5.5. Измерительная линия

В цепях с распределенными постоянными основными измеряемыми величинами являются параметры, характеризующие режим в линии передачи, а также сопротивление нагрузки. Все эти пара­метры можно найти, измеряя распределение поля вдоль линии передачи. Наиболее распространенным и универсальным прибором, предназначенным для этой цели, является измерительная линия.

Сопротивление нагрузки можно измерить с помощью нескольких неподвижных зондов, размещенных в линии передачи. Такие устройства широко используют в автоматических измерителях полного сопротивления нагрузки. Существуют измерители сопротивления нагрузки с направленными ответвителями. В этих приборах раздельно измеряют амплитуды падающей и отраженной волн, а в некоторых случаях и разность фаз между ними.

Все перечисленные методы сводятся к анализу поля в линии передачи в установившемся режиме. В последнее время развиваются методы импульсного рефлектометра, основанные на анализе отраженной волны в неустановившемся режиме. Для этого в линию передачи от генератора подают испытательный импульс с малым временем нарастания и с помощью стробоскопического осциллографа наблюдают за отраженной волной. По ее форме судят о нагрузке, а по ее запаздыванию относительно испытательного импульса оценивают расстояние от точки включения до нагрузки.

Измерительная линия (рис. 5.5) представляет собой отрезок линии передачи, вдоль которого прорезана щель 2. Вдоль щели перемещается зондовая головка с емкостным зондом 3. Наведенное на зонде напряжение детектируется и поступает на измеряющее устройство. Перемещая зондовую головку вдоль щели, можно получить распределение амплитуды поля по длине линии. Линия передачи, на которой выполнена измерительная линия, определяется типом СВЧ тракта, в котором производятся измерения.

Рис. 5.5. Измерительная линия.

Промышленность выпускает коаксиальные измерительные линии с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом и волноводные линии на прямоугольных волноводах стандартного сечения. Щель в линии прорезается так, чтобы она заметно не искажала поля в линии передачи. Этому условию отвечают продольные щели во внешнем проводнике коаксиальной линии и в середине широкой стенки прямоугольного волновода. Ширина щели делается, возможно, меньшей, но достаточной для размещения емкостного зонда.

Зонд связан с зондовой головкой, представляющей собой систему двух связанных коаксиальных контуров (рис 5.5). В контуре 4 с помощью зонда возбуждаются колебания и передаются в контур 5, нагрузкой которого является входное сопротивление детектора с диодом 6. Перед проведением измере­ний с помощью короткозамыкающих плунжеров 7 и 8 система связанных контуров настраивается до получения максимального напряжения с выхода детектора. При этом в системе связанных контуров достигается оптимальный резонанс, и нормированная входная проводимость зондовой головки со стороны зонда становится чисто активной. Зондовая головка расположена на каретке, перемещающейся вдоль линии. Положение зонда вдоль линии измеряется с помощью шкал в виде линейки с нониусом .

Показания индикатора на зонде напряжения ά пропорциональна амплитуде составляющей вектора Е электромагнитного поля, направленной вдоль зонда:

U = а·Е,

где а — коэффициент, зависящий от связи зонда с полем в линии.

Если связь зонда с полем в линии постоянна и зонд не оказывает заметного шунтирующего действия на линию, то по показаниям вольтметра при перемещении зонда вдоль измерительной линии можно снимать картину распределения электромагнитного поля, вычисляя при этом коэффициент стоячей волны (КСВ) и фазу стоячей волны.

, (26)

Измерительная линия позволяет определять фазовый угол коэффициента отражения по «смещению узлов» стоячей волны при включении вместо нагрузки короткозамыкателя, а затем измеряемого сопротивления. Для этого производят последовательно настройку зонда по минимальному показанию индикатора на отсчёти

На основании полученных результатов по круговой диаграмме находят активное и реактивное сопротивление включённой нагрузки.

Ток детектора в общем случае связан с напряжением на зонде нелинейной зависимостью, вид которой обусловлен многими факторами. Поэтому при проведении измерений необходимо установить характер этой зависимости, что достигается калибровкой детектора. Методы калибровки основаны на том, что в короткозамкнутой измерительной линии без потерь амплитуда электромагнитного поля распределена по синусоидальному закону.

Калибровка детектора заключается в экспериментальном определении зависимости приращения нулевой составляющей тока детектора от положения зонда вдоль линии и сравнении этой зависимости с синусоидальной. В практике измерений могут встретиться две задачи: а) определение пределов изменения тока детектора, в которых детекторная характеристика остается квадратичной или линейной; б) построение характеристики детектирования. Последняя задача возникает в том случае, если в рабочем режиме характеристику детектирования нельзя удовлетворительно аппроксимировать квадратичной параболой или линией.

Погрешность измерения КСВ зависит от следующих основных факторов: неточности измерения отношения _макс/_мин, неточности калибровки детектора, непостоянства связи зонда с полем в линии, собственного КСВ линии и шунтирующего действия зонда. Погрешность измерения отношения зависит от класса точности прибора, измеряющего. Для современных приборов максимальная погрешность измерения отношений составляет 1…3 %.

Из-за неточности изготовления механизма перемещения зондовой головки глубина погружения зонда в линию, а, следовательно, и его связь с полем в линии несколько изменяются при движении зонда вдоль линии. При этом и возникает погрешность измерения. Полное сопротивление нагрузки определяется косвенным способом по измеренному КСВ и фазе коэффициента отражения.

Поверку измерительных линий проводят по техническим инструкциям: определяют непостоянство связи зонда с полем линии; собственный КСВ линии и затухание в канале линии. В ближайшем положении короткозамыкателя определяют ряд значений максимумов волны. Затем отодвигают короткозамыкатель на расстояние λ/10 и определяют новый ряд значений максимумов. Такие измерения проводят при 5 положениях короткозамыкателя. Измерения проводят на крайних частотах диапазона измеряемой линии.

Собственный КСВ линии может быть определен одним из способов: методом «смещения узла» или методом «подвижной нагрузки». Метод «смещения узла» заключается в сравнении перемещения короткозамыкателя и соответствующего ему смещения минимума, электрического поля в поверяемой линии. Смещения производят на расстояние /20, повторяя измерения не менее чем для 10 положений короткозамыкателя, вычисляя максимальную разность значений (l-x)_махи минимальную разность (l-x)_мin .

Собственный КСВ вычисляют

(27)

где -- длина волны в канале линии, х -- положение короткозамыкателя,

ﺎ – положение минимума.

Метод «подвижной нагрузки» отличается от предыдущего тем, что перемещают подвижную нагрузку, КСВ которой больше измеряемого. При 10-12 положениях вычисляют КСВ и выбирают минимальное и максимальное значение. Собственный КСВ поверяемой линии

О

(27а)

тносительную шунтирующую проводимость зонда определяют с помощью вспомогательной измерительной линии, включаемой последовательно с проверяемой линий. Делают отсчеты при настройке на максимум поля₁ и при настройке на минимум ₂ во вспомогательной линии. Относительную шунтирующую проводимость вычисляют по формуле

g=(₂-₁)/( ₂ +₁).

Затухание измерительной линии определяется с помощью вспомогательной измерительной линии и развязывающего аттенюатора. Поверяемая линия, с выведенным зондом, включается перед вспомогательной линией, измеряется показание индикатора ₁. Отключается поверяемая линия, вспомогательная подключается к аттенюатору – отчет уровня ₂. Расчет затухания производится по формуле

Д=10 lg _1/₂