Министерство общего и профессионального
образования Российской Федерации.ОрскийГуманитарно-Технологический Институт
Кафедраобщей физики.КУРСОВАЯРАБОТА
Измеренияпараметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах.
Выполнил: студентка физико-математического факультетагруппы 4Б
Бессонов Павел Александрович.
Научный руководитель: к.ф.-м. н. доцент Абрамов Сергей Михайлович.
Орск. 1998г.
Содержание
Стр
1. Основные понятия 3
2. §1. Измерение мощности 3
3. 1. Общие сведения 3
4. 2. Калориметрическиеизмерители мощности 3
5. §2. Измерение частот 8
6. 1. Основные характеристикичастотомеров 8
7. 2. Резонансные частотомеры 8
8. 3. Гетероидные частотомеры 13
9. §3. Измерение полногосопротивления 15
10. 1. Общие сведения 15
11. 2. Поляризационные измерителиполных сопротивлений 51
12. 3. Панорамные измерители КСВ иполного сопротивления 17
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
В диапазоне СВЧ, как правило, измеряют мощность,частоту и полное сопротивление устройств. Важными также являются измеренияфазового сдвига, напряженности поля, добротности, ослабления мощности волны,амплитудно-частотного спектра и др. Чтобы определить указанные величины вшироких интервалах их изменения, требуется использовать различные методы и радиоизмерительныеприборы.
Различают прямые и косвенные измерения. Прямыеизмерения применяют в тех случаях, когда измеряемая величина доступнанепосредственному сравнению с мерой или может быть измерена приборами,проградуированными в выбранных единицах. Прямые измерения выполняют либо методомнепосредственной оценки, когда измеряемую величину определяют по показаниямпроградуированного прибора, либо методом сравнения, когда измеряемую величинуопределяют сравнением ее с мерой данной величины. Косвенные измерения состоят взамене измерений данной величины другими, связанными с искомой известнойзависимостью.
Основными характеристиками радиоизмерительных приборовявляются: диапазон измеряемых величин; диапазон частот, в котором прибор можетприменяться; чувствительность по измеряемому параметру, представляющая собойотношение приращения показаний прибора к вызвавшему его приращению измеряемойвеличины; разрешающая способность, определяемая как минимальная разность двухзначений измеряемых величин, которую может различить прибор; погрешность; потребляемаямощность.
§1. ИЗМЕРЕНИЕМОЩНОСТИ.1.Общие сведения
Уровни мощностей, подлежащие измерениям, различаютсяболее чем на двадцать порядков. Естественно, что методы и приборы, используемыепри таких измерениях, весьма разнообразны. Принцип действия подавляющего большинстваизмерителей мощности СВЧ, называемых ваттметрами, основан на измеренииизменений температуры или сопротивления элементов, в которых рассеиваетсяэнергия исследуемых электромагнитных колебаний. К приборам, основанным на этомявлении, относятся калориметрические и терморезисторные измерители мощности.Получили распространение ваттметры, использующие пондеромоторные явления(электромеханические силы), и ваттметры, работающие на эффекте Холла.Особенность первых из них — возможность абсолютных измерений мощности, а вторых- измерение мощности независимо от согласования ВЧ-тракта.
По способу включения в передающий тракт различаютваттметры проходящего типа и поглощающего типа. Ваттметр проходящего типапредставляет собой четырехполюсник, в котором поглощается лишь небольшая частьобщей мощности. Ваттметр поглощающего типа, представляющий собой двухполюсник,подключается на конце передающей линии, и в идеальном случае в нем поглощаетсявся мощность падающей волны. Ваттметр проходящего типа часто выполняется на основеизмерителя поглощающего типа, включенного в тракт через направленныйответвитель.
2. Калориметрическиеизмерители мощности
Калориметрическиеметоды измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии втепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количествовыделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или всреде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические)и поточные (не адиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается втермоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протеканиекалориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерятьмощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметрыизмеряют малый и средний уровни мощности, а поточные — средние и большиезначения мощности.
Условие баланса тепла в калориметрической нагрузкеимеет вид
/> (1)
гдеP-мощность СВЧ, рассеиваемая в нагрузке; Т и Т0-температуранагрузки и окружающей среды соответственно; с, m — удельная теплоемкость и масса калориметрического тела; k-коэффициенттеплового рассеяния. Решение уравнения представляется в виде
/> (2)
где τ=сm/k — тепловая постоянная времени.
В случае статического калориметра время измерениямного меньше постоянной τ и мощность СВЧ в соответствии с формулой 1будет:
/> (3, а)
Здесь скорость изменения температуры в нагрузкеизмерена в град•с-1,m-в г, c — в Дж•(г•град)-1, Р — в Вт.
Если с имеет размерность кал•(г•град)-1,то
/> (3, б)
Основнымиэлементами статических калориметров являются термоизолированная нагрузка иприбор для измерения температуры. Нетрудно рассчитать поглощаемую мощность СВЧпо измеренной скорости повышения температуры и известной теплоемкости нагрузки.
В приборах используются различные высокочастотныеоконечные нагрузки из твердого или жидкого диэлектрического материала спотерями, а также в виде пластинки или пленки высокого сопротивления. Дляопределения изменения температуры применяют термопары и различные термометры.
Рассмотрим статический калориметр, в котором сниженытребования к термоизоляции и отпадает необходимость в определении теплоемкости тcкалориметрическойнасадки (рис. 1). В этой схеме используется метод замещения. В ней длякалибровки прибора 4, измеряющего повышение температуры при рассеянииизмеряемой мощности, подводимой к плечу 1, используется известнаямощность постоянного тока или тока низкой частоты, подводимая к плечу 2.Предполагается, что температура насадки 3 изменяется одинаково прирассеянии равных значений мощности СВЧ и постоянного тока. Статическиекалориметры позволяют измерять мощность несколько милливатт с погрешностьюменее ±1%.
/>
Рис.1
Основными элементами поточного калориметра являются: нагрузка, гдеэнергия электромагнитных колебаний превращается в тепло, система циркуляциижидкости и средства для измерения разности температур входящей и выходящейжидкости, протекающей через нагрузку. Измеряя эту разность температур в установившемсярежиме, можно рассчитать среднюю мощность по формуле
/> (4)
где υ — расходкалориметрической жидкости, см3•с-1; d-плотностьжидкости, г•см-3; ΔT— разность температур, К; с, кал•(г•град)-1.
Поточныекалориметры различают по типу циркуляционной системы (открытые и замкнутые), потипу нагрева (прямой и косвенный) и по методу измерения (истиннокалориметрические и замещения).
В калориметрах открытого типа обычно применяют воду,которая из водопроводной сети поступает сначала в бак для стабилизациидавления, а далее в калориметр. В калориметрах замкнутого типакалориметрическая жидкость циркулирует в замкнутой системе. Она постояннонакачивается насосом и охлаждается до температуры окружающей среды передочередным поступлением в калориметр, В этой системе используются в качествеохлаждающих жидкостей кроме дистиллированной воды раствор хлористого натрия,смесь воды с этиленгликолем или глицерином.
Припрямом нагреве ВЧ-мощность поглощается непосредственно циркулирующей жидкостью.При косвенном нагреве циркулирующая жидкость используется только для отборатепла от нагрузки. Косвенный нагрев позволяет работать в более широкомдиапазоне частот и мощностей, поскольку функции переноса тепла отделены в немот функции поглощения ВЧ-энергии и согласования нагрузки.
/>
Рис. 2.
Схема истинно калориметрического метода представленана (рис. 2.). Измеряемая ВЧ-мощность рассеивается в нагрузке 1 и прямоили косвенно передает энергию протекающей жидкости. Разность температурвходящей в нагрузку и выходящей из нее жидкости измеряют с помощью термоблоков2. Количество жидкости, протекающее в системе в единицу времени, измеряют расходомером3. Естественно, что поток жидкости при таких измерениях должен быть постоянным.
Погрешности измерений ВЧ-мощности в рассмотреннойсхеме связаны с рядом факторов. Прежде всего формула 4 не учитываетпередачу тепла, существующего между различными частями калориметра, и потерю теплав ВЧ-нагрузке и трубопроводах. Различными конструктивными приемами можноуменьшить влияние этих факторов. Неравномерность скорости течения калориметрическойжидкости, появление пузырьков воздуха приводят к погрешности при определениискорости потока жидкости и изменению ее эффективной теплоемкости. Дляуменьшения этой погрешности применяют уловители пузырьков воздуха и добиваютсяравномерности течения жидкости с помощью регулятора потока и других средств.
Схема измерений, реализующая метод замещения, отличаетсяот рассмотренной тем, что в ней последовательно с СВЧ-нагрузкой вводитсядополнительный нагревательный элемент, рассеивающий мощность низкочастотногоисточника тока. Заметим, что при косвенном нагреве мощность СВЧ-сигнала и мощностьнизкочастотного тока вводятся в одну и ту же нагрузку и потребность вдополнительном нагревательном элементе отпадает.
Возможны два способа измерений по методу замещений — калибровки и баланса. Первый из них состоит в измерении такой мощности низкойчастоты, поданной в нагревательный элемент, при которой разность температуржидкости на входе и выходе такая же, как и при подаче СВЧ-мощности. Прибалансном способе сначала устанавливается какая-либо разность температур жидкостипри подаче мощности низкой частоты Р1, затем подается измеряемаяВЧ-мощность Р, а мощность низкой частоты уменьшается до такого значения Р2,чтобы разность температур осталась прежней. При этом Р=P1-Р2.
/>
Рис. 3.
Погрешности измерений, связанные с непостоянствомскорости потока жидкости в течение цикла измерений, можно избежать, если навходе и выходе нагрузки 1 (рис. 3) и нагревательного элемента 2 предусмотретьтермочувствительные резисторы R1, R2, R3, R4, соединенные по мостовой схеме. При условии идентичноститермочувствительных элементов баланс моста будет наблюдаться для любой скоростипотока жидкости. Измерения ведутся балансным способом.
Рассмотренныепоточные калориметры применяют для абсолютных измерений прежде всего большихуровней мощностей. В сочетании с калиброванными направленными ответвителями онислужат для градуировки измерителей средней и малой мощности. Имеютсяконструкции поточных калориметров и для непосредственных измерений средних ималых мощностей. Время измерений не превышает нескольких минут, а погрешностьизмерений может быть доведена до 1-2%
Среди калориметрических ваттметров для измерениямощности непрерывных колебаний, а также среднего значения мощностиимпульсно-модулированных колебаний отметим приборы МЗ-11А, МЗ-13 и МЗ-13/1, которыеперекрывают диапазон измеряемых мощностей от 2 кВт до 3 МВт на частотах до 37,5ГГц.
§2. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
1. Основныехарактеристики частотомеров
Одной из важнейших задач измерительной техникиявляется — измерение частоты или длины волны колебаний. Частота связана с длинойволны соотношением: /> (5)
Измерениячастоты и длины волны по своей природе различны: первое основано на измерениивремени, а второе — на измерении: длины. Обычно в качестве основной величинывыбирают частоту, поскольку значение ее не зависит от условий распространенияи, что не менее важно, существуют эталоны частоты высокой точности, с которымиможно сравнивать измеряемые частоты.
Основными характеристиками приборов, используемых дляизмерения частоты я длины волны, являются: относительная погрешность,чувствительность, диапазон измеряемых частот и надежность работы.
Под относительной погрешностью прибора понимаютотношение разности измеренной и образцовой частот к значению образцовойчастоты. По точности все приборы разбиваются на три группы: малой точности сотносительной погрешностью более 0,1%, средней точности с погрешностью(0,01-0,1)% и высокой точности с погрешностью менее 0,01%. Чувствительностьприбора характеризуется минимальной мощностью сигнала, подводимого кчастотомеру, при которой возможен отсчет частоты.
2. Резонансные частотомеры
/>
Рис. 4.
/>
Рис. 5.
Резонансные частотомеры обычно содержат следующиеЭлементы (рис. 4): объемный резонатор 2, элементы связи 1, элементнастройки 3, индикатор 5 с усилителем 4 или без него. Связь входной линии ииндикаторного устройства с резонатором выбирают на основе компромисса междувеличиной нагруженной добротности резонатора и чувствительностью прибора.Настройку частотомера на определенную частоту измеряемых колебаний проводят путемизмерения геометрических размеров резонатора. При этом размеры резонанснойдлинны волны или частоты определяют по положению настроечных органов в моментрезонанса, который определяют по индикаторному устройству. В качествеиндикаторов чаще всего применяют микропараметр постоянного тока, а приизменении частоты модулированных колебаний – осциллограф или измерительныйусилитель. Различают два способа включения частотомера – с индикацией настройкипо максимуму тока прибора (проходная схема) и минимуму тока (поглотительная илиабсорбционная, схема). Первая схема, получившая наибольшее распространение, изображенана (рис. 5). Резонатор с элементами связи и устройством перестройки почастоте показан на (рис. 5.а), эквивалентная схема его – на (рис.5, б).При расстроенном резонансе частотомера показание индикаторногоприбора равно нулю. В момент резонанса через прибор протекает максимальный ток(см. рис. 5.в).
В некоторых случаях полезна вторая схема включениярезонансного частотомера — с индикацией по минимуму тока при. резонансе.Устройство такого резонатора изображено на (рис. 6а), эквивалентнаясхема — на (рис. 6б). На частотах отличных от резонансной входноесопротивление параллельно включенного контура мало и, будучи трансформированнымв цепь. детектора через отрезок длиной λ/4, не вносит заметных изменений восновную цепь. Вследствие этого через индикаторный прибор частотомера насоответствующую частоту измеряемых колебаний проводят путем изменениягеометрических размеров резонатора. При этом значение резонансной длины волныили частоты определяют по положению настроечных органов в момент резонанса,который отмечают по индикаторному устройству. В качестве индикаторов чаще всегоприменяют микроамперметр постоянного тока, а при измерении частотымодулированных колебаний — осциллограф или измерительный усилитель. Различаютдва способа включения частотомера — с индикацией настройки по максимуму токаприбора (проходная схема) и минимуму тока (поглотительная, или абсорбционная,схема). Первая схема, получившая наибольшее распространение, изображена на(рис. 2). Резонатор с элементами связи и устройством перенастройки почастоте показан на (рис. 2а), эквивалентная схема его — на (рис. 26).При расстроенном резонаторе частотомера показание индикаторного прибора равнонулю. В момент резонанса через прибор протекает максимальный ток (см. рис. 2в).
/>
Рис. 6.
В некоторых случаях полезна вторая схема включениярезонансного частотомера – с индикацией по минимуму тока при резонансе. Устройствотакого резонатора изображено на (рис. 3а) эквивалентная схема – на (рис.3б). На частотах отличной от резонансной входное сопротивлениепараллельно включенного контура мало и, будучи трансформированным в цепьдетектора через отрезок длинной λ/4, не вносит заметных изменений восновную цепь. В следствии этого через индикаторный прибор проходитзначительный ток. При настройке контура на частоту колебаний внешнегоСВЧ-источника его входное сопротивление резко возрастает, цепь детектораоказывается шунтированной малым сопротивлением и ток через прибор значительноуменьшается (рис. 3в). Скорость изменения показаний прибора приизменении настройки вблизи резонанса зависит как от собственной добротностирезонатора, так и от коэффициента связи резонатора с линией. При измерении частотынепрерывных колебаний стремятся обеспечить максимально возможную собственную добротностьрезонатора. Большую добротность имеют резонаторы с большими размерами. Однакоразмеры их не должны быть чрезмерными, иначе появляются нежелательные колебаниявысших видов, затрудняющие выделение рабочего вида колебаний. Подавить паразитныеколебания можно выбором соответствующей конструкции и определенногорасположения элементов связи, а также применением щелей или других элементов ссильным затуханием для волн нежелательных видов.
Рассмотрим конструктивные особенности резонансныхчастотомеров, Они в основном различаются по типу колебательных систем.
На (рис. 7) показаны устройства резонаторов сэлементами связи и настройки, наиболее часто применяемые в резонансныхчастотомерах. На (рис. 7а) приведена конструкция резонатора в видечетвертьволнового отрезка коаксиальной линии. Связь резонатора с ВЧ-генератороми измерительным прибором осуществляется посредством петель, расположенных вбоковой стенке. Резонатор настраивается при изменении длины центральногопроводника. Шкала микрометра, связанного с центральным проводником,градуируется в длинах волн или снабжается градуировочной кривой. ВЧ-контактмежду внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора образуется припомощи емкости. Противоположный конец резонатора закрыт металлической крышкой.Из-за емкостного краевого эффекта у свободного конца центрального проводникарезонансная длина получается несколько меньше λ/4.
Частотомеры коаксиального типа применяютпреимущественно в диапазоне длин волн 3-300 см. Диапазон настройки частотомеровс подвижным центральным проводником составляет 2:1. Погрешность частотомеровкоаксиальной конструкции составляет (0,05-0,1)% и зависит от конструктивных особенностейприбора и точности калибровки.
/>
Рис. 7.
На более высоких частотах СВЧ-диапазона используютрезонансные частотомеры в виде цилиндрических объемных резонаторов. Большуюширокополосность и высокую добротность имеют резонаторы, возбуждаемые на колебанияхвида НО011 и НО111.
В случае резонаторов на колебаниях вида НО011для изменения длины цилиндра можно применить бесконтактную торцевую пластину(см. рис. 7, б), так как линии токов колебания этого вида имеют видокружностей в поперечном сечении цилиндра. Наличие зазора необходимо дляустранения других видов колебаний, линии токов которых проходят через зазор.Поле этих колебаний, возбуждаемое в пространстве за пластиной, поглощается вспециальном поглощающем слое. Наиболее опасными являются колебания вида ЕО111,имеющие ту же резонансную частоту, что и НО011. Для ееподавления кроме перечисленных выше мер большое значение имеют выбор ирасположение элементов связи учитывающие различие в конфигурации полейколебаний вида НО011 и ЕО111,. В рассматриваемомслучае элемент связи представляет собой узкую щель, прорезанную по образующейцилиндра и вдоль узкой стенки подводящего волновода. Повышенные требованияпредъявляются к тщательности изготовления резонатора, поскольку даже небольшаяасимметрия может привести к возбуждению колебаний вида ЕО111и к снижению добротности резонатора, достигающей в 10-см диапазоне волн 50000.
Конструкция резонатора, работающего на колебаниях видаНО111, изображена на (рис. 7в). Нагруженнаядобротность 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 перемещениемпоршня, который, в отличие от предыдущего случая, должен быть обязательноэлектрически связан с боковой поверхностью цилиндра при помощи дроссельногосоединения, как это указано на рисунке. Погрешность широкодиапазонных частотомеровс цилиндрическими резонаторами в диапазоне длин волн 1-15 см составляет(0,01-0,05)%. Однако в узком диапазоне частот можно получить погрешность0,005%, а разность частот может быть измерена с погрешностью до 0,001%номинальной частоты.
Погрешность измерения частоты резонансным частотомеромзависит от точности настройки его в резонанс, от совершенства механическойсистемы и градуировки, а также от влияния влажности и температуры окружающейсреды.
Точность настройки в резонанс зависит от нагруженнойдобротности резонатора Qн погрешностииндикаторного устройства:
/> (6)
где Δf-расстройка частоты, при которой амплитуда тока в А раз меньше, чем амплитудатока при резонансе. Чтобы уменьшить Δf/f, нужно выбирать Авозможно более близкой к единице, т. е. необходимо иметь точный индикаторныйприбор, отмечающий малые изменения тока. Так, если А= 1,02, то Δf/f=1/ 10 Qн и при Qн =5000 получается Δf/f=2·10-5.
Врезонансных частотомерах с высокой добротностью определенную погрешность вноситмеханическая неточность настройки вследствие люфтов в приводе, ненадежностиконтактов между подвижными частями резонатора и т. п.
Чем на больший частотный диапазон рассчитанычастотомеры, тем больше погрешность измерений, связанная с неточностьюсчитывания показаний. Эту погрешность можно рассчитать по формуле
/> (7)
где Δl -погрешность определения положения элементанастройки, обычно соответствующая цене одного деления и равная 0,5-10 мкм. Длятого чтобы эта погрешность была одной и той же во всем рабочем диапазонечастот, необходимо иметь df/dl пропорциональное f.
Резонансные частотомеры обычно градуируют путемсравнения их показаний с показаниями образцового прибора при различныхчастотах. Приемлемая точность получается в случае, если погрешность образцовогочастотомера совместно с погрешностью метода раз в пять меньше погрешностиградуируемого прибора.
Изменение диэлектрической проницаемости воздуха,вызванное непостоянством его температуры и влажности, приводит к изменениюрезонансной частоты частотомера, а следовательно, и к погрешности измерений. Внормальных условиях эта погрешность достигает 5•10-5.
При изменении температуры окружающей среды меняютсягеометрические размеры резонатора, и это, в свою очередь, приводит кпогрешности в измерении частоты. Погрешность от этой причины вычисляется поформуле
Δf/f=-αkΔT (8)
гдеα-линейный температурный коэффициент расширенияматериала резонатора; k-коэффициент, зависящий от конструкции резонатора. Дляцилиндрических резонаторов (k=1), изготовленных из меди, изменение температуры на1°С дает погрешность в частоте 2•10-5.
Втаблице указаны основные параметры некоторых резонансных частотомеров в режименепрерывной генерации (НГ) и импульсной модуляции (ИМ). Погрешность измерений увсех приведенных приборов 0,05%. В последней колонке дано сопротивлениекоаксиального входного элемента или сечение прямоугольного волновода.
Рассмотренные в таблице приборы состоят из резонатора,переменного аттенюатора на 10 дБ, усилителя и индикатора. В частотомерахЧ2-31—Ч2-33 в качестве резонансной системы используются цилиндрическиерезонаторы, возбуждаемые на колебаниях вида НО112 а вдругих частотомерах — резонаторы коаксиального типа. Резонаторы включены попроходной схеме.Параметрырезонансных частотомеровТип прибора Диапазон частот.1Тц Чувствительность ВЧ-тракт
Ч2-9А
Ч2-33
Ч2-32
Ч2-31
Ч2-37А
Ч2-36А
1,765-3,75
7-9
8,8-12,1
12-16,7
7,7-10,7
5,5-7,7
1мВт (НГ)
0,2 мкВт (ИМ)
5 мВт
5 мВт
5 мВт
0,5 мВт (НГ)
0,5 мкВт (ИМ)
0,5 мВт (НГ)
0,2 мВт (ИМ)
50 Ом
28,5х12,6 мм2
23х10 мм2
17х8 мм2 50 Ом
50 Ом
3. Гетеродинныечастотомеры.
Наиболее точными измерителями частоты являютсяприборы, основанные на сравнении частоты исследуемого сигнала с частотойвысокостабильного источника. Различают методы сравнения частот: нулевые биения,интерполяционный генератор и последовательное уменьшение частоты.
/>
Рис. 8. Рис. 9.
На линейный элемент-смеситель (рис. 8) подаютсяВЧ-сигнал с неизвестной частотой fx и сигнал счастотой fоп отопорного источника. На выходе смесителя получаются сигналы с этими жечастотами, а также их гармоники и сигналы с частотами биений. Так как амплитудыгармонических составляющих невелики, а следовательно, невелики и сигналы ихразностной частоты, то для индикации удобно использовать сигнал с частотойбиений fб=fх–fоп=0. Отсюда и название метода-метод нулевых биений. Навыходе нелинейного элемента включается индикатор, например телефон,пропускающий только сигналы звуковой частоты. Если плавно изменять частотуопорного генератора, то при fх-fопfх и fоп.
На (рис. 9) показан характер изменения fб при фиксированнойнеизвестной частоте fх иперестраиваемой частоте fоп.При fб Гц человеческое ухо перестает воспринимать низкие частоты,и погрешность вследствие этого может достичь 32 Гц. Для уменьшения погрешностиследует воспользоваться «вилочным» отсчетом: запоминают на слух некоторый тонбиений, например соответствующий частоте fоп1. Затем отмечают частоту fоп2, при которой в телефоне прослушивается тот же тонбиений. Искомая частота fх естьсреднее арифметическое отмеченных частот.
В реальных условиях в смесителе вырабатываютсяодновременно и гармонические составляющие основных сигналов, поэтому нулевыебиения отмечают при равенстве частот гармоник nfх=mfоп, где n, т=1,2,3 … Чтобы исключить в этом случае погрешность в выборегармоники, нужно предварительно каким-либо способом, например резонансным,ориентировочно измерить неизвестную частоту.
Если измеряемая частота лежит за пределами диапазоначастот опорного генератора, то ее измеряют методом биений между гармоническимисоставляющими и сигналом основной частоты. Так, если fхfоп, то поочереднонастраивают опорный генератор на нулевые биения с любыми двумя соседними гармоническимисоставляющими измеряемой частоты: fоп1=пfх и fоп2=(п±1)fх.
Отсюда
/>. (9)
Если fx1>>fоа, то настраивают опорный генератор на такие двечастоты fоп1 и fоп2, чтобы fx=m fоп1 и fx=(m±1)fоп2. Тогда
/> (10)
/>
Схема. 2.
Поскольку трудно сделать опорный генератор с плавнойперестройкой и высокой стабильностью частоты, то прибегают к интерполяционномуметоду. В этом случае в схему 1 наряду с интертюляционным генератором,частоту которого можно плавно менять, вводят образцовый генератор сфиксированной сеткой частот. Процедура измерений состоит в следующем. Последовательнонастраивают интерполяционный генератор на нулевые биения с измеряемым сигналомчастоты fx и с соседними гармоническими составляющими опорной частотыобразцового 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)
Точностьизмерений тем выше, чем меньше разность частот между соседними гармоникамиобразцового генератора, линейнее шкала настройки интерполяционного генератора ивыше его разрешающая способность.
Когда разность частот fх-fопбольше предельной частоты измерителя звуковой частоты, можно применять двойноегетеродинирование, используя схему 2. Измерения по такой схеме болееточны, поскольку проще создать измеритель частоты с высокой стабильностью иповышенной точностью измерений, используя интерполяционный генератор снебольшим 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 изменениемчастоты генератора за время измерений, неточностью градуировки шкалы ипогрешностью отсчета. В результате погрешность таких частотомеров составляет±5•10-6. Следует заметить, что указанное значение погрешности получаетсялишь после продолжительного прогрева прибора (до 1–1,5 ч).
§3. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГОСОПРОТИВЛЕНИЯ
1. Общие сведения
Вопросы измерения полного сопротивления узлов илиэлементов ВЧ-тракта возникают всякий раз, когда приходится решать. задачисогласования, находить параметры эквивалентных схем или рассчитывать частотныехарактеристики устройств СВЧ.
/>
Рис. 10.
В основе определения полного сопротивления нагрузки лежитсвязь его с коэффициентом стоячей.волны и положением минимума напряжения в линии.Наибольшее распространение получило определение полного сопротивления по даннымизмерения КСВ и положения минимума стоячей волны с помощью измерительной линии.Соответствующая функциональная схема представлена на (рис. 10).Устройство, полное сопротивление которого необходимо измерить, подсоединяют кгенератору СВЧ через измерительную линию. Промышленностью выпускаютсяизмерительные линии, перекрывающие частотный диапазон от 0,5 до 37,5 ГГц.
Портативными приборами для определения полныхсопротивлений на основе измерения КСВ и фазы являются измерителиполяризационного типа. Эти приборы отличаются широкополосностью и высокойточностью. Перекрываемый ими частотный диапазон простирается от 0,02 до 16,67ГГц.
Существуют приборы, обеспечивающие полуавтоматическоепанорамное измерение КСВ в функции частоты. Эти приборы позволяют значительносократить время на согласование устройств, а также наблюдать и измерять амплитудно-частотныехарактеристики четырехполюсников. Они перекрывают диапазон частот от 0,02 до16,67 ГГц.
В этой главе рассмотрен принцип действия прибора,позволяющего определять значения полного сопротивления исследуемых устройствкак функции частоты непосредственно по круговой диаграмме полных сопротивлений,нанесенной на экран электроннолучевые трубки. Приборы этого вида перекрывают диапазончастот от 0,11 до 7ГЦ.
2. Поляризационныеизмерители полных сопротивлений
Поляризационный измеритель полных сопротивленийсостоит из отрезков прямоугольного 7 и цилиндрического 6 волноводов,причем цилиндрический волновод расположен под прямым углом к широкой стенкепрямоугольного волновода (рис. 11). Связь между волноводамиосуществляется через три щели 8 одинаковых размеров, расположенные наравном расстоянии от центра цилиндрического волновода.
Принцип работы поляризационного измерителя состоит вследующем. Электромагнитная Н□10-волна,распространяющаяся от генератора в сторону нагрузки, возбуждает вцилиндрическом волноводе HO11-волну скруговой поляризацией. Достигается это выбором расположения и размеров щелей:две щели, расположенные поперек широкой стенки волновода, находятся в максимумесоставляющей поля Нх, а третья щель — в максимумесоставляющей 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 прямоугольномволноводе. Поскольку выбором размеров щелей можно добиться равенства амплитудвозбуждаемых волн, то волна в цилиндрическом волноводе будет обладать круговойполяризацией.
/>
Рис. 11.
Если изменять направление распространения волны впрямоугольном волноводе, то в цилиндрическом волноводе возбуждается волна совстречным направлением вращения поля. Очевидно, при наличии в прямоугольномволноводе отраженной волны в цилиндрическом будут две HO11-волны с противоположными направлениями круговойполяризации. В результате суперпозиции этих волн образуется волна сэллиптической поляризацией, которая несет необходимую информацию о величине КСВи положении минимума стоячей волны в прямоугольном волноводе. КСВ равенотношению главных осей эллипса, величины которых соответствуют сумме и разностиамплитуд падающей и отраженной волн.
Таблица 1Параметры измерительных линийТип прибора Диапазон частот, ГГц Собственный КСВ Погрешность измерений КСВ, % (КСВР1-22
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 2с зондом 1 воспроизводит распределение напряженности поля в прямоугольномволноводе, причем полный оборот камеры соответствует перемещению зонда впрямоугольном волноводе на длине волны λв. Положение меньшей изосей эллипса однозначно связано с положением минимума поля в прямоугольномволноводе, т. е. с фазой коэффициента отражения.
Измерение фазы коэффициента отражения заключается вотсчете по лимбу 5 положения диодной камеры, при котором индикаторныйприбор показывает минимальное значение. Поворот диодной камеры осуществляется спомощью вращающегося сочленения 3. Отсчетная шкала “фаза” представляетсобой полуокружность, разбитую рисками на 180 равных частей, так что ценакаждого деления шкалы соответствует 2° измеряемого фазового угла. Точностьотсчета фазы коэффициента отражения с использованием нониуса составляет ±20.
Дляначальной калибровки прибора по фазе относительно измерительного фланца нетнеобходимости пользоваться короткозамыкателем, а достаточно воспользоватьсяшкалой “частота” 4, жестко связанной с диодной камерой и способнойповорачиваться относительно шкалы “фаза”. Шкала “частота” рассчитана так,. чтопри установке рабочей частоты диодная камера поворачиваются на угол, равныйсоответствующему изменению фазы волны между измерительным фланцем и плоскостьюсимметрии прибора.
Таблица 2Параметрыполяризационных измерителейТип 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,
Поляризационныйизмеритель позволяет определять полное сопротивление и при высоком уровнемощности СВЧ. Для этого в приборе предусмотрена замена диода диодной заглушкой,которая имеет такие же размеры. Между поляризационным измерителем и внешнейдиодной камерой размещают переменный аттенюатор, регулировкой которогодобиваются на диоде уровня мощности в пределах, соответствующих квадратичномуучастку характеристики.
В качестве индикаторного устройства при работе споляризационными измерителями предпочтительно пользоваться измерительнымиусилителями. Параметры поляризационных измерителей даны в табл. 2.
3. Панорамные измерители КСВ и полного сопротивления
Панорамный измеритель КСВ состоит из генераторакачающейся частоты (свип-генератора), измерителя отношения напряжений снаправленным ответвителем и осциллографического прибора (рис. 12).Принцип работы прибора заключается в выделении сигнала, пропорционального мощностиотраженной волны и в последующем измерении отношения мощностей отраженной ипадающей волн, которое равно квадрату модуля коэффициента отражения.
/>
Рис. 12.
Для реализации этого принципа следует включить дванаправленных ответвителя с диодными камерами между генератором и нагрузкой так,чтобы сигнал с квадратичного детектора одной диодной камеры был пропорционаленпадающей мощности Рп(f), а сигнал с детектора другой камеры был пропорционаленотраженной от нагрузки мощности Ро(f). Эти сигналы через усилители подаются на измерительотношений, на выходе которого получается напряжение, пропорциональное квадратукоэффициента отражения от нагрузки:
/>
Рис. 13.
/> (12)
После усиления это напряжение поступает в канал вертикальногоотклонения осциллографа. К горизонтальным пластинам осциллографа подводится напряжениеот генератора, выполняющего функцию модулятора частоты генератора СВЧ. Врезультате на экране трубки наблюдается кривая зависимости квадратакоэффициента отражения от частоты (кривая 1 на рис. 13).
Для калибровки КСВ на некоторых частотах используютэлектронный коммутатор, который попеременно подает в канал вертикальногоотклонения либо усиленное выходное напряжение измерителя отношений, либообразцовое напряжение. В результате на экране на фоне кривой 1 виднасветящаяся визирная линия 2. Меняя образцовое напряжение, добиваютсясовмещения визирной линии с интересующей точкой кривой 1. Значение КСВ вэтой точке отсчитывают по шкале прибора, проградуированного в величинах КСВ, ачастоту определяют с помощью встроенного частотомера.
Сложности в практической реализации схемы связаны снеобходимостью применения свип-генератора с линейным изменением частоты вдиапазоне свипирования, а также одинаковых или подобных переходныххарактеристик обоих направленных ответвителей и одинаковых или подобныххарактеристик диодных камер во всем рабочем диапазоне частот. Обычно в качествесвип-генератора применяют ЛОВ. Линейное изменение частоты в диапазоне свипированиядостигается подачей на замедляющую систему лампы периодических импульсовэкспоненциальной формы.
Вдругом варианте панорамного измерителя КСВ сигнал с диодной камеры ответвителя,пропорциональный амплитуде отраженной волны в тракте, подается непосредственнона вертикальные пластины осциллографа. Точность измерений теперь уже зависит отпостоянства мощности свип-генератора во всем диапазоне свипирования. Длястабилизации изменений мощности сигнала, неизбежно имеющих место при частотноймодуляции, в генераторе предусмотрен автоматический регулятор мощности. Частьответвленной падающей мощности подается на вход схемы автоматическогорегулирования, где происходит ее сравнение с опорным напряжением.Вырабатываемый схемой сигнал ошибки поступает на первый анод ЛОВ (стабилизацияс внутренним управлением) или на электрически управляемый аттенюатор (внешняястабилизация), благодаря чему обеспечивается постоянный уровень мощности вполосе частот.
Таблица 3.
Параметры автоматических панорамных измерителей КСВ иослабления.Тип прибора Диапазон частот, ГГц Полоса свипирования, МГц Измерение КСВ Измерение ослабления Предел погрешность, % (КСВР2-36/1
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 режимеамплитудной модуляции импульсным напряжением прямоугольной формы с частотой 100КГц. Наряду с периодической перестройкой частоты с разными периодами и состановкой свипирования на выбранной частоте с автоматическим отсчетом возможнаи ручная перестройка частоты при помощи частотомера со следящей установкойизмеряемой величины.
Панорамные измерители КСВ позволяют измерять иослабления, вносимые четырехполюсниками. Измерение ослабления сводится к определениюотношения мощностей выходного и входного сигналов четырехполюсника.
Автоматические панорамные измерители КСВ и ослаблений,выпускаемые промышленностью, перекрывают частотный диапазон от 0,02 до 16,66ГГц. Основные параметры некоторых из них приведены в табл. 3. В таблицеА-ослабление, установленное по шкале аттенюаторов. Вход ВЧ-мощности у первыхтрех приборов коаксиальный, а у остальных — волноводный.
Другим типом автоматических измерителей являютсяпанорамные измерителя полных сопротивлений и измерители комплексныхкоэффициентов передачи. Результаты измерений представляют в полярных илипрямоугольных координатах на экране осциллографа 1В виде зависимости полногосопротивления исследуемого объекта в функции частоты.
Прибор состоит из трех блоков: свип-генератора,датчика полных сопротивлении и индикатора (рис. 14). Датчик полныхсопротивлений представляет собой ВЧ-узел с четырьмя измерительными головками, свыхода которых снимаются НЧ-напряжения. Головки располагаются на расстоянииλв/8 друг от друга.
/>
Рис. 14.
Установим связь между сигналом на выходе квадратичногодетектора измерительной головки и коэффициентом отражения в линии. Запишемнапряжение на первом зонде в виде
/> (13)
где ψ=2kzz-ψн;z-расстояние между зондами и нагрузкой; ψн и |Г| -фаза и модулькоэффициента отражения от нагрузки. Представим напряжение на первом зонде так:
/> (14)
Тогдаток, проходящий через детектор с квадратичной характеристикой:
/> (15)
гдеb- постояннаявеличина. Ток через детектор, связанный с третьим зондом и отстоящий от первогона расстояние λв/2, равен
/> (16)
Соответственно токи через второй ичетвертый детекторы
/> (17)
/> (18)
Измерительные головки должны быть настроены так, чтобы/>. Тогда на выходевычитателя, связанного с первой и третьей измерительными головками, будетсигнал, определяемый выражением
/> (19)
а на выходе другого вычитателя, связанного.со второйи четвертой; измерительными головками, сигнал представится в виде
/> (20)
где k и k’-постоянные.
После усиления в соответствующих усилителяхпостоянного тока эти сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, подаются нагоризонтальные и вертикальные пластины осциллографа. Амплитуды их регулируютсятак, чтобы обеспечить равное отклонение луча в обоях направлениях. Значит, приизменении фазы коэффициента отражения на 360°, луч вычертит на экранеокружность радиуса,. соответствующего модулю коэффициента отражения.
Если частота генератора меняется по линейному законуво времени, то меняется и комплексный коэффициент отражения от измеряемогообъекта, т.е. меняются |Г|=F(f) и ψн=F(f).Луч вычерчивает кривую, радиальное отклонение которой пропорционально |Г|, аазимутальное положение соответствует ψн.
Точность измерения полного сопротивления в диапазонечастот зависит от идентичности четырех индикаторных устройств и стабильностивыходной мощности частотно-модулированного генератора при изменении частоты.
Автоматический измеритель полных сопротивлений РК.4-10рассчитан на диапазон частот 0,11-7 ГГц с пределами измерений фазового сдвига0-360°, модуля коэффициента передачи 60 дБ и КСВ 1,02-2. Погрешность измеренияфазового сдвига 3°, фазы коэффициента отражения 10°, КСВ 10% (при КСВ ≤2)
ЛИТЕРАТУРА:
1. Лебедев И.В. Техника и приборыСВЧ. М., Высшая школа, т. I, 1970, т, II, 1972.
2. Советов Н.М. Техникасверхвысоких частот. М., Высшая школа, 1976.
3. Коваленко В.Ф. Введение втехнику 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. Электромагнитныеволны. М., Сов. радио, 19557
7. Маттей Д.Л., Янг Л.Е., ДжонсМ.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: Пер. с англ. М., Связь, 1971.