nia, a n jest parzystą liczbą pasków. Ze względu na to, że sprzęgacz ten stanowi odmianę
sprzęgacza zbliżeniowego, macierz rozproszenia idealnego sprzęgacza Lange a oblicza się tak
samo jak przedstawioną w pkt. 1.3.2 macierz jednosekcyjnego sprzęgacza zbliżeniowego.
1.3.5 Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2
Strukturę sprzęgacza pierścieniowego o obwodzie 3/2 przedstawiono na rysunku Z6. Sprzę-
gacz pierścieniowy należy do rodziny sprzęgaczy gałęziowych. Zaliczany jest do grupy
sprzęgaczy 1800, w przeciwieństwie do sprzęgacza gałęziowego omówionego w pkt. 1.3.3,
który jest sprzęgaczem 900.
25
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych
Rys. Z6. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2.
W przypadku pobudzenia wrót 1, wrota 4 są wrotami izolowanymi a sygnał dzielony jest po-
między wrota 2 i 3, przy czym oba sygnały wyjściowe są w fazie. Jeżeli sygnał doprowadzo-
ny zostanie do wrót 3, to wrota 2 są izolowane a sygnał dzielony jest pomiędzy wrota 1 i 4,
przy czym w tym przypadku sygnały wyjściowe są w przeciwfazie. Macierz rozproszenia
tego typu sprzęgacza określona dla środkowej częstotliwości pracy sprzęgacza tzn. gdy Ś=Ą/2
jest następująca:
2
îÅ‚ - y2 - j2y1 - j2y2
Å‚Å‚
1- y1 2
0
ïÅ‚1+ y1 + y2 1+ y1 + y2 1+ y1 + y2 śł
2 2 2 2 2 2
ïÅ‚ śł
2 2
- j2y1 1- y1 - y2 - j2y2 śł
ïÅ‚
0
2 2 2 2 2 2
ïÅ‚1+ y1 + y2 1+ y1 + y2
1+ y1 + y2 śł
S =
ïÅ‚ śł
2 2
- j2y2 1- y1 - y2 j2y1 śł
ïÅ‚
0
2 2 2 2 2 2
ïÅ‚1+ y1 + y2
1+ y1 + y2 1+ y1 + y2 śł
ïÅ‚ 2 2
- j2y2 j2y1 1- y1 - y2 śł
ïÅ‚ śł
0
2 2 2 2 2 2
1+ y1 + y2 1+ y1 + y2 1+ y1 + y2 ûÅ‚
ïÅ‚ śł
ðÅ‚
Z0 Z0
gdzie: y1 = a y2 = .
Z1 Z2
Podstawową zaletą tego typu sprzęgacza jest zapewnienie dużej izolacji nawet w przypadku
różniących się od Z0 impedancji obciążeń wrót, lecz takich samych co do swojej wartości.
Sprzęgacze pierścieniowe znajdują zastosowanie w konstrukcjach mieszaczy zrównoważo-
nych, w których dobrze separują tor sygnałowy od toru heterodyny.
26