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

Прибор, измеряющий разность фаз, получил название фазо­ метра. В зависимости от диапазона частот и требуемой точ­ ности применяются разные схемы фазометров [о, 1 1 ].

Рассмотрим фазометр, в основе которого лежит компенса­ ционный метод (рис. 15). Генератор СВЧ одновременно питает две высокочастотные линии, одна из которых является опорной, я вторая содержит высокочастотный узел, вносящий некоторый фазовый сдвиг. В опорный тракт включен калиброванный фазо­ вращатель. Сигналы, прошедшие обе цепи, поступают в смеси-

Рис. 15. Функциональная схема установки для измерения разности фаз компенсационным методом.

тель. Выходной сигнал смесителя подается на измерительный прибор.

Измерение фазы проводится по наблюдению минимального показания измерительного прибора, которое соответствует слу­ чаю, когда сигналы, поступающие на смеситель, находятся в фазе. Синфазности сигналов при фиксированном исследуемом сигнале можно добиться регулировкой калиброванного фазо­ вращателя.

Часто в качестве калиброванного фазовращателя исполь­ зуется стандартная измерительная линия, с зонда которой опор­ ный сигнал подается на смеситель. Если в измерительной линии осуществлен режим бегущей волны, то амплитуда поля в ней постоянна по длине, а фаза изменяется в соответствии с со­ отношением

Здесь г — изменение координаты зонда относительно произволь­ ного начала; ф '— изменение фазы, соответствующее перемеще­ нию зонда на длине г.

Чтобы определить сдвиг фазы, вносимый высокочастотным узлом, необходимо определить два положения зонда в измери­ тельной линии, при которых измерительный прибор дает мини­ мальные показания. Одно из этих положений определяется

40

при сигнале, снимаемом до исследуемого высокочастотного узла,

где Az — Z\ — z2.

В качестве смесителя в фазометрических схемах можно использовать двойной волноводный тройник. Один из вариантов

Рис. 16. Схема двойного волноводного тройника, используемого в качестве смесителя.

(Я-плечо) включена поглощающая нагрузка, а в плечо 4 (Е-плечо)— детекторная головка, связанная с измерительным прибором. Точность измерения разности фаз компенсационным методом зависит в основном от соотношения амплитуд сигна­ лов, поступающих в смеситель, от рассогласования плеч смеси­ теля и детекторной головки, от величины коэффициента стоячей волны в опорной измерительной линии, от погрешности опре­ деления положения зонда вдоль линии.

Для анализа погрешностей измерения фазы из-за рассогла­ сования плеч двойного тройника и детекторной головки следует рассматривать двойной волноводный тройник как восьмиполюс­ ник, характеризуемый матрицей рассеяния 5:

%«12 «13 «14

41

Такая матрица рассеяния для двойного тройника получается, если учесть симметрию его, принцип взаимности и отсутствие взаимной связи между плечами Е и Я. Комплексные коэффи­

і и k.

Падающие Еаі и отраженные Еоі волны в плечах двойного

ственно, но определенные в плоскости симметрии двойного трой­ ника.

где Лф = Фх — Ф2.

Следовательно, максимальная и минимальная погрешности в измерении фазы из-за рассогласования двойного тройника и детекторной головки

Положение не изменится, если детекторную головку подсоеди: нить к плечу Я.

Рассмотрим теперь погрешность в фазовых измерениях, обусловленную отражениями в опорной измерительной линии. Эти отражения приводят как к непостоянству амплитуды сиг­ нала, извлекаемого зондом в различных точках измерительной линии, так и к нарушению линейного закона изменения фазы вдоль линии. Если обозначить амплитуды падающей и отражен­

42

от минимума стоячей волны в измерительной линии z, то из век­ торной диаграммы (рис. 17, а) следуют выражения:

Эти выражения представлены в виде универсальных графи­ ков на рис. 17, б и в. Погрешность в измерении фазы зависит

S

Рис. 17. Векторная диаграм­ ма (а) напряженностей элек­ трического поля в линии и из­ менения амплитуды напря­ женности (б) электрического поля и фазы волны (в) в ли­ нии при различных коэффи­

циентах отражения.

не только от величины коэффициента отражения в измеритель­ ной линии, но и от положения зонда относительно минимума стоячей волны, а также от величины измеряемой фазы.

Формулы (38) и (39) выведены в предположении, что отргжения в измерительной линии обусловлены только поглощаю­ щей нагрузкой. Если учесть влияние глубины погружения зонде в волновод и отражений от места соединения измерительной линии с поглощающей нагрузкой, то эти формулы усложняются. Однако в реальных условиях коэффициент отражения от погло­ щающей нагрузки обычно превышает коэффициенты отражения от других элементов, и при вычислении погрешности фазометра можно пользоваться указанными формулами.

В настоящей работе предлагается компенсационным методом проградуировать волноводный фазовращатель пластинчатого типа. Зависимость электрической длины фазовращателя от по­

43

ложения пластины в волноводе можно найти с помощью схемы, приведенной на рис. 18. При каждом новом положении пластины фазовращателя следует смещать зонд вдоль опорной измери­ тельной линии до получения минимального показания прибора, связанного со смесителем. С целью уменьшения погрешности измерения предварительно уравнивают сигналы, поступающие

Рис. 18. Функциональная схема установки для градуировки фазо­ вращателя.

в плечи 1 и 2 смесителя. Это достигается с помощью аттенюато­ ров А 1 и А2. Заметим, что точность градуировки фазовращателя зависит как от факторов, соответствующих выбранному варианту компенсационного метода измерения разности фаз, так и от качества согласования фазовращателя при различных положе­ ниях пластины.

J

Рис. 19. Функциональная схема установки для измерения диэлект­ рической проницаемости материала.

Компенсационный метод измерения разности фаз удобно использовать и для определения диэлектрической проницаемости различных материалов. Схема измерений выглядит в этом слу­ чае так, как показано на рис. 19. Приемный и передающий рупоры устанавливаются на таком расстоянии, чтобы можно было считать плоским фронт волны, приходящий к приемному рупору. Вблизи приемного рупора, перпендикулярно к оси рас­

44

пространения волны, устанавливается испытуемый образец в виде листа, поверхность которого для предотвращения дифрак­ ции волн должна в несколько раз превышать площадь отверстия приемного рупора. Перемещением зонда в опорной линии доби­ ваются минимального показания прибора, связанного со смеси­ телем. Затем удаляют образец и перемещением зонда опорной линии восстанавливают минимальное показание индикаторного прибора. Диэлектрическую проницаемость можно рассчитать по следующей формуле:

где Я — длина волны в свободном пространстве; d — толщина испытуемого образца d <С Я; Дг = 2і—z2— координаты зонда:

.21 соответствует случаю минимального показания измеритель­ ного прибора при наличии испытуемого образца между рупо­ рами, г2— без него, причем выбирают z4< z 2-

Описание экспериментальной схемы

Функциональная схема установки для градуировки фазовра­ щателя компенсационным методом дана на рис. 18. Схема состоит в основном из стандартной аппаратуры: генератора сигналов, невзаимных аттенюаторов, двойного волноводного тройника, поглощающих нагрузок, детекторной головки, изме­ рительного усилителя. В качестве опорной линии используется стандартная измерительная линия, в которой детекторная го­ ловка заменена на зонд, соединенный кабелем со смесителем. Схема рис. 19 отличается от схемы рис. 18 рупорными антен­ нами в цепи измерения, между которыми вводится испытуемый образец. По этой схеме определяется диэлектрическая постоян­ ная образца.

Предварительное расчетное задание

1. Определить погрешность фазометрической схемы из-за неточности определения положения зонда измерительной линии. При расчете учесть, что сечение волновода измерительной линии и рабочая частота заданы преподавателем, а погрешность от­ счета положения минимума стоячей волны в линии составляет

0,15 мм.

2. Подсчитать максимальную и минимальную погрешности фазометрической схемы, обусловленные отражением от плеча Е двойного тройника и детекторной головки. Расчет произвести для

извлекаемого из измерительной линии на длине Яв, для сле­ дующих случаев КСВ от поглощающей нагрузки: 1,01: 1,05; 1,1.

..45

Задание и порядок выполнения работы

1. Собрать схему установки в соответствии с рис. 18. Под­ готовить к работе и включить генератор сигналов. После прогрева генератора установить частоту по указанию препода­ вателя.

2. Уравнять сигналы, поступающие в двойной волноводный тройник из опорной линии и исследуемого фазовращателя. Для этого к плечу двойного тройника 1 с аттенюатором А, подсо­ единить согласованную нагрузку, ввести полностью затухание аттенюатором А, и, регулируя затухание аттенюатором А 2г установить стрелку прибора, связанную с детекторной головкой, посредине шкалы. Заменить адаптер в плече 2 согласованной нагрузкой, при этом положение пластины аттенюатора А2 дол­ жно быть неизменным, а уровень сигнала, поступающего в детекторную головку, следует регулировать аттенюатором A t до ранее отмеченного значения.

3. Измерить длину волны в волноводе опорной измерительной линии. Длина волны определяется как расстояние между поло­ жениями головки измерительной линии, соответствующими ну­ левым показаниям прибора смесителя. Для повышения точности таких измерений следует воспользоваться методом «вилки». Сравнить измеренную длину волны в волноводе с расчетной. При значительном расхождении этих значений следует умень­ шить глубину погружения зонда в опорной линии.

4. Проградуировать фазовращатель. Для этого выбрать пер­ воначальное положение пластины фазовращателя х у узкой стенки волновода (х = 0). Занести в табл. 3 показание положения зонда опорной измерительной линии z u соответствующее этому положению пластины фазовращателя и нулевому показанию прибора, связанного со смесителем. Определить, в каком на­ правлении следует перемещать головку опорной линии относи­ тельно отмеченного положения, чтобы при перемещении пла­ стины фазовращателя стрелка прибора устанавливалась на пулевой отметке. Перемещая головку опорной линии в выбран­ ном направлении через равные интервалы A.z' = XBArp72n (интер­ вал разбиения по фазе Дер' указывается преподавателем), определить в каждом случае положение пластины фазовраща­ теля ' X , соответствующее нулевому показанию прибора. Данные измерений занести в табл. 3, где Д<р=(н—l)Aq/ (п—1, 2, 3 ...).

5. Исследовать влияние рассогласования в опорной линии на точность фазовых измерений. Для выполнения этого задания следует заменить согласованную поглощающую нагрузку опор­ ной линии на рассогласованную нагрузку с коэффициентом отражения, указанным преподавателем. Проградуировать фазо­ вращатель, как это указано в п. 4.

6. Определить диэлектрическую постоянную образца, пара­ метры которого (вид диэлектрика, толщина пластины) указы-

46

ваются преподавателем. Для этого собрать установку в соот­ ветствии с рис. 19. Уравнять сигналы, как это указано в п. 2. Перемещением зонда опорной линии получить нулевое показание прибора смесителя. Удалить образец и с помощью опорной линии получить минимальное отклонение стрелки индикатор­ ного прибора. Определить изменение фазы волны и соответ­ ствующее значение е.

Оформление отчета

1.Начертить структурную схему измерений и перечислить основные параметры используемых приборов. Занести в отчет расчеты предварительного задания.

2.Построить график изменения фазы волн в функции поло­ жения пластины фазовращателя. На графике должны быть две кривые, соответствующие разным отражениям от поглощающей нагрузки, на которую оканчивается опорная линия.

3.По данным измерений вычислить погрешность в опреде­ лении фазы, обусловленную рассогласованием нагрузки в цепи

опорного сигнала.

4. Оценить суммарную погрешность измерений фазы с по­ мощью исследуемой схемы фазометра. При этом учесть по­ грешности, обусловленные неточностью отсчета положения зонда измерительной линии, отражением от нагрузки, на кото­ рую оканчивается опорная линия, отражением от плеч двойного

47

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте определение фазы волны.

2.Объясните принцип компенсационного метода измерения разности фаз.

3.Исходя из симметрии двойного тройника, принципа взаимности и от­

Рекомендуемая аппаратура 3-см диапазона

1. Генератор ГЗ-26. 2. Усилитель широкополосный УЗ-7А с детекторной

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Цель работы

Освоить методику измерения добротности резонатора, вклю­ ченного по схеме двухполюсника.

Общие положения

Полые резонаторы, являющиеся аналогами колебательных контуров в низкочастотной радиотехнике, широко используются в различных устройствах диапазона сверхвысоких частот. Однако если радиотехнические контуры характеризуются зна­ чениями сосредоточенных параметров: индуктивностью L, ем­ костью С и сопротивлением R, то резонаторы СВЧ удобнее характеризовать иными величинами: резонансной частотой wo, эквивалентным активным сопротивлением R0 и собственной до­ бротностью Qo. При работе резонатора на одном виде колеба­ ний между параметрами резонатора и эквивалентного контура можно установить следующие соотношения:

Параметры полых резонаторов можно или рассчитать из­ вестными способами, или измерить экспериментально. В настоя­ щей работе определяется один из параметров резонатора —

48

смысл, чем для контуров низкой частоты. Основным параметром является собственная добротность Qо, определяемая как отно­ шение энергии, записанной в системе, к энергии потерь за пе­ риод колебаний только внутри резонатора. В отличие от нее нагруженная добротность учитывает рассеяние энергии как в резонаторе, так и в подводящих цепях. Наконец, отношение запасенной энергии к потерям за период только во внешних цепях определит значение так называемой внешней добротности. Между названными видами добротности существует определен­ ная связь:

структур*.

Метод полных сопротивлений позволяет получить значения собственной, нагруженной и внешней добротностей системы. Обычно измерение этим методом добротностей в диапазоне от нескольких сот до десятка тысяч не встречает трудностей, а при некоторой модификации — и более низких значений доброт­

ностей.

Ниже, на примере призматического резонатора, иллюстри­ руются возможности данного метода. Исследуемый в работе резонатор (рис. 20) представляет собой отрезок короткозамкну-

* См. лабораторную работу 19.

49'