книги из ГПНТБ / Вальднер, О. А. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория учеб. пособие

2.Объясните, зачем в схеме двойного сбалансированного моста необхо­ димы два источника постоянного тока и зачем необходим источник с часто­ той 60 кгц.

3.Изобразите конструкцию термисторной головки и укажите цепи по­ стоянного тока и тока высокой частоты.

4.Что такое коэффициент преобразования термисториых головок и мо­ жет ли он быть больше единицы?

5.В каких случаях ваттметр поглощающего типа следует включать в

коице тракта, а в каких — через направленный ответвитель?

6.Почему погрешность измерения среднего значения мощности двумя

.детекторными головками, отстоящими друг от друга на Хв/4 по длине трак­ та, не зависит от фазы отраженной волны?

7.В каких случаях детекторную головку можно использовать для аб­ солютных измерений мощности?

Рекомендуемая аппаратура для 3-см диапазона

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Цель работы

Изучение практических приемов измерения полных сопротив­ лений волноводных элементов ВЧ-трактов.

Общие положения

Чтобы определить параметры эквивалентных схем для рас­ чета различных СВЧ устройств и их частотных характеристик, а также для согласования узлов и деталей трактов, необходимо знать полное сопротивление волноводного элемента или узла ВЧ-тракта.

Значения сопротивлений определяют с помощью измери­ тельной линии или измерителя полных сопротивлений. Сопротив­ ления определяют на измерительной установке, схема которой приведена на рис. 11. Измерительный генератор через развя­ зывающий аттенюатор и адаптерную головку возбуждает изме­ рительную линию, соединенную с исследуемым объектом, после которого устанавливается оконечная согласованная нагрузка. Частота колебаний, на которой производится определение сопро­ тивления, измеряется частотомером.

30

пряжешюсти электрического поля волны вдоль однородной' линии передачи, соединяющей измеряемую нагрузку с генера­ тором. Если сопротивление нагрузки ZHотличается от волнового сопротивления передающей линии Z0, то в последней устанавли­ вается стоячая волна, которая характеризуется коэффициентом отражения Гн, представляющим отношение напряженности элек­ трического поля отраженной от нагрузки волны Е0 к напряжен­ ности поля падающей волны Еи в месте расположения нагрузки- ГЯ = Е0/ЕЛ. В общем виде коэффициент отражения является комплексным числом, которое удобно записать в показательной форме: Гн= |Гн|ехр(іфн), где |ГН| представляет собой модуль.

Рис. 11. Функциональная схема измерительной установки для определения полных сопротивлений.

отношения указанных напряжений; фн — фазовый сдвиг между ними в месте расположения нагрузки.

Комплексный коэффициент отражения Г„ и полное сопро­ тивление нагрузки связаны соотношением

в приведенных значениях, отнеся их к сопротивлению основной передающей линии, которое принимается за единицу; тогда

z; = ZH/Z0 = (1 + Гн)/(1 - Гн).

Однако с помощью измерительной линии определяются КСВ р, равный Емаис/Ежш, и положение минимума напряжения в линии 2МИН, которые связаны с коэффициентом отражения сле­ дующими соотношениями:

от нагрузки до первого минимума напряжения в линии.

Таким образом, зная распределение напряженности электри­ ческого поля вдоль передающей линии, легко находят значения

31

р, zM„„, Гп, а значит, и относительную величину полного сопро­ тивления Z'=Z„/Zo. Подобные расчеты рационально проводить

с помощью круговых диаграмм полных сопротивлений, где все указанные коэффициенты связаны с сеткой полных относитель­ ных сопротивлений. Измерительные линии, при помощи которых находятся две основные исходные величины (р, zmm) для опре­ деления полного сопротивления, имеют различные конструкции.

В устройстве первого типа в стенке линии передачи (волноводной или коаксиальной) прорезается продольная узкая щель, которая не пересекает линии высокочастотных токов. Вдоль щели перемещается электрический зонд, который возбуждается электрическим полем распространяющейся в линии волны. Дви­ жение зонда обеспечивается специальным устройством, снабжен­ ным линейкой с нониусом для точного отсчета положения зонда. Регистрируя в различных точках линии ток, который протекает через детектор, соединенный с зондом и индикаторным прибо­ ром, находят распределение напряженности поля в зависимости ют продольной координаты. Это позволяет найти КСВ и 2МИН.

В конструкции измерительной линии второго типа зондовая головка неподвижна, а картина электромагнитного поля в линии как бы перемещается относительно зонда с помощью хорошо согласованного фазовращателя, который включается в высоко­ частотный тракт между зондом и исследуемым объектом. Наи­ более ответственный узел измерительной линии — зондовая го­ ловка. Для получения достаточного уровня сигнала индикатор­ ного прибора при малом искажающем воздействии зонда на структуру измеряемого поля в конструкцию головки вводят на­ страиваемые резонансные элементы, так чтобы детектор попадал в максимум (пучность) напряженности электрического поля. В последнее время появился и третий конструктивный вариант волноводной измерительной линии — так называемый поляри­ зационный измеритель полных сопротивлений. Принцип дей­ ствия такого измерителя заключается в следующем. В широкой стенке волновода прямоугольного сечения 1 прорезаются три отверстия специальной формы 2 (рис. 12). Эти отверстия со­ единяют волновод прямоугольного сечения с круглым цилиндри­ ческим волноводом 3, к выходному концу которого присоединена согласованная нагрузка 4.

Электромагнитная волна, распространяющаяся в волноводе прямоугольного сечения в прямом направлении, возбуждает в цилиндрическом волноводе волну типа Н°хх с круговой поляри­

зацией. Аналогично этому волна в прямоугольном волноводе, распространяющаяся в обратном направлении, также возбуж­ дает волну Н йхх с круговой поляризацией, но имеющую обратное

направление вращения. Суперпозиция двух волн в цилиндриче­ ском волноводе образует по его окружности стоячую волну с КСВ и фазой минимума, строго соответствующими аналогичным

32

ходимо определять по положению минимума, а не максимума напряженности поля.

Активная составляющая проводимости зонда объясняется отбором мощности из основной линии в цепь зонда, что при­ водит к получению заниженных значений К.СВ. Активную со­ ставляющую проводимости можно уменьшить, ослабив связь зонда с основной линией, например за счет изменения глубины его погружения. Однако это приводит к снижению чувствитель­ ности измерительной линии.

Кроме погрешностей, возникающих из-за шунтирующего дей­ ствия зонда, есть еще некоторые причины, приводящие к появ­ лению погрешностей измерений полных сопротивлений. Сюда относятся погрешности из-за неравномерности перемещения зонда (изменение глубины погружения и боковые перемещения), погрешность за счет влияния щели. Измерительные линии по­ зволяют измерять КСВ с погрешностью, не превосходящей 4—5% (в диапазоне р^І-У -2 ), а положение минимума — с по­ грешностью не более 0,01 -f-0,1 мм.

Для выпрямления высокочастотного тока в головке измери­ тельной линии используется кристаллический детектор. Хотя характеристика детектора близка к квадратичной, тем не менее для проведения точных измерений измерительная линия должна быть отградуирована. Эта операция состоит из двух основных моментов:

1 ) нахождение «условного конца линии», или «начала от­ счета»;

2 ) определение связи тока индикаторного прибора с вели­ чиной напряженности электрического поля в линии / = /(£)' (градуировочная кривая детектора).

Градуировку линии проводят следующим образом. Выходной фланец измерительной линии закорачивают металлической пла­ стиной. От измерительного генератора через регулирующий ат­ тенюатор (см. рис. 1 1 ) в линию подают высокочастотный сигнал заданной частоты и устанавливают уровень мощности так, чтобы показания индикаторного прибора соответствовали пол­ ной шкале при установке зонда в максимуме напряженности поля.

При закороченном конце в измерительной линии устанавли­ вается чисто стоячая волна, для которой напряженность поля вдоль линии изменяется по синусоидальному закону:

Е = Е^акс sin kzz,

где kz — фазовая постоянная; z — продольная координата. Перемещая зондовую головку измерительной линии, находят

положение минимума напряженности поля, которое в данном случае соответствует нулевому значению тока индикаторного' прибора. Положение минимума при этом желательно найти вблизи середины продольного размера щели линии. Это значе­

34

ние координаты Zo принимается в дальнейшем за условный ко­ нец линии — начало отсчета фаз. Для более точного определения величины 2о рекомендуется найти его методом «вилки». Далее производят градуировку детектора зондовой головки. Для этого методом «вилки» находят координату ближайшего максимума напряженности поля 2макс (ток индикатора соответствует полной шкале прибора).

Разность координат положения зондовой головки при макси­ муме и минимуме тока прибора должна соответствовать чет­ верти длины волны в линии \z0 — 2маКс| = Тв/4, Плавно передви­ гая зондовую головку линии от положения максимума к мини­ муму, заносят в таблицу значения координат 2,, соответствую­ щие некоторым выбранным значениям тока индикаторного при­

который и является градуировочным для детектора линии. При измерении сопротивлений с помощью измерительной линии максимальное значение тока индикатора рекомендуется уста­ навливать равным полной шкале прибора. При этом нетрудно дать градуировочный график, непосредственно связывающий величину КСВ с током прибора, соответствующим положению зонда в минимуме напряженности поля р= /(/Міш)- Такой метод обеспечивает минимальное значение погрешностей и сокращает время измерений.

После градуировки измерительной линии ее присоединяют

кисследуемому объекту, затем устанавливают заданную частоту

инадлежащий уровень мощности измерительного генератора и определяют величину / маКе, Тмин и координату 2МИН. По градуиро­ вочным графикам находят величину КСВ. Сопротивление объ­

екта можно найти с помощью следующего построения на кру­ говой диаграмме полных сопротивлений. Проведем окружность радиусом, соответствующим измеренному КСВ. Найдем рас­ стояние в линии между найденным положением минимума 2МИН и началом отсчета 2о в относительных единицах ф = |2мии —

— 20|Дв. Эта величина соответствует углу, определяющему

2* 35

точку на окружности, отображающую искомое сопротивление нагрузки. Угол отсчитывается от полуоси минимумов в направ­ лении к нагрузке, если измеренная координата гм,.ш сдвинута относительно Zo в сторону генератора.

Выбор направления отсчета углов можно пояснить, рассмот­ рев эпюры напряженности полей на рис. 13, представленные для

Наоборот, если координата минимума смещена относительно начала отсчета z0 в сторону генератора (гШШ2), то сопротивле-

36

ние нагрузки находится перемещением точки В на угол ф2=

=І^минг—Zo|Mb в сторону К нагрузке.

Врезультате такого построения на круговой диаграмме сопротивлений получаем точку В, которая определяет сопротив­

ление нагрузки Z„= R'H+ i X ’v Приведенное значение проводи­ мости У' можно найти обычным образом, перемещая точку В

по окружности постоянного КСВ на угол ф=180° (точка С на рис. 14). Можно и непосредственно получить значение проводи­ мости нагрузки У„, если начало отсчета фаз на круговой диа­ грамме вести от точки короткого замыкания (точка У-»-оо).

Предварительное задание

1. Рассчитать значение реактивной проводимости индуктив­ ной и емкостной диафрагм с размерами а, a', b и b', заданными преподавателем. Расчеты вести по следующим формулам:

а) для индуктивной диафрагмы

б) для емкостной диафрагмы

2. Показать существование синусоидального закона рас­ пределения напряженности электрического поля, закороченной на конце передающей линии без потерь.

Описание экспериментальной схемы

Структурная схема экспериментальной установки представ­ лена на рис. 11. Высокочастотный сигнал от измерительного генератора подается на измерительную линию и связанный с ней объект измерения. К выходному фланцу объекта присоеди­ нена согласованная нагрузка. Чтобы измерить частоту сигнала, в схему можно ввести частотомер. Для регулировки уровня мощности в измерительной линии предусмотрена возможность установки регулируемого аттенюатора. Если измерительный генератор имеет встроенную систему частотомера и регулирую­ щих аттенюаторов, последние в схему не вводятся.

Задание и порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой, входящей в данную работу. Проверить правильность соединений приборов по схеме.

2.Подготовить приборы к работе и включить измерительный

генератор согласно инструкции.

37

3.Отградуировать измерительную линию на частоте, задан­ ной преподавателем. Проверить совпадение расчетной длины волны с экспериментально найденной. Построить градуировоч­ ные графики E = f(IMІга) И р=/(/мин).

4.Установить между согласованной нагрузкой и выходным фланцем измерительной линии исследуемый объект (диафрагмы, штыри) по указанию преподавателя.

5.Произвести определение полного сопротивления и про­ водимости исследуемого объекта. Результаты измерений на­ нести на круговую диаграмму сопротивлений.

6.Исключив из схемы исследуемый объект, замерить полное сопротивление согласованной нагрузки.

Указание: При измерениях в данной работе необходимо соблюдать следующие основные требования:

а) частоту колебаний поддерживать постоянной. При необ­ ходимости производить подстройку измерительного генератора; б) уровень мощности в измерительной линии поддерживать таким, чтобы ток индикатора соответствовал полной шкале из­ мерительного прибора при установке зонда в максимум напря­

женности поля;

в) измерение координаты минимума производить методом «вилки» (среднее из двух отсчетов);

г) элементы зондовой головки линии необходимо точно настраивать в резонанс.

Оформление отчета

1. Начертить структурную схему измерительной установки. Выписать основные технические характеристики измерительных приборов.

2. Привести данные градуировки измерительной линии: таб­ лицу замеров, графики зависимостей E = f(IМИН); Р= /( / мин) ) сравнение экспериментального и расчетного значений длины волны.

3. Определить показатель степени п для зависимости тока детектора от напряженности электрического поля волны: І = Еп. Величину п вычислить для трех-четырех значений тока /.

4.Привести данные полных проводимостей измеряемого объ­ екта (диафрагм, штырей).

5.Найти погрешность проведенных измерений, используя технические характеристики измерительных приборов, а также найденное значение проводимости согласованной нагрузки.

Факультативное задание

новоде Хв. (Для штыря найти также зависимость проводимости от расстоя­ ния от стенки волновода до оси штыря.).

38

Контрольные вопросы

1. На чем основан принцип определения полных сопротивлений с по­ мощью измерительной линии?

2. Почему перед измерением полных сопротивлений измерительная ли­ ния должна быть отградуирована?

3.Как производится градуировка измерительной линии?

4.Укажите источники основных погрешностей в определении КСВ и по­

ложения минимума при работе с измерительной линией.

5.Какие конструкции измерителей полных сопротивлений вы знаете? На чем основан принцип их работы?

6.Приведите эквивалентную схему диафрагм в волноводах прямоуголь­

установить диафрагму? Задачу решить с применением круговой диаграммы полных сопротивлений.

Рекомендуемая аппаратура для 3-см диапазона

1. Генератор ГЗ-26. 2. Измерительная линия Р1-4 (или РЗ-40). 3. Волноводная поглощающая нагрузка Э9-21. 4. Реактивные диафрагмы и штыри (нестандартные).

Р а б о т а 4

ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ

Цель работы

Изучение особенностей измерения разности фаз электромаг­ нитных волн компенсационным методом.

Общие положения

При измерениях разности фаз производят сравнение фазы исследуемого сигнала в заданной точке тракта с фазой так называемого опорного сигнала. Исследуемый и опорный сигналы можно представить в следующем виде:

Очевидно, что разность фаз колебаний одной и той же частоты не зависит от времени.

39