Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



5.1. Характеристики трактов с распределенными постотными


Рис. 4.33. Упрошенная схема калибратора ЕК1-6 в режиме емкостного трехполюсного имитатора

ческий инвертирующий усилитель УПТ2.

Сопротивление делителя изменяется от 1-10 до 9,999-10* Ом с дискретностью МО* Ом.

Усилитель УПТ2 представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления {К х 100000) и высоким входным сопротивлением. В цепи обратной связи y/ITj включен резистор сопротивлением 10* Ом. Коэффициент передачи усилителя (с учетом действия обратной связи) составляет около 1,2.

Таким образом, на выходе второго усилителя создается напряжение, совпадающее по фазе с испытательным C/„cn- С помощью резисторов Яг. 4. это напряжение преобразуется в ток, который поступает на измерительный вход тераомметра.

Воспроизводимое сопротивление определяется выражением

Явос = RiR3RjR2R.

В режиме емкостного трехполюсного имитатора используется схема, приведенная на рис. 4.33.

В отличие от предыдущей схемы в цепь обратной связи усилителя постоянного тока УПТ2 включается конденсатор Смит, и этот каскад по своей функции становится интегратором, в котором выходное напряжение преобразуется в линейно изменяющееся. Через дифференцирующий конденсатор Сдиф это напряжение подается на поверяемый прибор. Значение тока, поступающего на вход тераомметра, зависит от крутизны линейно изменяющегося напряжения, которая определяется значением Я3.

Усилитель УПТ1, Я1 и Я2 образуют фа-зоинвертор для обеспечения требуемой полярности тока через Сдиф. Воспроизводимое сопротивление

Reoc - R],CmnRJCaKR2-

Выбором параметров схемы воспроизводимое сопротивление можно менять в широких пределах с высокой дискретностью.

РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ

ЮМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

5.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТРАКТОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

Для передачи высокочастотной энергии электромагнитной волны на небольшие расстояния применяются тракты с распределенными постоянными - коаксиальные и волноводные линии.

На рис. 5.1 и 5.2 представлено распределение силовых линий электрических и магнитных полей в этих линиях.

В коаксиальных линиях имеет место замкнутое во внешнем цилиндре электрическое поле с вектором Е, направленным по радиусам, и магнитное поле с вектором Я, направленным по концентрическим (относительно внутреннего проводника) окружностям.

Из общей теории трактов с распреде-

ленными постоянными следует, что если вдоль тракта распространяется электромагнитная волна, то комплексные амплитуды компонентов электрического и магнитного полей £, и Н, независимо от типа тракта можно представить в-виде

£rM = w" + £cTpe"; (5.1)


Рис. 5.1. Распределение силовых линий электрических и магнитных полей в коаксиальных трактах



H,(,x) = H„e-Jy-Epe\ (5.2)

где £пад и Ядад - амплитуды падающих, а £отр и Яотр - амплитуды отраженных волн на входе СВЧ тракта. Множители е"" и 1-де Y=p-ja -комплексная постоянная распространения, символизируют волновой процесс. Величина а назьшается постоянной затухания. Она равна нулю для идеального волновода без потерь. В этом случае Y = р = 2я/Х,в является фазовой постоянной, где Х,в - длина волны в тракте.

Связь между £пад и Япад зависит от типа волны, на которой происходит перенос энергии. Для различных типов волн имеют место следующие соотнощения:

для волны типа £ £пад/Япад = Игр;

для волны типа Я £пад/Япад =гр/е; . для волны типа ТЕМ

где игр - групповая скорость распространения в тракте; р - магнитная проницаемость; 8 - диэлектрическая проницаемость; Zj, - волновое сопротивление тракта.

Волновое сопротивление зависит от вида тракта и его размеров. Для коаксиальной линии

Zo = 13,91g(D/d), (5.3)

где D - внутренний диаметр внещнего проводника; d - диаметр внутреннего проводника. Размеры Dud зависят от диапазона частот и уровня мощности в тракте.

В отечественной измерительной технике приняты размеры Dwd коаксиальных линий, приведенные ниже.

D, мм d, мм

Верхняя граница диапазона частот.

16,0

6,95

16,0

3,04

18,0

1,52

На волнах короче 1 м возможно использование полых труб прямоугольного сечения - волноводов.

В волноводах распространяются электромагнитные волны только двух типов: поперечно-магнитная (ТМ- или £-волна) и поперечно-электрическая (ТЕ- или Я-волна) (рис. 5.2). Волноводы являются линиями передачи электромагнитной энергии сверхвысоких частот (до 400 ГГц). Преимуществами волноводньгх линий перед коаксиальными являются меньшие потери энергии на поглощение в стенках волновода, возможность передачи большей мощности и относительная простота конструкции.

Формула волнового сопротивления для волн типов £ и Я имеет следующий вид:

е \/Т~(Х/2а) «

-, (5.4)


Рис. 5.2. Распределение силовых линий электрических и магнитных полей в волноводных трактах

где а и b - внутренние поперечные размеры волновода.

Ниже приведены размеры волноводов, принятые в отечественной радиоизмерительной технике, и соответствующие им частоты.

Внутренние размеры

Диапазон

волновода

частот.

(о x Ь), мм

1,6x0,8

118,1-178,4

2,4x1,2

78,3-118,1

3,6 x 1,8

53,6-78,3

5,2x2,6

37,5-53,6

7,2x3,4

25,95-37,5

11x5,5

17,44-25,95

13x6,5

14,71-21,43

16x8,0

12,05-17,44

19 x 9,5

9,93-14,71

23х 10

8,24-12,05

28,5 x 12,6

6,85-9,93

35 x 15

5,64-8,24

40x20

4,8-6,85

48x24

3,94-5,64

58x25

3,20-4,80

72x34

2,59-3,94

90x45

2,14-3,20

110x55

1,72-2,59



5.2. Методы измерения коэффициентов стоячей волны


Рис. 5.3. Расположение стоячей волны вдоль линии

Для характеристики качества согласования сопротивлений в трактах с распределенными постоянными широко пользуются двумя понятиями: коэффициентом отражения и коэффициентом стоячей волны.

Под коэффициентом отражения понимается отношение комплексных амплитуд отраженной волны £о,р и падающей волны

Г=£отр/£паде

(5.5)

где <р - разность фаз между £отр и £пад.

Коэффициент стоячей волны (КСВ) определяется отношением максимального значения напряжения (или тока) к минимальному значению напряжения (или тока) вдоль однородной линии.

Вдоль линии за счет сложения падающей и отраженной волн устанавливается стоячая волна (рис. 5.3), т. е. напряжение (или ток) имеет максимальное и минимальное значения.

Отсюда КСВ определяется как

KctV= Umax/Umin = Jmax/Jmm. (5.6)

Коэффициенты отражения Г и стоячей волны кст V связаны между собой следующими соотношениями:

Г = (/сс,(;-1)/(К„(;+1); (5.7)

Ксхи = (1-1-Г1)/(1-Г1), (5.8)

где IГI - модуль коэффициента отражения. Поскольку Г может изменяться от

0 до 1, пределами изменения ц являются

1 и сю. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большой КСВ; режим согласования линии с нагрузкой характеризуется КСВ, равным 1.

Понятие КСВ очень широко применяется в технике сверхвысоких частот. Величиной КСВ пользуются для оценки качества аппаратуры, ее эффективности, для выражения параметров СВЧ узлов и т. п.

Действие четырехполюсников, прим няемых на СВЧ, таких как отрезки линий.

соединители, переходы, аттенюаторы, элементы связи, ферритовые приборы и другие СВЧ узлы, может быть описано с помощью матриц, дающих связь между входными и выходными параметрами. На рис. 5.4 представлена схема четырехполюсника с характеризующими его параметрами. Коэффициенты передачи четырехполюсника соответственно в прямом и обратном направлениях при отсутствии отражений в тракте выражаются как

= S2ie/i>.i; (5.9)

с Ui

= Si2e/P-. (5.10)

(/3=0

Рис. 5.4. Схема четырехполюсника с характеризующими его параметрами

Коэффициенты отражения четырехполюсников со стороны входов и выходов будут соответственно:

= Г1е/Ф1.; (5.11)

(/4 = 0

= IГ21 е"1>". (5.12)

17з = 0

Коэффициенты Хц, S22, Si, S принято называть S-параметрами; <Pi2 и <P2i ~ сдвиги фаз, вносимые четырехполюсниками в прямом и обратном направлениях соответственно; Фи и Ф22 - фазы коэффигщентов отражения входов и выходов четырехполюсников соответственно.

5.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ

ПО НАПРЯЖЕНИЮ, МОДУЛЯ И ФАЗЫ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ

Наиболее распространенными методами измерения коэффициента стоячей волны, модуля и фазы коэффициента отражения являются следующие:

анализ картины стоячей волны методом подвижного зонда;

метод, основанный на использовании эллиптической поляризации;

метод, основанный на использовании направленных ответвителей.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 [70] 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0133