Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



откуда

а = UnfjiQI]/ulK-uljnQ\ Так как a - 2QA(u/(uo, получим:

Аш/шо = u„fnJ2\/ulK~ulrriQ\

Из этой формулы видно, что максимальная погрешность по резонансной частоте будет

при Qmax и Щтт-

Если принять 6тах = 1000, а «ктт =

= 0,1 В, погрешность измерения добротности за счет неточной настройки в резонанс будет равна

5б = ДшК = 0,01«„/„ /]/0,01К - 4 10«2/„.

При определении погрешности измерения полосы пропускания напряжение на колебательном контуре (рис. 6.10) при малых расстройках

«K = «Bx"iQ/l/l+«

Так как расстройку по частоте при нахождении полосы пропускания производим по напряжению на контуре при постоянном входном напряжении, то погрешность будет определяться из второй производной:

dW/da- = UBKniQK{(l-

-2«)/[(l-a)l/iT]}.

Пороговое значение определяется в основном членом 1-2д\ так как только он дает приращение, отличное от нуля, при обоб-шенной расстройке а = 0,707, в то время как числитель изменяется от своего среднего значения не более чем на единицы процентов, что больше влияет на погрешность расчета, а не на погрешность определения полосы пропускания. Если учесть, что пороговое значение определяется при а = 0,707, то

«-,ду= -«BxKiK2QK(l - 2а?)/2,745, и„д/=-ИкП2К(1-2а)/2,745,

откуда

а = 1/(2,745й„Ч- ипК) llunK.

С учетом того, что a = 2QF/aio, получим f = Юо \/(2,745u„ +и,П2К)/2щп2К /2Q.

При а = 0,707 f о = 0,707сйо/2е -половина полосы пропускания. Таким образом, погрешность измерения добротности, обусловленная неточным определением полосы пропускания из-за конечного значения порога срабатывания устройства сравнения.

5, = (f-fo)/fo = = ]/(2J45u„ + щпЮ/ЩПК: - 1,

где И2 = 0,1 - коэффициент деления выходного емкостного делителя.

В связи с тем, что выделение первой и второй производных осуществляется путем сравнения дискретных участков амплитудно-частотной характеристики измерительного контура и функции первой производной, появляется погрешность измерения за счет дискретности Sg = АТ/Т, где ДГ - время дискретности, Т - время настройки. Taic же определяется и дискретная погрешность определения полосы пропускания 69.

Методическая погрешность зависит от несоответствия частоты экстремума амплитудно-частотной характеристики контура его резонансной частоте при измерении малых добротностей.

Кроме перечисленных погрешностей, следует учитывать также погрешности измерения частоты бц и отношения частот 612. Суммарную погрешность можно рассчитать по формуле

I бсиет

К систематическим составляющим погрешности относятся 61-85 и 61 о, а к случайным Sg-89 и бц, 812.

Упрощенная структурная схема измерителя добротности методом расстройки представлена на рис. 6.11. Блок управления обеспечивает три режима работы схемы:

поиска поддиапазона высокой часто-ы;

настройки генератора на собственную частоту измерительного контура;

определения полосы пропускания между точками перегиба резонансной характеристики измерительного контура.

Автоматический поиск поддиапазона высокой частоты начинает производиться по сигналам блока управления, которые поступают на генератор пилообразного напряжения, а он в свою очередь изменяет напряжение на варикапе задающего генератора. За один период пилообразного напряжения частота генератора изменяется в 2 раза. Перекрытие всего диапазона по частоте осуществляется задающим генератором и восемью ячейками умножителя частоты. За каждый период пилообразного напряжения частота удваивается. При частоте генератора, равной собственной частоте измерительного контура, первая производная проходит через нуль, происходит ограничение пилообразного на-



Блок генераторов

1- Блок управления

Генератор пилообразного напряжения

Блок измерения частоты

Блок измерения частот

Широкополосный усилитель

Блок измерительный

Блок выделения 1-й производной

резонансных частот

Источник опорного напряжения

Блок цифрового отсчета

Балансный модулятор

"~1

Генератор низкой частоты

полосы пропускания

Преобразователь напряжений

Блок выделения 2-й производной

Рис. 6.11. Упрощенная структурная схема измерителя добротности методом расстройки

пряжения, а это означает, что выбрана нужная ячейка умножителя частоты. Высокочастотное напряжение на входе блока выделения первой производной при поддержании постоянного напряжения на его выходе будет изменяться по обратно пропорциональному закону амплитудно-частотной характеристики контура. Это напряжение через усилитель постоянного тока подается на генератор пилообразного напряжения. Для увеличения дискретности обработки после выбора нужного поддиапазона частоты необходимо увеличить время формирования пилообразного напряжения в 5 раз, что обеспечивается специальной схемой управления под действием выходного напряжения блока измерений. Блок измерения частоты фиксирует момент настройки в резонанс и выдает соответствующую информацию на блок цифрового отсчета и в запоминающее устройство.

В режиме определения полосы пропускания по сигналу управления начинает линейно изменяться частота генератора низкой частоты, которая поступает через фазоинвер-тор на балансный модулятор. На второй вход балансного модулятора подается напряжение с выхода блока генератора высокой частоты. На выходе балансного модулятора будут выделяться напряжения разностных частот fi=fo-F и f2 = fo + F, получаемые при помощи фазоинвертора, ко-

торый периодически меняет на 180° фазу выходного напряжения низкочастотного генератора. Это изменение фазы необходимо для одновременного анализа левой и правой частей резонансной характеристики контура с целью получения обобщенной расстройки

а = (а1-Ю2)/2 = 0,707,

где «12=-0,375 (1/а) +0,707 при измерении малых значений добротности.

По истечении некоторого времени схема переключается в режим поиска поддиапазона высокой частоты, а в запоминающем устройстве полосы пропускания фиксируется напряжение, соответствующее некоторой расстройке измерительного контура. За время определения полосы про1скания смена режимов повторяется несколько раз. При каждом последующем переходе в режим определения полосы пропускания в запоминающем устройстве будет добавляться приращение напряжения, соответствующее приращению частоты расстройки.

Фиксирование в запоминающем устройстве напряжения на уровне, соответствующем частоте расстройки, равной половине полосы пропускания, наступает при прохождении второй производной через нуль. Это осуществляется сигналом, который вырабатывается блоком выделения второй производной.



6.3. ИЗМЕРЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРОВ НА СВЧ

По определению добротность есть отношение колебательной энергии резонатора к удвоенной энергии, теряемой за период. Величина, обратная добротности, называется затуханием. Различают две добротности: собственную, или ненагруженную, определяемую потерями только в самом резонаторе, и нагруженную, которая зависит от суммарных потерь в резонаторе и во внешних цепях, связанных с ним элементами связи.

На низких частотах резонансный контур полностью характеризуется его параметрами L, С, й. В области СВЧ резонансный контур не может быть описан аналогичным образом. Чтобы определить параметры контура на СВЧ, необходимо применять понятия теории электромагнитного поля, тогда удается описать свойства контура СВЧ в виде эквивалентной схемы, весьма близкой к эквивалентной схеме контура на низких частотах. Анализ низкочастотного аналога позволяет уяснить значение параметров эквивалентного контура СВЧ. Три основных параметра контура L, С, R связываются следующими известными соотношениями:

(6.12)

Если измерены cOq, Qo, Rb, to, решив уравнения в (6.12), получим выражения для определения параметров контура:

L=BoKeo; C = Qo/cOoRo; Rs = Ro/Qo-Таким образом, ясно, что по трем параметрам, полученным в результате эксперимента, можно вычислить основные параметры контура СВЧ. Различия в исследовании контуров СВЧ и низкочастотного заключаются в следующем:

параметры эквивалентного контура должны определяться для каждого вида колебаний в резонаторе в отдельности;

величина R, называемая эквивалентным активным сопротивлением контура, является неоднозначной из-за неопределенности понятий напряжения и тока на СВЧ; Rq может бьггь определено из выражения

Ro = [iEdD/2W,

Генератор

Развязывающее устройство

где Е - амплитуда напряженности электрического поля вдоль пути интегрирования между некоторыми двумя точками в резонаторе; W - мощность, рассеиваемая в резонаторе.

Значения сОц, Qo> Д-чя некоторых простых форм резонаторов могут бьггь вычислены по их геометрическим размерам и по проводимости стенок резонатора. Значения Юо, Qo и Rg необходимы и достаточны, чтобы полностью охарактеризовать контур СВЧ для данного вида колебаний. Контур СВЧ может бьггь связан с одной, двумя или несколькими передающими линиями. Его характеристики определяются путем измерения полного сопротивления на каком-либо из имеющихся выходов или путем измерения мощности, передаваемой от одного входа контура к другому.

Упрощенная схема контура СВЧ с двумя входами показана на рис. 6.12. Связь между объемным резонатором и передаюгцими линиями представлена в виде щелей, которые следует рассматривать как некоторый произвольный способ связи. Резонатор для данного вида колебаний представлен параметрами L, С„, Rs. В общем случае рассматриваемое устройство связи имеет активную и реактивную составляющие. Степень связи резонатора с линиями передачи удобно оценивать через значения его добротности в нагруженном и ненагруженном состояниях и внешней добротности, обозначаемых соответственно Qo, бнагр, бвн-

Добротность резонатора в нагруженном состоянии определяется как отношение общего реактивного сопротивления к общему сопротивлению потерь:

Qg=(uL/Rs; бнагр=ао/а + Р)?

Р = (шМ)7 {ZgRs [1 + (Xi/Zo)}, (6.13)

где Zo - полное сопротивление резонаторов; Xi = (oLi - индуктивность элемента связи; М - взаимная индуктивность между Li и L.

При критической связи бнагр = 6о/2 уравнение (6.13) можно записать в следующем виде:

1/анагр=1/ао+Р/ао,

1/анагр=1/ео + 1/евн,

где Qb„ « Qo/P, Р = Qo/Qbh-

Элемент связи

Объемный резонатор

Волновод

Детектор

Рис. 6.12. Эквивалентная схема контура СВЧ с двумя входами



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


0.0443