10.8. Список використаної та рекомендованої літератури

Чернушенко A.M., Меланченко М.Е., Малорацкий Л.Г. Конструирование экранов и СВЧ-устройств / Под ред. A.M. Чернушенко. М., 1990.

Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот / Под ред. В.М. Седых. Харьков, 1974.

Малорацкий Л.Г., Явич Л.В. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. Μ., 1972.

Лабораторна робота № 11

МЕТОДИКА ЗАСТОСУВАННЯ ТА ГРАДУЮВАННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ЛІНІЙ НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ

Мета роботи – вивчення хвилеводної вимірювальної лінії та приладів вимірювальної установки, визначення похибки вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі та фази коефіцієнта відбиття, градуювання вимірювальної лінії.

11.1. Загальні відомості

Вимірювальними лініями називаються прилади для вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ), повних опорів, втрат у фідерах і хвилеводах, довжини хвилі та добротності коливального кола, основані на визначенні розподілу поля всередині передавальної лінії. Як вимірювальні використовують коаксіальні, хвилеводні та смужкові лінії.

Сучасні вимірювальні лінії мають точність вимірювання КСХ 2...10%. На рис. 11.1 зображено схему хвилеводної вимірювальної лінії.

У відрізку хвилеводу по осьовій лінії однієї з його широких стінок зроблено поздовжню щілину, в яку занурено елемент зв'язку – зонд. Ширина щілини вибирається достатньо малою, що дозволяє уникнути помітного випромінювання енергії через неї. Для регулювання ступеня зв’язку зонда з електричним полем у лінії передбачено можливість зміни глибини занурення зонда у хвилевід.

Рис. 11.1. Вимірювальна лінія: 1 – хвилевід; 2 – зонд; 3 – пересувна каретка; 4 – детектор; 5 – внутрiшнiй резонатор; 6 – внутрiшнiй стержень резонатора; 7 – поршень внутрiшнього резонатора; 8, 9 – зовнiшнiй коаксiальний резонатор з поршнем

Еквівалентну схему вимірювальної лінії зображено на рис 11.2.

Рис. 11.2. Еквiвалентна схема вимірювальної лінії: Y_r – вихiдна провiднiсть генератора; Y_H – провiднiсть навантаження; Y_З – провiднiсть зонда вимірювальної лінії, причому G – активна, а В – реактивна її частини

Енергія коливань, що відбирається зондом з лінії, поглинається в провідності G і передається далі до кристалічного детектора. Значна величина В не бажана, бо це дуже шунтуватиме лінію. Тому в конструкцію вимірювальних ліній вводять пристрій настроювання елемента зв’язку камери зонда (5 на рис. 11.1). Цей пристрій звичайно являє собою коаксiальну лiрiю з короткозамикаючим поршнем, при встановленні якого на відстані приблизно (2К + 1)/4 від вводу зонда, послідовно з В буде ввiмкнено малу реактивну провідність настроювального пристрою. Внаслідок цього сумарна реактивна провідність буде близькою до нуля.

У ряді конструкцій є можливість настроювання детекторної секції, принцип дії якої аналогічний настроюванню камери зонда. Струм детектора реєструється вимірювальним приладом, показання якого:

, (11.1)

де Κ – коефіцієнт пропорційності;

І_д – струм детектора.

У загальному випадку струм детектора зв’язаний з напругою, що по подається на нього, співвідношенням:

, (11.2)

де U – напруга, що підводиться до детектора;

А – коефіцієнт пропорційності.

У кристалічних детекторів, як правило, n = 2, тобто детектор квадратичний, але це обов'язково перевіряється експериментально (проводять градуювання детектора). Основне призначення вимірювальних ліній полягає у визначенні за їх допомогою КСХ. Якщо n = 2, то лінія має:

, (11.3)

де U_mах і U_min – відповідно максимальне і мінімальне значення напруженості електричного поля в лінії; α_mах і α_mіn – показання індикаторного приладу, що відповідають U_max і U_min.

Як iндикатор можна використовувати вимірювальний підсилювач, хоча в цьому випадку відлік проводиться по вольтметру, показання якого пропорційні напрузі, яка утворюється струмом детектора на вхідному опорі приладу. Градуювання детектора справедливе лише для певного значення підсилювання (градуюється практично не тільки детектор, але й підсилювач). Необхідно також, щоб у цьому випадку коливання високої частоти були модульовані.

Принцип вимірювання параметрів еквівалентних схем НВЧ – пристроїв за допомогою вимірювальної лінії – базується на відомому зв'язку між опором навантаження i розподілом напруженості електричного поля хвилі вздовж однорідної лінії передачі, яка з'єднує вимірюване навантаження з генератором. Якщо опір навантаження Z_H відрізняється від опору передавальної лінії Ζ_χ, то в ній встановлюється так званий режим змішаних хвиль.

Поле хвилі будь-якого типу, що поширюється в лінії передачі, може бути подано у вигляді суперпозиції падаючої та відбитої хвиль. Під падаючою розуміють біжучу (тобто таку, що поширюється в одному напрямку) хвилю, створювану генератором НВЧ. Відбитою називають біжучу хвилю в лінії передачі, що породжується навантаженням або нерегулярністю і поширюється в напрямку, зворотному падаючій хвилі. Накладаючись на падаючу, відбита хвиля приводить до утворення повторюваних максимумів i мінімумів у поздовжніх розподілах напруг і струмів, формуючи картину частково стоячих хвиль (рис. 11.3).

При аналізі процесів, що відбуваються у хвилеводах скінченної довжини, звичайно користуються методами теорії довгих ліній. основаної на концепції падаючих і відбитих хвиль. Напруга і струм у лінії розглядаються як сума напруг і струмів падаючої та відбитої хвиль:

, (11.4)

, (11.5)

де Ζ – відстань від кінця лінії до перерізу, який розглядається;

U (Ζ), І (Ζ) – комплексні амплітуди напруги і струмів в цьому перерізі;

U_o , І_о – амплітуди напруги і струму в падаючій хвилі;

β – стала поширення;

λ_х – довжина хвилі у хвилеводі;

Γ – коефіцієнт відбиття.

Рис. 11.3. Частково стояча хвиля в лінії: а) розподіл характерних точок;

б) розподіл напруги

Відношення амплітуд напруги і струму біжучої хвилі дорівнює хвильовому опору лінії:

. (11.6)

Одним з основних понять теорії довгих ліній є поняття про еквівалентний опір лінії. Еквівалентним опором лінії Ζ(Ζ) називають відношення:

. (11.7)

Фізичний зміст еквівалентного опору полягав в такому: якщо лінію обрізати в площині Ζ і решту лінії (від генератора до перерізу з координатою Ζ) навантажити на опір, що дорівнює Ζ(Ζ), то розподіл напруги і струму в лінії залишиться попереднім. Еквівалентний опір, розрахований для перерізу, що відповідає, наприклад, входу лінії, називають вхідним:

. (11.8)

Відношення еквівалентного опору до хвильового опору лінії прийнято називати нормованим еквівалентним опором лінії:

. (11.9)

Нормований опір хвилеводу може бути знайдений так:

. (11.10)

У цій формулі передбачається, що початок відліку знаходиться в кінці лінії. Якщо початок відліку помістити у вузлі напруги, то формула (11.10) набуде вигляду:

. (11.11)

Режим частково стоячих хвиль у лінії передачі прийнято характеризувати за допомогою коефіцієнта відбиття за напругою (Г), коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) і коефіцієнта біжучої хвилі (КБХ). Перший являє собою відношення комплексних амплітуд напруги відбитої та падаючої хвиль у заданій точці лінії:

, (11.12)

другий – відношення напруг у максимумі та мінімумі стоячої хвилі:

, . (11.13)