3.3. Измерение добротности резонаторов

Измерение добротности резонаторов проводится различными методами, но все их можно свести в три основные группы: 1 - измерения по декременту затухания; 2 - измерения по резонансной кривой и 3 - измерения характеристик резонатора, включенного как оконечная нагрузка. Здесь приведем описания только первых двух.

а) Измерение добротности по декременту затухания. Метод измерений основывается на наблюдении затухания собственных колебаний в резонаторе. В большинстве схем, реализующих этот метод, используется импульсный режим работы СВЧ генератора. После прекращения импульса в резонаторе идет процесс свободных затухающих колебаний.

Пусть I₀ – сила тока в резонаторе в момент выключения импульса. С этого момента ток изменяется по закону

I (t) = I₀ exp (-t / 2Q_н). (21)

Если ток измеряется в моменты времени t₁ и t₂, то

I (t₁) = I₀ exp (-t₁ / 2Q_н); I (t₂) = I₀ exp (-t₂ / 2Q_н). (22)

Отношение этих значений

, (23)

где t = t₂ – t₁.

Отсюда определяется значение Q_н

Q_н = 2t / ln [I(t₁) / I(t₂)]. (24)

Если t отрезок времени, в течение которого ток уменьшается в e раз, то

Q_н = t. (25)

Эти величины легко определяются экспериментально.

Простейшая схема измерений приведена на рис.4. Модулированный по амплитуде прямоугольными импульсами сигнал СВЧ поступает в исследуемый резонатор затем на детектор. Сигнал с детектора поступает на вход «Y» осциллографа, развертка которого синхронизируется передним фронтом модулирующих импульсов. При этом на экране наблюдается осциллограмма переходного процесса (рис.5).

б) Определение добротности по резонансной характеристике резонатора. В этом методе частотно-модулированный сигнал СВЧ поступает в волноводный тракт, куда включены волномер и исследуемый резонатор (рис.6). Проходящий (рис.6а) или отраженный (рис.6б) сигнал детектируется и подается на вход «Y» осциллографа, разверткой которого служит модулирующее частоту напряжение. В результате на экране осциллографа наблюдается кривая зависимости коэффициента передачи или коэффициента отражения резонатора от частоты (резонансная кривая). На эту кривую будет наложена (рис.7) резонансная кривая волномера в виде метки. Предполагается при этом, что добротность резонатора волномера значительно выше добротности исследуемых резонаторов. Эта схема измерений реализована в панорамном измерителе КСВН Р2-61.

Добротность исследуемого резонатора определяется его относительной полосой пропускания:

(26)

Рис.4 Схема измерений добротности резонатора по декременту затухания.

Рис.5 Переходные процессы, наблюдаемые при возбуждении резонатора прямоугольным импульсом СВЧ – колебаний.

а )

б )

Рис.6 Схемы измерений добротности резонатора по резонансной характеристике для проходного (а) и отражательного (б) резонаторов.

Рис.7 Резонансная кривая резонатора с меткой волномера (на ₁).

Для определения необходимых величин достаточно, перестраивая волномер, совместить метку последовательно с точками, соответствующими максимуму коэффициента передачи и половине максимального значения коэффициента передачи резонатора, и снять отсчеты частот. Измеренная добротность будет, очевидно, нагруженной добротностью исследуемого резонатора. Если связь резонатора с волноводным трактом регулируемая, то, определяя добротность при последовательном уменьшении связи, можно экстраполировать полученные результаты и определить собственную добротность резонатора Q₀.