9.2. Измерение параметров элементов цепей с распределенными параметрами

9.2.1. Общие положения

Энергия СВЧ колебаний передается от источника к нагрузке по линиям передачи, которые классифицируются (рис. 9.13) на:

двухпроводные (открытые);

коаксиальные;

волноводные;

полосковые.

Рис. 9.13. Линии передачи энергии СВЧ

Все линии передачи являются цепями с распределенными параметрами и характеризуются значениями активного сопротивления R₁, емкости С₁ и индуктивности L₁ на единицу длины.

Если линия короткая, то потерями в ней можно пренебречь. В этом случае для характеристик линии передачи используются следующие параметры:

волновое сопротивление ρ = ;

коэффициент фазы , где λ – длина волны, распространяющейся в линии.

Если линия передачи нагружена на произвольное сопротивление Zн, то в ней возникают падающая волна и волна отраженная. Такая линия характеризуется:

коэффициентом отражения

Г = e^jϴ, (9.29)

где U₀ – амплитуда напряжения отраженной волны;

U_п – амплитуда напряжения падающей волны;

ϴ = 2βl₀ – фазовый сдвиг между волнами;

l₀ – расстояние от нагрузки до первого минимума напряжения.

коэффициентом стоячей волны

k_c = – это отношение максимального значения напряжения волны к минимальному.

коэффициентом бегущей волны

k_б = = – величина, обратная коэффициенту стоячей волны.

Процесс измерения параметров цепей с распределенными параметрами заключается в измерении указанных выше характеристик. Данные характеристики измеряются с помощью специального устройства, называемого измерительной линией. В зависимости от диапазона частот измерительные линии подразделяются на коаксиальные, полосковые и волноводные.

9.2.2 Измерение параметров цепей свч с помощью измерительных линий

Рассмотрим процесс измерения параметров на примере волноводной измерительной линии (рис. 9.14).

В качестве измерительной линии в данном случае используется отрезок волновода длиной около трех длин волн рабочего диапазона (основная линия). На верху линии прорезана узкая щель, вдоль которой перемещается каретка с индикаторной головкой. Она представляет собой волноводный резонатор, слабо связанный с основной линией погруженным в нее зондом. В резонаторе располагается кристаллический детектор и поршни для настройки индикаторной головки в резонанс.

Рис. 9.14. Волноводная измерительная линия

Основная линия включается между генератором и линией передачи или перед нагрузкой. Электрическое поле основной линии наводит в зонде ЭДС, которая возбуждает в резонаторе электромагнитное поле, вызывающее ток в цепи детектора. Значение выпрямленного тока измеряется микроамперметром, оно пропорционально напряженности электрического поля в сечении основной линии. Положение зонда определяется по шкале. Таким образом, можно построить график распределения напряженности поля вдоль основной линии. На основании графика можно определить параметры линии передачи, такие как коэффициенты стоячей и бегущей волны и коэффициент отражения, а также полное сопротивление, длину волны в волноводе, потери в линии и добротность колебательных систем.

Д

1

2

ля измерения этих параметров линию включают между генератором и нагрузкой, ближе к последней. Сначала линию закорачивают, в ней возникают стоячие волны. Передвигая зонд, находят положение первого минимума (узла) напряжения стоячей волны. Положение узла lкз фиксируют по шкале измерительной линии (рис. 9.14). Передвигая зонд в сторону генератора, находят положение следующего минимума (узла) и т.д. Минимумы находятся на расстоянии λ/2 друг от друга (кривая 1). Затем линию раскорачивают и подключают к ней нагрузку. В линии формируются смешанные волны. Распределение поля смешанных волн (кривая 2) имеет свои максимумы и минимумы. Причем минимумы оказываются сдвинутыми относительно узлов стоячих волн при коротком замыкании. Если теперь зонд установить в точку минимума и зафиксировать это расстояние lн, то разность между lн и lкз будет определять фазовый угол смешанной волны ϴ, т.е l₀ = lн – lкз. Значит фазовый угол волны в линии будет определен, как

ϴ = 2β l₀ = 4π l₀ /λ. (9.30)

Передвигая индикаторную головку по направлению к генератору, можно определить минимальное и максимальное значение амплитуды волны α_max и α_min. Зная эти величины, можно определить коэффициенты стоячей и бегущей волны, а также и коэффициент отражения.

k_c = α_max / α_min (9.31)

k_c = α_min / α_max (9.32)

\Г\ = (9.33)

Существуют способы автоматического измерения параметров линии передачи. Рассмотрим принцип работы, например, автоматического измерителя коэффициента стоячей волны (рис.9.15).

Д_П

Д_О

Рис. 9.15. Структурная схема автоматического измерителя КСВ

Как видно из рисунка, схема состоит их генератора качающейся частоты (ГКЧ), двух направленных ответвителей НО1 (ориентированный на падающую волну) и НО2 (ориентированный на отраженную волну) и осциллографического индикатора. Пилообразное напряжение генератора развертки ГР модулирует ГКЧ и одновременно отклоняет луч ЭЛТ по горизонтали. Таки образом ось абсцисс на экране ЭЛТ является осью частот. Через направленные ответвители энергия СВЧ проходит к нагрузке Zн. Направленные ответвители выполнены так, что часть энергии, проходящая через них, ответвляется и поступает на детекторы. Причем на детектор Д_П поступает только часть энергии падающей волны, а на детектор Д_О – Часть отраженной волны. После детектирования в детекторах выпрямленное напряжение поступает на измеритель отношения напряжений (ИОН). Выходное напряжение ИОН поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Поскольку на горизонтальные пластины в это же время поступает отклоняющее напряжение пропорциональное частоте ГКЧ, то на экране ЭЛТ будет наблюдаться осциллограмма в виде кривой изменения КСВ в диапазоне качания частоты ГКЧ.