3.5.1. Общие методические указания

При исследовании устройств в диапазоне СВЧ как правило измеряют мощность, частоту электромагнитного поля (либо длину волны) и полное сопротивление устройства. Однако важными также являются измерения фазового сдвига, напряженности поля, добротности, ослабления мощности электромагнитного поля, амплитудно-частотного спектра.

Различают прямые и косвенные измерения. Прямые измерения выполняют либо методом непосредственной оценки, когда измеряемую величину определяют по показаниям проградуированного прибора, либо методом сравнения, когда измеряемую величину определяют сравнением ее с мерой данной величины. Косвенные измерения состоят в замене измерений данной величины другими, связанными с искомой известной зависимостью.

В предлагаемом цикле лабораторных работ исследуются наиболее важные на практике свойства некоторых устройств СВЧ путем измерения напряженности или мощности электромагнитного поля, длины волны или частоты, затухания и фазового сдвига.

3.5.1.1. Установка для измерения характеристик свч устройств

Измерительная установка (рис. 1) является универсальной для всего цикла работ по курсу Устройства СВЧ и антенны и используется как для исследования СВЧ устройств, так и для измерения характеристик антенн. Приведем ее краткое описание.

Электромагнитное поле с выхода СВЧ генератора 1 поступает на вход СВЧ переключателя П и в зависимости от его положения попадает либо на передающую антенну А, либо на вход стенда для измерения СВЧ устройств. В последнем случае СВЧ поле поступает на вход ответвителя 2, затем через ферритовые вентили 3, аттенюатор 4 и измерительную линию 5 на одно из плеч (вход) исследуемого устройства (ИУ) 6. На выходных плечах этого устройства с помощью детекторной секции 11, измерительного усилителя 8, снабженного измерительным прибором 9, фиксируется уровень мощности. К плечам исследуемого устройства, на которых в данный момент мощность электромагнитного поля не измеряется, подключаются согласованные нагрузки 10. При необходимости оценки степени согласованности СВЧ устройства 6 со стороны его входного плеча измеряют величину коэффициента стоячей волны (КСВ) с помощью измерительной линии 5, усилителя 8 и измерительного прибора 9. Иногда имеется необходимость наличия опорного сигнала с постоянным значением амплитуды, что в приведенной схеме осуществляется с помощью ответвителя 2 и коаксиально-волноводного перехода 7.

Рис. 1

Внешний вид установки приведен на фотографии

Внешний вид лабораторного стенда

Приведем краткие сведения о назначении, конструкции, принципе работы и методике использования всех входящих в измерительную схему устройств, кроме тех, которые сами будут являться объектами исследования в соответствующих лабораторных работах. Сведения о них будут приведены в соответствующих разделах.

Вентиль 3, как это показано на схеме, устанавливается перед каждым устройством 4, 5, 6 и т.д. и служит для устранения влияния отражений электромагнитного поля от их входных плеч, что как известно из [1] соответствует режиму согласования на минимум отражений (в данном случае этот режим согласования не эквивалентен согласованию по критерию на максимум передачи СВЧ мощности). Прнцип работы вентиля, его возможные конструкции приведены в разделе 3.3.5.12.

Ответвитель 2 и измерительная линия 5 имеют сходные конструкции. Поэтому рассмотрим подробно устройство и принцип работы измерительной линии ИЛ (рис. 2).

Основными частями измерительной линии ИЛ являются однородная секция волновода 1 прямоугольного сечения (или коаксиальной линии передачи) с продольной щелью 2 в середине широкой стенки волновода 1 и измерительная головка ИГ, которая представляет собой перестраиваемую диодную камеру ДК, соединенную с зондом З. Измерительная головка ИГ может перемещаться вдоль щели 2. Сигнал от нее подается на усилитель 8 и измерительный прибор (ИП) 9. Обычно в волноводах прямоугольного сечения большей частью стремятся обеспечить распространение только волны основного типа , для которой критическая длина волны , где – размер широкой стенки волновода (см. 3.3.1.1 ). Там

Рис. 2.

же показано распределение поля в поперечном и продольном сечениях волновода, а также картина линий поверхностных токов на внутренних стенках его в некоторый момент времени .

Густота силовых линий отражает степень интенсивности поля в данной точке волновода. Фазовая скорость распространения и длина электромагнитной волны в волноводе для волны типа определяются следующими выражениями:

; , (1)

где –длина волны в свободном пространстве, С–скорость распространения электромагнитной волныв вакууме, равная , Т–период электромагнитных колебаний.

Из рис. 5 раздела 3.3.1.1 видно, что в середине широких стенок волновода протекает только продольный ток, из чего следует, что продольная узкая щель в середине широкой стенки не будет вносить каких-либо существенных изменений в структуру поля. Кроме того, такая щель не будет излучать электромагнитное поле в свободное пространство из-за практического отсутствия пересечения щели током (продольный ток на оси широкой стенки волновода параллелен прорезанной щели). Ширина щели 2 определяется условием неприкосновения ее краев с зондом 3 штыревого типа, а длина выбирается равной нескольким длинам полуволны, распространяющейся в линии. При этом с одной стороны зонд 3, переходящий плавно во внутренний проводник вспомогательной коаксиальной линии 4, связан с электромагнитным полем в волноводе, с другой – с перестраиваемой диодной камерой резонансного типа ДК со встроенным в нее диодом 5.

Настройка камеры ДК осуществляется с помощью подвижного короткозамыкателя 6. Глубина погружения зонда 3 может изменяться с помощью специального механизма. Обычно ее устанавливают минимально возможной с учетом реальной чувствительности измерительного прибора 9 усилителя 8 и минимального влияния на распространение электромагнитного поля в волноводе. Конденсаторы 7 служат для замыкания переменной составляющей выпрямленного диодом 5 тока, что устраняет просачивание в НЧ цепь электромагнитного поля. Электромагнитное поле, возбужденное с помощью зонда 3 во вспомогательной коаксиальной линии 4, отражается от короткозамыкающего поршня 6, в результате чего в ней возникает режим стоячих или смешанных волн, характеризующийся чередованием по длине линии минимального и максимального значений электрического поля. Перемещением поршня 6 сдвигают максимум электрического поля в область, где располагается диод 5, выполняющий функцию поглотителя электромагнитной энергии и преобразующий ее в колебания низкой частоты НЧ или в постоянный ток, измеряемые соответствующими индикаторами. При перемещении поршня 6 одновременно с изменением положения максимума напряженности электрического поля в линии 4 изменяются активная и реактивная составляющие входного сопротивления штыря 3. Реактивная составляющая обычно компенсируется индуктивным коаксиальным шлейфом, совмещенным с держателем диода 5 (на рис. 2 не показан).

Ответвитель 2 отличается от измерительной линии 5 отсутствием диодной камеры ДК с диодом 5. Вместо нее с помощью разъема подключается коаксиально-волноводный переход 7.

Аттенюатор 4 служит для калиброванного уменьшения СВЧ мощности в определенном отношении. О возможных конструкциях аттенюаторов и принципе работы можно прочитать в разделе 3.3.5.7. В работе используется аттенюатор поглощающего типа, недостатком которого является изменение фазового сдвига при изменении величины затухания, которое в свою очередь зависит от длины волны.

Для исключения этого недостатка в работе, кроме обычного, используется поляризационный аттенюатор(рис. 3), который часто называют прецизионным, указанных недостатков не имеют.Аттенюатор состоит из трех волноводных секций, причем крайние секции I и III являются переходами в волноводах от прямоугольного к круглому сечению и закреплены неподвижно относительно друг друга. Средняя секция II – волновод круглого сечения имеет возможность вращения вокруг своей продольной оси. Внутри каждой секции размещена поглощающая пластина, причем в секциях I и III она расположена параллельно широким стенкам волновода и выполняет роль фильтра.

В секции II пластина сориентирована в плоскости диаметрального сечения волновода. В волноводах круглого сечения распространяется волна типа , в которую трансформируется волна типа , распространяющаяся в волноводе прямоугольного сечения. Вектор составляющей электрического поля волны типа , распространяющейся в секции II, оказывается по отношению к плоскости расположенной в ней диэлектрической пластины под углом и его можно условно разложить на две составляющие (рис. 3,б). Составляющая , параллельная поглощающей пластине, ею поглощается, а составляющая , перпендикулярная плоскости пластины, на выходе секции II круглого волновода имеет минимальные потери.В волноводе секции III круглого волновода вектор электрического поля сориентирован под углом по отношению к плоскости поглощающей пластины. Его также можно условно разложить на две составляющие: одна составляющая, перпендикулярная плоскости пластины (рис. 3,в), равна величине и проходит секцию III беспрепятственно, а другая, параллельная плоскости пластины и равная ,поглощается.Таким образом, общее ослабление, создаваемое аттенюатором при развороте секции II относительно секции I и III на угол , равно

[дБ], (2)

Рис. 3

где ­ начальное ослабление, когда все три поглощающие пластины находятся в одной плоскости, т.е. угол =0.

Согласованная оконечная нагрузка 10(рис. 4) используется для пол-

Рис. 4

ного поглощения распространяющейся в волноводе волны. Нагрузкой может служить аттенюатор, закороченный с одного конца. Суммарное затухание волны на пути до замкнутого конца волновода равно . Для уменьшения отражений от входа согласованной оконечной нагрузки поглощающие пластины выполняются либо с заостренными концами (рис. 4а), либо введение их в волновод происходит постепенно от стенок к его оси, как это показано на рис. 4,б. Поглощающий элемент может быть выполнен в виде металлизированных стеклянных пластин (рис. 4,в). При этом коэффициент отражения такой нагрузки менее 0,1% в 12-процентной полосе частот при .

Более подробная информация о поглощающих нагрузках приведена в разделе 3.3.4.2.

Коксиально-волноводный переход (КВП) по сути является возбудителем волны в волноводе того или иного типа, сведения окотором можно получить в разделе 3.3.5.6 .

Детекторная секция 7( более подробные сведения приведены в разделе 3.3.4.3.)по конструкции и принципу работы практически ничем не отличается от рассмотренной ранее детекторной камеры ДК(см. рис. 2) измерительной линии. В качестве поглотителя мощности используется СВЧ диод. В этой части изложения мы уделим внимание вольт-амперной характеристики диода (рис. 5), от которой в конечном итоге зависит качественно- количественные результаты измерения.

Рис.5

Известно [3], что участок кривой характеристики при уровне напряжений на диоде хорошо описывается квадратичной зависимостью тока от напряжения. При малых уровнях СВЧ мощности, что обычно имеет место при измерениях в лабораторных условиях (это делается для обеспечения безопасности производящего измерения), напряженность поля в волноводе, на которую реагирует чувствительный элемент, соединенный сдиодом (петля связи, штырь и т.п.), меньше граничного уровня , т.е. мы заведомо работаем на квадратичном участке вольтамперной характеристики.

Следовательно, ток диода будет прямо пропорционален квадрату напряженности поля, т.е. мощности электромагнитной энергии. Это обстоятельство необходимо учесть при измерениях и расчетах.