Составление уравнения полного сопротивления цепи с учётом её паразитных элементов для разработки измерительного алгоритма настройки серийного антенного согласующего устройства на нейросетях
Элементная база согласующей цепи. Высокочастотный конденсатор, высокочастотный геркон, высокочастотная катушка индуктивности и их паразитные элементы. Поиск способов обоснованного упрощения схемы согласующей цепи. Вывод полного уравнения согласующей цепи.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | отчет по практике |
Язык | русский |
Дата добавления | 17.02.2019 |
Размер файла | 2,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный университет путей сообщения»
(ОмГУПС (ОмИИТ))
Кафедра «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети»
ОТЧЕТ
по «Конструкторской практике»
(Составление уравнения полного сопротивления цепи с учётом её паразитных элементов для разработки измерительного алгоритма настройки серийного антенного согласующего устройства на нейросетях)
Место прохождения производственной практики:
Омский научно-исследовательский институт приборостроения (ОНИИП)
Студент гр. 24 а Н. Е. Агарков
Руководитель практики
к. т. н., доцент каф. «ТРСиС» А. С. Картавцев
Омск 2017
Содержание
Введение
1. Схема согласующей цепи
2. Элементная база согласующей цепи
2.1 Высокочастотная катушка индуктивности и её паразитные элементы
2.2 Высокочастотный конденсатор и его паразитные элементы
2.3 Высокочастотный геркон и его паразитные элементы
3. Поиск способов обоснованного упрощения схемы согласующей цепи
3.1 Общие принципы упрощения цепи
3.2 Элементарные блоки согласующей цепи, их соединение друг с другом
3.3 Обоснованное упрощение схем элементарных блоков
4. Вывод полного уравнения согласующей цепи
Заключение
Библиографический список
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Введение
Антенное согласующее устройство (АнСУ) необходимо для качественной передачи и приёма сигнала (в данном случае - высокочастотного, до 80 МГц). АнСУ согласовывает выход усилителя мощности приёмо-передатчика сопротивлением 50 Ом с сопротивлением приёмо-передающей антенны, которое зависит от частоты, и, соответственно, от длины волны.
На практике, стараются достичь чисто активного сопротивления антенны в 50 Ом. Тогда усилитель правильно отдаёт свою мощность на антенну, без потерь.
При фиксированной длине (как правило) антенны, она, принимая сигналы различных частот, может иметь как ёмкостный, так и индуктивный характер и сопротивление, отличное от необходимых 50 Ом. Если четверть длины волны сигнала больше длины самой антенны, то сопротивление последней приобретает ёмкостный характер, и, наоборот.
Для устранения такого явления в данном АнСУ используется Т-образный контур подстройки (согласующая цепь), представляющий собой набор из катушек различной индуктивности, конденсаторов - простых и составных, различной ёмкости, а также магнитоуправляемых контактов - герконовых реле, подключающих нужные звенья, набирая, таким образом, индуктивность и ёмкость. С задачей определения необходимых значений индуктивности и ёмкости справляется специальный контроллер.
Поставленная задача: определить полное сопротивление согласующей цепи, записав его в виде уравнения, принимая в расчёт все паразитные элементы схемы. Это уравнение далее закладывается в компьютер для самообучения некоторой нейронной сети.
1. Схема согласующей цепи
Принципиальная схема согласующей цепи представлена ниже на рисунке 1.
Рисунок 1 - Принципиальная схема согласующей цепи
В данной схеме используется 16 различных по номиналу катушек индуктивности, 34 конденсатора и 28 герконовых контактов.
Слева схема подключается к выходному сопротивлению усилителя, а справа - непосредственно, к антенне.
2. Элементная база согласующей цепи
согласующий цепь конденсатор индуктивность
Исследование данной цепи необходимо начать с изучения элементной базы: высокочастотных катушки индуктивности, конденсатора и герконового контакта.
Большая передаваемая мощность (около 100 Вт) и большие рабочие частоты - десятки мегагерц заставляют считаться со всевозможными паразитными явлениями в элементах цепи, о которых подробно будет сказано далее.
2.1 Высокочастотная катушка индуктивности и её паразитные элементы
В простейшем случае, то есть в области низких частот (НЧ), катушку можно представить, без сколько-нибудь значительных погрешностей, схемой замещения с двумя элементами - собственной индуктивностью (Lсоб) и активным последовательным сопротивлением проводника (Rа) (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема замещения катушки в области НЧ
Если рассматривать катушку как чисто реактивный элемент, то её активное сопротивление является паразитным элементом.
В схемах замещения все элементы представляются в виде обычных сосредоточенных элементов, но подразумевается, что они распределены по всей длине катушки, конденсатора или герконового контакта.
В области высоких частот (ВЧ), мы переходим к более сложной схеме замещения, называемой ещё - реальной катушкой индуктивности, представленной на рисунке 3. Это всё ещё двухполюсник, имеющий уже не 2, а 4 элемента.
Рисунок 3 - Схема замещения реальной катушки индуктивности
На рисунке 3, кроме собственной индуктивности и активного сопротивления катушки, показана возникающая паразитная ёмкость СL - в зависимости от конструкции катушки может достигать десятков пикофарад, состоящая из двух компонентов - внутренней межвитковой ёмкости Cвн и монтажной ёмкости См, а также сопротивление ёмкостных потерь RCL.
Наконец, в полной схеме замещения, учитывается ёмкостная утечка на корпус Спк, исчисляемая единицами пикофарад (в приложении А указывается величина данной утечки для геркона - Contact Capatience - Open Contacts to Ground, равная 1,2 пФ, которую можно распространить на катушку и конденсатор, так как там тоже учитывается данный вид утечки). Данная паразитная утечка превращает двухполюсную катушку индуктивности в четырёхполюсник, представленный на рисунке 4. Также, отдельными резистивными элементами учитывается сопротивление поверхностного эффекта Rпэ, заключающегося в “выдавливании” тока на поверхность проводника при больших частотах и сопротивление, обусловленное эффектом близости Rб, обусловленное неравномерным распределением тока по виткам катушки.
Рисунок 4 - Полная схема замещения катушки индуктивности
Конструктивно, катушки в согласующей цепи распределены на относительно большом расстоянии друг от друга, поэтому их взаимные влияния можно не учитывать.
О том, почему столь подробная модель на практике не применяется, будет сказано в разделе 3, посвящённому обоснованному упрощению схем замещения и поиску подходов к свёртыванию громоздкой схемы согласующей цепи.
2.2 Высокочастотный конденсатор и его паразитные элементы
В области НЧ схема замещения напоминает схему катушки индуктивности с той лишь разницей, что вместо собственной индуктивности здесь находится элемент собственной ёмкости Ссоб (рисунок 5).
Рисунок 5 - Схема замещения конденсатора в области НЧ
В области ВЧ у конденсатора проявляется паразитная индуктивность Lпар, обусловленная индуктивностью выводов и обкладок; приходиться считаться с утечками через материал изоляции - Rут, а также диэлектрической абсорбцией - Cда и Rда. (Явление диэлектрической абсорбции в конденсаторах обусловлено замедленными процессами поляризации диэлектрика и приводит к появлению напряжения на выводах конденсатора после его кратковременной разрядки. Данное явление сказывается только при работе в связке с интегральными компонентами, например, интегратор полностью не сбрасывается до нуля).
Схема замещения в области ВЧ представлена на рисунке 6 (реальный конденсатор).
Рисунок 6 - Схема замещения реального конденсатора
В инженерных расчётах, также как и в катушке, учитывают ёмкостные утечки на корпус (рисунок 7), превращающие схему замещения в четырёхполюсник и сопротивление Rпэ, обусловленное поверхностным эффектом выводов и обкладок конденсатора. Предусматривается, что конденсатор будет работать на частотах, много меньше собственной частоты резонанса, возникающей из-за паразитной индуктивности и превращающей конденсатор в LC-контур на гигагерцовых частотах.
Рисунок 7 - Полная схема замещения конденсатора
2.3 Высокочастотный геркон и его паразитные элементы
Герконовый контакт - это магнитоуправляемое реле. Сами контакты находятся в герметичной колбе с вакуумом. Это делается для того, чтобы уменьшить разрушение контактов при многократной коммутации и обеспечить надёжную работу реле в пределах одного миллиона переключений.
Так как герконовый контакт может находиться в одном из двух положений, то для него целесообразно составить две схемы замещения - при разомкнутом состоянии и при замкнутом.
Схема замещения при разомкнутом состоянии включает в себя паразитную ёмкость Сгпар между контактами внутри колбы, равную 1,2 пФ и указанную в приложении А (Contact Capatience - Between open contacts), а также активное сопротивление проводящего материала Rа, сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом Rпэ, индуктивность выводов и контактов геркона Lгпар (рисунок 8). Дополнительно учитывается ёмкостная утечка на корпус, равная 1,2 пФ (приложение А).
Рисунок 8 - Схема замещения высокочастотного геркона в разомкнутом состоянии
В замкнутом состоянии, герконовый контакт представляет собой резистор с очень маленьким активным сопротивлением порядка 0,02 Ом (Contact Resistance, Maximum) (приложение А). Также учитывается ёмкостная утечка на корпус, паразитная индуктивность и сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом. (рисунок 9).
Рисунок 9 - Схема замещения высокочастотного геркона в замкнутом состоянии
3. Поиск способов обоснованного упрощения схемы согласующей цепи
3.1 Общие принципы упрощения цепи
Полную схему T-образной согласующей цепи, показанную на рисунке 1, можно представить следующей схемой эквивалентного сопротивления (рисунок 10).
Рисунок 10 - T-образная схема эквивалентного сопротивления согласующей цепи
ZL1 - эквивалентное сопротивление набора десяти первых катушек и герконов, ZL2 - эквивалентное сопротивление набора шести оставшихся катушек и герконов. ZС1 - эквивалентное сопротивление набора ёмкостей. ZАНТ - некоторое значение сопротивления антенны, зависящее от частоты сигнала. ZУСИЛ - выходное сопротивление усилителя мощности. Эквивалентное сопротивление данной цепи можно записать в виде формулы 1.
(1)
Далее, ZL1, ZL2, и ZС1 также можно привести к эквивалентным сопротивлениям, представленным на рисунках 11, 12, 13. Z1 (Z2) - сопротивление герконового контакта, который может быть замкнут (Z1) или разомкнут (Z2). В схеме используются одинаковые герконы.
Сопротивление, обозначаемое Z3i - это эквивалентное сопротивление каждой конкретной катушки, где параметр i изменяется от 1 до 16 (по числу катушек в схеме). Каждая катушка различается значениями собственной индуктивности и паразитных элементов, но формула её полного сопротивления не изменяется. Также и с конденсаторами, обозначаемыми Z4i. Параметр i изменяется от 1 до 34.
Рисунок 11 - Блок сопротивления ZL1
Рисунок 12 - Блок сопротивления ZL2
Рисунок 13 - Блок сопротивления ZС1
3.2 Элементарные блоки согласующей цепи, их соединение друг с другом
В схеме на рисунке 1 можно выделить два основополагающих блока, из которых составляется вся цепь.
Во-первых, это параллельное соединение катушки Z3i и герконового контакта Z1 (Z2). Эти блоки соединяются между собой последовательно, суммируя общую индуктивность цепи. Возможны две разновидности данного блока:
а) Герконовый контакт разомкнут, катушка включена в цепь, весь ток идёт через неё (рисунок 12);
б) Герконовый контакт замкнут, катушка зашунтирована, весь ток идёт через геркон (рисунок 13).
Рисунок 12 - Параллельное включение схем замещения катушки и разомкнутого герконового контакта
Рисунок 13 - Параллельное включение схем замещения катушки и замкнутого герконового контакта
Во-вторых, это блок последовательного включения конденсатора Z4i и герконового контакта Z1(Z2), включаемые параллельно друг-другу для суммирования ёмкости. Блоки соединяются проводником в несколько сантиметров, который будет обладать паразитной индуктивностью порядка 30 нГн. Здесь также нужно рассмотреть два варианта:
а) Герконовый контакт разомкнут, конденсатор (или блок параллельно включенных конденсаторов) отключен от схемы (рисунок 14);
б) Герконовый контакт замкнут, конденсатор подключен к цепи и вносит свой вклад в набираемую ёмкость (рисунок 15).
Рисунок 14 - Последовательное включение конденсатора и разомкнутого герконового контакта
Рисунок 15 - Последовательное включение конденсатора и замкнутого герконового контакта
Например, без упрощения схемы замещения параллельного включенной катушки и геркона, формула данного блока будет представлять собой формулу 2, слишком громоздкую для дальнейших операций.
(2)
3.3 Обоснованное упрощение схем элементарных блоков
Блок параллельного сопротивления катушки и геркона представлен на рисунках 12 и 13. На частотах от 1,5 до 80 МГц, индуктивное сопротивление XL катушки будет порядка нескольких кОм, а ёмкостное сопротивление XCпк утечки на корпус будет порядка 10 кОм. Поэтому, полную схему замещения катушки можно значительно упростить: не учитывать активное сопротивление катушки (RDC Ohm, Max) (приложение В), которое исчисляется порядка нескольких Ом, не учитывать влияния сопротивления поверхностного эффекта и эффекта близости, а также сопротивление ёмкостных потерь. Геркон в разомкнутом состоянии будет представлять собой большое ёмкостное сопротивление порядка 10 кОм на частотах 1,5 - 80 МГц, а его паразитная последовательная индуктивность настолько мала, что также как и активное сопротивление порядка 0,02 Ом не будет вносить значимых изменений.
Схема параллельного включения геркона и катушки в доведённом виде и процесс свёртывания данного блока представлен ниже на рисунке 11.
Рисунок 16 - Параллельное соединение катушки индуктивности и геркона и свёртывание данной схемы
Формула эквивалентного сопротивления разомкнутого геркона, параллельно подключенного к катушке индуктивности, отражена в формуле 3.
(3)
Если геркон замкнут, то весь ток пойдёт через сопротивление геркона, нормируемое по приложению А, 0,02 Ом, что показано в формуле 4.
(4)
Но, так как элементарные блоки в ZL1 и в ZL2 подключаются друг к другу последовательно, а каждая катушка в полосе частот 1,5-80 МГц имеет, как уже говорилось, сопротивление порядка нескольких кОм, то сопротивление Z6i можно просто не учитывать.
Последовательное соединение конденсатора и геркона в разомкнутом состоянии будет полностью определяться сопротивлением геркона (рисунок 17), поскольку его паразитная ёмкость в сотни и тысячи раз меньше собственной ёмкости конденсатора, а сопротивление, наоборот, на те же порядки выше сопротивления конденсатора. Формула 5 отражает эквивалентное сопротивление данного блока.
Рисунок 17 - Последовательное включение конденсатора и разомкнутого геркона и свёртывание данной схемы
(5)
Поскольку элементарные блоки последовательно соединённых герконов и конденсаторов подключаются между собой параллельно, а сопротивление разомкнутого геркона на порядки выше сопротивления конденсатора на той же частоте, то можно пренебречь сопротивлением Z7i, незначительно уменьшающем результирующее сопротивление блока ZС1.
Последовательное соединение конденсатора и геркона в замкнутом состоянии будет полностью определяться сопротивлением конденсатора геркона (рисунок 18). Сопротивлением утечки конденсатора через изоляцию можно пренебречь, так как она находиться в пределах 104-105 МОм (приложение Б).
Рисунок 18 - Последовательное включение конденсатора и замкнутого геркона и свёртывание данной схемы
Формула данного блока представлена в формуле 6.
(6)
Итак, мы получили формулы для всех четырёх разновидностей блоков.
4. Вывод полного уравнения согласующей цепи
До этого, процесс упрощения рассматривался как направленное движение от сложного к простому, теперь, для вывода полного уравнения цепи необходимо, наоборот, двигаться от вычисленных сопротивлений элементарных блоков к более сложным структурам - ZL1, ZL2, и ZС1. И, в конечном счёте, от ZL1, ZL2, и ZС1 к ZОБЩ.
Блок ZL1, как уже показывалось ранее - это последовательное соединение десяти элементарных блоков катушек и герконов, включенных параллельно. Это можно записать в виде формулы 8.
(8)
где N1 - количество незашунтированных катушек;
i - номер катушки, может быть от 1 до10.
То есть, если индуктивность набирается с помощью катушек под номерами 1,2,5,6,9 и 10 (к примеру), то ZL1 можно расписать в виде формулы 9.
(9)
А каждое Z5i, как уже было сказано ранее, зависит от собственной индуктивности и учитываемых при расчёте паразитных элементов.
Аналогичным образом рассчитывается блок ZL2, что отражено в формуле 10.
(10)
где N2 - количество незашунтированных катушек,
i - номер катушки, может быть от 11 до16.
Ситуация с блоком ZС1 несколько сложнее из-за наличия составных конденсаторов.
Заранее известно, что одиночный блок с двумя параллельными конденсаторами имеет сопротивление Z9, показанное в формуле 11, из-за того, что обе ёмкости одинакового номинала.
(11)
Блок из геркона и четырёх параллельных конденсаторов разного номинала тогда будет иметь вид, показанный в формуле 12.
(12)
Теперь можно записать сопротивление ZС1 (формула 13).
(13)
Где N3 - количество блоков с одиночными конденсаторами, может быть от 0 до 4;
N4 - количество блоков со сдвоенными конденсаторами, может быть от 0 до 1;
N5 - количество блоков со сдвоенными конденсаторами, может быть от 0 до 7.
Теперь подставим ZL1, ZL2, и ZС1 в формулу 1 (ZОБЩ).
(14)
Раскрывая сопротивления Z9 и Z10i, приводим формулу 14 к виду (15).
(15)
Чтобы получить конкретное значение полного сопротивления согласующей цепи, необходимо лишь знать номера незашунтированных катушек и подключенных конденсаторов (блоков конденсаторов) с их параметрами для расчёта конкретных значений Z5i и Z8i и сопротивление антенны ZАНТ.
Заключение
В ходе производственной практики, были получены навыки расчёта сопротивления согласующей цепи АнСУ. Были изучены схемы замещения элементов цепи - катушки индуктивности, конденсатора и герконового контакта, их паразитные элементы.
В ходе практической части по выводу полного уравнения цепи, были получены навыки работы с электрическими цепями, применены ранее известные способы по свёртыванию схем двухполюсников и приведение их к эквивалентному сопротивлению.
В полосе частот 1,5 - 80 МГц, при расчётах более чем в 80% случаев можно пренебречь паразитными элементами, которые вносят несущественный вклад в общее сопротивление, но значительно усложняют формулы схем замещения.
Так как схема согласующей цепи достаточно сложная, имеющая много различных элементов, то необходимо стремиться к обоснованному упрощению расчётов - разбивке длинной цепи на одинаковые блоки, упрощению схем замещения отдельных элементов, иначе расчёт превращается в слишком громоздкие конструкции ещё на ранних этапах, а по мере движения от простых элементов к более общим структурам, он становится невозможным.
Библиографический список
1 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления текстовых документов.
2 Интернет ресурс http://www.studfiles.ru
3 Интернет ресурс http://www.sonel.ru
4 Интернет ресурс http://edwpl.ucoz.ru
5 http://stud.izhdv.ru/rir/40.htm
Приложение А (обязательное)
Рисунок 22 - Характеристики герконового контакта
Приложение Б (обязательное)
Рисунок 22 - Характеристики конденсаторов
Приложение В (обязательное)
Рисунок 22 - Характеристики катушек индуктивности
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Характеристика и особенности техники радиопередающих устройств. Методы формирования сигналов в передатчиках с одной боковой полосой. Расчет коллекторной цепи и выходной цепи связи. Оценка влияния согласующей цепи на величину R. Расчет цепей питания.
курсовая работа [147,9 K], добавлен 21.07.2010Расчет режима цепи до коммутации. Определение корней характеристического уравнения. Начальные условия для тока в индуктивности. Оценка продолжительности переходного процесса. Графики токов в электрической цепи, напряжения на ёмкости и индуктивности.
курсовая работа [737,0 K], добавлен 25.12.2014Определение параметров резистора и индуктивности катушки, углов сдвига фаз между напряжением и током на входе цепи. Расчет коэффициента усиления напряжения, добротности волнового сопротивления цепи. Анализ напряжения при активно-индуктивной нагрузке.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 11.06.2011Работа радиолокационных станций в условиях помех и действия малоразмерных целей. Расчет параметров входного устройства транзисторного усилителя. Расчет функции передачи и элементов согласующей цепи. Синтез схемы входного устройств малошумящего усилителя.
дипломная работа [8,6 M], добавлен 04.12.2013Вычисление переходной характеристики цепи. Определение реакции цепи на импульс заданной формы с помощью интеграла Дюамеля. Связь между импульсной характеристикой и передаточной функцией цепи. Вычисление дискретного сигнала на выходе цепи, синтез схемы.
курсовая работа [296,3 K], добавлен 09.09.2012Индуктивность – физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Природа индуктивности, классификация катушек индуктивности. Схема замещения, основные и паразитные параметры. Стабильность катушек без сердечника и их особенности.
реферат [813,9 K], добавлен 11.12.2008Разработка варианта структурной схемы передатчика низовой радиосвязи и его отдельных принципиальных узлов. Электрический расчет выходного каскада, согласующей цепи, умножителя частоты, опорного генератора, частотного модулятора и штыревой антенны.
курсовая работа [981,1 K], добавлен 16.11.2011Структурная схема транзисторного высокочастотного тракта. Сумматор мощности и его схема. Датчик фазы входного сопротивления согласующей цепи на выходе сумматора мощности. Виды и характеристика аппаратов для УВЧ-терапии и их основные выходные параметры.
реферат [113,9 K], добавлен 12.01.2009Методы определения отклика пассивной линейной цепи на воздействие входного сигнала. Расчет входного сигнала. Определение дифференциального уравнения относительно отклика цепи по методу уравнений Кирхгофа. Расчет временных и частотных характеристик цепи.
курсовая работа [269,2 K], добавлен 06.06.2010Исследование электрической цепи переменного тока при последовательном соединении активного, индуктивного емкостного сопротивления. Изменение активного сопротивления катушки индуктивности. Параметры электрической схемы переменного однофазного тока.
лабораторная работа [701,1 K], добавлен 12.01.2010