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.
