Реферат: Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах
Рис.
11.
|
Если изменять направление распространения волны в
прямоугольном волноводе, то в цилиндрическом волноводе возбуждается волна со
встречным направлением вращения поля. Очевидно, при наличии в прямоугольном
волноводе отраженной волны в цилиндрическом будут две HO11-волны с противоположными направлениями круговой
поляризации. В результате суперпозиции этих волн образуется волна с
эллиптической поляризацией, которая несет необходимую информацию о величине КСВ
и положении минимума стоячей волны в прямоугольном волноводе. КСВ равен
отношению главных осей эллипса, величины которых соответствуют сумме и разности
амплитуд падающей и отраженной волн.
Таблица 1
Параметры измерительных линий
Тип прибора |
Диапазон частот, ГГц |
Собственный КСВ |
Погрешность измерений КСВ, % (КСВ<2) |
Размеры сечения ВЧ-тракта, мм |
Р1-22
Р1-3
P1-7
Р1-20
Р1-13А
|
1-7,5
2,5-10,35
2,6-4,0
8,24-12,05
17,44-25,86
|
1,02-1,04
1,06
1,02
1,02
1,02
|
3,2
(до 2 ГГц)
3,5
(до 5 ГГц)
5
(до 7,5 ГГц)
10
5
4
4
|
16/7*
10/4,3*
72х34*2
23х10*2
11х5,5*2
|
Диаметры наружного и внутреннего проводников.
*2 Широкая и узкая стенки волновода.
|
3начит, вращающаяся вокруг волновода диодная камера 2
с зондом 1 воспроизводит распределение напряженности поля в прямоугольном
волноводе, причем полный оборот камеры соответствует перемещению зонда в
прямоугольном волноводе на длине волны λв. Положение меньшей из
осей эллипса однозначно связано с положением минимума поля в прямоугольном
волноводе, т. е. с фазой коэффициента отражения.
Измерение фазы коэффициента отражения заключается в
отсчете по лимбу 5 положения диодной камеры, при котором индикаторный
прибор показывает минимальное значение. Поворот диодной камеры осуществляется с
помощью вращающегося сочленения 3. Отсчетная шкала “фаза” представляет
собой полуокружность, разбитую рисками на 180 равных частей, так что цена
каждого деления шкалы соответствует 2° измеряемого фазового угла. Точность
отсчета фазы коэффициента отражения с использованием нониуса составляет ±20.
Для
начальной калибровки прибора по фазе относительно измерительного фланца нет
необходимости пользоваться короткозамыкателем, а достаточно воспользоваться
шкалой “частота” 4, жестко связанной с диодной камерой и способной
поворачиваться относительно шкалы “фаза”. Шкала “частота” рассчитана так,. что
при установке рабочей частоты диодная камера поворачиваются на угол, равный
соответствующему изменению фазы волны между измерительным фланцем и плоскостью
симметрии прибора.
Таблица 2
Параметры
поляризационных измерителей
Тип прибора |
Диапазон частот, ГГц |
Пределы измерения |
Погрешность измерения |
Размеры сечения ВЧ-тракта, мм |
КСВ |
Фазы, град |
КСВ. % (КСВ=1,05÷2) |
фазы, рад (КСВ=2) |
|
РЗ-34
РЗ-40
РЗ-42
РЗ-43
РЗ-46
РЗ-48
|
0,15-1 8,24-2,05
5,64-8,24
4,8-6,85
2,54-3,44
1,72-2,59
|
1,1-10 1,05-2
1,05-2
1,05-2
1,05-2
1,05-2
|
0-360
0-360
0-360
0-360
0-360
0-360
|
7
4
4
4
4
4
|
7
4,1 (при КСВ=1,2) 4,1
4,1
4,1
4,1
|
16/7*
23х10*2
35х10*2
40х20*2
72х34*2
110х55*2
|
Диаметры наружного и внутреннего проводников
коаксиальной
*2 Широкая и узкая стенки волновода,
|
Поляризационный
измеритель позволяет определять полное сопротивление и при высоком уровне
мощности СВЧ. Для этого в приборе предусмотрена замена диода диодной заглушкой,
которая имеет такие же размеры. Между поляризационным измерителем и внешней
диодной камерой размещают переменный аттенюатор, регулировкой которого
добиваются на диоде уровня мощности в пределах, соответствующих квадратичному
участку характеристики.
В качестве индикаторного устройства при работе с
поляризационными измерителями предпочтительно пользоваться измерительными
усилителями. Параметры поляризационных измерителей даны в табл. 2.
3. Панорамные измерители КСВ и полного сопротивления
Панорамный измеритель КСВ состоит из генератора
качающейся частоты (свип-генератора), измерителя отношения напряжений с
направленным ответвителем и осциллографического прибора (рис. 12).
Принцип работы прибора заключается в выделении сигнала, пропорционального мощности
отраженной волны и в последующем измерении отношения мощностей отраженной и
падающей волн, которое равно квадрату модуля коэффициента отражения.
Рис.
12.
|
Для реализации этого принципа следует включить два
направленных ответвителя с диодными камерами между генератором и нагрузкой так,
чтобы сигнал с квадратичного детектора одной диодной камеры был пропорционален
падающей мощности Рп(f), а сигнал с детектора другой камеры был пропорционален
отраженной от нагрузки мощности Ро(f). Эти сигналы через усилители подаются на измеритель
отношений, на выходе которого получается напряжение, пропорциональное квадрату
коэффициента отражения от нагрузки:
Рис.
13.
|
(12)
После усиления это напряжение поступает в канал вертикального
отклонения осциллографа. К горизонтальным пластинам осциллографа подводится напряжение
от генератора, выполняющего функцию модулятора частоты генератора СВЧ. В
результате на экране трубки наблюдается кривая зависимости квадрата
коэффициента отражения от частоты (кривая 1 на рис. 13).
Для калибровки КСВ на некоторых частотах используют
электронный коммутатор, который попеременно подает в канал вертикального
отклонения либо усиленное выходное напряжение измерителя отношений, либо
образцовое напряжение. В результате на экране на фоне кривой 1 видна
светящаяся визирная линия 2. Меняя образцовое напряжение, добиваются
совмещения визирной линии с интересующей точкой кривой 1. Значение КСВ в
этой точке отсчитывают по шкале прибора, проградуированного в величинах КСВ, а
частоту определяют с помощью встроенного частотомера.
Сложности в практической реализации схемы связаны с
необходимостью применения свип-генератора с линейным изменением частоты в
диапазоне свипирования, а также одинаковых или подобных переходных
характеристик обоих направленных ответвителей и одинаковых или подобных
характеристик диодных камер во всем рабочем диапазоне частот. Обычно в качестве
свип-генератора применяют ЛОВ. Линейное изменение частоты в диапазоне свипирования
достигается подачей на замедляющую систему лампы периодических импульсов
экспоненциальной формы.
В
другом варианте панорамного измерителя КСВ сигнал с диодной камеры ответвителя,
пропорциональный амплитуде отраженной волны в тракте, подается непосредственно
на вертикальные пластины осциллографа. Точность измерений теперь уже зависит от
постоянства мощности свип-генератора во всем диапазоне свипирования. Для
стабилизации изменений мощности сигнала, неизбежно имеющих место при частотной
модуляции, в генераторе предусмотрен автоматический регулятор мощности. Часть
ответвленной падающей мощности подается на вход схемы автоматического
регулирования, где происходит ее сравнение с опорным напряжением.
Вырабатываемый схемой сигнал ошибки поступает на первый анод ЛОВ (стабилизация
с внутренним управлением) или на электрически управляемый аттенюатор (внешняя
стабилизация), благодаря чему обеспечивается постоянный уровень мощности в
полосе частот.
Таблица 3.
Параметры автоматических панорамных измерителей КСВ и
ослабления.
Тип прибора |
Диапазон частот, ГГц |
Полоса свипирования, МГц |
Измерение КСВ |
Измерение ослабления |
Предел |
погрешность, % (КСВ<2) |
предел, ДВ |
Погрешность, дБ |
Предел |
погрешность, % (КСВ<2) |
предел, ДВ |
Погрешность, дБ |
Р2-36/1
Р2-37
Р2-38
Р2-40
Р2-43
Р2-45
Р2-32
|
0,625-1,25
1,07-2,1
2-4
2,6-4
5,55-8,33
8,15-12,42
11,55-6,66
|
Максимально 1070, минимально 6,25
Максимально 2000, минимально 20
Максимально 5200, минимально 230
|
1,05-2
1,07-2
1,07-2
1,06-2
1,06-2
1,06-2
1,05-2
|
3
5
5
5
5
5
5
|
0-35
0-30
5
0-30
0-30
0-30
0-30
|
0,5-0,05 А
0,5-0,05 А
0,5-0,05 А
0,5-0,05 А
0,5-0,05 А
0,5-0,05 А
0,5-0,05 А
|
Панорамные измерители могут работать в режиме
амплитудной модуляции импульсным напряжением прямоугольной формы с частотой 100
КГц. Наряду с периодической перестройкой частоты с разными периодами и с
остановкой свипирования на выбранной частоте с автоматическим отсчетом возможна
и ручная перестройка частоты при помощи частотомера со следящей установкой
измеряемой величины.
Панорамные измерители КСВ позволяют измерять и
ослабления, вносимые четырехполюсниками. Измерение ослабления сводится к определению
отношения мощностей выходного и входного сигналов четырехполюсника.
Автоматические панорамные измерители КСВ и ослаблений,
выпускаемые промышленностью, перекрывают частотный диапазон от 0,02 до 16,66
ГГц. Основные параметры некоторых из них приведены в табл. 3. В таблице
А-ослабление, установленное по шкале аттенюаторов. Вход ВЧ-мощности у первых
трех приборов коаксиальный, а у остальных - волноводный.
Другим типом автоматических измерителей являются
панорамные измерителя полных сопротивлений и измерители комплексных
коэффициентов передачи. Результаты измерений представляют в полярных или
прямоугольных координатах на экране осциллографа 1В виде зависимости полного
сопротивления исследуемого объекта в функции частоты.
Прибор состоит из трех блоков: свип-генератора,
датчика полных сопротивлении и индикатора (рис. 14). Датчик полных
сопротивлений представляет собой ВЧ-узел с четырьмя измерительными головками, с
выхода которых снимаются НЧ-напряжения. Головки располагаются на расстоянии
λв/8 друг от друга.
Рис.
14.
|
Установим связь между сигналом на выходе квадратичного
детектора измерительной головки и коэффициентом отражения в линии. Запишем
напряжение на первом зонде в виде
(13)
где ψ=2kzz-ψн;
z -
расстояние между зондами и нагрузкой; ψн и |Г| -фаза и модуль
коэффициента отражения от нагрузки. Представим напряжение на первом зонде так:
(14)
Тогда
ток, проходящий через детектор с квадратичной характеристикой:
(15)
где
b- постоянная
величина. Ток через детектор, связанный с третьим зондом и отстоящий от первого
на расстояние λв/2, равен
(16)
Соответственно токи через второй и
четвертый детекторы
(17)
(18)
Измерительные головки должны быть настроены так, чтобы
. Тогда на выходе
вычитателя, связанного с первой и третьей измерительными головками, будет
сигнал, определяемый выражением
(19)
а на выходе другого вычитателя, связанного .со второй
и четвертой; измерительными головками, сигнал представится в виде
(20)
где k и k’-постоянные.
После усиления в соответствующих усилителях
постоянного тока эти сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, подаются на
горизонтальные и вертикальные пластины осциллографа. Амплитуды их регулируются
так, чтобы обеспечить равное отклонение луча в обоях направлениях. Значит, при
изменении фазы коэффициента отражения на 360°, луч вычертит на экране
окружность радиуса,. соответствующего модулю коэффициента отражения.
Если частота генератора меняется по линейному закону
во времени, то меняется и комплексный коэффициент отражения от измеряемого
объекта, т.е. меняются |Г|=F(f) и ψн=F(f).
Луч вычерчивает кривую, радиальное отклонение которой пропорционально |Г|, а
азимутальное положение соответствует ψн.
Точность измерения полного сопротивления в диапазоне
частот зависит от идентичности четырех индикаторных устройств и стабильности
выходной мощности частотно-модулированного генератора при изменении частоты.
Автоматический измеритель полных сопротивлений РК.4-10
рассчитан на диапазон частот 0,11-7 ГГц с пределами измерений фазового сдвига
0-360°, модуля коэффициента передачи 60 дБ и КСВ 1,02-2. Погрешность измерения
фазового сдвига 3°, фазы коэффициента отражения 10°, КСВ 10% (при КСВ ≤2)
ЛИТЕРАТУРА:
1. Лебедев И.В. Техника и приборы
СВЧ. М., Высшая школа, т. I, 1970, т, II, 1972.
2. Советов Н.М. Техника
сверхвысоких частот. М., Высшая школа, 1976.
3. Коваленко В.Ф. Введение в
технику сверхвысоких частот. М., Сов. радио, 1955.
4. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р.
Справочник по элементам волноводной техники. М. –Л., Госэнергоиздат,1963.
5. Красюк Н.П., Дымович Н.Д.
электродинамика и распространение радиоволн. М., Высшая школа, 1947.
6. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные
волны. М., Сов. радио, 19557
7. Маттей Д.Л., Янг Л.Е., Джонс
М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: Пер. с англ. М., Связь, 1971.
|