27

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Кафедра радиотехнических устройств и систем

ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ СВЯЗИ И ОТРАЖЕНИЙ В ВОЛНОВОДНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №4 по дисциплине

«Техническая электродинамика» для студентов

специальности 211000.62 «Конструирование и технология

электронных средств» дневной и заочной форм обучения

Воронеж 2014

Составитель канд.физ.-мат.. наук Ю.В.Худяков УДК 621.385.6

Исследование степени связи и отражений в волноводной измерительной линии: Методические указания к лабораторной работе №4 по дисциплине «Техническая электродинамика» для студентов специальности 211000.62 «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» дневной и заочной форм обучения. Воронеж, гос. техн. ун-т.: Сост.Ю.В.Худяков. Воронеж, 2014, 18 с. Методические указания содержат домашние и лабораторные задания; даны рекомендации по их выполнению. С целью проверки знаний студентов приведены контрольные вопросы. Методические указания подготовлены в электронном виде на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD, содержатся в файле Metod.doc.

Табл. 4. Ил.2. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. техн. наук А.В.Турецкий

Ответственный за выпуск зав. кафедрой РЭУС д-р физ.-мат. наук

Ю. С. Балашов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© Воронежский государственный технический университет, 2014

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ 1.1 Цель работы

Цель работы - приобретение студентами практических навыков в исследовании и оценке точностных параметров и характеристик измерительных приборов СВЧ диапазонов.

В лабораторной работе определяются составляющие результирующей погрешности волноводной измерительной линии сантиметрового диапазона, обусловленные различными причинами: несовершенством механической части линии, наличием отражения волн в местах фланцевых соединений и другими аналогичными факторами.

Основным содержанием практической части работы является экспериментальная проверка работоспособности волноводной измерительной линии и определение с помощью этой линии напряженности электрического поля в различных точках ее внутреннего пространства (вдоль оси), позволяющей затем произвести расчет точностных параметров.

Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляется комплект приборов, в состав которого входят:

1. генератор СВЧ сигналов типа 61;

2. измерительная линия типа 90016 фирмы "TESLA";

3. индикаторное устройство, которое состоит из усилителя постоянного тока и подключенного к нему микроамперметра типа М906;

4. короткозамыкатель с подвижным поршнем (реактивный шлейф).

При пользовании СВЧ приборами необходимо следить за тем, чтобы СВЧ энергия не излучалась в окружающее пространство в местах сочленения волноводных секций. Прежде, чем произвести разборку волноводного тракта, нужно поставить аттенюатор генератора в положение, соответствующее максимальному ослаблению выходного сигнала, или полностью выключить прибор.

1.2 Краткие сведения о волноводной измерительной линии

Основным радиоизмерительным прибором, предназначенным для контроля параметров различных СВЧ устройств, является измерительная линия, при помощи которой можно контролировать коэффициент отражения. коэффициент стоячей волны, полное сопротивление нагрузки и длину волны. Кроме того, измерительная линия позволяет определить полную проводимость нагрузки, исследовать объемные резонаторы и производить ряд других измерений.

Любая измерительная линия состоит из двух главных частей: основной линии и индикаторной головки.

В сантиметровом диапазоне волн в качестве основной линии обычно используется секция стандартного прямоугольного волновода длиной около трех длин волн с узкой продольной щелью в середине широкой грани, вдоль которой перемещается индикаторная головка, смонтированная на подвижной каретке, приводимой в движение вращением ручки.

Щель, сделанная в стенке волновода, проходит параллельно линиям поверхностного тока, в связи с чем ее наличие лишь в очень слабой степени меняет конфигурацию поля во внутренней полости волновода и практически не влияет на величину его волнового сопротивления и не приводит к заметному излучению СВЧ энергии.

Для возможности включения в исследуемый тракт основная линия оснащена с обеих сторон стандартными фланцами с отверстиями; последние необходимы для осуществления винтовых соединений.

Индикаторная головка представляет собой коаксиальный резонатор, слабо связанный с волноводной секцией при помощи погруженного в нее тонкого металлического зонда. В резонаторе наряду с зондом размешены также кристаллический детектор и настроечные поршни.

Электродвижущая сила, наведенная в зонде полем основной линии, возбуждает в резонаторе электромагнитные колебания, индуктирующие ток в цепи детектора. Ток регистрируется микроамперметром. Величина его пропорциональна напряженности электрического поля в точке нахождения зонда. При перемещении зонда глубина его погружения не должна изменяться. В противном случае в результат измерения будет вноситься погрешность.

Положение зонда на шкале расстояний и соответствующее значение выпрямленного тока являются данными, необходимыми и достаточными для построения графика распределения напряженности поля вдоль основной линии. Поле в исследуемой линии передачи имеет такую же конфигурацию, так как затухание в измерительной линии пренебрежимо мало, а ее волновое сопротивление равно волновому сопротивлению линии передачи.

Перемещение зонда вдоль щели позволяет определить положение максимумов и минимумов в линии и их относительные величины, что, в свою очередь, дает возможность вычислить коэффициент стоячей волны и полное сопротивление нагрузки линии.

Упрошенная (схематическая) конструкция волноводной измерительной. линии представлена на рис. 1, где приняты обозначения: 1 - основная линия; 2, 3 - зонд и его экран; 4 - подвижная каретка; 5, 6 - внешняя и внутренняя металлические трубки; 7 - внутренний стержень; 8, 9 - бесконтактный и контактный настроечные поршни; 10 - кристаллический детектор.

Из рис. 1 видно, что индикаторная головка представляет собой двойную коаксиальную линию, образованную двумя концентрическими трубками 5, 6 и стержнем 7, соединенным электрически с зондом 2. При этом стержень и трубка 6 образуют внутреннюю коаксиальную линию, а трубки 5, 6 - внеш­нюю. Первая из этих линий является контуром зонда, а вторая - контуром детектора.

Внутренняя линия настраивается путем изменения ее длины подвижным поршнем 8, который относится к типу емкостных. Поршень изготовлен из алюминия, и его поверхность покрыта тонкой оксидной пленкой, благодаря чему емкости между поршнем и внутренней трубкой с одной стороны и между поршнем и стержнем с другой получаются относительно большими, что обеспечивает надежный электрический контакт по высокой частоте.

Движение поршня 8 осуществляется двумя выступами, скользящими в продольных щелях, прорезанных в наружной трубке индикаторной головки (на рис. 1 не показаны). Настройка внешней коаксиальной линии производится перемещением обычного контактного поршня 9.

Его движение осуществляется посредством шестерни и рейки, нарезанной на основании поршня (на рис. 1 не показаны).

Внутренняя и внешняя линии электрически соединены друг с другом по последовательной схеме, в связи с чем перемещением поршня 8 можно создать такое реактивное сопротивление в контуре зонда, что оно будет компенсировать рассогласование между зондом и детектором и тем самым позволит настроить индикаторную головку в резонанс. При этом повышается чувствительность линии и уменьшаются ошибки, вносимые в результат измерения реактивной проводимостью цепи зонда. Чувствительность прибора зависит и от глубины погружения зонда в волновод, так как в этом случае изменяется связь между ними. Глубина погружения зонда устанавливается путем поворота микрометрического винта, расположенного в верхней части индикаторной головки, и отсчитывается но делениям шкалы в миллиметрах.

Зонд снабжен плоским металлическим экраном, который уменьшает влияние на точностные характеристики линии колебаний емкости шель - зонд, возникающих при движении каретки, что увеличивает постоянство связи линии с резонатором.

Рис.1

В нижней части индикаторной головки имеется круглый фланец с четырьмя отверстиями, который крепится к каретке винтами. Отверстия позволяют вращать индикаторную головку на небольшой угол, в результате чего добиваются параллельно- сти экрана зонда со стенками щели волновода. Для того, чтобы зазор между экраном и стенками щели с обеих сторон был оди- наков, в основании каретки имеется эксцентрическая гайка, вращением которой добиваются правильного положения зонда.

Боковое ответвление у основания внешней трубки используется для крепления детектора, который кончиком одного из своих выводов контактирует с внутренней трубкой. Другой полюс детектора подключен к измерительной схеме с микроамперметром.

Волноводная секция и индикаторная головка установлены на общем основании, боковые стойки которого оканчиваются винтовыми ножками, что дает возможность менять высоту всей линии.

В качестве шкалы расстояний, по которой фиксируется положение зонда, используется обычная металлическая линейка с миллиметровыми делениями, которая крепится к тому же основанию, что и вся линия.

Важной характеристикой измерительной линии является ее погрешность измерения, на величину которой влияют различные факторы. Главными из них будут:

1) механическое несовершенство линии (незначительный прогиб верхней широкой стенки волновода, биение индикатор- ной головки при ее перемещении вдоль щели и тому подобные механические неточности), что приводит к изменению степени связи между волноводной линией и коаксиальным резонатором и, следовательно, к изменению чувствительности прибора в целом;

2) шунтирующее действие зонда, вызывающее нарушение структуры электромагнитного поля во внутреннем пространстве волновода за счет вторичного излучения зонда;

3) наличие отражения волн в местах стыковки фланцевых соединений;

4) ошибки, вносимые детектором и подключенным к нему индикаторным устройством.

Чем больше глубина погружения зонда, тем сильнее будет сказываться влияние первых двух факторов.

Ошибки, вносимые со стороны детектора и индикаторного устройства, могут быть существенно уменьшены выбором режима работы детектора, при котором его характеристика строго квадратична или точно известна, и применением точных измерительных приборов.

Нужно отметить, что измерительная линия проста в обращении и в то же время обеспечивает необходимую стабильность и гарантируемую точность измерений.

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

2.1 Задание первое. Дать краткое описание волноводных измерительных линий, наиболее часто используемых на практике.

Для выполнения задания необходимо проработать материал по следующим литературным источникам: [1, с. 325 - 331]; [2, с. 376 - 378]; [3, с. 60-64].

Особое внимание при изучении устройства линий нужно обратить на механическое сочленение зондовой головки с основной линией, а также на конструкцию органов настройки контуров зонда и детектора.

2.2 Задание второе. Для волноводной линии с поперечными размерами а равными от 2 до 3 см и b равным 1см при работе ее на волне типа Н₁₀ рассчитать критическую длину волны и длину волны в волноводе _.

Длины волн и определяются с помощью формул

, (1)

_. (2) В этих соотношениях для волны Н₁₀ m = 1 и n = 0: - длина волны генератора: ее принять равной 3,6 см в одном случаема в другом - 3 см.

3. ВОПРОСЫ К ДОМАШНИМ ЗАДАНИЯМ

1. Изобразить графически в разрезе схематическую конструкцию волноводной измерительной линии и указать какими элементами образованы в ней контуры зонда и детектора.

2. На каком типе электромагнитной волны предназначена работать волноводная измерительная линия ? Может ли она работать на других типах волн ?

3. Каково назначение контуров зонда и детектора индикаторной головки ?

4. Влияет ли волноводная шель на конфигурацию электромагнитного поля в линии, ее волновое сопротивление и потери?

5. Почему в волноводной измерительной линии щель делается продольной, причем в середине широкой стенки?

6. Зависит ли точность измерительной линии от глубины погружения зонда?

7. Чему пропорциональна электродвижущая сила, наведенная на зонде измерительной линией от каких факторов зависит ее величина ?

8. Какими основными параметрами характеризуются волноводные измерительные линии?

9. С какой целью контуры зонда и детектора настраивают в резонанс?

10. Каково назначение экрана зонда?

11. Какие параметры СВЧ устройств можно контролировать с помошью измерительной линии?

12. Изобразить графически схему включения коаксиальных линии зонда и детектора.

13. С какой целью поверхность поршня 8 (рис. 1) покрыта оксидной пленкой?

14. От каких факторов зависит чувствительность измерительной линии?

15. Что представляет собой абсолютная и относительная погрешности измерения и в каких единицах они выражаются ?

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

4.1. Задание первое.

Проверить работоспособность измерительной линии.

При выполнении задания линию одним концом подключают к выходу генератора СВЧ сигналов через аттенюатор, а другим - к реактивному шлейфу. Проверка работоспособности линии осуществляется при двух глубинах погружения зонда (2 и 3 мм) и для двух частот генератора = 8. 333 ГГц ( = 3,6 см) и = 10 ГГц ( = 3 см). Линия считается работоспособной, если во всех указанных случаях удается плавно и четко установить резонанс. Если же чувствительность линии вызывает сомнение, то необходимо обратиться к преподавателю и совместно с ним проверить линию.

4.2. Задание второе. При двух частотах генератора = 8, 333 ГГц и = = 10 ГГц определить длины волн в волноводе и соответственно. При выполнении данного пункта необходимо в обоих случаях снять зависимость изменения напряженности электрического поля от текущего значения длины линии (рис. 2) и по расстоянию между любыми двумя соседними узлами определитъ длину волны в волноводе по формуле

.

Рис.2

Полученную величин сравнить со значение , найденным по формуле (2).

4.3. Задание третье. При = 8,333 ГГц и = 10 ГГц определить погрешность измерения линии, обусловленную непостоянством связи зонда с линией при перемещении каретки с индикаторной головкой. Глубину погружения зонда установить равной двум миллиметрам.

Здесь вход линии так же, как ив пунктах 4.1 и 4.2. должен быть подключен к выходу СВЧ генератора, а противоположный конец линии соединен с реактивным шлейфом.

Измерения погрешностей производят по циклам.

В первом цикле поршень шлейфа устанавливают в нулевое положение , - показание по шкале шлейфа. Затем, перемещая каретку, определяют показания по шкале микроамперметра а₁, а₂, а₃ и т.д. в ряде последовательных пучностей в линии вдоль всей ее длины, после чего производят расчет частной погрешности на этом цикле по формуле

(3)

где - номер цикла измерений; - число пучностей в линии соответственно при = =8, 333 ГГц и =10 ГГц; и - максимальное и минимальное показания микроамперметра при каждом цикле измерений среди всех значений массива данных: 01,02, и т.д.

В дальнейшем при переходе от одного цикла измерений к другому (очередному) величину следует увеличивать на 5 мм при = 8,333 ГГц и на 3,5 мм при = 10 ГГц; при этом частная погрешность рассчитывается по той же формуле (3).

Результаты измерений и расчетов свести в таблицы 1 (при = 8,333 ГГц) и 2 (при = 10 ГГц).

Таблица 1

N	1	2	3	4	5	6	7
, мм	0	5	10	15	20	25	30
a1
а2
а3
аn

Таблица 2

N	1	2	3	4	5	6	7
, мм	0	3,5	7	10,5	14	17,5	21
a1
а2
а3
аn

На основании данных таблиц при обеих частотах рассчитываются результирующие (усредненные) погрешности линии, обусловленные непостоянством связи зонда с линией. Такой расчет делается с помощью соотношения

, (4)

где - число циклов измерений.

Величина на последнем цикле измерений должна быть большей или равной _.

4.4. Задание четвертое. Определить при = 8, 333 ГГц и = 10 ГГц погрешность, обусловленную собственными отражениями в линии.

Эта погрешность определяется следующим образом.

По линейной шкале линии (приблизительно в ее середине) определяется положение какого-либо минимума. Затем перемещают поршень на 5 мм при (и на 3, 5 мм при ) и определяют новое положение минимума на линии. Измерения повторяют до тех пор, пока поршень короткозамыкаюшего реактивного шлейфа не переместится на половину длины волны в волноводе от первоначального положения.

Найденные значения положений минимума и положений поршня и их разности сводятся в табл. 3 (при )

и табл.4 (при ) и строят графики .

Таблица 3

,мм	0	5	10	15	20	25	30
,мм
,мм

Таблица 4

,мм	0	3,5	7	10,5	14	17,5	21
,мм
,мм