согластощие и измерительные устройства, В настоящее время

установлены определенные размеры волноводов для различных участков диапазона миллимстрозых болн

При различных измерениях на миллиметровых волнах правильные результаты можно получить при соответствующем согласовании элементов волноводиого тракта. Так, например, при измерении мощности результат измерения может существенно зависеть от согласования с волноводным трактом как входа измерителя мощности, так и выхода генератора. Точно так же при измерении ослабления методом замещения результат существенно зависит от согласования входов и выходов образцового и градуируемого ослабителей, входа индикатора и выхода генератора.Поэтому обычно Принято считать правильным результат измерения, полученный для тракта с идеально согласованными элементами.

Погрешности вследствие рассогласования особенно резко проявляются при измерениях мощности и ослабления. Чтобы выяснить в какой степени влияет согласование элементов волиоводного тракта на точность измерения мощности и затухания, напомним некоторые известные зависимости.

Если однородная волноводная линия нагружена на прибор, имеющий активное в.чодное сопротивление Z, равное ее волновому сопротивлению W. то в этом приборе поглощается вся мощность падающей электромагнитной волны, в линии имеет место режим бегущей волны, а о таком прибопе говорят, что его вход согласован с данной волноводной линией (или для краткости просто -согласован) .

Если линия нагружена на несогласованное сопротивление, то в ней. кроме падающей, имеется и отраженная волна (при многократных отражениях - п отраженных волн).

Напомним также, что, кроме понятия согласования в определенном ранее смысле, существл-ет понятие комплексно сопряженного согласования двух элементов тракта. При этом каждый из элемен-тгв оказывается нагруженным ка сопротивление, активная составляющая которого ранз актп-пг-; сост.9вляюшей его выходного сопротивления, а их реактивные составляющие равны по величине, но обратны по знаку.

При комплексно сопряженном согласовании генератора с на грузчэ: 07 генератэса к чаг-пзке чередается наибольшая мощность.

Если один прибор согтасозан. а доугой .комплексное согласуется с кдм, то к второй прибсп оказывается с.)Гтассванным. Этим частным случаем комплекс:-" сопряженного согласования иногда пользуются как одним из методов согласования приборов.

Входные п выходные сопротивления приборов являются функциям! частоты Плэтому прпбс"! согласованны: на одной частоте может оказаться рассогласованггым на дру-Oii. По юса час-гот, в которой прибор Ол2.>ЫБается согласованным г заданной точностью является одной из его основаыч .арактерястл.ч,

Отношение амплитуд напряженности отраженной волны н напряженности падающее волны называется коэффициентом отражения р.

F 7 1

-отр

fl.l)

X z

где Z-

нормированное сопротивление нагрузки.

В общем случае коэффициент отражения является комплексной величиной и может быть записан в форме

Модуль коэффициента отражения какой-либо нагрузки иа практике вычисляется по результату измерения коэффициента стоячей (или бегущей) волны напряжения к. с. в. н. (или к. б. в. и.) в линии без потерь, к которой подключена эта нагрузка / 1 \

к.с.в.и. =

к.б.в. н.

. Обозначив к. с. в. н. через г, напомним, что

г = -

где и

максимальная и минимальная амплитуды элек-

трической напряженности, соответствующие различным точкам линии вдоль ее длины.

1 + Р

-. или обратно р

1 - р[

г- 1

Как известно, в линии без потерь (т = гЗ, где у -постоянная распространения, а 3 - фазовая постоянная) амплитуда напряженности электрического поля в точке однородной зо.тнозод-ной линии длиной л отстоящей от нагрузки на расстоянии d, в общем случае равна

где Рг - : р.- е - ь-Оэффициент отражения вкходг: генератора; Ри = i hi " -коэффициент отражения зход<.1 нагрузки;

Л,, - постоянная, зависящая от мощности генератора и нормированною сопротив.1ения его выхода. Как видно из ппиведенной зависимости, характер распределения амплитуды волны вдоль волнОВодной линии зависит только от коэффициента отражения нагрузки р, и фазовой постоянно11 ,

- --г-М- c.-Wln

(1.2)

Однако амплатуда волны в любой точке линии оказывается пропортшоиальной величине

1 ~ рг ре

Когда хотя бы один из элементов i ракта (генератор или нагрузка) согласован, этот множитель равен единице. Предельными значе-

ниями этого множителя являются , , . .

t ± i Рн I I РгI

Так как мощность, переносимая электромагнитной волной, пропорциональна квадрату ее амплитуды, то в зависимости от сочетания фаз коэффициентов отражения генератора и нагрузки и длины линии, выраженной в длинах волн в волноводе, мощность, падающая на нагрузку, будет изменяться в пределах

i---- или для малых ; р„ ! и рг в н[-еде -laxl ± 2 I рд! i Рг

\ 1 ± Рн I Рг I /

Кроме того, эта падающая мощность частично отразится от нагрузки,благодаря чемуСв соответствии с определением коэффициен-таотражения) величина поглощенной мощности окажется равной

Действительно.

р - р = р II

р f 1

пая /

и рг! поглощенная в

Таким образом, в случае малых „ п : "ui nwmi-niici/i о ----- - -- --------- "тпример, в измерителе мощности) с учетом

нагрузке мощность (нап..-..i., - отражений может быть выражена в виде

= ЯсогЛ1 -iP. -2 р, ipj). (1.3)

где Логл - мощность, которая поглотилась бы при согласованной нагрузке и прочих равных условиях. Отсюда следует, что относительная погрешность измерени: мощности вследствие рассогласования при малых • -

равна

Для примера укажем, что при к с в. н генератора и нагрузки равных 1.5 эта погрешность может составить от -4 до -12%.

Аналогичные погрешности возникают и при измерении затухания аттенюаторов (ослабителей) что следуем из определения за тухания (ос1абления. как отношения мошносте!; на входе и выходе аттенюатора при согласаванных аттенюаторе, нагрузке и выходе тракта (со стороны генератора) Естественно, отражения

мощности будут изменять это отношение, что вызовет погрешности, аналогичные разобранным выше. Подробный анализ этих погрешностей списан в литературе [24] и выходит за рамки этой книги

Приведенные величины noi решнистей измерения мощности справедливы не во всех случаях. Так, показания некоторых измерителей проходящей мощности (например, некоторых типов пон-деромоторных измерителей) пропорциональны напряженности поля в точке волновода, в которой помещен их чувствительный элемент.

Можно показать, что в этом случае погрепшость измерения вследствие рассогласования может быть выражена так:

Л% + (/- 1). 100% (при малых к. с.в.н.),

т. е. уже при к. с. в. н. 1,1 погрешность может составить около ± 10%.

Погрешности, возникающие вследствие рассогласования, при особо ответственных точных измерениях могут быть учтены, для чего необходимо знать все коэффициенты отражений (по модулю и фазе), ДЛИН} волноводнои линии, длин\ волны в волноводе и т. д.

Другим методом значительного снижения по1решностей является предварительное согласование элементов тракта специальными согласующими ycтpoйcтвdми (см 5;

Ввиду сложности измерения фаз коэффициентов отражения практически почти всегда является более прдпсшительным второй пут снижения погрешностей измерения.

В за?;лючение следует сказать, что не только при измерении мощности и затухания, а практически при всех радиотехническил измерениях существенную роль играют вопросы согласования эле ментов тракта.

§ 4. Методы и приборы для измерения полных сопротивлений и коэффициента стоячей волны напряжения

Часто бывает удобно выражать параметры входа какого-либо прибора, являющегося нагрузкой для волноводнои линии, чере нормированное полное сопротивлени! его входа.

Нормированное полное сопротнвтечи Z связано с коэффициентом сугражения зависимостью (11).

В случае волноводнои линии напряжению или ток\ в ней нельзя дать однозначного определения. пово;1якэидего непосредственно измерим, зги величины Поэтому зависимость (1.11 являет

ся определением .1ля Z Сл\]о нинятне полного сопро1ивления не является оснивион независимой характеристикой прибора, на который нагруженл ."1иния. л лишь в ряде сл>чаев облегчает изучение системы, так как позволяет использовать для случая вОДноводных линий хорошо известные более простые методы

расчета цепей с длинными линиями, нагруженными на сосредоточенные потные сопротивления.

Измерение полных сопротивлений производится с помощью вол-новодных мостовых схем или измерительных линий. Погрещность измерения полных сопротивлений мостовыми схемами в миллиметровом диапазоне волн значительно возрастает, кроме того, практически измерение Z производится крайне редко по сравнению с измерением к. с. в. н. Поэтому мостовые схемы рассматриваться не будут.

Измерение к. с. в. н. и положения первого от нагрузки минимума с помощью измерительной линии позволяют вычислить коэффициент отражения и полное сопротивление нагрузки.

Наиболее распространенной в настоящее время является измерительная линия с подвижным зондом, устройство которой схематически показано на рис. 7.

Вдоль середины широкой стенки основного прямоугольного волновода стандартного сечения / прорезана узкая длинная шель. в которую погружается зонд 2, возбуждающий резонансную камеру о. В резонансной камере, настраиваемой поршнями 4, помещен детектор, соединенный с гальванометром 5.

Если измерительная линия включена последовательно в тракт, в котором надо измерять к.с.в.н., то при движении каретки измерительной линии вдоль щели амплитуда колебаний в резонаторе, а следовательно, и ток через гальванометр, будут характеризовать распределение напряженности электромагнитного поля вдоль исследуемого тракта.

Учитывая, что характеристика кристаллического детектора обычно практически квадратична, при равномерном погружении зонда и его движении точно вдоль осевой линии основного волновода показания гальванометра будут пропорциональны квадрату электоической напояженности поля. Следовательно, к.с.в.н. в ис следуемой линии может быть найден как

Рис. 7. Схема измерительной волноводной линии.

1.4)

где п.

и п..

наибольшее и наименьшее показания гальвано-

метра при движении каретки вдоль линии.

Однако, так как характеристика детектора может несколько отличаться от квадратичной, то передточными измерениями к. с. в. н. производят градуировку детектора, которая, сводится к снятию рас-

Йределения электромагнитного поля вдоль измерительной линии, закороченной на конце. Сравнение полученной зависимости с действительной синусоидальной зависимостью позволяет построить более точную характеристику детектора, по которой в дальнейшем н определяется кс.в-н-

Кроме погрешностей, могущих возникнуть при измерении к.с.в.н. из-за неравномерности погружения и центровки зонда и отклонений действительной характеристики детектора от принятой при расчетах, существенными могут оказаться: погрешность вследствие шунтирующего действия зонда, погрешность, обусловленная собственными отражениями в линии и отражениями от соединительных фланцев, погрешность, вызванная отклонениями от стандартных размеров основного волновода (следовательно, отклонениями и его волнового сопротивления), а также погрешности, связанные с возникновением щелевой волны и затуханием волны вдоль основного волновода.

Для уменьшения погрешности вследствие шунтирующего действия зонда он должен быть слабо связан с полем в основном волноводе, что достигается предельным уменьшением глубины погружения зопда в щель волновода. Однако при чрезмерно малой глубине погружения зонда может возрасти погрешность из-за наличия щелевой волны. Поэтому обычно существует оптимальная глубина погружения зонда, которая определяется при исследовании линии и у:азывается з док\"\[енгацни к ней.

Уменьшение остальных перечисленных погрешностей зависит от тщательности изготовления линии и ее конструкции.

Сравнительно малые размеры волноводов миллиметрового диапазона требуют крайне высОКой точности изготовления измерительной линии. Иногда допуски на отд-ельные размеры составляют микроны и даже доли микрона. Лучшие современные из.мернтель-ные линии милли.метрового диапазона с подвижным зондом имеют погрешность (7-10)%.

Конструктивно более просты.мн приборами для измерения к-с.в.н. являются сжимиая линия и фазовращатель с зондовой головкой. Оба эти прибора основаны ка явлении изменения скорости расиространения волны в линии, включенной между неподвижной зондовой головкой и исследуемой нагрузкой. Изменение скорости приводит к изменению электрической длины этого \"частка линии, что равнозначно перемещению зонда, если отражения на выходе линии со стороны генератора отсутствуют.

В сжимной линии изменение скорости распространения волны достигается регулировкой ширины волновода, т. е путем изменения соотношения между длиной волны к критической длиной волны для волновода.

Схематически сжимная линия показана на рис. 8- Вдоль обеих широких стенок волновода 1 прорезана щель 2, допускающая сжа-волновода механизмом 3. В простейшел! случае сжимающий