Главная | Обратная связь

Особенности измерений в микроволновом диапазоне

Экспериментальное исследование электромагнитных полей и технических устройств, использующие эти поля, неизбежно связано с проведением измерений. Особенностью измерений в микроволновом диапазоне является невозможность непосредственного измерения большинства величин, которые интересуют исследователя. Измерения на СВЧ имеют, как правило, косвенный характер, т. е. измеряются параметры, связанные некоторой функциональной зависимостью с искомыми величинами. Поэтому процесс микроволновых измерений почти всегда включает этап обработки результатов, иногда достаточно трудоемкий. В процессе этой обработки вносится дополнительная погрешность, которую следует учитывать. Далее рассмотрены некоторые аспекты измерений, возникающие в процессе выполнения данного лабораторного практикума.

Источники сигналов. В качестве источников микроволновых сигналов используются измерительные генераторы СВЧ. Основными параметрами источников микроволновых сигналов являются: рабочий диапазон частот, способ перестройки и точность установки частоты, максимальная выходная мощность, пределы и точность ее регулировки, виды модуляции сигнала, тип присоединительного разъема. В лаборатории используется два типа источников сигнала: измерительные генераторы и генераторы качающейся частоты.

Измерительный генератор состоит из активного элемента (отражательного клистрона или диода Ганна), включенного в объемный резонатор с механической перестройкой частоты. Генераторы, применяемые в практикуме, имеют следующие параметры:

– ширина диапазона перестройки достигает одной октавы;

– точность установки частоты порядка 0.5 %;

– кратковременная относительная нестабильность частоты за 15 мин не превышает ;

– два выхода с плавной регулировкой выходной мощности: некалиброванный с максимальной выходной мощностью не менее 3 мВт и калиброванный с пределами регулировки от до Вт (погрешность установки 1 дБ);

– внутренняя импульсная модуляция выходного сигнала;

– немодулированный выходной сигнал.

Генераторы качающейся частоты выполняются на транзисторах (диапазон 1.07…5.64 ГГц), на диодах Ганна (диапазон 5.6…12.05 ГГц) или на лампе обратной волны (на более высоких частотах). Перестройка частоты осуществляется вручную или автоматически по определенному закону изменением подмагничивающего поля ферритового резонатора (для полупроводниковых активных элементов) или ускоряющего напряжения лампы обратной волны. При перестройке частоты одновременно меняется и выходная мощность генератора. Генератор качающейся частоты:

– для стабилизации мощности в полосе перестройки использует систему автоматического регулирования уровня выходной мощности (АРМ), которая составляет не менее 1 мВт;

– для работы АРМ выходной сигнал модулируется по амплитуде меандром с частотой повторения 100 кГц и глубиной модуляции не менее 15 дБ (модулятор выполнен на основе PIN-диода);

– выходная мощность регулируется диодным аттенюатором;

– работает как в режиме амплитудной модуляции, так и в режиме незатухающих колебаний;

– ширина диапазона перестройки до одной октавы;

– погрешность установки частоты не более , где – значение максимальной частоты рабочего диапазона;

– кратковременная нестабильность частоты за 5 мин в режиме ручной настройки не более ;

– обеспечивает ручную перестройку частоты, периодическое качание частоты, разовое качание частоты с ручным запуском, перестройку частоты от внешнего источника напряжения.

Измерение интенсивности сигнала. Для контроля интенсивности сигнала используются детекторные головки. Поступающий на вход головки высокочастотный сигнал детектируется (выпрямляется) специальным полупроводниковым СВЧ-диодом. При слабом сигнале выпрямленный диодом ток пропорционален микроволновой мощности (квадратичный детектор). При больших уровнях входной мощности (более 1 мВт) зависимость перестает подчиняться линейному закону. Выпрямленный ток измеряется микроамперметром или измерительным усилителем низкой частоты (если входной сигнал промодулирован по амплитуде). Из-за сложности градуировки детекторные головки не позволяют проводить абсолютные измерения мощности сигнала, а служат в основном для проведения относительных измерений его интенсивности. Токовая чувствительность используемых детекторных головок, равная отношению вьшрямленного тока к входной мощности, составляет 1...5 А/Вт.

Измерение частоты.В микроволновой технике используются два типа измерителей частоты – резонансные и электронно-счетные частотомеры. В частотомере первого типа сигнал подается на специальный измерительный резонатор, обладающий большой добротностью. Собственная частота резонатора перестраивается с помощью механического устройства, имеющего калиброванную шкалу. Амплитуда колебаний в резонаторе контролируется при помощи детекторной головки и стрелочного индикатора. При совпадении частоты измеряемого сигнала и собственной частоты резонатора амплитуда колебаний в последнем резко возрастает. Поэтому показание калиброванной по частоте шкалы, соответствующее максимальному отклонению индикатора, соответствует частоте измеряемого сигнала. Относительная погрешность измерения зависит от добротности резонатора и качества механизма перестройки и составляет . Резонансные частотомеры могут измерять частоту как немодулированных, так и модулированных сигналов.

Более точно частота сигнала измеряется с помощью электронно-счетных частотомеров. Их действие основано на формировании импульсов, частота следования которых пропорциональна частоте сигнала, и подсчета числа этих импульсов за определенный период времени. Затем это число импульсов, пересчитанное в частоту сигнала, поступает на цифровой индикатор. Трудность формирования и подсчета числа импульсов в микроволновом диапазоне приводит к необходимости установки на входе частотомера преобразователя, который смещает частоту сигнала в более низкий диапазон (1…10 МГц). В схему преобразователя входят гетеродин, стабилизированный кварцевым резонатором, и смеситель, в котором сигнал взаимодействует с одной из гармоник гетеродина. В результате образуется сигнал с разностной частотой, который и подается на вход формирователя импульсов. Время счёта определяется высокостабильным кварцевым генератором опорной частоты. Относительная погрешность измерения частоты синусоидальных сигналов частотомерами второго типа составляет .

Измерение коэффициента стоячей волны и ее затухания.Коэффициентом стоячей волны напряжения в линии передачи называют отношение модулей максимальной и минимальной амплитуд напряжения (напряженности электрического поля). Из этого определения следует, что коэффициент стоячей волны определяется выражением

где – коэффициент отражения, и – амплитуды отраженной и падающей волн.

Затухание в четырехполюснике СВЧ определяется по формуле

где – затухание в децибелах, и – мощность, поступающая во входное плечо и выходящая из четырехполюсника. Как измерение , так и измерение ослабления связаны с определением отношения мощности двух волн в микроволновом тракте. Поэтому эти измерения в диапазоне частот можно осуществить, применяя генератор СВЧ-сигналов, устройства для выделения падающей и отраженной волн и измерители интенсивностей этих волн. Современный подход к решению данной задачи – применение панорамного измерителя коэффициента стоячей волны и затухания, который позволяет наблюдать и измерять на экране электронно-лучевого индикатора зависимости указанных величин от частоты в заданном диапазоне частот.

Измеритель содержит генератор качающейся частоты 1, измерительный тракт 2 с исследуемым устройством и индикаторный блок 3 (рис. П.1, а). Устройство и принцип работы ГКЧ описаны ранее. Измерительный тракт содержит направленные ответвители H01 и Н02 и измеряемое устройство Н. Индикаторный блок содержит электронно-лучевой индикатор, горизонтальная развертка которого синхронизирована с ГКЧ, так что горизонтальная координата луча пропорциональна разности где – частота ГКЧ в любой момент времени ; – минимальная частота качания.

Сигнал с направленного ответвителя H01, пропорциональный мощности падающей волны, поступает на вход падающей волны усилителя, а сигнал с ответвителя Н02 – на вход отраженной волны усилителя. Ширина полосы пропускания усилителя регулируется. При широкой полосе пропускания индикатор работает с малой длительностью развертки (0.08 с), но имеет сравнительно малую чувствительность, ограниченную шумами. При узкой полосе пропускания чувствительность усилителя увеличивается, однако частоту развертки необходимо уменьшить. На вертикальные пластины электронно-лучевого индикатора поступает сигнал, пропорциональный отношению мощностей отраженной и падающей волн. Откалибровав предварительно усиление канала вертикального отклонения с помощью короткозамыкающей перемычки, включенной вместо исследуемой нагрузки, можно затем непосредственно на экране индикатора наблюдать и измерять зависимость коэффициента стоячей волны напряжения от частоты. Относительная погрешность измерений в диапазоне значений от 1.035 до 5 не более 2 %.

Для измерения ослабления измерительный тракт собирается по схеме на проход (рис. П.1, б). При этом на вход отраженной волны усилителя поступает сигнал с Н02, включенного между выходом исследуемого устройства и согласованной нагрузкой СН. Амплитуда этого сигнала пропорциональна амплитуде волны, прошедшей через исследуемое устройство. Погрешность измерения ослабления в диапазоне –35…0 дБ определяется по формуле где – измеряемое ослабление, дБ.

Измерение напряженности электромагнитного поля.Непосредственное измерение напряженности поля в микроволновом диапазоне сопряжено со значительными трудностями из-за высокочастотного изменения этой величины. Поэтому для таких измерений используются, как отмечалось, косвенные методы. К наиболее распространенным из них относится метод малого возмущающего тела. Этот метод основан на том, что при введении в объем резонатора малого возмущающего тела изменяются собственная частота и добротность объемного резонатора и величины изменения определяются выражениями

(П.1)

(П.2)

где – собственная частота, добротность, векторы напряженности электрического и магнитного полей; – запасенная энергия невозмущенного резонатора; – соответствующие параметры возмущенного резонатора; – комплексные диэлектрическая и магнитная проницаемости возмущенного тела; – его объем. Формулы (П.1) и (П.2) позволяют по изменению частоты и добротности резонатора с известным распределением поля определить параметры возмущающего тела, или наоборот, помещая в разные точки резонатора тело с известными параметрами, определить распределение электромагнитного поля в нем.

В частности, для идеально проводящего тела формула (П.1) принимает вид:

(П.3)

где и – безразмерные коэффициенты (коэффициенты формы), определяемые формой возмущающего тела и его ориентацией относительно векторов напряженности электрического и магнитного полей

Из формулы (П.3) видно, что при определенных условиях уход частоты пропорционален квадрату напряженности электрического или магнитного поля в том месте, где находится возмущающее тело. Перемещая это тело в резонаторе по определенной траектории, можно получить зависимость напряженностей от координаты вдоль этой траектории.

В частности, если в месте расположения возмущающего тела или , выражение (П.3) преобразуется к виду

где – калибровочный коэффициент, – квадрат модуля напряженности электрического поля, усредненный по объему возмущающего тела. Так как расчет коэффициента формы для реальных возмущающих тел затруднителен, калибровочный коэффициент обычно определяют экспериментально, помещая возмущающее тело в эталонный резонатор с известным распределением электромагнитного поля. Так, при помещении тела на оси цилиндрического резонатора, возбуждаемого на колебаниях вида ,

где – объем резонатора, – первый корень уравнения .

Погрешность определения поля описанным методом зависит от многих факторов, важнейшим из которых является размер возмущающего тела. Большое тело «усредняет» поле и сглаживает резкие его изменения в пространстве. Слишком маленькое тело вызывает малые уходы частоты, которые трудно измерить с достаточной точностью. Описанным методом непосредственно определяется соотношение в резонаторах. Однако метод малого возмущающего тела можно использовать и для измерения отношения в линии передачи, где и – напряженность электрического поля и передаваемая мощность бегущей волны. Для проведения измерений необходимо в отрезке линии передачи длиной обеспечить короткое замыкание с двух сторон металлическими стенками (закоротить линию), в результате чего образуется волноводный резонатор. Возбуждая в этом резонаторе вид колебаний, соответствующий исследуемому типу волны, определяют для него известным образом отношение .

Далее, учитывая, что запасенная в резонаторе энергия равна сумме энергий падающей и отраженной волн , , которые в свою очередь связаны с передаваемой мощностью соотношением ( – групповая скорость), находим:

(П.4)

Выражение (П.4) позволяет определять необходимые параметры по известным характеристикам СВЧ тракта.