Измеритель мощности СВЧ излучения

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

ФБГОУ ВПО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Физико-технический факультет

Кафедра вычислительной техники  и электроники (ВТиЭ)

 

Курсовой проект

 

«Измеритель мощности СВЧ  излучения»

 

 

 

 

Выполнил  студент 585 гр.

_____________ Уланов Д. С.

 

Научный руководитель

к.ф.–м.н., доцент каф. ВТиЭ

_____________ Зацепин П. М.

 

Курсовой  проект защищен

«___»________________2012г.

Оценка_______________

 

 

 

Барнаул 2012 
РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит  31 с., 6 рис., 1 табл..

Перечень ключевых слов: СВЧ, излучение, микроконтроллер, мост, терморезистор.

Цель работы: разработка проекта устройства для измерения  мощности СВЧ излучения на основе микроконтроллера, пригодного для эксплуатации в условиях учебной лаборатории.

В ходе работы необходимо решить следующие задачи проектирования и  конструирования:

1. разработка проектной документации;
2. разработка функциональной схемы;
3. разработка электрической принципиальной схемы;
4. выбор элементов конструкции.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 6

1.1. Диапазон СВЧ и его особенности 6

1.2. Поддиапазоны СВЧ 7

ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ  МОЩНОСТИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ 10

2.1. Преобразование измеряемой мощности 10

2.2. Ваттметры СВЧ 10

2.3. Две схемы измерения СВЧ 11

2.4. Конструкции первичных преобразователей. 13

2.5. Типы чувствительных элементов 13

2.5.1. Болометры 14

2.5.2. Термопары 14

2.5.3. Другие типы чувствительных элементов 15

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 17

3.1. Область  применения МК 17

3.2. Применение  в СВЧ приборах 18

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА 20

4.1. Постановка  задачи 20

4.2. Функциональная схема 20

4.3. Электрическая принципиальная схема 22

 

 

 

4.4. Выбор элементов конструкции 25

4.5. Программирование микроконтроллера PIC16F874 27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 30

 

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении последних  нескольких десятков лет человечество сделало огромный прорыв в развитии электроники. Каждый год приносил новые  разработки, технологии, открытия в  этой области.

На сегодняшний день разрабатывается  все больше устройств для работы в диапазоне сверхвысоких частот. Для проведения исследований в СВЧ диапазоне требуются простые, современные и в тоже время недорогие измерительные приборы.

Одной из важнейших характеристик  СВЧ излучения является его мощность. Поэтому при работе со сверхвысокими  частотами часто требуются измерители мощности СВЧ излучения.

Типичные задачи применения измерителей мощности СВЧ являются:

1. настройка СВЧ оборудования;
2. проверка на допустимость уровня излучаемой мощности;
3. лабораторные измерения характеристик СВЧ в учебном процессе.

Для решения последней  задачи требуется наличие простого и недорогого прибора, обладающего  невысокой точностью и элементарными  функциями. Однако, на сегодняшний день, исследования в СВЧ диапазоне  довольно часто носят профессиональный характер, а профессиональное оборудование стоит дорого.

Целью данного проекта  является разработка и реализация простого, эффективного и недорогого измерителя мощности СВЧ излучения на основе микроконтроллера, предназначенного для  лабораторных измерений мощности СВЧ  излучения. 

 

 

ГЛАВА 1. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

1. Диапазон СВЧ и его особенности

Весь спектр частот электромагнитных колебаний можно разбить на отдельные  частотные области или диапазоны. Электромагнитные колебания можно  также классифицировать по диапазонам длин волн. Последняя классификация  особенно удобна на очень высоких  частотах, когда с помощью понятий  волновой теории получают наиболее простое  и наглядное истолкование свойств  электромагнитных систем.

В высокочастотном участке  спектра радиочастот наблюдается  совокупность своеобразных явлений, качественно  отличных от явлений присущих участкам спектра более низких частот. По этому признаку оказалось целесообразным выделить обширную область радиочастотного  спектра, получившего в литературе название сверхвысоких частот. Сходная  область частот, характеризующаяся  длинами волн, простирающимися от 1 мм до 30 – 50 см, получила в англо-американской технической литературе название микроволн.

Термин “сверхвысокие  частоты” определяет не только место  СВЧ диапазона в общем спектре  частот электромагнитных колебаний, но и область когерентного излучения, освоенную для передачи информации методами радиотехники. В этой области  частота электромагнитного излучения  определяется формой и размерами  электрических систем, а размеры  применяемой аппаратуры сравнимы с  длиной рабочих волн.

В спектре электромагнитных колебаний область сверхвысоких частот занимает промежуточное положение  между частотами классической радиотехники и диапазоном частот оптики. Поэтому  при описании и исследовании электромагнитных систем в этой области пользуются 
разнообразными параметрами и характеристиками, а также различными методами, многие из которых заимствованы как из радиотехники, так и из физики. Например, на сверхвысоких частотах пользуются не только понятиями сопротивлений, проводимостей и т. п., присущими теории электрических цепей, но и понятиями коэффициентов отражения, преломления, передачи и другими применяемыми при анализе волновых процессов.

Учитывая волновой характер передачи электромагнитной энергии, будем  называть волноводом, в общем смысле этого слова, систему, направляющую поток электромагнитной энергии  по заданному пути от источника к  потребителю. Определенные таким образом  волноводы включают, в частности, и линии передачи, поперечные размеры  которых значительно меньше длины  волны. Сложность рассмотрения явлений  в волноводах зависит, прежде всего, от того, что при передаче электромагнитной энергии в волноводах могут возбуждаться одновременно многие виды распространяющихся и нераспространяющихся колебаний, отличающихся конфигурациями полей и функциями распространения [1].

2. Поддиапазоны СВЧ

Сверхвысокочастотное излучение (СВЧ - излучение) - электромагнитное излучение (электромагнитные волны), включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 1 м - частота 300 МГц  до 1 мм - 300 ГГц).

Поддиапазоны СВЧ в  различных системах обозначений  различаются, используемые в спутниковой  связи приведены в таблице:

 

 

 

Поддиапазоны СВЧ

Название	Частотный диапазон, ГГц
Название диапазона	Диапазон частот РЛС	Диапазон частот в спутниковой  связи
L	1,0 — 2,0
S	2,0 — 4,0
C	4,0 — 8,0	4,0 — 7,0
X	8,0 — 12,0	7,0 — 10,7
Ku	12,0 — 18,0	10,7 — 18,0
K	18,0 — 26,5	18,3 — 20,2; 27,5 — 31,5
Ka	26,5 — 40,0

L-диапазон - диапазон частот дециметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 1 до 2 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 30 до 15 см).

S-диапазон - диапазон частот дециметровых и сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 2 до 4 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 15 до 7,5 см).

C-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 4 до 8 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 7,5 до 3,75 см), хотя в спутниковой связи этот диапазон "сдвинут" в сторону S-диапазона и лежит примерно между 3,4 и 7 ГГц.

X-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 8 до 12 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 3,75 до 2,5 см), хотя в спутниковой связи этот диапазон "сдвинут" в сторону C-диапазона и лежит примерно между 7 и 10,7 ГГц.

K_u-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых в спутниковом телевидении. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 12 до 18 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 2,5 до 1,67 см). В спутниковой связи к этому диапазону также относят часть X-диапазона: в этом случае диапазон K_u- лежит между 10,7 и 18 ГГц.

K-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых в основном для радиолокации, а также для спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 18 до 26,5 ГГц электромагнитного спектра (что соответствует длинам волн от 1,67 до 1,13 см).

Использование этого диапазона  для радиосвязи ограничено из-за сильного поглощения радиоволн водяным паром, и поэтому обычно для этой цели используются диапазоны находящиеся "под" и "над" K-диапазоном: K_u и K_a соответственно.

K_a-диапазон - диапазон частот сантиметровых и миллиметровых длин волн, используемых в основном для спутниковой радиосвязи и радиолокации. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 26,5 до 40 ГГц электромагнитного спектра (что соответствует длинам волн от 1,13 до 0,75 см) [2].

 

ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ  МОЩНОСТИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Преобразование измеряемой мощности

Поскольку электромагнитное излучение СВЧ  человеком не ощущается, постольку  необходимо частичное или полное преобразование энергии измеряемого  СВЧ излучения в другие физические величины, которые в конечном счете  поддаются визуализации или записи. Преобразование СВЧ всегда многоступенчатое, например: энергия излучения ® ток ® наведенные СВЧ токи ® тепло.

Возможны и другие виды преобразований. Заметим, что относительно силовой характеристики поля обязательно  присутствует нелинейное преобразование либо при детектировании, либо по закону Джоуля-Ленца, либо по закону Кулона. Нелинейное преобразование обязательно для  измерения мощности, ибо в исходном определении потока энергии поля также присутствует нелинейное преобразование. Подавляющее большинство приборов для измерения мощности СВЧ основаны на преобразовании энергии излучения  в тепло.

2. Ваттметры СВЧ

Для преобразования энергии СВЧ и  визуализации результата измерений  разрабатывают и выпускают в  больших количествах специальные  приборы – ваттметры сверхвысоких частот. Типичный ваттметр состоит  из одного или нескольких первичных  измерительных преобразователей и  одного измерительного блока. Назначение преобразователей – преобразование измеряемой мощности в напряжение, ток, термо-эдс, сопротивление постоянному току. Назначение блока измерительного – дальнейшие преобразования: усиление или деление сигнала, вычисление различных функций измеряемой величины, преобразование в цифровую

форму, преобразование в код, обеспечение  интерфейсных функций при работе совместно с другими приборами  в информационных измерительных  системах.

Все ваттметры СВЧ, работающие в диапазоне частот от 10⁷ Гц до 10¹¹ Гц, подразделяются по следующим основным признакам:

1. по уровням измеряемых мощностей: ваттметры малых уровней мощности (до 10^-2 Вт), средних уровней (от 10 ^-2 Вт до 10 Вт), больших уровней мощности (более 10 Вт);
2. по типу входного соединителя первичного преобразователя: волноводные (прямоугольный волновод) и коаксиальные;
3. по способу включения в тракт: ваттметры проходного типа (ваттметры проходящей мощности) и ваттметры оконечные ( ваттметры поглощаемой мощности);
4. по способу преобразования: тепловые и электронные;
5. отдельную группу составляют импульсные ваттметры, специально предназначенные для измерения мощности несущей при импульсно-модулированном сигнале генератора.

3. Две схемы измерения СВЧ

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ: 1) измерение мощности источника (генератора) излучения, когда под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку; 2) измерение мощности, выделяемой в генераторе (см. рисунки 2.1 и 2.2). В приведенных случаях используются принципиально различные методы измерения. В первом случае измеряемая мощность, выделяемая генератором, полностью поглощается измерителем поглощаемой мощности, являющимся нагрузкой. Во втором случае между генератором и нагрузкой включается ваттметр проходящей мощности, отбирающий лишь малую часть мощности. Идеальный ваттметр проходящей мощности не должен вносить никаких изменений в передачу энергии от генератора к нагрузке.