TrLin Praktikum II Lastnosti transmisijske linije Uvod Visokofrekvenčne signale in energijo večkrat vodimo po kablih imenovanih transmisijske linije.

Podobni dokumenti
Diapozitiv 1

Diapozitiv 1

Microsoft Word - ELEKTROTEHNIKA2_11. junij 2104

Microsoft PowerPoint - OVT_4_IzolacijskiMat_v1.pptx

Microsoft Word - ELEKTROTEHNIKA2_ junij 2013_pola1 in 2

Microsoft Word - CelotniPraktikum_2011_verZaTisk.doc

Microsoft Word - M

10. Meritev šumnega števila ojačevalnika Vsako radijsko zvezo načrtujemo za zahtevano razmerje signal/šum. Šum ima vsaj dva izvora: naravni šum T A, k

Microsoft Word - Avditorne.docx

LABORATORIJSKE VAJE IZ FIZIKE

LINEARNA ELEKTRONIKA

Poskusi s kondenzatorji

VIN Lab 1

1. Električne lastnosti varikap diode Vsaka polprevodniška dioda ima zaporno plast, debelina katere narašča z zaporno napetostjo. Dioda se v zaporni s

ELEKTRIČNI NIHAJNI KROG TEORIJA Električni nihajni krog je električno vezje, ki služi za generacijo visokofrekvenče izmenične napetosti. V osnovi je "

VPRAŠANJA ZA USTNI IZPIT PRI PREDMETU OSNOVE ELEKTROTEHNIKE II PREDAVATELJ PROF. DR. DEJAN KRIŽAJ Vprašanja so v osnovi sestavljena iz naslovov poglav

Naloge 1. Dva električna grelnika z ohmskima upornostma 60 Ω in 30 Ω vežemo vzporedno in priključimo na idealni enosmerni tokovni vir s tokom 10 A. Tr

17. Karakteristična impedanca LC sita Eden osnovnih gradnikov visokofrekvenčnih vezij so frekvenčna sita: nizko-prepustna, visoko-prepustna, pasovno-p

Diapozitiv 1

Microsoft Word - M docx

DN080038_plonk plus fizika SS.indd

Microsoft Word doc

SLO NAVODILA ZA UPORABO IN MONTAŽO Kat. št.: NAVODILA ZA UPORABO Tonski generator IDEAL Electrical PRO Kataloška št.:

Microsoft Word - 2. Merski sistemi-b.doc

Poročilo o opravljenem delu pri praktičnem pouku fizike: MERJENJE S KLJUNASTIM MERILOM Ime in priimek: Mitja Kočevar Razred: 1. f Učitelj: Otmar Uranj

Equation Chapter 1 Section 24Trifazni sistemi

10. Vaja: Kemijsko ravnotežje I a) Osnove: Poznamo enosmerne in ravnotežne kemijske reakcije. Za slednje lahko pišemo določeno konstanto kemijskega ra

Jerneja Čučnik Merjenje in uporaba kondenzatorja Gimnazija Celje Center LABORATORIJSKA VAJA Merjenje in uporaba kondenzatorja Ime in priimek:

Osnovne informacije o harmonikih Fenomen, ki se je pojavil v zadnih nekaj desetletjih, to je harmonski tokovi v električnih inštalacijah, postaja vedn

1 Naloge iz Matematične fizike II /14 1. Enakomerno segreto kocko vržemo v hladnejšo vodo stalne temperature. Kako se spreminja s časom temperat

Samostojni projekt pri predmetu Antene in razširjanje valov Izdelava antene poročilo 16. januar 2019 Peter Kmecl

Besedilo naloge:

Uvodno predavanje

C:/Users/Matevž Èrepnjak/Dropbox/FKKT/testi in izpiti/ /IZPITI/FKKT-februar-14.dvi

Uvodno predavanje

Člen 11(1): Frekvenčna območja Frekvenčna območja Časovna perioda obratovanja 47,0 Hz-47,5 Hz Najmanj 60 sekund 47,5 Hz-48,5 Hz Neomejeno 48,5 Hz-49,0

Microsoft Word - GorivnaCelica_h-tec10.doc

VHF1-VHF2

7. VAJA A. ENAČBA ZBIRALNE LEČE

an-01-Stikalo_za_luc_za_na_stopnisce_Zamel_ASP-01.docx

FIZIKA IN ARHITEKTURA SKOZI NAŠA UŠESA

Univerza v Mariboru Fakulteta za naravoslovje in matematiko Oddelek za matematiko in računalništvo Enopredmetna matematika IZPIT IZ VERJETNOSTI IN STA

C:/Users/Matevž Èrepnjak/Dropbox/FKKT/TESTI-IZPITI-REZULTATI/ /Izpiti/FKKT-avgust-17.dvi

PRIPRAVA NA 1. Š. N.: KVADRATNA FUNKCIJA IN KVADRATNA ENAČBA 1. Izračunaj presečišča parabole y=5 x x 8 s koordinatnima osema. R: 2 0, 8, 4,0,,0

Vaje pri predmetu Elektronika za študente FMT Andrej Studen June 4, marec 2013 Določi tok skozi 5 V baterijo, ko vežemo dva 1kΩ upornika a) zap

Fizika2_stari_testi.DVI

MB_Studenci

STAVKI _5_

Matematika Diferencialne enačbe prvega reda (1) Reši diferencialne enačbe z ločljivimi spremenljivkami: (a) y = 2xy, (b) y tg x = y, (c) y = 2x(1 + y

Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Marjan Jenko Dopolnilno gradivo za Elektrotehnika in elektronika 3004, računske naloge z rešitvami Ljubl

NMRPUL.pdf

PowerPoint Presentation

C:/Users/Matevž Èrepnjak/Dropbox/FKKT/TESTI-IZPITI-REZULTATI/ /Izpiti/FKKT-junij-17.dvi

Slovenska predloga za KE

M-Tel

Microsoft Word - microtronic1.06

MERJENJE GORIŠČNE RAZDALJE LEČE

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Matematika 2 Pisni izpit 9. junij 2005 Ime in priimek: Vpisna št: Zaporedna številka izpita: Navodila Pazljivo preberite bese

SLO NAVODILA ZA UPORABO IN MONTAŽO Kat. št.: NAVODILA ZA UPORABO Laserliner tester napetosti AC tive Finder Kataloška št.: 12 3

Inducirana_napetost(11)

SLO - NAVODILO ZA UPORABO IN MONTAŽO Št

Microsoft Word doc

VAU 7.5-3_Kurz_SL_ indd

docx

15. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in Optiko Fakulteta za Elektrotehniko Ljubljana, 30.jan - 1.feb 2008 Osnovne omejitve svetlobn

(Microsoft PowerPoint - vorsic ET 9.2 OES matri\350ne metode 2011.ppt [Compatibility Mode])

Microsoft Word - Astronomija-Projekt19fin

Delavnica Načrtovanje digitalnih vezij

Ime in priimek: Vpisna št: FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Verjetnost Pisni izpit 5. februar 2018 Navodila Pazljivo preberite

DES11_realno

CelotniPraktikum_2011_verZaTisk.pdf

SLO NAVODILA ZA UPORABO IN MONTAŽO Kat. št.: NAVODILA ZA UPORABO Digitalni trifazni števec električnega toka TIP NOVA 80 MID 4L

2

Naloge iz kolokvijev Analize 1 (z rešitvami) E-UNI, GING, TK-UNI FERI dr. Iztok Peterin Maribor 2009 V tej datoteki so zbrane naloge iz kolokvijev za

Prevodnik_v_polju_14_

DES

Atomska spektroskopija PROSTI ATOMI VZBUJENI ATOMI Marjan Veber Metode atomske/elementne masne/ spektrometrije Elektronska konfiguracija Mg

Univerza v Ljubljani

Vaje: Matrike 1. Ugani rezultat, nato pa dokaži z indukcijo: (a) (b) [ ] n 1 1 ; n N 0 1 n ; n N Pokaži, da je množica x 0 y 0 x

Modem in krajevno omrežje Uporabniški priročnik

7. VF ojačevalnik z MOS tranzistorjem Polprevodniki, predvsem različne vrste tranzistorjev, so sredi dvajsetega stoletja uspešno nadomestili vakuumske

Microsoft Word - Navodila_NSB2_SLO.doc

Microsoft Word doc

FGG13

C:/Users/Matevz/Dropbox/FKKT/TESTI-IZPITI-REZULTATI/ /Izpiti/FKKT-januar-februar-15.dvi

Microsoft Word doc

an-01-USB_digitalni_zvocniki_Logitech_S-150.docx

Microsoft Word doc

Upori

1 EKSPERIMENTALNI DEL 1.1 Tkanina Pri pranju smo uporabili pet tkanin, od katerih je bila ena bela bombažna tkanina (B), preostale tkanine (E101, E111

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko Gjorgji Nusev Meritve bližnjega magnetnega in električnega polja za določanje elektromagnetne združlj

Slide 1

Microsoft Word - M docx

REALIZACIJA ELEKTRONSKIH SKLOPOV

SLO NAVODILA ZA UPORABO IN MONTAŽO Kat. št.: NAVODILA ZA UPORABO Digitalni multimeter Fluke 179 Kataloška št.:

4.1 NASLOVNA STRAN ŠTEVILČNA OZNAKA IN VRSTA NAČRTA: 4 NAČRT ELEKTRIČNIH INŠTALACIJ IN ELEKTRIČNE OPREME INVESTITOR: Občina Grosuplje, Taborska cesta

Osnove elektrotehnike 1, VSŠ

Installation manual

RAČUNALNIŠKA ORODJA V MATEMATIKI

Microsoft Word - Varnostna navodila - ucilo2.doc

Transkripcija:

Lastnosti transmisijske lije Uvod Visokofrekvenčne signale energijo večkrat vodimo po kablih imenovanih transmisijske lije. V fiziki pogosto prenašamo signale v obliki kratkih napetostnih ali tokovnih impulzov od detektorjev do merilnih strumentov ali osciloskopov. Pravilna priključitev izvora šibkega signala z merilnikom ni vedno enostavna naloga običajno ne sme biti izvedena s parom navadnih žic. Za ta namen uporabljamo koaksialne kable sestavljene iz prevodne žice obdane z izolatorjem cilidričnim prevodnim ščitom, kot je prikazano v dodatku. Slednji se uporabljajo skoraj izključno za prenos šibkih signalov (televizija, radio, meritve podatkov itd.), ker njihova sestava zmanjšuje moteče signale drugih elektromagnetnih valovanj, ki jih je v vsakem laboratoriju dosti; od 50 Hz motenj, ki jih sevajo predvsem transformatorji, do vseh radijskih komunikacijskih signalov. Koaksialne kable najpomembneje označuje njihova karakteristična impedanca. Robni pogoji, ki jih predpisujejo Maxwellove enačbe, morajo biti zadoščeni na vsaki meji med različnimi kabli ali na vhodih izhodih aparatur. Koaksialne kable, po katerih vodimo signale, je zato potrebno pravilno zaključiti, če se hočemo izogniti odbojem valovanj s tem nezaželenim terferencam, ki bi vodile do popačenja signala. Zaključevanje pomeni izenačevanje impedance vseh členov v verigi izvora, prenosa detekcije signala. Enako pomembno je zaključevanje kablov tudi pri prenosu energije. Valovne dolže elektromagnetnega valovanja v kablih so običajno primerljive z dolžo kablov. To pomeni, da lija ni zelo kratka v primerijavi z valovno dolžo visokofrekvenčnega signala. Zato moramo upoštevati posebne lastnosti lije pri prenosu energije, ki se tičejo faznih zakasnitev valovanj. Krajevna odvisnost toka napetosti vzdolž lije je dana z rešitvijo valovne enačbe. Lijo lahko smatramo za električno vezje, v katerem sta duktivnost kapacitivnost enakomerno porazdeljeni po dolži. Lastnosti lije (npr. koaksialnega kabla) opišemo z duktivnostjo na enoto dolže L s kapacitivnostjo na enoto dolže C. Upornosti žic prevodnost izolacije med vodnikoma zanemarimo. Tukaj bomo preprosto zapisali valovni enačbi za tok I za napetost U. Za dodatna pojasnila pri izpeljavi glej [1]. Tako velja 2 I x = 2 L C 2 I (1) t 2 2 U x = 2 L C 2 U (2) t 2 Za val z določeno frekvenco ω lahko zapišemo splošno rešitev na naslednji nač I(x, t) = (Ae ikx + Be ikx )e iωt (3) U(x, t) = (Ce ikx + De ikx )e iωt. (4) Koeficienta C D sta odvisna od A B: zvezo med njimi da enačba, ki jo sicer upoštevamo že pri izpeljavi valovne enačbe. Tukaj ponovimo razmislek, kaj se godi z napetostjo v kratkem koščku kabla, si pri tem pomagamo s sliko 1. trl.tex 1 17. september 2010

I(x) I(x+dx) U(x) U(x+dx)=U+dU x x+dx Slika 1: Tokovi I napetosti U v kratkem koščku kabla med x x + dx. Napetost v sklenjenem krogu je enaka ducirani napetosti v tem krogu. To nam da enačbo U x dx = L dx I t, (5) oziroma U I = L (6) x t iz katere dobimo izraz, ki povezuje napetost s tokom kot ik(ce ikx De ikx )e iωt = iωl (Ae ikx + Be ikx )e iωt (7) v njem izenačimo člene z enako krajevno odvisnostjo, od katerih en par opisuje val, ki se širi v pozitivni smeri osi x, drugi pa v nasprotni smeri. Razmerje med napetostjo tokom imenujemo karakteristična impedanca Z 0 = C A = ωl L k =, (8) C koeficienta C D pa se izražata z njo kot C = AZ 0 D = BZ 0. S tem smo prišli do važnega pojma karakteristične upornosti lije Z 0. Že vnaprej povejmo, da so tipične vrednosti od 50 do 500 Ω. Poglejmo zdaj konkreten primer, ki ga bomo študirali pri vaji. Kabel bomo napajali z izmeničnim tokom s konstantno amplitudo I 0, ki ga torej poznamo na začetku kabla pri koordati x = 0. Na koncu kabla pri x = d bomo priključili znano upornost, ki nam bo - v skladu z Ohmovim zakonom - določila razmerje med tokom napetostjo na tistem mestu. Izpustimo pisanje časovne odvisnosti izrazimo amplitudi obeh nasprotnih valov, to je konstanti A B, z navedenimi robnimi pogoji kot I(d) = Ae ikd + Be ikd = U(d) I(0) = A + B = I 0 (9) = AZ 0e ikd BZ 0 e ikd (10) Sistem enačb (9) (10) v splošnem nima enostavno preglednih rešitev. Situacija je najbolj enostavna, kadar je kabel zaključen z upornostjo, ki je enaka karakteristični upornosti kabla = Z 0. Takrat dobimo B = 0, kar pomeni da nimamo valovanja, ki bi se širilo nazaj, torej ni odbojev kabel se obnaša, kot bi bil neskončno dolg, ne glede na njegovo dolžo. trl.tex 2 17. september 2010

10 9 8 7 K=0.1 K=0.5 K=1.0 K=2.0 K=10.0 U 0 /I 0 Z 0 6 5 4 3 2 1 0 0 0.5 1 π/2 2 2.5 π Slika 2: Impedanca kabla kot funkcija zakasnitve faze valovanja (spremjamo frekvenco valovanja) v kablu z dolžo d pri različnih zaključkih kabla. Podano je razmerje med navidezno impedanco U 0(0) I 0 karakteristično impedanco Z 0. Število K = Z0 označuje razmerje med karakteristično impedanco kabla upornostjo zaključka. kd Če kabel ni zaključen s karakteristično upornostjo so lastnosti odvisne od dolže. Slika 2 prikazuje odvisnost amplitude napetosti na začetku kabla U 0 (0) od faze valovanja kd na koncu kabla za pet primerov različnih zaključkov kabla, ki so podani poleg krivulj kot razmerje Z 0. Kot vidimo, je napetost res živahna funkcija faze ob neprimernih zaključkih kabla. Za opazovanje teh pojavov je najprimernejša dolža kabla 1 valovne dolže, torej fazna 4 zakasnitev π. Kabel te dolže transformira upornost. Kratko sklenjen kabel (Z 2 T = 0) predstavija zelo veliko upornost na drugem koncu. Nasprotno pa odprt kabel predstavlja na drugem koncu zelo majhno upornost. Napetost na začetku kabla je v tem primeru podana kot U 0 (0) = I 2 0Z 0. Za kabel dolg pol valovne dolže je navidezna impedanca popolnoma enaka na koncu na začetku kabla. Pomemben zaključek dosedanje analize je prisotnost odbitega valovanja v vsakem kablu, ki ni pravilno zaključen. Prisotnost odbitega valovanja se da izraziti z refleksijskim koeficientom R. Če je kabel zaključen s karakteristično upornostjo = Z 0, je refleksijski koeficient 0. V vseh drugih primerih dobimo od nič različen R. Kot primere navedimo skrajne situacije. Tako velja v primeru = R = 1 v primeru = 0 R = 1. Če je breme čista duktivnost ali kapacitivnost je absolutna vrednost R tudi enaka 1. Pri prenosu signala pride v kablu tudi do izgub. Te so do frekvence 1 MHz v glavnem posledica ohmskih izgub so zato frekvenčno neodvisne. Pri večjih frekvencah pa pride do kožnega pojava (sk effect), s tem prevajanja v tanjšem delu vodnika zato so izgube večje naraščajo pri višjih frekvencah. trl.tex 3 17. september 2010

Potrebšče Visokofrekvenčni signalni generator do 30 MHz z izhodno napetostjo 1 V, kabel 704 cm, priključen na generator preko večjega upora R 1 preklopnik z raznimi upori za zaključevanje kabla osciloskop z visokofrekvenčno sondo Naloga 1. Izmeri hitrost elektromagnetnega valovanja v kablu določi dielektrično konstanto izolacije ɛ. 2. Izmeri nariši diagram (vse meritve na en graf) amplitude napetosti na začetku kabla U 0 (0) kot funkcijo frekvence ω za vse zaključne impedance kabla, ki jih imaš na voljo. Meri natančno okoli kd = π, tako da dobiš graf primerljiv s sliko 3 v 2 območju kd med 1 2. Pri frekvencah, za katere velja kd π pri kd 3π, pa 2 določi samo ekstreme si zapiši ustrezne frekvence amplitude. 3. Določi karakteristični upor kabla Z 0 iz meritve frekvenčne odvisnosti izračunaj L C iz znanih dimenzij kabla. Primerjaj jih z znanimi podatki za uporabljeni kabel. Izvedba vaje Visokofrekvenčni generator naj bi dajal stalno napetost U s okrog 1 V. Z njim preko kratkega kabla upora R 1 = 1100 Ω napajaš kabel s konstantnim tokom I 0 (slika 3). Kabel je na drugem koncu priključen na preklopnik, s katerim lahko postopoma spremjaš upornost zaključka kabla od kratkega stika pa do popolnoma odprtega kabla. Zaključek je torej ohmski, se pravi, da ga zapišemo kot realno upornost = R T = 0, 5, 10, 15, 22, 33, 51, 100, 215, 560 Ω. Us A U(0) I(0) B visokofrekvenèni generator U(d) I(d) Slika 3: Shema meritve lastnosti koaksialnega kabla končne dolže. Kabel napajamo z izmeničnim tokom s konstantno amplitudo. Na koncu kabla pri x = d priključimo znano upornost. Z osciloskopsko sondo merimo frekvenčno odvisnost napetosti U(0) na začetku kabla. Osciloskop ti služi za opazovanje napetosti v različnih delih vezja. Napetost otipaš s posebno sondo (pravimo ji osciloskopska sonda), ki kar najmanj zmoti opazovano trl.tex 4 17. september 2010

vezje. Vsa dosedanja diskusija te je morala prepričati, da je uporaba primerne sonde neizbežna, če hočemo njen vpliv na razmere v kablu zanemariti. Vsaka žica ali kabel za odjemanje signala, ki bi imela primerljivo impedanco z impedanco vezja, bi namreč razmere v vezju krepko spremenila. Sonda je poseben element, ki ga običajno dobimo skupaj z osciloskopom. Pomembne lastnosti sonde so njena visoka impedanca majhna kapacitivnost. To dosežejo s posebno tanko žičko z visoko upornostjo v sredi koaksialnega vodnika. Zaradi občutljivosti sonde ravnaj z njo zelo previdno! Pred uporabo sonde pri vaju se prepričaj, da pri merjenju škatlastega signala iz funkcijskega generatorja ali iz PROBE COMP izhoda na osciloskopu s sondo dobimo na ekranu osciloskopa kvaliteten škatlast profil. Priključi tipalo sonde na mesto, kjer te zanima napetost, priključi pa tudi ozemljitvenega krokodila na del vezja, ki je ozemljen, to je običajno na plašč kabla. S tem da priključiš sondo na mesto A (slika 3), preveri kolikšna je napetost generatorja U s v odvisnosti od frekvence v celotnem področju od 1 do 20 MHz, oziroma kolikšni so odmiki od konstantne amplitude. Potem priključi sondo na začetek kabla na mesto B (slika 3). Kabel na koncu kratko skleni, tako da nastaviš preklopnik na = 0. Opazuj signal U 0 (0) na osciloskopu v odvisnosti od naraščajoče frekvence generatorja poišči prvi izraziti maksimum. Takrat je kabel dolg natančno četrt valovne dolže valovanja. Frekvenco odčitaj z visokofrekvenčnega generatorja z osciloskopa primerjaj rezultat. Iz znane dolže koaksialnega kabla frekvence določi hitrost EM valovanja v kablu c določi dielektrično konstanto izolacije kot ɛ = ( c 0 c ) 2, kjer je c 0 svetlobna hitrost v vakuumu. V okolici frekvence, za katero je kabel dolg četrto valovne dolže, izmeri frekvenčno odvisnost napetosti na začetku kabla za vse zaključke kablov, ki jih lahko izbereš z danim preklopnikom. Frekvenco odčitaš z osciloskopa. (Izbira "okolice"v kateri merimo je vedno pomembna, da si ne nakopljemo preveč dela ne izpustimo važnih odvisnosti. Gostota točk je tudi pomembna iz istih razlogov kot prej. Točke naj se razlikujejo nekako za 10% vsaj ene izmed vrednosti, ki točko določajo. Premisli, zakaj je to smiselno.) Ponovi meritve pri dvojni frekvenci. Meri tudi pri trojni frekvenci. Zato, da bo meritev hitrejša poišči pri kd π pri kd 3π, za vsak zaključek kabla samo ekstrem napetosti ga 2 zapiši. Zapiši si tudi frekvenco v ekstremu, ki se lahko rahlo spremja zaradi neidealnih razmer (neidealni tokovni generator, izgube v kablu, kapacitivnost sonde). Izračunaj L C iz znanih dimenzij kabla. Doma preveri naslednje formule za duktivnost kapacitivnost na enoto dolže C = 2πɛɛ 0 ln D d L = µ 0 2π ln D d. Literatura [1] I. Kuščer A. Kodre Matematika v fiziki tehniki (DMFA, Ljubljana, 1994) trl.tex 5 17. september 2010

Dodatek:Podatki za kabel RG 58 C/U Impedanca Kapacitivnost Dušenje Teža (50 ± 2) Ω 101 pf/m 23 db / 100 m pri 100 MHz 3.80 kg / 100 m Notranji vodnik Dielektrik Zunanji vodnik Plašč CuSn PE (polietilen) CuSn PVC (polivilklorid) d = 0.9 mm D = 2.95 mm zun. premer = 3.6 mm zun. premer = 5 mm trl.tex 6 17. september 2010