Реферат: Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах

В некоторых случаях полезна вторая схема включения резонансного частотомера – с индикацией по минимуму тока при резонансе. Устройство такого резонатора изображено на (рис. 3а) эквивалентная схема – на (рис. 3б). На частотах отличной от резонансной входное сопротивление параллельно включенного контура мало и, будучи трансформированным в цепь детектора через отрезок длинной λ/4, не вносит заметных изменений в основную цепь. В следствии этого через индикаторный прибор проходит значительный ток. При настройке контура на частоту колебаний внешнего СВЧ-источника его входное сопротивление резко возрастает, цепь детектора оказывается шунтированной малым сопротивлением и ток через прибор значительно уменьшается (рис. 3в). Скорость изменения показаний прибора при изменении настройки вблизи резонанса зависит как от собственной добротности резонатора, так и от коэффициента связи резонатора с линией. При измерении частоты непрерывных колебаний стремятся обеспечить максимально возможную собственную добротность резонатора. Большую добротность имеют резонаторы с большими размерами. Однако размеры их не должны быть чрезмерными, иначе появляются нежелательные колебания высших видов, затрудняющие выделение рабочего вида колебаний. Подавить паразитные колебания можно выбором соответствующей конструкции и определенного расположения элементов связи, а также применением щелей или других элементов с сильным затуханием для волн нежелательных видов.

Рассмотрим конструктивные особенности резонансных частотомеров, Они в основном различаются по типу колебательных систем.

На (рис. 7) показаны устройства резонаторов с элементами связи и настройки, наиболее часто применяемые в резонансных частотомерах. На (рис. 7а) приведена конструкция резонатора в виде четвертьволнового отрезка коаксиальной линии. Связь резонатора с ВЧ-генератором и измерительным прибором осуществляется посредством петель, расположенных в боковой стенке. Резонатор настраивается при изменении длины центрального проводника. Шкала микрометра, связанного с центральным проводником, градуируется в длинах волн или снабжается градуировочной кривой. ВЧ-контакт между внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора образуется при помощи емкости. Противоположный конец резонатора закрыт металлической крышкой. Из-за емкостного краевого эффекта у свободного конца центрального проводника резонансная длина получается несколько меньше λ/4.

Частотомеры коаксиального типа применяют преимущественно в диапазоне длин волн 3-300 см. Диапазон настройки частотомеров с подвижным центральным проводником составляет 2:1. Погрешность частотомеров коаксиальной конструкции составляет (0,05-0,1)% и зависит от конструктивных особенностей прибора и точности калибровки.

На более высоких частотах СВЧ-диапазона используют резонансные частотомеры в виде цилиндрических объемных резонаторов. Большую широкополосность и высокую добротность имеют резонаторы, возбуждаемые на колебаниях вида НО011 и НО111.

В случае резонаторов на колебаниях вида НО011 для изменения длины цилиндра можно применить бесконтактную торцевую пластину (см. рис. 7,б), так как линии токов колебания этого вида имеют вид окружностей в поперечном сечении цилиндра. Наличие зазора необходимо для устранения других видов колебаний, линии токов которых проходят через зазор. Поле этих колебаний, возбуждаемое в пространстве за пластиной, поглощается в специальном поглощающем слое. Наиболее опасными являются колебания вида ЕО111, имеющие ту же резонансную частоту, что и НО011 . Для ее подавления кроме перечисленных выше мер большое значение имеют выбор и расположение элементов связи учитывающие различие в конфигурации полей колебаний вида НО011 и ЕО111,. В рассматриваемом случае элемент связи представляет собой узкую щель, прорезанную по образующей цилиндра и вдоль узкой стенки подводящего волновода. Повышенные требования предъявляются к тщательности изготовления резонатора, поскольку даже небольшая асимметрия может привести к возбуждению колебаний вида ЕО111 и к снижению добротности резонатора, достигающей в 10-см диапазоне волн 50000.

Конструкция резонатора, работающего на колебаниях вида НО111, изображена на (рис. 7в). Нагруженная добротность его может составлять 15000, что достигается увеличением объема резонатора. Поскольку колебание вида НО111 является основным, сравнительно простыми мерами можно освободиться от паразитных видов колебаний, не сужая значительно диапазон перестройки частот. Длину резонатора изменяют перемещением поршня, который, в отличие от предыдущего случая, должен быть обязательно электрически связан с боковой поверхностью цилиндра при помощи дроссельного соединения, как это указано на рисунке. Погрешность широкодиапазонных частотомеров с цилиндрическими резонаторами в диапазоне длин волн 1-15 см составляет (0,01-0,05)%. Однако в узком диапазоне частот можно получить погрешность 0,005%, а разность частот может быть измерена с погрешностью до 0,001% номинальной частоты.

Погрешность измерения частоты резонансным частотомером зависит от точности настройки его в резонанс, от совершенства механической системы и градуировки, а также от влияния влажности и температуры окружающей среды.

Точность настройки в резонанс зависит от нагруженной добротности резонатора Qн погрешности индикаторного устройства:

                               (6)

где Δf -расстройка частоты, при которой амплитуда тока в А раз меньше, чем амплитуда тока при резонансе. Чтобы уменьшить Δf/f0, нужно выбирать А возможно более близкой к единице, т. е. необходимо иметь точный индикаторный прибор, отмечающий малые изменения тока. Так, если А= 1,02, то Δf/f0=1/ 10 Qн и при Qн =5000 получается Δf/f0=2·10-5.

В резонансных частотомерах с высокой добротностью определенную погрешность вносит механическая неточность настройки вследствие люфтов в приводе, ненадежности контактов между подвижными частями резонатора и т. п.

Чем на больший частотный диапазон рассчитаны частотомеры, тем больше погрешность измерений, связанная с неточностью считывания показаний. Эту погрешность можно рассчитать по формуле

              (7)

где Δl -погрешность определения положения элемента настройки, обычно соответствующая цене одного деления и равная 0,5-10 мкм. Для того чтобы эта погрешность была одной и той же во всем рабочем диапазоне частот, необходимо иметь df/dl пропорциональное f0.

Резонансные частотомеры обычно градуируют путем сравнения их показаний с показаниями образцового прибора при различных частотах. Приемлемая точность получается в случае, если погрешность образцового частотомера совместно с погрешностью метода раз в пять меньше погрешности градуируемого прибора.

Изменение диэлектрической проницаемости воздуха, вызванное непостоянством его температуры и влажности, приводит к изменению резонансной частоты частотомера, а следовательно, и к погрешности измерений. В нормальных условиях эта погрешность достигает 5•10-5.

При изменении температуры окружающей среды меняются геометрические размеры резонатора, и это, в свою очередь, приводит к погрешности в измерении частоты. Погрешность от этой причины вычисляется по формуле

Δf/f0=-αkΔT                 (8)

где α-линейный температурный коэффициент расширения материала резонатора; k-коэффициент, зависящий от конструкции резонатора. Для цилиндрических резонаторов (k=1), изготовленных из меди, изменение температуры на 1°С дает погрешность в частоте 2•10-5.

В таблице указаны основные параметры некоторых резонансных частотомеров в режиме непрерывной генерации (НГ) и импульсной модуляции (ИМ). Погрешность измерений у всех приведенных приборов 0,05%. В последней колонке дано сопротивление коаксиального входного элемента или сечение прямоугольного волновода.

Рассмотренные в таблице приборы состоят из резонатора, переменного аттенюатора на 10 дБ, усилителя и индикатора. В частотомерах Ч2-31—Ч2-33 в качестве резонансной системы используются цилиндрические резонаторы, возбуждаемые на колебаниях вида НО112 а в других частотомерах - резонаторы коаксиального типа. Резонаторы включены по проходной схеме.

Параметры резонансных частотомеров

3. Гетеродинные частотомеры.

Наиболее точными измерителями частоты являются приборы, основанные на сравнении частоты исследуемого сигнала с частотой высокостабильного источника. Различают методы сравнения частот: нулевые биения, интерполяционный генератор и последовательное уменьшение частоты.

На линейный элемент-смеситель (рис. 8) подаются ВЧ-сигнал с неизвестной частотой fx и сигнал с частотой fоп от опорного источника. На выходе смесителя получаются сигналы с этими же частотами, а также их гармоники и сигналы с частотами биений. Так как амплитуды гармонических составляющих невелики, а следовательно, невелики и сигналы их разностной частоты, то для индикации удобно использовать сигнал с частотой биений fб=fх–fоп=0. Отсюда и название метода-метод нулевых биений. На выходе нелинейного элемента включается индикатор, например телефон, пропускающий только сигналы звуковой частоты. Если плавно изменять частоту опорного генератора, то при fх-fоп<15000 Гц в телефоне появляется тон разностной частоты, который понижается три сближении fх и fоп.

На (рис. 9) показан характер изменения fб при фиксированной неизвестной частоте fх и перестраиваемой частоте fоп. При fб<16 Гц человеческое ухо перестает воспринимать низкие частоты, и погрешность вследствие этого может достичь 32 Гц. Для уменьшения погрешности следует воспользоваться «вилочным» отсчетом: запоминают на слух некоторый тон биений, например соответствующий частоте fоп1. Затем отмечают частоту fоп2, при которой в телефоне прослушивается тот же тон биений. Искомая частота fх есть среднее арифметическое отмеченных частот.

В реальных условиях в смесителе вырабатываются одновременно и гармонические составляющие основных сигналов, поэтому нулевые биения отмечают при равенстве частот гармоник nfх=m fоп, где n, т=1,2,3 ... Чтобы исключить в этом случае погрешность в выборе гармоники, нужно предварительно каким-либо способом, например резонансным, ориентировочно измерить неизвестную частоту.

Если измеряемая частота лежит за пределами диапазона частот опорного генератора, то ее измеряют методом биений между гармоническими составляющими и сигналом основной частоты. Так, если fх<<fоп, то поочередно настраивают опорный генератор на нулевые биения с любыми двумя соседними гармоническими составляющими измеряемой частоты: fоп1=пfх и fоп2=(п±1)fх.

Отсюда

.                       (9)

Если fx1>>fоа, то настраивают опорный генератор на такие две частоты fоп1 и fоп2, чтобы fx=m fоп1 и fx=(m±1)fоп2. Тогда

                       (10)

Поскольку трудно сделать опорный генератор с плавной перестройкой и высокой стабильностью частоты, то прибегают к интерполяционному методу. В этом случае в схему 1 наряду с интертюляционным генератором, частоту которого можно плавно менять, вводят образцовый генератор с фиксированной сеткой частот. Процедура измерений состоит в следующем. Последовательно настраивают интерполяционный генератор на нулевые биения с измеряемым сигналом частоты fx и с соседними гармоническими составляющими опорной частоты образцового генератора тfx и (m+1)fоп по обе стороны от частоты fx. Отсчеты по шкале интерполяционного генератора будут соответственно αх, α1, α2. В этом случае

                     (11)

Точность измерений тем выше, чем меньше разность частот между соседними гармониками образцового генератора, линейнее шкала настройки интерполяционного генератора и выше его разрешающая способность.

Когда разность частот fх-fоп больше предельной частоты измерителя звуковой частоты, можно применять двойное гетеродинирование, используя схему 2. Измерения по такой схеме более точны, поскольку проще создать измеритель частоты с высокой стабильностью и повышенной точностью измерений, используя интерполяционный генератор с небольшим диапазоном перестройки частоты.

Погрешности гетеродинных частотомеров определяются, прежде всего, погрешностями кварцевого и интерполяционного генераторов. Так, кварцевые генераторы имеют относительную частотную погрешность ±10-8–10-9. Интерполяционный генератор вносит дополнительную погрешность, обусловленную изменением частоты генератора за время измерений, неточностью градуировки шкалы и погрешностью отсчета. В результате погрешность таких частотомеров составляет ±5•10-6. Следует заметить, что указанное значение погрешности получается лишь после продолжительного прогрева прибора (до 1–1,5 ч).

§3. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

1. Общие сведения

Вопросы измерения полного сопротивления узлов или элементов ВЧ-тракта возникают всякий раз, когда приходится решать. задачи согласования, находить параметры эквивалентных схем или рассчитывать частотные характеристики устройств СВЧ.

В основе определения полного сопротивления нагрузки лежит связь его с коэффициентом стоячей .волны и положением минимума напряжения в линии. Наибольшее распространение получило определение полного сопротивления по данным измерения КСВ и положения минимума стоячей волны с помощью измерительной линии. Соответствующая функциональная схема представлена на (рис. 10). Устройство, полное сопротивление которого необходимо измерить, подсоединяют к генератору СВЧ через измерительную линию. Промышленностью выпускаются измерительные линии, перекрывающие частотный диапазон от 0,5 до 37,5 ГГц.

Портативными приборами для определения полных сопротивлений на основе измерения КСВ и фазы являются измерители поляризационного типа. Эти приборы отличаются широкополосностью и высокой точностью. Перекрываемый ими частотный диапазон простирается от 0,02 до 16,67 ГГц.

Существуют приборы, обеспечивающие полуавтоматическое панорамное измерение КСВ в функции частоты. Эти приборы позволяют значительно сократить время на согласование устройств, а также наблюдать и измерять амплитудно-частотные характеристики четырехполюсников. Они перекрывают диапазон частот от 0,02 до 16,67 ГГц.

В этой главе рассмотрен принцип действия прибора, позволяющего определять значения полного сопротивления исследуемых устройств как функции частоты непосредственно по круговой диаграмме полных сопротивлений, нанесенной на экран электроннолучевые трубки. Приборы этого вида перекрывают диапазон частот от 0,11 до 7ГЦ.

2. Поляризационные измерители полных сопротивлений

Поляризационный измеритель полных сопротивлений состоит из отрезков прямоугольного 7 и цилиндрического 6 волноводов, причем цилиндрический волновод расположен под прямым углом к широкой стенке прямоугольного волновода (рис. 11). Связь между волноводами осуществляется через три щели 8 одинаковых размеров, расположенные на равном расстоянии от центра цилиндрического волновода.

Принцип работы поляризационного измерителя состоит в следующем. Электромагнитная Н□10-волна, распространяющаяся от генератора в сторону нагрузки, возбуждает в цилиндрическом волноводе HO11-волну с круговой поляризацией. Достигается это выбором расположения и размеров щелей: две щели, расположенные поперек широкой стенки волновода, находятся в максимуме составляющей поля Нх, а третья щель - в максимуме составляющей поля Нz. Эти щели возбуждают в цилиндрическом волноводе две HO11-волны, взаимно перпендикулярные в пространстве и сдвинутые по фазе на угол π/2. Последнее является следствием сдвига во времени на π/2 компонент поля Xх и Нz в прямоугольном волноводе. Поскольку выбором размеров щелей можно добиться равенства амплитуд возбуждаемых волн, то волна в цилиндрическом волноводе будет обладать круговой поляризацией.

Страницы: 1, 2, 3