64

Вводное занятие

Основные особенности измерений на СВЧ

Измерения на СВЧ сводятся либо к оценке коэффициента отражения (входного сопротивления) различных волноводных устройств, либо к оценке уровня сигнала (мощности или напряженности поля) на выходе устройств СВЧ генераторов, антенн и т.п.

Источником сигнала служит СВЧ генератор на клистроне, в ка­честве индикаторов используются детекторные приемники, распределе­ние напряженности поля в волноводе определяется с помощью измери­тельной линии.

Рассмотрим основные особенности измерительных приборов и мето­дику радиоизмерений на СВЧ.

Генераторы

На рис. 1 приведена типичная схема СВЧ генератора.

Измеритель мощности

Волномер

Клистронный генератор

Модулятор

Узел установки мощности

Рис. 1

СВЧ сигнал генерируется отражательным клистроном и через узлы установки выходной мощности, развязывающее устройство поступает в волноводный тракт.

Частота сигнала, генерируемого отражательным клистроном, зави­сит, как известно, от двух параметров: настройки объемного резона­тора и напряжения на отражателе. Перестройка объемного резонатора изменяет генерируемую частоту на несколько тысяч мегагерц и исполь­зуется для грубой установки частоты. Напряжение на отражателе изме­няет частоту на несколько десятков мегагерц; эта регулировка ис­пользуется обычно для более точной установки частоты. В генераторах СВЧ соответствующие регулировки осуществляются с помощью ручек "Частота ("Установка, частоты") и "Отражатель". Так как одно и то же значение частоты может быть установлено при разных взаимных по­ложениях этих ручек, необходим контроль частоты, который осущест­вляется с помощью волномера  перестраиваемого объемного резонато­ра, на шкале которого нанесены значения резонансной частоты. Волно­мер связан с волноводным трактом генератора; если частота настройки генератора совпадает с частотой СВЧ сигнала, амплитуда колебаний в резонаторе максимальна. Сигнал с выхода резонатора поступает на стрелочный прибор, максимальное показание которого свидетельствует о настройке на заданную частоту. Обычно на приборе имеется ручка "Чувствительность волномера", позволяющая подобрать величину откло­нения стрелки, удобную для настройки.

При перестройке объемного резонатора меняются условия возбуж­дения колебаний в отражательном клистроне, а при значительной пе­рестройке частоты может возникнуть необходимость изменить напряжение на отражателе. Кроме того, может возникнуть необходимость в подстройке устройства связи клистрона с волноводом ручкой "Коррек­ция". Критерием настройки этих двух параметров является максималь­ная мощность СВЧ сигнала в волноводном тракте. Для контроля мощнос­ти служит измеритель мощности  мост постоянного тока; в одно из его плеч включен термистор (резистор, сопротивление которого зави­сит от температуры), помещенный в волноводную секцию. В одну из ди­агоналей моста подается постоянное напряжение, которое можно изме­нять ручками "Установка нуля". Индикатором служит микроамперметр, используемый в волномере, переключаемый тумблером "Волномер-термистор" к соответствующей цепи. СВЧ мощность подогревает термистор, изменяя тем самым его сопротивление и вызывая разбаланс моста.

Последовательность установки частоты

1. Включить прибор и прогреть в течение 15-20 мин.

2. Если в приборе имеется несколько диапазонов, установить нужный ручкой "Диапазон".

3. Ручкой " Частота" установить заданное значение час­тоты.

Примечание. Как правило, в СВЧ генераторах шкала частот проградуирована в безразмерных единицах; в этом случае на приборе долж­на быть табличка перевода делений шкалы в значения частоты.

4. Ручку "Установка мощности" или "Начальный уровень" устано­вить в положение, соответствующее минимальному уровню выходной мощ­ности. Сбалансировать термисторный мост. Ручку "Установка мощности" или "Начальный уровень" поставить в положение, соответствующее мак­симальному уровню выходной мощности.

5. Вращая ручки "Отражатель" и "Коррекция", добиться макси­мального отклонения стрелки индикатора при этой мощности.

6. Установить на шкале волномера заданное значение частоты.

7. Подключить индикаторный прибор к волномеру и, плавно вращая ручки "Частота" и "Отражатель", добиться максимального отклонения стрелки.

Примечание. При изменении напряжения на отражателе изменяется и мощность, генерируемая клистроном. Поэтому при выполнении п. 7 же­лательно пользоваться в основном ручкой "Частота"; если же в ходе настройки пришлось существенно изменить положение ручки "Отража­тель", необходимо вновь проделать операции по пп. 5 и 7.

П ереключатель "Род работы" позволяет изменять вид модуляции генератора. В положении "Внешн." или "Н.Г" модуляция отсутствует. В положении "Внутр." или " " на отражатель клистрона от генерато­ра, имеющегося в приборе, поступает прямоугольное напряжение с час­тотой 1 кГц, в результате чего СВЧ сигнал будет промодулирован по амплитуде. В лабораторных работах используется именно этот вид мо­дуляции, т. к. индикатором служат микровольтметры переменного то­ка (измерительные усилители).

Узел установки мощности состоит из одного или нескольких атте­нюаторов. Основная деталь аттенюатора  диэлектрическая пластина, покрытая поглощающим слоем и помещенная в волновод параллельно уз­кой стенке. При вращении ручки регулировки аттенюатора поглощающая пластина перемещается поперек широкой стенки. Если пластина распо­ложена у узкой стенки  поглощение минимально; при приближении ее к оси волновода поглощение растет и достигает максимума, когда плас­тина находится на оси волновода (при этом предполагается, что в волноводе распространяется волна ). Затухание, вносимое таким аттенюатором, может достигать 2030 дБ.

Поскольку отражательный клистрон является автогенератором, для обеспечения стабильности частоты и уровня мощности необходимо защитить его от отраженной волны. Для этого можно использовать аттенюа­тор узла установки мощности, затухание которого должно быть не меньше 1015 дБ. С этой же целью в схему измерений желательно вклю­чить ферритовый вентиль  невзаимный волноводный узел, затухание которого зависит от направления распространения радиоволн в нем. Волна, распространяющаяся в "прямом" направлении (обозначенном стрелкой на корпусе узла), проходит его практически без потерь; "обратная" волна, возникшая в результате отражений от волноводного тракта, подключенного к генератору, ослабляется на 2030 дБ.

В десятисантиметровом диапазоне волн используются триодные генераторы СВЧ. В приборах этого диапазона отсутствует ручка "Отража­тель", но имеется ручка "Подстройка". С ее помощью добиваются вы­полнения условий возбуждения в автогенераторе. Частота контролируется с помощью волномера, а мощность  по индикаторному прибору, который в подобных генераторах подключается к диодному детектору. Аналогично может быть построен узел контроля мощности в некоторых генераторах трехсантиметрового диапазона.

Детекторные секции

1 2 3

5 4 6

Рис. 2

Детекторные секции используются для преобразования СВЧ сигнала в сигнал постоянного тока (при отсутствии модуляции) или в напряже­ние, воспроизводящее закон модуляции. В качестве детектора исполь­зуется полупроводниковый (германиевый или кремниевый) точечный диод, помещенный либо непосредственно в волновод, либо в резонатор, связанный с этим волноводом. На рис. 2 изображена схема устройства типичной волноводной секции, используемой в радиоизмерительной аппаратуре.

Здесь 1  диод; 2  коаксиальная линия; 3  короткозамыкающий поршень; 4  низкочастотный выход; 5  волновод; 6  регулировочный винт.

Диод является как бы продолжением центрального проводника короткозамкнутой коаксиальной линии. Конструкция головки позволяет немного изменять длину этой линии, осуществляя таким образом наст­ройку коаксиального резонатора. Это дает возможность скомпенсиро­вать паразитные емкости и индуктивности элементов конструкции дио­да. Короткозамыкающий поршень 3 перемещается вдоль волновода с помощью регулировочного винта 6 и служит основным элементом настройки секции. При настройке подбирают положения поршня и коаксиальной ли­нии, соответствующие максимальному сигналу на низкочастотном выходе.

Другой вариант детекторной секции будет описан в разделе, пос­вященном измерительной линии.

Калибровка детектора

При обработке результатов измерений на СВЧ необходимо выяс­нить, какой величине пропорциональны показания измерительного при­бора, подключенного к низкочастотному выходу детекторной секции мощности, подводимой к ней, или напряженности поля в волноводе. Де­ло в том, что вольт-амперная характеристика диода нелинейна: при малых напряжениях, приложенных к выпрямляющему переходу, она близка к квадратичной, при больших  к линейной. Поэтому при измерениях всегда необходимо производить калибровку детектора. Один из методов калибровки описан в работе № 1.

Если в измерительной установке имеется калиброванный аттенюа­тор, можно воспользоваться следующей методикой оценки характеристи­ки детектора. Затухание аттенюатора изменяется на 3 дБ, что соответствует изменению мощности, поступающей на детектор, в два раза. Если характеристика детектора квадратична, напряжение на его выхо­де изменится в два раза. Такой методикой удобно пользоваться, если в ходе измерений СВЧ сигнал, поступающий на детектор, меняется не более чем на 510 дБ.

Еще более грубую оценку характеристики детектора можно сделать по уровню выходного сигнала. Если сигнал на низкочастотном выходе детекторной секции не превышает нескольких милливольт, характерис­тику детектора можно считать квадратичной.

Измерительные усилители

Измерительные усилители служат индикаторами, которые в сочета­нии с детекторной секцией образуют высокочувствительный измеритель­ный приемник. Обычно это низкочастотные малошумящие усилители, позволяющие усиливать и измерять сигналы от нескольких микровольт до десятков и сотен милливольт на частотах 10020000 Гц. Типичная функциональная схема измерительного усилителя приведена на рис. 3.

Усилитель может работать в двух режимах: широкополосном (когда одинаково усиливаются сигналы всех частот в пределах полосы пропус­кания) и узкополосном. Избирательный каскад, как пра-

Рис. 3

вило, имеет добротность 1015 и может быть настроен на любую частоту в рабочем диапазоне усилителя. При использовании избирательного режима замет­но снижается уровень помех и собственных шумов на выходе усилителя. Источник калиброванного сигнала позволяет контролировать и устанав­ливать коэффициент усиления.

Измерительная линия

Измерительная линия предназначена для определение характера распределения поля вдоль волновода (измерения КСВ и коэффициента отражения от нагрузки). Устройство линии схематически изображено на рис. 4, на котором обозначено: 1  волновод; 2  каретка; 3  зонд; 4  стержень; 5  гайка; 6  наружная трубка; 7  внутренняя трубка; 8  бесконтакт­ный поршень; 9  контактный поршень; 10  диод.

5

6

7

8

9 10

2 1

3

Рис. 4

В центре широкой стенки прямоугольного волновода 1 с волной прорезана узкая продольная щель. Измерительный узел укреплен на каретке 2, которая может перемещаться вдоль волновода. Этот узел состоит из зонда 3, играющего роль приемной антенны, двух коакси­альных резонаторов, настраиваемых поршнями 8 и 9, и детекторного диода. Настройкой внутреннего резонатора компенсируют реактивность зонда, внешнего  детекторного диода. Глубина погружения зонда в волновод может изменяться с помощью гайки 5. Глубину погружения зонда следует брать возможно меньшей, чтобы искажения поля в волно­воде были минимальными. После установки глубины погружения зонда линия настраивается с помощью поршней 8 и 9 таким образом, чтобы показания прибора, подключенного к диоду, были максимальны.

Указания по технике безопасности

При выполнении лабораторных работ необходимо помнить, что СВЧ излучение оказывает вредное влияние на организм человека. Наиболее уязвимы глаза. Поэтому включать генератор на излучение следует только в момент проведения измерения. Подготовка пpибopoв к работе производится при участии преподавателя, ведущего занятия.

Требования к содержанию и оформлению отчета

В отчете необходимо привести:

1) блок-схему измерений;

2) результаты предварительных расчетов;

3) результаты измерений в виде таблиц и графиков. На графиках обязательно наносятся экспериментальные точки;

4) выводы по работе. В выводах следует привести анализ полу­ченных результатов с указанием возможных причин расхождений теории и эксперимента.