Лабораторная работа № 2 измерения на свч с применением измерительной линии

Целью работы является ознакомление с методикой калибровки измерительной линии, методами измерений коэффициента стоячей волны, положения минимума напряженности поля и длины волны в волноводной линии передачи, а также оценка погрешностей таких измерений.

Описание измерительной установки и методики измерений

Измерительная установка состоит из СВЧ генератора трехсантиметрового диапазона, выполненного на диоде Ганна, измерительной линии (ИЛ) и вольтметра В7–16 (см. приложение).

К концу ИЛ с помощью струбцинок подключают различные волноводные нагрузки, параметры которых измеряют косвенным образом по распределению амплитуды Е напряженности электрического поля вдоль линии. ИЛ работает на основном типе волны Н₁₀. При этом длина волны в волноводе ИЛ определяется выражением

где ₀ – длина волны генератора в свободном пространстве; а – ширина волновода.

Длина волны _В связана с частотой генератора соотношением

где с – скорость света в свободном пространстве.

При короткозамкнутой нагрузке распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, а) описывается выражением

где h = 2/_В.К – постоянная распространения; _В.К – длина волны в волноводе в режиме короткого замыкания; l – текущая координата, определяемая по отсчетному устройству ИЛ.

а б

Рис. 2.1

При произвольной комплексной нагрузке Z_Н распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, б) описывается выражением

где К = Е_max/E_min – коэффициент стоячей волны (КСВ); Е_max и Е_min – максимальное и минимальное значения амплитуд напряженности электрического поля; h = 2/_В.Н – постоянная распространения (продольное волновое число); _В.Н – длина волны в волноводе, нагруженном на сопротивление Z_Н.

Измерение длины волны может быть произведено методом определения положения двух соседних узлов напряженности поля (рис. 2.1), при котором

или методом “вилочного” отсчета (рис 2.1), при котором

Предельную погрешность измерения _В рассчитывают как погрешность косвенного измерения и оценивают предельными погрешностями измерений l_i, которые равны

 _Пl =  _ПИ +  _ПМ .

Здесь  _ПИ – предельная инструментальная погрешность измерения положения зонда;  _ПМ – предельная методическая погрешность, зависящая от метода измерений.

При индикации экстремального уровня

а при отсчете на установленном уровне

В этих выражениях  – единица младшего разряда ЦВ, а значения производных рассчитываются при l = l_ЭКС и l = l_УР соответственно. Зависимости показаний вольтметра U от координаты l при квадратичной градуировочной характеристике ИЛ определяются соотношениями

при короткозамкнутой нагрузке или комплексной нагрузке соответственно.

Значение КСВ определяют с помощью градуировочной характеристики ИЛ – зависимости показаний вольтметра от истинных значений амплитуды напряженности Е электрического поля в ИЛ. Учитывая, что при короткозамкнутой нагрузке распределение поля Е точно известно (Е/Е₀ = |sin(hl)|), то, следовательно, поставив ИЛ в режим короткого замыкания, оказываются известными истинные значения Е/Е₀ напряженности электрического поля вдоль ИЛ. Для этого режима и строят градуировочную характеристику ИЛ в относительном масштабе по точкам (E_i /E₀, U_i) (рис. 2.2). При этом конкретному значению E_i /E₀ соответствует вполне определенное значение l_i = l_i – l_min, которое рассчитывается из соотношения

l_i = arcsin(E_i /E₀)/h = _В.К arcsin(E_i /E₀)/(2).

Таким образом, при экспериментальном определении градуировочной характеристики задаются конкретными значениями E_i /E₀ (например, 0,1; 0,2;…1) и рассчитывают значения l_i . Затем перемещают зонд ИЛ от положения l_min на величину l_i и отсчитывают показания вольтметра U_i . По полученным точкам (E_i /E₀, U_i ) строят градуировочную характеристику.

В табл. 2.1 п. 4 лабораторного задания значения arcsin(E_i /E₀)/(2) заранее рассчитаны (вторая строка таблицы). Поэтому величины l_i рассчитываются как произведения этих значений на величину _В.К (третья строка таблицы).

Рис. 2.2

Градуировочная характеристика позволяет по показаниям вольтметра U_max и U_min определить истинные значения Е_max /Е₀ и Е_min /Е₀, что является необходимым при точном измерении КСВ. С учетом градуировочной характеристики К рассчитывается по формуле

Погрешность  _ПК оценивают как погрешность косвенного измерения

 _ПК =  _П(Е_max /E₀) +  _П(E_min /E₀).