книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

При измерении добротности QK катушки индуктивности ее подключают к зажимам „Z.x“ (зажимы „Сх“ остаются свободными), устанавливают частоту генератора, на которой нужно измерить добротность, и изменением емкости образцового конденсатора Со настраивают контур в резонанс. По шкале вольтметра, отградуи­ рованного в единицах добротности, отсчитывают величину Qx.

При измерении добротности QK контура его катушку индуктив­ ности U подключают к зажимам „Сх“, а конденсатор Ск — к за­ жимам „Сх“.Устанавливают минимальное значение емкости образ­

QiQ

у Q12 - q;

Измерение емкости производится методом замещения. К зажи­ мам Д Д подключают одну из катушек, прилагаемых к куметру, и устанавливают максимальное значение емкости образцового кон­ денсатора СоI (зажимы,,Сх“ остаются свободными). Перестраивая

генератор по частоте, добиваются резонанса. После этого к зажи­ мам „С*“ подключают измеряемый конденсатор и, не изменяя час­ тоты генератора, уменьшают емкость образцового конденсатора до значения С02 , при котором снова наступит резонанс. Измеряемая емкость определяется по формуле (11.4).

Измерение индуктивности основано на использовании зависи­ мости резонансной частоты контура от параметров его элементов:

( 2 г г / о ) " С о

Для определенной частоты /0 шкала образцового конденсатора Со может быть проградуирована непосредственно в единицах индук­ тивности.

180

малых погрешностей измерения вольтметр прибора должен иметь возможно большее входное активное сопротивление и малую вход­ ную емкость, а сопротивление образцового резистора Rq должно быть много меньше активного сопротивления измеряемых кату­ шек индуктивности.

Напряжение возбуждения может вводиться в измерительный контур не только с помощью резистора Ro, как показано на рис. і 1.5, но также с помощью образцовых емкостных или индуктивных делителей напряжения. Упрощенная схема куметра с емкостной связью приведена на рис. 11.6. Для уменьшения погрешности, обу-

Рис. 11.6.

словленной введением в контур конденсатора С2, с которого сни­ мается напряжение возбуждения Е0 последовательного измеритель­ ного контура, емкость этого конденсатора выбирается много боль­

Ѵі, включенного на входе делителя. При этом напряжение возбуж­ дения определяется формулой

Е ___ Ü^ — - ' ' 1 + С, С, '

Fi остальном работа схемы не отличается от работы куметра с ре­ зистивной связью.

В качестве примера приведем основные метрологические ха­ рактеристики куметра Е4-4:

1) диапазон рабочих частот 50 кГц—35 Мгц;

2)пределы измеряемых величин:

—добротность катушек и контуров 5—600;

—индуктивность катушек 0,1 мкГ—0,1 Г;

—емкость конденсаторов 25—450 пФ;

3)погрешность измерения добротности на частотах до 15 МГц не превышает +5% .

Метод, основанный на измерении постоянной времени

Сущность метода заключается в измерении временного интер­ вала, равного постоянной времени разряда конденсатора емкостью

181

С через резистор сопротивлением R. Образцовой величиной явля­ ется R (при измерении С) либо С (при измерении R).

Рассмотрим работу схемы (рис. 11.7) при измерении емкости Сх. Перед измерением переключатель П находится в положении

Рис. 11.7.

<-3» (заряд) и конденсатор Сх заряжен до напряжения источника питания Е. В момент начала измерения переключатель П перебра­ сывается в положение «Р» (разряд) и конденсатор Сх разряжа­ ется через образцовый резистор R0 по экспоненциальному закону:

ровой измеритель временных интервалов поступает старт-импульс ічто на рис. 11.7 условно показано пунктиром). Измеритель начи­ нает счет времени разряда.

уменьшается и через интервал времени т от начала разряда дости­

182

резисторов образцовые конденсаторы, можно аналогичным спосо­ бом измерять сопротивления резисторов.

Основными причинами погрешностей (кроме погрешности дис­ кретности) являются нестабильность величин Ru R2, Ro, неста­ бильность порога срабатывания сравнивающего устройства и не­ стабильность его входного сопротивления.

Достоинства этого метода состоят в высокой точности измере­

Мощность СВЧ, передаваемая в нагрузку, зависит от степени согласования ее с линией передачи и наличия в линии неоднород­ ностей. Для увеличения передаваемой мощности необходимо доби­ ваться возможно более полного согласования, т. е. обеспечения режима, наиболее близкого к режиму бегущей волны. Измерение параметров цепей с распределенными постоянными производится с целью оценки степени согласования и исследования свойств эле­ ментов СВЧ.

' Д„р (0)

где Дм:,кс, Дмин— амплитуды напряжения в точках максимума и минимума поля (рис. 11.8,а);

Дпр (0і, ДОТр(0) — комплексные амплитуды прямой и отраженной волны в начале линии (у нагрузки);

р — модуль коэффициента отражения;

183

Ф— фаза коэффициента отражения, т. е. сдвиг фаз между отраженной и прямой волнами у на­ грузки.

Коэффициент стоячей волны и модуль коэффициента отражения связаны между собой зависимостями

стоячей волны или модуля коэффициента отражения нужно изме­

Л— длина волны в линии: для коаксиальной линии величина

Лравна длине волны X в свободном пространстве, а для волновод­

Величины kc, р, ф и Z n измеряются с помощью измерительных линий, рефлекторов и измерителей полных сопротивлений (импедометров), а также СВЧ мостов.

Измерительные линии

Измерительной линией непосредственно измеряют коэффициент стоячей волны и фазу коэффициента отражения; полное сопротив­

184

ление определяют по этим величинам косвенным путем. На прак­ тике часто ограничиваются только измерением коэффициента стоячей волны, что во многих случаях позволяет достаточно пол­ но судить о качестве нагрузки.

Измерение коэффициента стоячей волны измерительной линией сводится к исследованию характера распределения электромагнит­ ного поля вдоль линии, включенной в тракт передачи между источ­ ником сигнала и объектом измерения. Схема включения измери­

\ t

Шпер<моем> rrtOfCO-

дет ект ира

Р и с . 11.9.

гулировки мощности и устранения влияния объекта измерения на режим работы генератора. Используется либо поглощающий ат іенюатор, либо ферритовый вентиль.

Измерительная линия (рис. 11.10) состоит из трех основных узлов: отрезка передающей линии 1 (коаксиальной или волновод­

ной) с узкой продольной щелью, зондовой головки 3 и каретки с механизмом для перемещения головки вдоль линии. Зондовая го­ ловка представляет собой резонатор, возбуждаемый зондом 2 — тонким стержнем, погруженным через щель во внутреннюю по­ лость линии (волновода). В зондовой головке помещена петля свя­ зи детектора 5 с цепью зонда. Зонд настолько слабо связан с изме­

185

рительной линией, что практически не нарушает распределения в ней электромагнитного поля.

При перемещении зонда вдоль линии в нем наводится э.д.с., пропорциональная напряженности поля в месте расположения зонда. Эта э.д.с. возбуждает резонатор, создавая в нем электромаг­ нитные колебания. Для уменьшения искажающего действия зон­ да на поле в линии и повышения чувствительности измерительной линии резонатор головки настраивают в резонанс с частотой элект­ ромагнитных колебаний с помощью короткозамыкающей перемыч­ ки 4 (в этом случае входное сопротивление цепи зонда имеет мак­ симальное значение).

При надлежащей настройке зондовой головки ток в цепи де­ тектора, фиксируемый магнитоэлектрическим микроамперметром (или индикатором измерительного усилителя), является одно­ значной функцией напряженности электрического поля в месте расположения зонда.

Если к оконечному фланцу измерительной линии присоединена несогласованная нагрузка, в тракте возникает частично стоячая (смешанная) волна (рис. 11,8,а). Перемещение зонда вдоль линии позволяет определить положение максимумов и минимумов напря­ жения в линии и их относительные величины, а следовательно, и коэффициент стоячей волны. Если характеристика детектора квад­ ратична, то коэффициент стоячей волны определяется по формуле

=~ \/ Д м акс / Д.миш

менно с измерением коэффициента стоячей волны можно также из­

напряжения (рис. 11.8,а). На практике определить непосредствен­

но величину /мин нельзя, так как конструкция линии не позво­ ляет переместить зонд до сечения, где включена нагрузка. Поэтому поступают следующим образом. Вначале линию замыкают нако­ ротко, подсоединяя к фланцу вместо нагрузки заглушку. Зонд ус­

танавливают в ближайший к выходному фланцу линии узел напря­ жения и фиксируют найденное положение узла h, которое прини­ мают за условный нуль линии. Затем вместо заглушки подклю­ чают измеряемую нагрузку. При этом изменяется распределение

поля в линии (минимум напряжения смещается). Зонд устанавли­

186

изводились измерения, вычисляют фазовый угол коэффициента отражения:

Знак фазового угла определяется направлением смещения узла: ф >0 — при смещении узла в направлении к генератору и ф <0 —-

противления определяют по круговой диаграмме полных сопротив­ лений, используя найденные значения коэффициента стоячей вол­ ны и ф.

Погрешности измерений с помощью измерительной линии зави­ сят главным образом от точности измерения коэффициента стоя­ чей волны и обусловлены следующими основными причинами:

—неточным механическим изготовлением линии (непостоян­ ством сечения, неправильным выполнением щели);

—изменением связи зонда с линией при его перемещении вдоль линии;

—наличием отражений от зонда и его шунтирующим дей­ ствием;

—неточностью определения характеристики детектора и по­ грешностями индикаторных приборов;

—отражением от фланцевых соединений .

Погрешность измерения коэффициента стоячей волны составля­ ет г!-(4—10)%.

Метрологическими характеристиками измерительных линий являются:

—диапазон рабочих частот, который определяется сечением волновода и широкополосностью основных узлов коаксиальной линии;

—чувствительность, характеризуемая минимальной мощно­ стью в линии, которая обеспечивает достаточное для уверенного отсчета отклонение стрелки индикатора при определенном погру­

жении зонда;

—собственный коэффициент стоячей волны, который характе­ ризует неоднородность, вносимую линией в тракт между генера­ тором и нагрузкой;

—погрешность измерения коэффициента стоячей волны. Примерами измерительных линий являются коаксиальная ли­

ния Р1-18 (диапазон частот 2—12,5 ГГц; КСВ = 1,07; погрешность

187

измерения +10% ) и волноводная линия Р1-13 (диапазон частот 16,66—25 ГГц; КСВ = 1,03; погрешность измерения +7% ).

Р е ф л е к т о м е т р ы

Рефлектометр — это прибор, который позволяет определить мо­ дуль коэффициента отражения, а следовательно, и коэффициент стоячей волны по соотношению мощностей прямой и отраженной волн. Основным элементом рефлектометра является двунаправлен­ ный ответвитель, состоящий из двух ответвителей, при помощи кото­ рых в нагрузку рефлектометра (детектор) отводится определенная часть мощности прямой Рпр или отраженной Ротр волны (рис. 11.11). Прямая либо отраженная волна подается на детектор при

Практически измерение производится та«. Вначале на детектор подают мощность отраженной волны, устанавливая стрелку инди­ катора с помощью аттенюатора Ат2 в положение, удобное для от­

счета. Затем вводят аттенюатор Аті и переключают детектор на прямую волну. Выводя аттенюатор Аті, добиваются такого же отклонения стрелки при прежнем положении органа регулировки

затухания аттенюатора Ат2. По затуханию, вносимому аттенюато­ ром Аті, определяют модуль коэффициента отражения или коэф­

фициент стоячей волны, для чего шкала этого аттенюатора гра­ дуируется непосредственно в значениях соответствующей величины

(р или kc).

188

Например, при использовании описанной методики измерения модуль коэффициента отражения р связан с затуханием в децибе­ лах Д а аттенюатора Аті соотношением

до и после коммутации переключателя затухание, вносимое атте­ нюатором Аті, равно

где Р„р— мощность прямой волны до аттенюатора Аті.

С другой стороны, согласно определению коэффициента отра­ жения

Находя из выражения (11.11) отношение Рогр.Др и подставляя его в последнее выражение, получим формулу (11.10.), на основании которой шкалу аттенюатора Аті можно проградуиро­ вать в значениях коэффициента отражения.

Метод рефлектометра обеспечивает измерение коэффициента стоячей волны с погрешностью + (5 —10)%. В качестве примеров рефлектометров могут быть названы коаксиальные измерители Р2-1 и Р2-2, работающие соответственно в диапазонах частот 30— 1000 МГц и 1—3,5 ГГц. Примером волноводного рефлектометра является прибор Р2-22, имеющий рабочий диапазон частот 7,15—■ 10,2 ГГц.

В настоящее время применяются также автоматические изме­ рители коэффициента стоячей волны, позволяющие наблюдать его зависимость от частоты на экране электроннолучевой трубки (Р2-33—Р2-38), автоматические измерители полных сопротивлений (P3-32—P3-35), с помощью которых измеряются частотные харак­ теристики полного сопротивления и коэффициента стоячей волны, модуль и фаза коэффициента отражения.

189