Главная | Обратная связь

Фізичні основи конструкції вимірювальної лінії

Вимірювання КСХН може бути здійснено безпосередньо шляхом переміщення вздовж лінії передачі ідеального високочастотного вольтметра або іншого вимірювального приладу, відліки якого пов’язані з високочастотною напругою в певному перерізі лінії. Суттєво, щоб цей прилад не впливав на розподіл поля вздовж лінії передачі.

Відрізок лінії передачі, по якому переміщується індикаторний прилад, має назву вимірювальної лінії. Зонд розміщується вздовж електричних силових ліній і відгалужує незначну частину високочастотної потужності (приблизно 1 – 2 % від потужності, що передається в режимі біжучої хвилі).

Для вимірювання хвилі типу в прямокутному хвилеводі поздовжня щілина повинна бути розташована вздовж середини широкої стінки хвилеводу, де поперечні струми дорівнюють нулю.

Схема вимірювальної лінії надана на рис. 1.1. Основою вимірювальної лінії є відрізок хвилеводу, який має вузьку щілину (для діапазону три- сантиметрових хвиль ширина щілини дорівнює 1,5 мм) посередині широкої стінки хвилеводу. Щілина зроблена таким чином, що вона проходить паралельно лініям поверхневого струму, унаслідок цього наявність щілини в незначної мірою змінює конфігурацію поля у хвилеводі. Товщина верхньої стінки обирається великою з метою запобігання процесу випромінювання крізь щілину.

 

 

Рис. 1.1. Схема вимірювальної лінії

 

Наскрізь щілини у внутрішню порожнину хвилеводу проходить тонкий металевий зонд, закріплений на каретці, що пересувається вздовж лінії. Зонд має зв’язок з вимірювальною головкою, яка може бути налагоджена. У вимірювальну головку включений кристалічний детектор.

Електрорушійна сила, наведена в зонді, пропорційна напруженості електричного поля в точці, де розміщений зонд. Після випрямлення детектором вона контролюється гальванометром або вимірювальним підсилювачем.

Переміщення зонда вздовж щілини дозволяє визначити положення максимумів і мінімумів напруги в лінії і їх відносні значення. Відлік положення зонда проводять за допомогою лінійки і ноніуса, це забезпечує точність відліку 0,05 мм. Для одного і того ж значення КСХН місця розташування мінімумів і максимумів може бути різним залежно від фази відбитої хвилі.

Глибина занурення зонда регулюється за допомогою гайки, яка розташована у верхній частині головки. Для лінії типу Р1-4 ця глибина змінюється в межах від 0 до 5 мм і відмічається за поділками на верхній частині головки. При максимальному зануренні похибка зростає, тому такий режим необхідно застосовувати тільки при малій потужності генератора або недостатній чутливості детектора. Занурення зонда проводять шляхом повороту мікрометричного гвинта у верхній частині вимірювальної головки й відліку за поділками, які поданими в міліметрах. Зміна глибини занурення зонда змінює ступень зв’язку вимірювальної головки з хвилеводом і внаслідок цього чутливість приладу. Крім занурення зонда на чутливість впливає добір довжини хвилі, у короткохвилевій частині діапазону чутливість у 2 – 3 рази більша, ніж у протилежній частині діапазону. Налагодження головки в резонанс здійснюється за допомогою двох виступів на зовнішніх стінках головки, налагодження детекторного контуру в резонанс – за допомогою шестерні поблизу основи головки. Налагодження вимірювальної головки не тільки підвищує чутливість вимірювального приладу, але й зменшує вплив реактивних кіл зонда на структуру поля.

Поблизу основи вимірювальної головки є спеціальний відвід для підключення напівпровідникового детектора.

Загальна похибка вимірювання КСХН, який дорівнює 2, згідно з методом „максимум-мінімум” не перевищує 7 %. Непостійність зв’язку зонду з полем лінії не перевищує 2 %. Відносна шунтувальна провідність зонда не перевищує 0,05. Власний КСХН лінії не перевищує 1,03. Такі характеристики гарантуються для хвилеводу перерізом 23×10 мм при глибині занурення зонду до 1 мм. КСХН каліброваного реактивного опору РСВ не менший за 30. Люфт поршня РСВ не перевищує 0,04 мм.

Вимірювальна лінія забезпечує відповідну точність тільки за умови підключення між генератором і вимірювальною лінією розв’язувального високочастотного атенюатора з незначним власним КСХН. Досліджуване навантаження підключають до другого фланця вимірювальної лінії.

Настройка лінії складається з двох операцій: встановлення глибини занурення зонда і налагодження вимірювальної головки в резонанс. Встановив деяку глибину занурення зонда, за максимумом показання індикаторного приладу настроюють в резонанс контур зонда. Після цього домагаються максимуму показань індикаторного пристрою шляхом настройки детекторного контуру. Якщо зонд випадково встановлено в мінімум стоячої хвилі, то сигнал не буде спостерігатися. У цьому випадку слід перемістити зонд і повторити знаходження резонансів.

Розв’язувальним атенюатором встановлюють таке згасання, щоб виконувались умови квадратичності характеристики детектора.

При переміщенні зонда з напівпровідниковим детектором вздовж вимірювальної лінії безпосередньо вимірюється не високочастотна напруга або напруженість високочастотного поля, а струм детектора, який випрямлений. У загальному випадку залежність між відповідним струмом і напругою описується виразом

 

, (1.6)

де k та m – параметри, які залежать від властивостей детектора та режиму його роботи, перш за все – від значення . У зв’язку з цим при проведенні прецизійних вимірів необхідно перш за все провести градуювання всього приладу в одиницях високочастотної напруги. Ситуація може бути спрощена внаслідок використання тільки відношення напруг.

Проведення вимірів

Визначення положення вузла стоячої хвилі. Точне положення вузла (мінімуму) стоячої хвилі напруги визначають методом двох відліків (метод „вилки”). За значення положення мінімуму обирають середнє між двома положеннями головки по різні боки від вузла, для яких показання індикатора помітно відрізняються від нуля і однакові за значенням.

Вимір довжини хвилі у хвилеводі. Довжину хвилі Λ в хвилеводі визначають як подвоєне значення відстані між двома сусідніми мінімумами (вузлами). Такі виміри проводять при реактивному навантаженні, для якого мінімуми мають найбільш яскраво виражений характер.

Градуювання детектора. Для градуювання характеристики детектора використовують ту обставину, коли стояча хвиля вдовж лінії передачі в режимі короткого замикання має вигляд модуля синусоїдальної функції. При проведенні градуювання вихід вимірювальної лінії закорочують за допомогою металевої пластини. Перш за все зонд встановлюють у вузол стоячої хвилі. Потім відраховують відстань l від положення вузла і фіксують значення показань індикатора. Така операція повторюється для інших положень зонда, тобто значень l. Унаслідок четвертої властивості стоячих хвиль нормована відповідна залежність має вигляд

 

. (1.7)

 

Таким чином, значення нормованої напруги U можуть бути розраховані для певних значень , для яких було проведено виміри. Користуючись такими даними, будують графік, у якому на осі ординат відкладають розраховані значення нормованої напруги, а на осі абсцис – значення вимірів індикаторного пристрою, які були виміряні у відповідних точках положення зонда. За допомогою такого графіка можна знайти максимальне і мінімальне значення напруги в нормованих одиницях і розрахувати значення КСХН.

З метою зменшення похибок не слід установлювати глибину занурення зонда більше, ніж 10 – 15 % від значення висоти перерізу прямокутного хвилеводу, що складає 3 мм для хвилеводу трисантиметрового діапазону. Бажано провести виміри поблизу декількох вузлів стоячої хвилі та взяти середню залежність. Характеристика детектора залежить від опору кола вимірювального приладу, тому для вимірювань використовують той же прилад, що і для вимірювань.

Визначення умовного кінця лінії. Вимірювальну лінію закорочують на кінці з боку навантаження металевою пластиною. Вимірювальну головку переміщують від вихідного кінця вимірювальної лінії в бік генератора до першого мінімуму – вузла напруги. Цю точку і вважають умовним кінцем лінії. При кожній зміні частоти необхідно знову визначати умовний кінець лінії.

Вимір значення КСХН. При вимірюванні КСХН найбільш простим методом „максимуму-мінімуму” шляхом переміщення вимірювальної головки встановлюють зонд у пучність стоячої хвилі і фіксують значення максимуму показань індикатора. Потім встановлюють зонд у вузол стоячої хвилі та фіксують значення мінімуму показань індикатора. У припущенні квадратичності характеристики детектора значення КСХН визначають згідно з

 

. (1.8)

 

Задовільна квадратичність детектора забезпечується зазвичай для струмів детектора, які не перевищують 10 мкА. Таким чином, якщо в максимумі струм не перевищує цього значення, можна калібрування вимірювальної лінії не проводити і користуватися спрощеним виразом. Застосування спрощеного виразу приводить до заниження значення КСХН (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Вимірювання КСХН

 

При струмах, більших за 20 – 40 мкА, про всяк випадок не можна говорити про квадратичність характеристики детектора. У цьому випадку значення КСХН отримують таким чином: визначають показання індикаторного приладу в пучності й вузлі стоячої хвилі; користуючись графіком градуювання детектора, для відповідних показань індикатора, визначають значення напруженості поля у відносних одиницях; розраховують значення КСХН як відношення відповідних значень напруженості поля.

Наведений вище спосіб вимірювання КСХН можна застосовувати для значень, менших за 10. При більших значеннях КСХН зонд більш суттєво впливає на відлік поля в максимумі стоячої хвилі внаслідок значного відбору зондом потужності високочастотного поля. Значення КСХН може суттєво бути меншим за точне навіть при умові правильно проведеного калібрування детектора. При вимірюванні КСХН, який перевищує 10, слід користуватися методом „подвійного мінімуму”. Визначають відстань d між двома положеннями зонда по обидва боки мінімуму таких, що в них потужність у два рази (тобто на 3 дБ) більша за значення потужності в мінімумі стоячої хвилі. Значення КСХН обчислюють згідно з формулою

. (1.9)

Для останню формулу з похибкою, меншою за 1 %, можна замінити більш простою формулою

. (1.10)

 

Цей метод потребує ретельного вимірювання значення величини d (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Метод подвійного мінімуму

 

Більш повний метод полягає в такій послідовності дій. Регулюванням рівня потужності в лінії (або підсилення індикаторного приладу) добиваються, щоб у вузлі напруги показання індикаторного приладу були дещо меншими за половину шкали приладу. Визначають показання приладу і, користуючись градуюванням детектора, знаходять значення напруги у вузлі стоячої хвилі. Зміщують вимірювальну головку в бік таким чином, щоб значення на індикаторному приладі займали майже всю шкалу. Після вимірювання цього значення за даними градуювання визначають значення напруги . Потім виміряють відстань між точками, де показання складають . Значення КСХН розраховують відповідно до формули

. (1.11)

 

Вимірювання КСХН слабко відбиваючих чотириполюсників. Найростішим методом вимірювання КСХН чотириполюсника є вимірювання при умові підключення до його виходу узгодженого навантаження. Такий метод потребує наявності високоякісного узгодженого навантаження і викликає значні помилки при дослідженні чотириполюсників з малим власним КСХН.

Альтернативою є вимірювання згідно з методом S-кривих (метод Вайсфлоха). Між вимірювальним генератором і чотириполюсником включають вимірювальну лінію. Чотириполюсник навантажують рухомим короткозамкненим поршнем. При підключенні короткозамкненого поршня в лінії встановлюється суто стояча хвиля з нескінченим значенням КСХН.

Фіксують дві довільні референсні площини АА і ВВ (див. рис.1.2). Від цих площин відраховують відстань до поршня х і відстань до вузла стоячої хвилі напруги y у вимірювальній лінії. Для загальності на осях відкладають величини x/Λ та y/Λ. Крива має вигляд букви S з періодом, який дорівнює 0,5, на обох осях. У випадку, коли неоднорідність між площинами АА та ВВ відсутня, S-крива перетворюється в пряму, яка утворює кут 45º з віссю абсцис, тобто переміщення поршня на певну відстань викликає переміщення вузлів напруги у вимірювальній лінії на таку ж відстань. Зсув цієї прямої з початку координат обумовлений вибором положення референсних площин.

Простіше розрахункові результати можна отримати з графіка , який будують за даними експерименту. За даними графіка визначають максимальне й мінімальне значення різниці і величину . Значення модуля коефіцієнту відбиття розраховують, виходячи з формули

 

. (1.12)

 

Відповідне значення КСХН при цьому дорівнює .

Особливо точні результати метод дає при вимірюванні малих значень КСХН, таких, що близькі до значень КСХН узгодженого навантаження.

Вимірювання модуля комплексного коефіцієнта відбиття базується на вимірах КСХН. Вимірювання аргументу (фази) комплексного коефіцієнта відбиття проводять згідно з наступною методикою.

Після визначення умовного кінця лінії до виходу вимірювальної лінії приєднується навантаження, коефіцієнт відбиття від якого необхідно визначити.

Переміщенням зонда визначають відстань L від умовного кінця лінії до першого мінімуму в бік генератора. Значення різниці фаз визначають згідно з

 

. (1.13)

 

Фазу безпосередньо коефіцієнта відбиття визначають як

 

. (1.14)

 

Надійні результати з вимірювання фази можуть бути отримані для не дуже малих значень КСХН (більших за 1,3). При малих значеннях КСХН визначення фази є неточним.

Визначення повного опору навантаження. Дані отримані при вимірюванні комплексного коефіцієнта відбиття дозволяють визначити повний нормований опір навантаження згідно з формулою

 

, (1.15)

 

де – повний опір навантаження;

– хвилевий опір хвилеводу вимірювальної лінії.

Хвилевий опір для основної хвилі прямокутного хвилеводу дорівнює

, (1.16)

де a – ширина перерізу хвилеводу;

λ – довжина хвилі у вільному просторі.

Нормована повна провідність визначається згідно з виразом

 

, (1.17)

 

де Y – повна провідність навантаження;

– хвилева провідність хвилеводу.

Для отримання значення нормованого повного опору за даними вимірювань застосовують також кругову діаграму опорів (діаграму Вольперта – Сміта).

Після побудови на діаграмі точки, яка відповідає виміряному значенню комплексного коефіцієнта відбиття, значення опору отримують на відповідних колах дійсної і уявної частин нормованого опору. Комплексний коефіцієнт відбиття будують, використовуючи прозору лінійку, на якій нанесено значення модуля коефіцієнта відбиття, фазу відраховують від позитивного напряму осі абсцис.

Вимірювання загасання. Якщо відрізок НВЧ тракту, який має загасання, у достатньому ступені однорідний і коефіцієнтами відбиття на вході й виході можна знехтувати, то для коефіцієнта передавання цього відрізка довжиною справедливий такий вираз

, (1.18)

 

де – коефіцієнт загасання.

Вимірювання КСХН проводять при навантаженні відрізку лінії короткозамкненим навантаженням з власним КСХН . Загасання розраховують згідно з

 

. (1.19)

 

Дані методи вимірювання загасання дозволяють виміряти малі значення загасання порядку 0,05-0,5 дБ. Для більших значень загасання дані методи можуть дати тільки приблизне значення внаслідок зростання похибки вимірювань за рахунок власного відбиття в лінії, яку вимірюють.