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 размещены 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.

Упрощенная (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.

6

Рис. 1

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 по делениям шкалы в миллиметрах.

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

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 параллельности экрана зонда со стенками щели волновода Для того, чтобы зазор между экраном и стенками щели с обеих сторон был оди­наков, 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 индикаторной 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.