Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах

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:

[pic] (6)

где ?f -расстройка частоты, при которой амплитуда тока в А раз меньше, чем

амплитуда тока при резонансе. Чтобы уменьшить ?f/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

?f/f0=1/ 10 Qн и при Qн =5000 получается ?f/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

[pic] (7)

где ?l -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

?f/f0=-?k?T (8)

где ?-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

|Тип прибора |Диапазон |Чувствительность|ВЧ-тракт |

| |частот.1Тц | | |

|Ч2-9А |1,765-3,75 |1мВт (НГ) |50 Ом |

| | |0,2 мкВт (ИМ) | |

|Ч2-33 |7-9 |5 мВт |28,5х12,6 мм2 |

|Ч2-32 |8,8-12,1 |5 мВт |23х10 мм2 |

|Ч2-31 |12-16,7 |5 мВт |17х8 мм2 |

|Ч2-37А |7,7-10,7 |0,5 мВт (НГ) |50 Ом |

| | |0,5 мкВт (ИМ) | |

|Ч2-36А |5,5-7,7 |0,5 мВт (НГ) |50 Ом |

| | |0,2 мВт (ИМ) | |

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.

[pic]

Рис. 8. Рис. 9.

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>fоа, то настраивают опорный генератор на такие две частоты

fоп1 и fоп2, чтобы fx=m fоп1 и fx=(m±1)fоп2. Тогда

[pic] (10)

[pic]

Схема. 2.

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 ?х, ?1,

?2. В этом случае

[pic] (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.

[pic]

Рис. 10.

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 ?/2. Последнее

является следствием сдвига во времени на ?/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.

[pic]

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 |Собственный |Погрешность |Размеры |

| |частот, ГГц |КСВ |измерений |сечения |

| | | |КСВ, % |ВЧ-тракта, |

| | | |(КСВ<2) |мм |

|Р1-22 |1-7,5 |1,02-1,04 |3,2 |16/7* |

| | | |(до 2 ГГц) | |

| | | |3,5 | |

| | | |(до 5 ГГц) | |

| | | |5 | |

| | | |(до 7,5 ГГц)| |

|Р1-3 |2,5-10,35 |1,06 | |10/4,3* |

|P1-7 |2,6-4,0 |1,02 |10 |72х34*2 |

|Р1-20 |8,24-12,05 |1,02 |5 |23х10*2 |

|Р1-13А |17,44-25,86 |1,02 |4 |11х5,5*2 |

| | | |4 | |

|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 ?в. 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 |Диапазон |Пределы измерения|Погрешность |Размеры |

|прибора |частот, | |измерения |сечения |

| |ГГц | | |ВЧ-тракта,|

| | | | |мм |

| | |КСВ |Фазы, |КСВ. % |фазы, | |

| | | |град |(КСВ=1,0|рад | |

| | | | |5ч2) |(КСВ=2) | |

|РЗ-34 |0,15-1 |1,1-10 |0-360 |7 |7 |16/7* |

|РЗ-40 |8,24-2,05|1,05-2 |0-360 |4 |4,1 (при|23х10*2 |

| | | | | |КСВ=1,2)| |

|РЗ-42 | |1,05-2 |0-360 |4 |4,1 |35х10*2 |

|РЗ-43 |5,64-8,24|1,05-2 |0-360 |4 |4,1 |40х20*2 |

|РЗ-46 | |1,05-2 |0-360 |4 |4,1 |72х34*2 |

|РЗ-48 |4,8-6,85 |1,05-2 |0-360 |4 |4,1 |110х55*2 |

| |2,54-3,44| | | | | |

| | | | | | | |

| |1,72-2,59| | | | | |

|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.

[pic]

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:

[pic]

Рис. 13.

[pic] (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 |Диапазон|Полоса |Измерение КСВ |Измерение |

|прибора |частот, |свипирования, | |ослабления |

| |ГГц |МГц | | |

| | | |Предел|погрешн|предел|Погрешно|

| | | | |ость, %|, ДВ |сть, дБ |

| | | | |(КСВ<2)| | |

| | | |Предел|погрешн|предел|Погрешно|

| | | | |ость, %|, ДВ |сть, дБ |

| | | | |(КСВ<2)| | |

|Р2-36/1 |0,625-1,|Максимально |1,05-2|3 |0-35 |0,5-0,05|

| |25 |1070, | | | |А |

| | |минимально | | | | |

|Р2-37 | |6,25 | |5 |0-30 | |

|Р2-38 |1,07-2,1| |1,07-2|5 |5 |0,5-0,05|

| | |Максимально | | | |А |

| |2-4 |2000, |1,07-2| | |0,5-0,05|

|Р2-40 | |минимально 20 | |5 |0-30 |А |

|Р2-43 | | | |5 |0-30 | |

|Р2-45 |2,6-4 | | |5 |0-30 | |

|Р2-32 |5,55-8,3| |1,06-2|5 |0-30 |0,5-0,05|

| |3 |Максимально | | | |А |

| |8,15-12,|5200, |1,06-2| | |0,5-0,05|

| |42 |минимально 230| | | |А |

| |11,55-6,| |1,06-2| | |0,5-0,05|

| |66 | | | | |А |

| | | |1,05-2| | |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 ?в/8

друг от друга.

[pic]

Рис. 14.

Установим связь между сигналом на выходе квадратичного детектора

измерительной головки и коэффициентом отражения в линии. Запишем напряжение

на первом зонде в виде

[pic] (13)

где ?=2kzz-?н; z - расстояние между зондами и нагрузкой; ?н и |Г| -фаза

и модуль коэффициента отражения от нагрузки. Представим напряжение на

первом зонде так:

[pic] (14)

Тогда ток, проходящий через детектор с квадратичной характеристикой:

[pic] (15)

где b- постоянная величина. Ток через детектор, связанный с третьим зондом

и отстоящий от первого на расстояние ?в/2, равен

[pic] (16)

Соответственно токи через второй и четвертый детекторы

[pic] (17)

[pic] (18)

Измерительные головки должны быть настроены так, чтобы [pic]. Тогда на

выходе вычитателя, связанного с первой и третьей измерительными головками,

будет сигнал, определяемый выражением

[pic] (19)

а на выходе другого вычитателя, связанного .со второй и четвертой;

измерительными головками, сигнал представится в виде

[pic] (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 ?н=F(f). Луч вычерчивает кривую, радиальное отклонение

которой пропорционально |Г|, а азимутальное положение соответствует ?н.

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.

Страницы: 1, 2