Распространение электромагнитных волн в прямоугольном волноводе частично заполненным намагниченным ферритом
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРИТОВОГО ЦИРКУЛЯТОРА
Общие положения
Ферриты – это материалы, которые получают путем спекания окиси железа (Fe2O3) с окисями таких металлов, как никель, марганец, магний и др. Благодаря значительному содержанию в их составе железа и никеля они обладают ярко выраженными магнитными свойствами. Однако, по сравнению с ферромагнитными металлами (Fe, Ni, Co), ферриты обладают на несколько порядков более высоким удельным сопротивлением, что и обусловило их применение в СВЧ диапазоне. Диэлектрическая и магнитная проницаемость ферритов существенным образом зависят от частоты колебаний электромагнитного поля. Однако особенно интересные и важные для высокочастотной техники свойства феррит приобретает под воздействием постоянного магнитного поля. Намагниченные ферриты являются гиротропными магнетиками. В таком феррите высокочастотные волны с круговой поляризацией электромагнитного поля имеют разные скорости распространения в зависимости от направления вращения электромагнитного поля.
Использование особенностей взаимодействия высокочастотных электромагнитных волн с намагниченным ферритом позволило создать различные невзаимные элементы, широко используемые в СВЧ технике, к числу которых, в первую очередь, относятся циркуляторы, направленные фазовращатели и изоляторы. Конструкции устройств с такими невзаимными элементами очень разнообразны. Рассмотреть работу всех этих устройств в рамках данного практикума не представляется возможным. Поэтому в качестве примера одного из таких устройств в лабораторной работе рассматривается работа ферритового циркулятора.
|
Рис. 1 |
Циркулятором в СВЧ технике принято называть многополюсник, схематично изображенный на рис. 1, для которого выполняется следующий алгоритм передачи энергии. При подаче сигнала в плечо 1 энергия передается только в плечо 2 и не ответвляется в плечи 3, 4, 5 … n-1 и n. При подаче сигнала в плечо 2 энергия передается только в плечо 3 и т. д. Стрелкой на рисунке указывается направление передачи энергии.
Получить указанные свойства можно только с помощью невзаимных элементов, входящих в конструкцию циркулятора. В качестве таких элементов, как правило, используются намагниченные ферриты. Однако аналогичные результаты можно получить, используя, например, полупроводники или электронно-ионную плазму в постоянном магнитном поле.
|
Рис. 2 |
Циркуляторы широко используются в СВЧ технике как универсальная развязка. Например, в радиолокационной технике они применяются для развязки передатчика и приемника, работающих на одну антенну (см. рис. 2), а в ускорительной технике – для защиты мощных СВЧ источников питания от волн, отраженных от резонансных нагрузок (ускоряющие структуры).
Описание циркулятора
В данной лабораторной работе изучается восьмиполюсный циркулятор (см. рис. 3), выполненный на базе прямоугольного волновода с намагниченным ферритом.
Рис. 3
Указанный циркулятор включает в себя следующие основные элементы (см. рис. 4):
– сдвоенная секция (СС);
– щелевые мосты М1, М2;
– ферритовые элементы (ФЭ);
– постоянный магнит (ПМ);
– фазосдвигающая секция (ФС);
– согласованная нагрузка (СН).
Рис. 4
Щелевой мост
|
Рис. 5 |
|
Рис. 6 |
Щелевой мост (см. рис. 5) представляет собой два отрезка прямоугольных волноводов, имеющих общую узкую стенку, в которой прорезана щель, образующая участок связи между этими волноводами. Высота щели равна высоте волновода. В результате образуется участок сдвоенного волновода, в пределах которого могут распространяться волны типа H10 и H20.
Векторное представление работы щелевого моста показано на рис. 6. Если энергия поступает, например, в плечо 1, то волна H10, распространяющаяся в этом плече, возбуждает в области сдвоенного волновода волны H10 и H20, имеющие одинаковые амплитуды. Если в плоскости начала сдвоенного волновода для плеча 1 эти волны синфазные (сдвинуты относительно друг друга на 0° по фазе), то для плеча 2 они противофазные (сдвинуты относительно друг друга на 180°). По мере распространения в сдвоенном волноводе волна H20 будет опережать по фазе волну H10 за счет различия их фазовых скоростей.
Длина щели 
выбирается таким образом, чтобы опережение по фазе составило 90° (p/2), т. е.
, (1)
где V1 и V2 – фазовые скорости волн H10 и H20 соответственно. Уравнение (1) позволяет определить 
, (2)
где l0 – длина волны в свободном пространстве.
Таким образом, после прохождения участка сдвоенного волновода перед входом в плечо 3 волна H20 будет опережать волну H10 на 90°, а перед входом в плечо 4 – отставать на 90°. В результате сложения этих волн в плечах 3 и 4 образуются волны типа H10, с одинаковыми амплитудами, но волна в плече 3 опережает по фазе на 90° волну в плече 4 (см. рис. 6). В плечо 2 энергия не поступает, так как на его входе волны H10 и H20 находятся в противофазе и компенсируют друг друга.
В практической реализации щелевого моста равное распределение мощности на средней частоте диапазона достигается введением в середину области сдвоенного волновода емкостного штыря (см. рис. 5).
Следует отметить, что щелевой мост – это устройство, обладающее свойством взаимности. Т. е. если в плечо 4 подать сигнал половинной мощности и в плечо 3 подать сигнал половинной мощности, но с отставанием по фазе на 90° относительно сигнала в плече 4, то в плече 1 появится сигнал единичной мощности. При этом сигнал в плече 2 будет отсутствовать.
Распространение электромагнитных волн в прямоугольном волноводе частично заполненным намагниченным ферритом
Рассмотрим прямоугольный волновод, в который вставлена вертикальная поперечно намагниченная ферритовая пластина (см. рис. 7). Пусть в волноводе распространяется волна H10. Между поперечной и продольной компонентами высокочастотного магнитного поля пустого волновода для этой волны существует 90° сдвиг по фазе. Это означает, что в плоскости широкой стенки волновода это поле, вообще говоря, имеет эллиптическую поляризацию. Причем на расстоянии
|
Рис. 7 |
поляризация является круговой (λ – длина волны электромагнитных колебаний в свободном пространстве). Для среднего значения длин волн рабочего диапазона (λср » 1,4×a) это расстояние приблизительно равно x1 » a / 4 и x2 » 3×a / 4. Направления вращения поля в этих плоскостях противоположны и зависят от направления распространения электромагнитной волны в волноводе. В ферритовой пластинке также будет преобладать правая или левая поляризация магнитного поля. Учитывая гиротропные свойства намагниченного феррита, можно сказать, что эквивалентная магнитная проницаемость для волновода с ферритовой пластинкой будет иметь различные значения для противоположно распространяющихся волн H10. Следовательно, разными будут и постоянные распространения, т. е. фазовые скорости и затухания этих волн.
Ферритовый циркулятор
Принцип работы данного циркулятора заключается в следующем. Энергия генератора, подводимая к плечу 1 первого щелевого моста (см. рис. 8), разветвляется в каналы 3 и 4. Причем волна в плече 3 опережает по фазе волну в плече 4 на 90°. Полярность постоянного магнита и величина поля выбраны таким образом, что для волны, вышедшей из плеча 3 и распространяющейся далее в том же направлении, феррит вносит дополнительное 90° запаздывание по фазе, а для волны, вышедшей из плеча 4, это запаздывание отсутствует. В результате на выходе участков волноводов, заполненных ферритами, фазы волн в обоих волноводах становятся одинаковыми. После прохождения изогнутых участков волноводов (фазосдвигающая секция) фаза волны на входе в плечо 2¢ второго моста опережает на 90° фазу волны на входе в плечо 1¢. Далее, после моста, энергия обеих волн суммируется в плече 3¢ и передается в нагрузку, например в антенну.
Рис. 8
Отраженная от нагрузки (антенна, ускоряющий резонатор) волна, попадая в плечо 3¢ второго моста (см. рис. 9), разветвляется в каналы 1¢ и 2¢.
Рис. 9
Причем фаза волны на выходе плеча 1¢ опережает волну на выходе плеча 2¢ на 90°. Далее после прохождения изогнутых волноводов фазы обеих волн сравниваются. В ферритовых секциях при данном направлении распространения волн фаза в канале 2¢–4 получает дополнительный сдвиг в 90°, в то время как в канале 1¢–3 этот сдвиг отсутствует. И, наконец, после прохождения первого моста волны складываются в плече 2 и поглощаются в нагрузке, например, в приемнике или в согласованной нагрузке.
Методика измерений
Целью работы является определение матрицы рассеяния данного циркулятора – S. В общем случае элементами матрицы рассеяния являются комплексные величины коэффициентов передачи и коэффициентов отражения от входов. Однако в данной работе предлагается ограничиться определением только модулей соответствующих величин ïSmnï (в дальнейшем для простоты знак модуля опускается).
|
Рис. 10 |
С целью уменьшения объема измерений одно из плеч циркулятора нагружено на несъемную согласованную нагрузку (см. рис. 4). В результате данный циркулятор с согласованной нагрузкой представляет собой шестиполюсник, схематично изображенный на рис. 10.
Электромагнитная волна, входящая в одно из плеч, распределяется в общем случае между остальными и частично отражается обратно к входу этого плеча. Отношение напряженностей полей отраженной и входящей (падающей) волн, при согласовании всех остальных плеч шестиполюсника, называется коэффициентом отражения данного плеча и обозначается Snn. Отношение же поля волны, выходящей из шестиполюсника через плечо с номером m, к полю волны, входящей в плечо с номером n, при согласовании всех плеч шестиполюсника называется коэффициентом передачи из плеча n в плечо m и обозначается Smn. Таким образом, диагональные элементы матрицы рассеяния S образуются из коэффициентов отражения, а недиагональные – из коэффициентов передачи.
Для определения недиагональных элементов матрицы рассеяния собирается схема, изображенная на рис. 11, в состав которой входит следующее оборудование: генератор высокочастотных колебаний (рис. 12), волноводный аттенюатор (рис. 13), волноводная измерительная линия (рис. 15), волноводный детектор и вольтметр переменного тока (рис. 16).
Рис. 11
Рис. 12
Рис. 13
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 16
Прежде чем начать измерения, на волноводном аттенюаторе (рис. 13) необходимо установить максимальное ослабление. Далее, уменьшая ослабление аттенюатора, например, до величины Р1, следует добиться заметной величины показаний индикатора (рис. 16), допустим – a0. Затем между измерительной линией и индикатором подключается исследуемый циркулятор. Измерительная схема приведена на рис. 17.
Рис. 17
Показания индикатора при этом должны несколько уменьшиться. Медленно уменьшая ослабление аттенюатора до некоторого значения Р2, следует добиться того, чтобы показания индикатора снова достигли величины a0. Разность показаний аттенюатора Р2 – Р1 дает в децибелах значение модуля соответствующего элемента S-матрицы.
Для нахождения диагональных элементов Snn собирается схема, приведенная на рис. 18.
Рис. 18
Измерительный зонд линии помещается в минимум поля. Далее устанавливаются такое затухание в аттенюаторе, например P1*, при котором показания индикатора – a0. Затем зонд перемещается в максимум поля. Медленным увеличением затухания в аттенюаторе до некоторого значения P2*, добиваемся восстановления на индикаторе показаний a0. Соответствующий диагональный элемент Snn, который представляет собой коэффициент отражения волны от данного плеча циркулятора, вычисляется по формуле
[дБ]. (3)
Использование аттенюатора в данной работе позволяет не учитывать характеристику детектора и повышает точность измерений.
Порядок выполнения работы
1. Собирается установка, показанная на рис. 11. Фиксируются показания аттенюатора Р1 и индикатора a0.
2. Собирается схема, показанная на рис. 17. Измеряется величина Р2 и вычисляется разность S12 = Р2 - Р1 [дБ]. Затем согласованная нагрузка и индикатор меняются местами, и аналогично измеряется величина S13.
3. Подобным же образом находятся остальные недиагональные элементы S-матрицы. Причем, прежде чем присоединить к выходу аттенюатора следующее плечо циркулятора, необходимо убедиться, не изменилась ли мощность генератора. Для этого снова собирается схема, приведенная на рис. 11. Если при этом показание индикатора не равно a0, то медленным вращением аттенюатора добиться восстановления выходной мощности генератора до прежнего уровня, т. е. чтобы показание индикатора снова стало равно a0.
4. Собирается схема, показанная на рис. 18. С использованием формулы (3) находится диагональный элемент S11 (в дБ). Аналогично находятся остальные диагональные элементы матрицы рассеяния. Для лучшей точности рекомендуется работать в нижней области шкалы аттенюатора.
5. Записывается полная матрица рассеяния, характеризующая данный циркулятор как шестиполюсник.
Контрольные вопросы
1. Объяснить работу щелевого моста.
2. Описать работу ферритового циркулятора.
3. Какими параметрами характеризуется циркулятор?
4. Из чего складывается погрешность измерения недиагональных элементов матрицы рассеяния?
5. В чем заключена погрешность измерения диагональных элементов S-матрицы?
6. Какой физический эффект используется в ферритовых циркуляторах, в чем его суть?
7. Обосновать формулу (3).
8. Как измерить фазы коэффициентов матрицы рассеяния в данной работе?
Библиографический список
Карлинер М. М. Электродинамика СВЧ: Курс лекций. Новосибирск, 2006.
Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. М., 1970. Т. 1.
Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. М.; Л., 1975.
Милованов О. С., Собенин Н. П. Техника сверхвысоких частот. М., 1980.
Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. М., 1973.
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОЛНОВОДНОГО
НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ
Направленный ответвитель служит для ответвления некоторой части мощности, проходящей по линии передачи. На практике наибольшее применение нашли направленные ответвители, в которых ответвляемая мощность незначительна по сравнению с основной, вследствие этого такие ответвители практически не вносят рассогласования в линию передачи.
На рис. 1. показан один из вариантов волноводного направленного ответвителя, который состоит из двух отрезков волноводных линий (основного и побочного), связанных между собой. Основной волновод с обеих сторон снабжен фланцами, с помощью которых он включается в исследуемую линию передачи. У побочного волновода на одном конце имеется фланец, с которым соединяется фланец потребителя ответвленной мощности, с другого конца в этом волноводе установлена согласованная нагрузка, характеризуемая КСВН, близким к единице.
Рис. 1
В стенке, разделяющей волноводы, сделаны отверстия, служащие элементами связи, через которые часть мощности ответвляется в побочный волновод. Количество отверстий, их форма и расположение подбирают таким образом, чтобы в заданном диапазоне частот волна, распространяющаяся в основном волноводе в прямом направлении, возбуждала в побочном волноводе волну того же направления и не возбуждала волну противоположного направления.
Если же в основном волноводе распространяется волна обратного направления (т. е. от нагрузки к генератору), то в побочном волноводе преимущественно возбуждается волна такого же направления, которая поглощается в согласованной нагрузке.
Направленные ответвители характеризуются следующими основными показателями: переходное затухание; направленность; диапазон частот; коэффициент отражения плеч.
Переходным затуханием x направленного ответвителя называется отношение мощности прямой волны в основном волноводе P к мощности ответвленной волны P¢, распространяющейся в побочном волноводе в том же направлении. Если затухание измерять в децибелах, то
[дБ]. (1)
Переходное затухание зависит от размеров, числа и положения элементов связи.
Направленностью n ответвителя называется величина
[дБ]. (2)
Здесь P¢ – мощность, распространяющаяся в побочном волноводе в прямом направлении, т. е. к потребителю, P¢¢ – мощность волны, распространяющаяся в том же волноводе в обратном направлении. Направленность, также как и переходное затухание, зависит от расстояний между элементами связи и их конструкции.
При изменении частоты направленность меняется в более широких пределах, чем переходное затухание. Поэтому на практике частотный диапазон направленного ответвителя определяется заданным пределом минимальной направленности. Коэффициенты же отражения от плеч ответвителя характеризуют искажения поля в основном и вторичном трактах из-за наличия элементов связи.
Допустимая мощность, которая может поступать в направленный ответвитель, ограничена, с одной стороны, величиной предельной мощности основного волновода, которая определяется его электрической прочностью, а с другой стороны, допустимой мощностью рассеивания в поглощающем сопротивлении (нагрузке) побочного волновода. Вычисляется эта мощность по формуле (1), причем под P¢ надо здесь понимать максимальное значение мощности, которая может поглощаться в согласованной нагрузке побочного волновода.
Направленный ответвитель может применяться для измерения модуля коэффициента отражения от нагрузки, стоящей в основном тракте. Как правило, для этого используются два одинаковых по параметрам ответвителя, включенных последовательно. Причем один ответвитель ориентирован на падающую волну, а другой – на отраженную. В отдельных случаях проведение измерений модуля коэффициента отражения возможно с использованием одиночного ответвителя с достаточно высокой направленностью (более 20 дБ). Например, для этого собирается схема, изображенная на рис. 2. Направленный ответвитель в этой схеме включен для измерения отраженной волны от нагрузки.
|
Рис. 2 |
Индикатором измеряется сигнал a 1, который в случае квадратичной характеристики детектора пропорционален квадрату амплитуды отраженной волны.
Затем вместо исследуемой нагрузки к разъему B подсоединяется короткозамыкатель, и фиксируются показания индикатора a2, которые будут пропорциональны квадрату амплитуды падающей волны. Модуль коэффициента отражения ïГï находится по формуле
(3)
Разумеется, такой способ измерения применяется в маломощных системах. Кроме того, надо иметь в виду, что при замене исследуемой нагрузки на короткое замыкание мощность генератора и его частота могут измениться. Для устранения этого эффекта между генератором и направленным ответвителем включается аттенюатор или ферритовый вентиль.
Методика измерений
Для определения переходного затухания обычно поступают следующим образом (см. схему, изображенную на рис. 3). На первом этапе измеряют значение мощности P¢, выходящей через побочный волновод при подаче некоторой мощности от генератора. Затем согласованная нагрузка и измеритель мощности (индикатор) меняются местами. Это позволяет провести измерение мощности прямой волны в основном волноводе P. В этом случае переходное затухание вычисляется по формуле (1).
Аналогичным образом производится измерение направленности ответвителя. Вначале, используя схему, изображенную на рис. 3, проводится измерение мощности P¢. Далее направленный ответвитель поворачивается так, чтобы его фланец B был обращен к генератору, а фланец A – к согласованной нагрузке (рис. 4). Это позволяет провести измерение мощности P¢¢. По формуле (2) вычисляется направленность ответвителя.
Рис. 3
Рис. 4
В данной работе исследуется волноводный направленный ответвитель с магнитной связью по узкой стенке и со встроенной согласованной нагрузкой в побочном волноводе (рис. 5). Используемое для измерений оборудование включает также: генератор (рис. 6); плавный аттенюатор (рис. 7); волноводную детекторную головку и вольтметр переменного тока (рис. 8); волноводную согласованную нагрузку (рис. 9). Фиксация волноводных соединений производится с помощью специальных струбцин (рис. 10).
Для измерения мощности предполагается использовать волноводную детекторную головку с вольтметром переменного тока (индикатор). При таком способе измерения необходимо предварительно провести калибровку детекторной головки. Избежать процедуры калибровки и существенно улучшить точность измерений позволяет переменный прецизионный аттенюатор (рис. 11), который включается между генератором и направленным ответвителем. В этом случае на некотором уровне фиксируются показания индикатора, а изменения мощности определяют по разности ослаблений, которые необходимо установить на аттенюаторе для того, чтобы показания индикатора оставались на прежнем уровне.
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 9
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12
Измерения рекомендуется начинать с определения направленности. Схема эксперимента изображена на рис. 12. На первом этапе на аттенюаторе устанавливается минимальное ослабление (т. е. через него проходит практически вся мощность), а шкала индикатора выбирается самой чувствительной. Затем, увеличивая мощность генератора, добиваемся того, чтобы стрелка индикатора заметно отклонилась, но все еще оставалась в начале шкалы. Предположим, что при этом показание индикатора сигнала с детекторной головки, присоединенной к фланцу побочного волновода, равно a0, а ослабление аттенюатора – т1 (дБ). Далее меняют местами фланцы ответвителя А и В так, чтобы схема измерений стала такой, как на рис. 13.
Рис. 13
Показания индикатора при этом резко возрастут. Увеличивая ослабление в переменном аттенюаторе, добиваются, чтобы стрелка индикатора приняла прежнее положение (т. е. a0). Если соответствующее ослабление аттенюатора при этом равно m2 (дБ), то величину направленности можно определить по формуле
n = m2 – m1 [дБ].
Определение переходного ослабления ответвителя производится аналогичным образом. Собирается схема, изображенная на рис. 13. На первом этапе, на аттенюаторе устанавливается минимальное ослабление, а шкала индикатора выбирается самой чувствительной. Затем, увеличивая мощность генератора, добиваемся того, чтобы стрелка индикатора заметно отклонилась, но все еще оставалась в начале шкалы. Фиксируем показание индикатора a0 и ослабление аттенюатора n1 (дБ). Далее меняем местами индикатор мощности и согласованную нагрузку. Естественно, что показания индикатора, при подключении его к основному волноводу, резко возрастают. Увеличивая ослабление в переменном аттенюаторе, добиваемся того, чтобы стрелка индикатора приняла прежнее положение (т. е. a0). Если соответствующее ослабление аттенюатора при этом равно n2 (дБ), то величину переходного затухания можно определить по формуле
x = n2 – n1 [дБ].
Порядок выполнения работы
1. Собрать установку, показанную на рис. 12.
2. Определить направленность ответвителя при различных частотах по методике, изложенной выше.
3. Определить переходное затухание ответвителя по методике, изложенной выше. Измерения производить на различных частотах (5–7 значений частоты, указанных на генераторе).
4. Построить зависимости x и n от частоты.
Контрольные вопросы
1. Какими параметрами характеризуется направленный ответвитель?
2. Объяснить работу направленного двухдырочного четвертьволнового ответвителя со связью на узкой стенке.
3. Описать методику проведения измерений параметров направленного ответвителя.
4. Посмотреть в основной канал исследуемого направленного ответвителя и объяснить структурные особенности элементов связи.
5. Качественно объяснить, как будет меняться величина направленности n ответвителя с двумя отверстиями в общей узкой стенке при изменении расстояния между отверстиями от 0 до l.
6. Качественно объяснить, как будет меняться величина переходного ослабления x ответвителя с двумя отверстиями в общей узкой стенке при изменении расстояния между отверстиями от 0 до l.
7. Если направленный ответвитель применяется для определения согласования в тракте, а его направленность n ¹ ∞, то какова погрешность измерения коэффициента отражения?
8. Из чего складывается погрешность измерения n и x по методике, предложенной в выполняемой работе?
9. Можно ли, пользуясь схемой, изображенной на рис. 2, измерить направленность ответвителя?
Библиографический список
Альтман Д. Устройства СВЧ. М., 1968.
Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. М., 1970. Т. 1.
Милованов С. С., Собенин Н. П. Техника сверхвысоких частот. М., 1980.
Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. М., 1973.
Тишер Ф. Техника измерений на СВЧ. М., 1973.
Лабораторная работа 3
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ НА СВЧ
Измерение мощности излучения может производиться различными способами, в зависимости от величины измеряемой мощности. Для измерения больших мощностей наиболее употребителен калориметрический способ измерения, основанный на принципе сохранения энергии. Сущность этого метода состоит в определении количества тепла, которое выделяется при рассеянии электромагнитной энергии в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью ваттметра.
Для измерения же малых и средних мощностей (менее 1 Вт) обычно пользуются либо термоэлектрическим способом измерений, либо болометрическим. В отдельных случаях можно использовать прокалиброванную детекторную головку, связанную с передающим трактом емкостным или индуктивным зондом.
Термоэлектрический метод основан на преобразовании СВЧ энергии в тепловую энергию с помощью высокочастотных термопар (прямого или косвенного нагрева) и измерении в результате нагрева термо-ЭДС, пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ мощности. Болометры же представляют собой устройства, в которых происходит изменение электрического сопротивления прибора за счет нагревания электромагнитным излучением. По этому изменению можно судить о мощности СВЧ излучения.
Калориметрические ваттметры состоят из двух основных частей:
а) нагрузочного сопротивления, в котором поглощается и преобразуется в тепло высокочастотная мощность;
б) устройства для измерения количества тепла, выделяемого в нагрузке.
Наибольшее распространение получили калориметрические ваттметры с водяной нагрузкой. При этом вода в нагрузке, как правило, проточная. Если в ваттметре устанавливается постоянная скорость протекания воды, то можно считать, что высокочастотная мощность, тождественно равная количеству выделяемого в водяной нагрузке тепла в единицу времени, определяется только изменением температуры воды:
(1)
где А – некоторая постоянная, зависящая от параметров ваттметра (удельной теплоемкости охлаждающей воды и ее расхода), DТ – разность температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из нагрузки. В большинстве случаев, однако, работа калориметрических ваттметров основана не на измерении разности температур DТ, а на методе сравнения (замещения). Сущность этого метода состоит в том, что измерение высокочастотной мощности сводится к измерению мощности переменного низкочастотного тока при одинаковом количестве выделяемого тепла.
|
Рис. 1 |
Принципиальная блок-схема этого метода изображена на рис. 1. Здесь 1 - источник воды; 2 – водяное нагрузочное сопротивление; 3 – низкочастотный подогреватель; 4 – ваттметр переменного тока; 5 – автотрансформатор; 6 и 7 – измерители разности температур. С помощью автотрансформатора 5 устанавливается такой ток в подогревателе 3, чтобы показания обоих термометров 6 и 7 совпали. В этом случае можно считать, что мощность, рассеиваемая подогревателем 3, равна мощности высокочастотного излучения и может быть определена непосредственно по показаниям ваттметра 4. Преимущество данного метода заключается в том, что отпадает необходимость определять расход воды, и соответственно исключаются связанные с этим ошибки. Кроме того, устраняется погрешность, обусловленная потерями на теплопроводность.
В данной работе для измерения СВЧ мощности калориметрическим способом используется стандартный прибор МЗ-11А (рис. 2). Работает этот измеритель, в принципе, по схеме, показанной на рис. 1. Однако имеются некоторые отличия, связанные с калибровкой прибора (более подробно см. «Техническое описание МЗ‑11А»).
Рис. 2
Второй частью работы является измерение СВЧ мощности с помощью болометрического прибора, в качестве которого используется широкополосный измеритель малой мощности ВИМ‑1 (рис. 3) со сменными термисторными головками.
Рис. 3
Термистор, являющийся разновидностью болометра (существует и другая классификация, противопоставляющая термистор болометру), представляет собой маленькую бусинку (диаметром менее 1 мм) из полупроводникового материала, закрепленную между двумя проволочками (рис. 4). Полупроводниковая масса состоит из смеси окислов меди, марганца, кобальта, титана.
|
Рис. 4 |
Для обеспечения жесткости конструкции полупроводник помещают в стеклянный баллон диаметром несколько миллиметров. Термистор (болометр) помещается в передающий тракт, образуя термисторную (болометрическую) головку. Конструкция головки аналогична устройству детекторной головки и зависит от передающего тракта (коаксиального, волноводного и т. д.). Болометр (термистор) действует как сопротивление, обладающее большим отрицательным температурным коэффициентом.
|
Рис. 5 |
Простейшим измерительным блоком термисторного ваттметра является резистивный мост Уитстона (рис. 5), в одно из плеч которого включено сопротивление термистора RT, одновременно включенного в СВЧ тракт как оконечная нагрузка. Резисторы в остальных трех плечах моста одинаковы, и их сопротивление R0 равно сопротивлению термистора RT. При этом мост сбалансирован.
При подведении к термистору СВЧ мощности он дополнительно разогревается, в результате чего сопротивление термистора изменяется. Баланс моста нарушается. Величину разбаланса индицирует гальванометр, включенный в диагональ моста. При малом разбалансе зависимость между величиной тока в диагонали моста и изменением сопротивления термистора можно считать линейной, а следовательно, СВЧ мощность, вызывающая изменение сопротивления, также линейно связана с током. Проведя предварительно калибровку прибора (т. е. определяя коэффициент пропорциональности К), можно шкалу гальванометра проградуировать непосредственно в единицах измеряемой мощности.
Недостатки описанного здесь простейшего варианта заключаются в следующем:
- коэффициент пропорциональности К зависит от температуры окружающей среды;
- имеется малый динамический диапазон;
- качество согласования с СВЧ трактом зависит от уровня измеряемой мощности (вследствие соответствующего изменения сопротивления термистора).
Поэтому на практике более распространены самобалансирующиеся мостовые схемы. Их особенностью является то, что дополнительный нагрев термистора мощностью СВЧ компенсируется уменьшением мощности постоянного тока, рассеиваемой в термисторе. Таким образом, сопротивление термистора в процессе измерения поддерживается постоянным. На таком принципе работает и используемый в данной работе болометрический измеритель ВИМ‑I (см. «Техническое описание измерителя мощности ВИМ‑1»).
В данной работе в качестве источника СВЧ мощности используется магнетрон, работающий в непрерывном режиме. Магнетрон – это двухэлектродная лампа, в которой электроны движутся в скрещенных электрических и магнитных полях. На рис. 6 показан сам магнетрон и необходимый для его работы лабораторный источник высокого напряжения.
Рис. 6
Поскольку магнетрон может генерировать колебания, мощность которых намного превышает «возможности» ВИМ‑I, нельзя подключать ваттметр непосредственно к выходу магнетрона. Для того чтобы ослабить сигнал, идущий от источника, следует использовать волноводный направленный ответвитель (рис. 7). Схема подключения ваттметра ВИМ‑I к магнетрону показана на рис. 8.
Рис. 7
Рис. 8
Измерив ваттметром подводимую к нему мощность РВ, можно вычислить генерируемую источником мощность РМ по следующей формуле:
(2)
где x – переходное затухание направленного ответвителя (в дБ).
Измерение мощности калиброванным детектором производится лишь в тех случаях, когда есть уверенность, что передающий тракт хорошо согласован с оконечной нагрузкой, т. е. отсутствует отраженная волна. Это связано с тем, что при наличии отраженной волны сигнал с зонда зависит от интерференционной картины электромагнитного поля в том месте, где он установлен.
В данной работе калиброванный детектор связан с передающим волноводным трактом при помощи емкостного зонда (рис. 9), а напряжение с детектора измеряется при помощи цифрового вольтметра (рис. 10).
Рис. 9
Рис. 10
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с «Техническим описанием и инструкцией по эксплуатации» калориметрического измерителя мощности M3-11A.
2. Соединить магнетрон и измеритель мощности M3-11A согласно схеме на рис. 11.
Рис. 11
3. Включить измеритель мощности М3-11А. Руководствуясь описанием к M3-11A, откалибровать прибор на шкале 100 мВт.
4. Измерить мощность, генерируемую магнетроном, и сравнить ее с показаниями детектора. Для сравнения использовать таблицы калибровки детектора и учесть отражения от измерителя М3-11А (КСВН = 1.41).
5. Ознакомиться с «Техническим описанием и инструкцией по эксплуатации термисторного измерителя мощности ВИМ-1».
6. Собрать схему, изображенную на рис. 12, и измерить мощность РВ. По формуле (2) вычислить мощность магнетрона РМ. Сравнить ее с показаниями детектора. При сравнении использовать таблицы калибровки детектора.
Рис. 12
Контрольные вопросы
1. Объясните работу калориметрического измерителя мощности.
2. Объяснить работу болометрического измерителя мощности.
3. Чем определяется частотный диапазон болометрического волноводного измерителя мощности ВИМ-1?
4. В чем заключена основная погрешность измерения мощности калиброванным детектором?
5. Найти погрешность измерения мощности М3-11А, если известен коэффициент отражения от его входа.
6. Найти погрешность измерения мощности калиброванным детектором, если известен коэффициент стоячей волны напряжения в линии, соединяющей магнетрон и измеритель мощности (рис. 11, 12).
Библиографический список
Гинзтон Э. Л. Измерения на сантиметровых волнах. М., 1960.
Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. М., 1970.
Милованов О. С., Собенин Н. П. Техника сверхвысоких частот. М., 1980.
Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах. М., 1973.
Лабораторная работа 4
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ
ВОЛНОВОДНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ
Измерительными линиями называются приборы для измерения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), полных сопротивлений и других характеристик передающей линии и оконечных нагрузок.
В данной работе рассматривается волноводная измерительная линия, принципиальная схема которой показана на рис. 1. Она состоит из отрезка волновода, имеющего продольную щель, вдоль нее передвигается зондовая головка 1 с зондом 2 и детектором 3. Детектор подключен к прибору 4, измеряющему ток детектора. Измерение КСВН сводится к исследованию характера распределения электромагнитного поля вдоль измерительной линии, нагруженной испытуемой нагрузкой. При перемещении зонда вдоль линии, внутри которой имеется электромагнитное поле, в нем наводится ЭДС, пропорциональная напряженности поля в сечении расположения зонда. Эта ЭДС возбуждает резонатор зондовой головки, создавая в нем электромагнитные колебания.
Рис. 1
Для уменьшения искажающего действия зонда на электромагнитное поле в линии, повышения чувствительности линии и фильтрации гармоник, резонатор зондовой головки настраивают на частоту электромагнитных колебаний, на которой исследуется нагрузка. При надлежащей настройке зондовой головки ток в цепи детектора, фиксируемый измерительным прибором (микроамперметром), является однозначной функцией напряженности электрического поля в месте расположения зонда.
При перемещении каретки с зондовой головкой вдоль линии ЭДС в зонде и выпрямленный ток в цепи детектора изменяются в соответствии с распределением электрического поля в линии.
Если к выходному фланцу измерительной линии присоединена несогласованная нагрузка, в тракте возникает стоячая волна (рис. 2).
Рис. 2
Перемещение зонда вдоль линии позволяет определить положение максимумов и минимумов напряжения в линии и их относительные величины. Блок-схема измерительной установки приведена на рисунке 3, а рисунок 4 иллюстрирует всю установку.
Рис. 3
Рис. 4
Знание относительных величин максимумов и минимумов напряженности поля позволяет определить КСВН, который, по определению, равен
, (1)
где ïГï – модуль коэффициента отражения.
Если характеристика детектора линейна, то Emax » A×a max и Emin » A×a min, где a – показания микроамперметра, A – коэффициент пропорциональности. Тогда
. (2)
При квадратичной характеристике детектора
. (3)
В настоящей работе необходимо выяснить характеристику детектора, так как она может быть и нелинейной, и неквадратичной.
При значительном рассогласовании нагрузки с измерительной линией, т. е. когда КСВН достигает больших величин (больше 3), возникают трудности при измерении Emax и Emin. Связано это с тем, что диапазон изменения показаний детектора слишком велик и характеристика детектора выходит за рамки квадратичности или линейности. В общем случае КСВН может быть подсчитан по формуле (метод узла)
. (4)
В случае когда детектор имеет квадратичную характеристику формула (4) принимает следующий вид
, (4¢)
|
Рис. 6 |
|
Рис. 5 |
где 
– произвольное расстояние вдоль линии между точками E1 и Emin (рис. 5), L – длина волны в волноводе.
Формулу (4¢) можно упростить, выбирая a1 = 2×a min и полагая 
(это неравенство справедливо для больших значений КСВН). В этом случае
, (5)
где d – расстояние между двумя положениями зонда по обе стороны от минимума, в которых показания индикатора в два раза больше, чем показание в минимуме (рис. 6). Этот метод носит название удвоения минимума.
Если же напряжение в узле настолько мало, что его трудно измерить с достаточной точностью, то для определения К можно пользоваться формулой
, (6)
где b = 2×p /L, обозначения E1, E2, и 
понятны из рис. 7.
|
Рис. 7 |
Подобными методами удается измерять достаточно большие значения КСВН.
Для определения величины полного сопротивления нагрузки ZН необходимо, кроме КСВН, найти значение фазового угла y. При этом надо знать, где находится условный конец линии. Для его нахождения линию сначала замыкают накоротко, присоединяя к фланцу вместо нагрузки короткозамыкающую заглушку (рис. 8). Крепление нагрузок и короткозамыкающей заглушки осуществляется специальной струбциной, изображенной на рис. 9. По линейке измерительной линии отмечается найденное положение узла 
которое и принимают за условный конец линии. Затем вместо короткозамыкающей заглушки подключают измеряемую нагрузку. При этом изменяется распределение электрического поля в линии. Зонд устанавливается в новом узле напряжения 
ближайшем от положения 
По смещению узла и значению длины волны в волноводе L определяется фазовый угол y:
(7)
Рис. 8 Рис. 9
Из формулы (1) находится модуль коэффициента отражения ïГï, а затем рассчитывается полное сопротивление нагрузки по формуле
. (8)
По данным КСВН и фазовому углу комплексное сопротивление нагрузки ZН может быть очень просто и с достаточной точностью определено по круговой диаграмме Смита. На диаграмме нанесены два семейства ортогональных окружностей, представляющих значения R/Z0 и X/Z0, т. е. нормированные значения активной и реактивной составляющих сопротивлений нагрузки (Z0 –.волновое сопротивление измерительной линии). По периферии диаграммы отложены значения фазового угла y. По поверхности диаграммы вращают закрепленную в ее центре линейку с нанесенными на ней значениями КСВН и ïГï.
Порядок пользования диаграммой для определения полных комплексных сопротивлений следующий:
а) по данным измерений вычисляется значение угла 
б) конец вращающейся линейки устанавливают на полученное значение фазового угла y, отложенного на периферии диаграмм;
в) по данным измерения КСВН (или ïГï) откладывают его значение на подвижной линейке;
г) через точку, соответствующую этому значению КСВН, проводят линии, параллельные ортогональным окружностям, и отсчитывают на диаграмме значения R/Z0 и ±X/Z0;
д) полученные значения R/Z0 и X/Z0 умножают на волновое сопротивление измерительной линии и определяют величину полного сопротивления нагрузки:
(9)
Обычно достаточно знать только нормированное значение полного сопротивления ZН/Z0.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с работой и настройкой измерительной линии по техническому описанию прибора.
2. Собрать установку, как показано на рис. 3.
3. Настроить измерительную линию так, как это указано в техническом описании и инструкции по эксплуатации прибора.
4. Провести измерение КСВН и фазового угла для следующих нагрузок:
а) согласованная нагрузка (переменный аттенюатор с максимальным ослаблением – рис. 10);
б) открытий конец волновода измерительной линии (рис. 11);
Рис. 10 Рис. 11
в) закороченный конец волновода (измерения проводить методом узла или удвоения минимума);
г) рупорная антенна (рис. 12);
д) нагрузка с большим КСВН (рис. 13, измерения проводить методом узла или удвоения минимума).
Вычисления КСВН производятся по формулам (3), (5) или (6). По измеренным значениям КСВН и фазовым углам y, пользуясь диаграммой Смита, определить величины комплексных нормированных на волновое сопротивление линии сопротивлений всех нагрузок.
Рис. 12
Рис. 13
Примечание. При измерениях КСВН необходимо знание характеристики детектора измерительной линии. Для этого перед началом работы надо провести калибровку детектора (см. «Техническое описание измерительной линии») и, пользуясь ею, определить КСВН или ïГï.
Контрольные вопросы
1. Изобразить структуру полей в прямоугольном волноводе при колебаниях H10, E11, H11.
2. Написать формулы, по которым определяются критические длины волн в волноводе для E и H-волн.
3. Написать формулы, определяющие длину волны, фазовую скорость, групповую скорость в прямоугольном волноводе.
4. Дать понятие о волновом сопротивлении волновода.
5. Как возбудить волновод на заданном типе волны?
6. Для чего и как производится калибровка детектора в измерительной линии?
7. Указать на источники погрешности при измерении КСВН измерительной линией.
8. Устройство измерительной линии.
9. Объяснить назначение и использование диаграммы Смита.
10. Дать определение коэффициента отражения (Г) и связь его с КСВН.
11. Какова связь между величиной полного сопротивления и Г?
Библиографический список
Валитов Р. А., Сретенский В. Н. Радиоизмерения на СВЧ. М., 1970.
Гинзтон Э. Л. Измерения на сантиметровых волнах. М., 1960.
Стариков В. Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М., 1972.
Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах. М., 1973.
Лабораторная работа 5
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМНЫХ
ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ БЕЗ ПОТЕРЬ
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 788; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!