Диссертация (1103230), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Спектр, был рассчитан методом импедансных характеристик.Рисунок 2.7 — Спектр отражения от диэлектрической пластинки толщиной 6 в волноводеПредставленные на рисунке 2.7 результаты говорят о том, что в области сильной дисперсии коэффициент отражения возрастает. Также видно, что в рассматриваемом диапазоне54существует несколько значений частот, при которых коэффициент отражения обращается вноль.Для частот, соответствующих нулевому отражению, произведем расчет огибающей отраженного сигнала. Пусть на слой падает сигнал с трапецеидальной огибающей.
Обозначимнесущую частоту сигнала как 0 . Несущую частоту 0 выразим в единицах относительнокритической частоты для удобства анализа.Рисунок 2.8 — Огибающие отраженного сигналя при различных значениях несущих частотпадающего импульса, для случаев: 1) частота падающего импульса 0 = 1.135; 2) частотападающего импульса 0 = 1.128; 3) частота падающего импульса 0 = 1.143; 4) частотападающего импульса 0 = 1.159Из представленных результатов на рисунке 2.8 видно, что при наличии волноводнойдисперсии форма огибающего сигнала изменяется.
При увеличении дисперсии (при приближении к критической длине волны) амплитуда отраженного сигнала возрастает, а его длительность увеличивается. Также в области сильной дисперсии появляются дополнительныеосцилляции амплитуды отраженного сигнала. Легко заметить, что при частоте 0 > 1.25 форма огибающей отраженного сигнала не изменяет своего характера. В отличие от рассмотренного в пункте 2.2.4 случая увеличения времени прохождения сигнала через структуру,приближение к критической частоте не увеличивает потери в слое.Подводя итог, можно сказать, что использование явления волноводной дисперсии иувеличение кратности слоя позволяет увеличить амплитуду сигнала, сформированного впроцессе нестационарного отражения.
Увеличение толщины слоя приводит к увеличениюпотерь в многослойных структурах, что негативно сказывается на явлении нестационарногоотражения. Использование волноводной дисперсии позволяет более эффективно увеличиватьамплитуду отраженного сигнала.552.3Экспериментальное исследование нестационарного отраженияамплитудно-модулированного сигнала от полуволнового фильтра спотерямиДля проверки полученных теоретических результатов было проведено экспериментальное исследование явления нестационарного отражения электромагнитных импульсов от диэлектрической пластинки с потерями. Предметом исследования являлся анализ огибающейотраженного от пластинки сигнала.
Эксперимент проводился для пластинок, изготовленныхиз диэлектриков с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости. Вкачестве материалов были выбраны: фторопласт-4, полиамид-6 (капролон), кварц марок КУи КВ. Кварц и фторопласт-4 имеют низкие потери в микроволновом диапазоне длин волн(() < 10−3 ).
Эти материалы активно используются в микроволновой технике. Капролонбыл выбран как материал, обладающий большими потерями, чем фторопласт-4 и кварц.2.3.1Измерительный стендИзмерительный стенд (рисунок 2.9) состоял из векторного анализатора цепей ZVB-20,к которому подключался прямоугольный волновод сечением 23x10 мм2 . Многослойная структура помещалась в волновод, полностью заполняя его поперечное сечение.
С одной стороныволновод возбуждался коаксиально-волноводным переходом (КВП) с штыревой антенной, сдругой — подключалась согласованная волноводная нагрузка. Измерительный стенд позволял получать зависимость комплексного коэффициента отражения от частоты (). Измерения проводились в диапазоне частот от 6 ГГц до 14 ГГц. Данный частотный диапазонперекрывает область частот существования моды 10 , для волновода указанного сечения.2.3.2Нормировка и калибровка векторного анализатора цепей.Основой измерительного стенда являлся векторный анализатор цепей ZVB — 20. Измерения нестационарного отражения проводились в области частот нулевого отражения многослойной структуры, поэтому крайне важным являлся динамический диапазон измеряющегоприбора.
Заявленный диапазон для ZVB — 20 составлял больше 125 дБ [97]. Наличие неоднородностей в коаксиальных кабелях, неоднородная полоса пропускания КВП, а также разбалансировка измерительного тракта внутри самого прибора могли привести к существенному уменьшению динамического диапазона векторного анализатора цепей и измерительного56Рисунок 2.9 — Структура экспериментальной установкистенда в целом. Для устранения описанных факторов уменьшения динамического диапазонаприбора производилась калибровка его входного тракта [97].Для проведения калибровки необходимо подсоединить к прибору четырехполюсник сточно известным коэффициентом отражения для широкой полосы частот.
Основной задачейкалибровки было снизить влияние характеристик входного тракта прибора на измеряемыерезультаты. Измерения проводились в волноводном тракте, поэтому в качестве эталоннойнагрузки был выбран отрезок запредельного волновода с заранее известным коэффициентомотражения.К векторному анализатору цепей через КВП подключалась волноводная секция сечением 16х8 мм2 и длиной 30 см, к которой подключалась согласованная нагрузка.
Частота отсечки для данного волновода равняется примерно 9.3 ГГц. В области частот меньше 9.3 ГГцкоэффициент отражения должен быть близок к 1.После подключения волноводной секции производились измерения коэффициента отражения, а полученные данные записывались в память прибора. Векторный анализатор цепейв автоматическом режиме обрабатывал полученные данные и при дальнейших измеренияхвносил необходимые поправки.Дополнительно для калибровки использовалась волноводная секция сечением23х10 мм2 и длиной 30 см, нагружаемая на короткозамкнутую нагрузку.Особенностью рассмотренного метода калибровки по сравнению со стандартной процедурой является то что вместо стандартного коаксиального набора для калибровки использовались волноводные секции. Такой подход позволил учесть влияние неоднородности полосыпропускания КВП на получаемые результаты.572.3.3Фильтрация во временной областиНа результаты эксперимента оказывают влияния паразитные переотражения, возникающие в волноведущей системе.
Их источниками могут служить коаксиальные соединители,фланцы волноводов, КВП и даже согласованная нагрузка. Учесть влияние этих неоднородностей на процесс формирования отраженного сигнала при численном моделировании достаточно сложно. Таким образом, возникает задача борьбы с нежелательными переотражениямисигнала.Частично задача может быть решена благодаря применению прецизионных элементовволноводного тракта. Еще один способ решения задачи основан на использовании сверхкоротких радиоимпульсов.
В исследуемый волноводный тракт посылается импульс, пространственная длительность которого много меньше, чем геометрические размеры волноводного тракта. Данный импульс последовательно отражается от неоднородностей волноводноготракта, формируя суммарный отраженный сигнал. Анализируя отраженный сигнал, удаетсяотдельно выделить нежелательные импульсы. При дальнейшей обработке или при непосредственном приеме они могут быть исключены из результатов. Данный подход реализует своегорода метод фильтрации во временной области (стробирования) [98].Векторный анализатор цепей позволяет получить зависимость комплексного коэффициента отражения от частоты. Для перехода от частотного представления к временномуиспользовалось обратное преобразование Фурье [99].
Более подробно метод перехода из частотной области во временную будет рассмотрен в пункте 2.3.4.В реальном эксперименте нет возможности исследовать коэффициент отражения набесконечном интервале частот. Измерение коэффициента отражения производится только вограниченном диапазоне. Ограничение диапазона частот равносильно тому, что реальныйспектр отражения (),̃︀существующий в диапазоне частот от −∞ до +∞, умножается напрямоугольную оконную функцию ().
То есть в ходе эксперимента будет измерен коэффициент отражения, равный:() = ()̃︀ · ()(2.35)Обозначим начальную частоту измерений как , а конечную — . Тогда оконнаяфункция может быть задана равенством:⎧⎨1, при ∈ ( , ); () =⎩0, при ∈/ ( , );(2.36)Ограничение диапазона частот приводит к возникновению дополнительных осцилляций припреобразовании импульса во временную область. Для снижения осцилляций во временнойобласти применялась оконная функция с плавным спадом амплитуды от середины частотного диапазона к его краям. При обработке экспериментальных данных нами использоваласьоконная функция Ханна [99].58Рассмотрим подробнее алгоритм обработки сигнала, применяемый при фильтрации вовременной области. Используя обратное преобразование Фурье, получаем импульсный отклик волноводного тракта.
Полученный импульсный отклик будет состоять из серии импульсов, отраженных от разных частей волноведущей системы.Пространственное разрешение такого метода Δ напрямую зависит от полосы частот,в которой производится измерение коэффициента отражения, и может незначительно изменятся при применении различных оконных функций.Δ ≈ − (2.37)здесь — групповая скорость распространения на несущей частоте импульса.Заметим, что импульсный отклик можно получить без перехода из частотной областиво временную область, а прямыми измерениями.
Для этого волноводный тракт возбуждаетсякоротким электромагнитным импульсом, а затем измеряется интенсивность отраженноготрактом сигнала.Для импульса с шириной спектра порядка 10 ГГц, распространяющегося в незаполненном волноводе, пространственная разрешающая способность составит: Δ ≈ 25 мм. Под пространственным разрешением мы понимаем минимальное расстояние между отражающимиобъектами, при котором значения времени прихода максимумов отраженных от них импульсов больше длительности падающего импульса Δ.Проводя измерения в широком диапазоне частот, можно получить возможность различать компоненты сигнала, отраженные от разных элементов волноводного тракта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
