Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Значения Q объемного резонатора могут быть измерены одним из следующих четырех методов: передачи, измерения полного сопротивления, измерения затухания переходного процесса, динамическим.

В первом из этих методов резонатор с входными и выходными элементами связи используется как линия передачи. Зависимость выходного сигнала от частоты, получаемая в виде резонансной кривой, дает возможность по ширине полосы пропускания вычислить значение Q. Несмотря на простоту этого метода, для получения точных результатов необходимо при его реализации предусматривать ряд специальных технических приемов, о которых будет сказано ниже. Второй метод основывается, на определении зависимости входного полного сопротивления резонатора от частоты. Графическое изображение зависимости от частоты полного сопротивления резонатора, отнесенного к положениям узла и пучности при расстройке, будет представлять собой окружность и прямую линию соответственно. По этой зависимости определяются значения Q, 6нагр> Gbh- Так как окружность определяется по трем точкам, то необходимо провести только три независимых измерения полного сопротивления, чтобы получить все данные о характеристиках резонатора и его элементах связи. Для повышения точности используются дополнительные способы, позволяющие оценить случайную и систематические погрешности.

Метод измерения затухания переходного процесса, или метод измерения затухания, применим, как правило, для резонаторов с высоким Q. Он основывается на использовании явления затухания собственных колебаний в резонаторе. Если исследуемый резонатор возбудить импульсным сигналом, то во время отсутствия импульса колебания в резонаторе затухают по экспоненте.

Динамические методы основываются на получении изображения резонансной кривой на экране осциллографа с помощью свип-ге-нератора, и значения Q могут быть получены значительно быстрее, чем другими методами.

Рассмотрим более подробно особенности измерения добротности каждым из перечисленных ранее методов.

Метод передачи (резонансный метод).

Метод передачи является простейшим способом измерения на СВЧ. Исследуемый резонатор (рис. 6.13) через входной элемент связи соединен с генератором СВЧ сигнала, развязанным от нагрузки с помощью ослабителя или ферритового вентиля. К выходу резонатора црисоединен детектор с известной характеристикой. Изменяя частоту генератора, снимают резонансную кривую (рис. 6.14). По ширине полосы пропускания этой кривой определяют Q резонатора. Резонансную кривую можно также получить при неизменной частоте генератора, перестраивая сам резонатор.

Соотношение между шириной полосы пропускания резонансной кривой, коэффициентами связи на входе и выходе, Q, Снагр можно получить, предположив, что сопротивления нагрузки и генератора соответственно равны волновым сопротивлениям подключенных к ним линий в виде следующего выражения:

ео = енагр(1 + Р1 + Р2),

где Pi, р2 - коэффициенты связи на входе и выходе соответственно.

Потери передачи через резонатор Г(ю) можно представить в следующем виде:

T(co) = P„arp/Po. где Рнагр - мощность, отдаваемая в нагрузку; Pfj - максимальная мощность, которую генератор может отдать в согласованную нагрузку.

Определив для эквивалентной схемы, соответствующей схеме на рис. 6.12, Рнагр и Р, получим

Г(ю) = 4Pip2/[(l + Pi + Рг)" + 40ВДЛ,

(6.14)

где Д/ = (со - c0(j) /со - относительная расстройка.

При резонансе Д/ = О и (6.14) принимает

T(03o) = 4Pip2/(H-Pi-bP2)- (6-15) Разделив (6.14) на (6.15), получим Г(со) = Т(ио)/(1 + 4е2агрАЛ-

Точки половинной мощности на резонансной кривой получаются при 2Q„arpA/ =

Генератор

Аттенюатор -* Элемент связи -* Резонатор

Частотомер

Индикатор

Элемент связи

Детектор

Рис. 6.13. Схема измерения добротности резонансным методом




-4-3-2-101234 Относительная расстройка

Рис. 6.14. Определение добротности по резонансной кривой контура

= +1 или 2Д/==+1/е„агр, или 2Д/ =

= +(1 + 31 + 32уео = д/п -

Величину Д/п называют шириной полосы пропускания резонансной кривой по половинной мошности, следовательно, можно записать:

ао = /(1 + р1 + 32)/д/п-

Таким образом, если сопротивления генератора и детектора согласованы, то измерение с помошью резонансной кривой позволяет определить Снагр- Если могут быть отдельно измерены коэффициенты связи, определяется и добротность в ненагруженном состоянии расчетным путем. Однако при существенном уменьшении коэффициента связи между детектором и резонатором до тех пор, пока он не перестанет оказывать влияние на параметры резонансной кривой, можно определить Qg. При этом необходимо также иметь слабую связь между резонатором и генератором. Тщательное проведение измерений позволяет получить высокую точность результата, так как наличие потерь в элементах связи существенной роли не играет. Недостатком метода передачи является то, что он не дает непофедственно значение добротности, а требует применения расчетов.

Метод измерения полного сопротивления.

Измерение полного сопротивления может

Связь близка к критической


Связь меньихе

критической у-связь

больше критической

Рис. 6.15. Круговая диаграмма для трех степеней связи резонатора с линией передачи

быть осуществлено несколькими способами. Можно использовать данные о КСВН без соответствующей информации о фазе. График зависимости КСВН от частоты содержит всю необходимую информацию. Можно воспользоваться только данными о фазе, не имея сведений о КСВН. В зависимости от условий один из них является более выгодным или обеспечивает более высокую точность измерений. На рис. 6.15 показана круговая диаграмма для трех степеней связи резонатора с линией передачи. При связи, близкой к критической, окружность пересекает действительную ось вблизи точки (1,0). В этом случае данные о КСВН и фазе дают равноценные результаты, но большая точность получается, если полное сопротивление при каждом значении частоты измеряется как комплексная величина.

При слабой связи (3« 1) геометрическое место точек входного полного сощэоти-вления представляет собой окружность, которая охватывает лишь незначительный интервал изменений фазового угла. Поэтому данные о фазе не могут обеспечить высокой точности результата. В то же время КСВН, соответствующий точкам этой окружности, сильно зависит от частоты, что обеспечивает высокую точность измерений. Если связь значительно больше критической (3» 1), окружность приближается к границе круговой диафаммы. При этом КСВН существенно не меняется, а фазовый угол изменяется значительно и дает более высокую точность измерений.

Для измерения входного полного сопротивления резонатора между ним и генератором включают измерительную линию. Измерение начинают с определения положения узла при расстройке. Для этого устанавливают требуемое значение частот*! генератора и полностью расстраивают резонатор. Линия оказывается нагруженной на чисто реактивное сопротивление. С помощью измерительной линии находят узел напряжения для режима расстройки. Это положение фиксируется с целью использования при дальнейших расчетах. После этого определяют коэффициент связи, так как от него зависит выбор методики дальнейших измерений. Зонд линии помещается в положение узла при расстройке и оказывается подключенным к выходу эквивалентного параллельного контура.

Настройка резонатора на максимум напряжения на зонде эквивалентна настройке резонатора в резонанс при условии, что сопротивление источника является чисто активным. Если все операции выполнены точ-



но, то перемещение зонда относительно положения узла при расстройке покажет, что в узле расположен максимум или минимум напряжения, так как сопротивление резонатора при резонансе является чисто активным. Если анализ характера стоячей волны покажет, что в положении узла при расстройке расположен минимум напряжения, то связь является меньше критической, если - максимум напряжения, то связь больше критической.

Измерив КСВН при резонансе, можно определить коэффициент связи. При связи меньше критической р = 1/гр, а при связи больше критической р = Гд, где Vq - значение КСВН при резонансе. Зная р, можно определить положение точки пересечения кривой полного сопротивления с действительной осью на круговой диаграмме (рис. 6.16). Геометрическое место точек, соответствующих R = X для всех возможных значений р (рис. 6.16), представляет собой дуги окружностей, проходящих через крайние точки действи- тельной оси, с центрами, расположенными на мнимой оси круговой диаграммы. Пересечение этих окружностей с окружностью представляет собой зависимость полного сопротивления от частот, при которых

2ао(8-5о)= +1.

Обозначим эти два значения через 5i и бг.

Тогда

2ао(8.-8о) = 1; 2Qo(82-8o)=-l.

После вычитания и преобразования получаем (2о = l/(5i -82) или через значения частот Qo=/c/(/,-/2)= А/- Таким образом, две частоты, при которых кривая полного сопротивления пересекается кривыми Л = Л", определяют значение добротности ненагруженной системы. Точки, соответствующие частотам и /2, называются точками половинной мощности. Если обозна-

Окружность полного сопротивления

КСВН


- Yf

Рис. 6.16. Круговая диаграмма зависимости полного сопротивления от частоты

Рис. 6.17. График зависимости КСВН от частоты

чить через 63 и 5 те значения относительной расстройки, при которых 2(2нагр = (8 - 8о) = = + 1, и через 65 и Sg те значения 5, при которых 2ев„ = (8 - 8о) = ± 1, то

Онагр = 1/(8з - 84); Gbh = 1/(85 - 8б).

На круговой диаграмме (рис. 6.16) показано определение положения точек половинной мошности, соответствующих Qo. биагр,

Gbh-

Рассмотренный метод является сравнительно трудоемким, так как требует измерения фазы и КСВН на каждой частоте, а также последующих вычислений, использования круговой диаграммы. Этот способ существенно упрощается, если измерять только КСВН как функцию частоты. При проведении измерений сначала находится положение узла при расстройке, затем резонатор тщательно настраивается в резонанс и для определения степени связи (больше или меньше критической) исследуется характер стоячей волны, после чего измеряется КСВН при резонансе г, и по соответствующим уравнениям вычисляется коэффициент связи р. По графику (рис. 6.17) находят значение КСВН в точках половинной мощности. Пользуясь графиком зависимости КСВН от частоты, определяют частоты, соответствующие КСВН в точках половинной могцности. Добротности рассчитьтаются по уравнениям:

Go = i/(6.-82)=/o/(A-/2):

GHarp = l/(83-8J=/„/(/3-/J; евв = 1/(8,-8б)=/„/(/5-/Д

где 61 и 82, 83 и 84, 85 и бб - относительные расстройки в соответствующих точках половинной мощности.

Фазовый метод основан на измерении зависимости положения узла напряжения от



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


0.015