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:
[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.
