Оптимизация устройства для определения коэффициент передачи и ослабления образцов с малым поглощением

Из отрезков 3-см волновода, разной формы собирается волноводное кольцо, в которое включены направленный ответвитель НО, 3-см измерительная линия ИЛ и диэлектрический фазовращатель ц. 3-см электромагнитные волны, модулированные по амплитуде низкой частотой (400 гц), поступают в кольцо от генератора Г,

Рис. 2. Волноводное кольцо

волноводный выход которого стыкован со входом направленного ответвителя. Диэлектрический фазовращатель позволяет менять электрическую длину контура. Детектор в зонде измерительной линии регистрирует амплитуду волны в данной точке контура. От зонда продетектированный сигнал через усилитель низкой частоты поступает на вход осциллографа ЭО-7.

Вначале фазовращатель стоит в нулевом положении. На экране осциллографа наблюдается сигнал небольшой амплитуды, так как при произвольной длине контура в нем не укладывается целое число волн и волны гасят друг друга. Вращая ручку фазовращателя, находят такое положение, что амплитуда сигнала проходит через максимальное значение. Это соответствует случаю, когда в кольце уложилось целое число волн. Можно убедиться, что в обоих случаях в контуре существует бегущая волна: при перемещении зонда вдоль линии изменения амплитуды сигнала незначительны. Они обусловлены неидеальной стыковкой деталей контура. Опыт показал, что при определенных условиях при бегущей волне имеет место резонанс.

Волноводное кольцо размыкается, удалив участок А В С, а открытые выходы волноводов замыкаются металлическими пластинками КК. В линии устанавливается стоячая волна. При перемещении зонда вдоль линии сигнал на экране осциллографа периодически меняется от нуля (узлы стоячей волны электрического поля) до максимума (пучности стоячей волны). Конечно, при показе этого опыта тщательно оговаривается различие природы волн де Бройля и электромагнитных и разъясняется, что задача опыта -- лишь моделировать идеи де Бройля. [6]. Однако эта оговорка ни в коей мере не отрицает полной аналогии между электрическими процессами, происходящими в электронной оболочке атома в стационарном либо квазистационарном состоянии, и поведением электромагнитной волны в замкнутой кольцевой системе при выполнении условия резонанса, так как 1-й постулат Бора по форме полностью совпадает с условием резонанса электромагнитных волн в замкнутых системах. В настоящее время, несмотря на огромное количество работ, как теоретических, так и экспериментальных, в данном направлении, поведение волн во многом далеко от полноты своего описания. Это особенно ярко проявляется в случаях, когда длина волны является величиной, сравнимой с характерными размерами элементов систем. Таким процессом может быть рассеяние на спиральных элементах либо - структурах, резонансные явления в волноводных и коаксиальных трактах.

Существует большое количество работ, посвященных описанию механизма самовозбуждения электромагнитной волны. Так, в работе [7] рассматривались вопросы о механизме появления комплексных волн в спектре экранированного волновода. С помощью теории преобразования типов волн объясняется механизм появления комплексных волн в спектре экранированного диэлектрического волновода. Для волновода круглой формы приведены результаты численных расчётов, подтверждающие правильность разработанной модели.

В работе [8] был предложен метод определения величины комплексной постоянной распространения поверхностной электромагнитной волны, не требующее знания электрофизических параметров исследуемого материала.

С точностью до членов размножения высшего порядка малости по степеням л/L и ?/щ, в работе [9] получены уравнения переноса энергии, импульса и момента импульса пакета электромагнитной волны, распространяющейся в слабопоглащающей однородной стационарной анизотропной и гиротропной среде с временной и пространственной дисперсией. Показано, что закон сохранения собственного момента импульса (спина) волны имеет место только для поперечных волн с круговой поляризацией. Определены выражения для плотности спина, его потока.

Сообщается [10] о новом подходе, позволяющем существенно эффективней и быстрее, а также с большей точностью решать задачи вычисления полей широкого класса диэлектрических волноводов. Этот подход при численной реализации обеспечивает хорошую устойчивость.

Метод интегрированного уравнения, полученный на основе применения тождества Грина, используется [11] для определения резонансных частот дисковых и кольцевых резонаторов, расположенные на однослойной диэлектрической подложке и заключенных в низкий цилиндрический резонатор- экран. Вследствие использования в качестве базисных функций собственных колебаний структуры существенно сокращено время расчетов. Приведены результаты определения резонансных частот дисковых резонаторов для колебаний типа Е010, ЕН110. В кольцевом резонаторе определены собственные частоты колебаний типа ЕН110, ЕН210, ЕН310.

Обсуждается вопрос о замене реальных граничных условий при решении задач отражения и прохождения электромагнитной волны через приближенные импедансы. [12]

Общая теория реактивной связи двух резонансных типов колебаний сформулирована [13] в терминах нормализованных эквивалентных сосредоточенных элементов. Выявлено влияние связи на добротность и уход резонансных частот.

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований полосковых кольцевых резонаторов [14], перестраиваемые с помощью варакторных диодов. Кольца образованы щелевой линией передачи или компланарным волноводом. Получена [13] электронная перестройка резонансной частоты щелевого резонатора в полосе частот 3,03- 3,83 ГГц (23%) при вносимых потерях 4,5 ± 1,5 дБ, резонатор на компланарном волноводе перестраивается в полосе 2,83- 3,59 ГГц.

Рассматриваются [15] особенности прохождения плоской электромагнитной волны через бесконечную диэлектрическую среду, состоящую из плоскопараллельных пластин . Предполагается , что среда является периодической. Её периодические элементы состоят из конечного числа пластин с произвольными значениями диэлектрической проницаемости, волна падает под произвольным углом на пластины и имеет либо ТМ-, либо ТЕ- поляризацию. С использованием теоремы Флоке задача сводится к рассмотрению полей только в отдельном элементе периодичности среды. Метод демонстрируется на примере, когда элемент периодичности среды состоит только из двух пластин.

Предложена [16] схема возбуждения колебания кольцевого резонатора, использующая идею автоколебания и сохраняющая интегрирующий эффект. Автоколебания обеспечиваются внешней нелинейной запаздывающей обратной связью, связывающей колебания резонатора в некоторых точках с величиной напряжения на электродах в системе возбуждения колебаний. На основе известной нелинейной модели резонатора выявлены условия существования автоколебаний, исследована их устойчивость и получены асимптотические формулы. Показано отсутствие зависимости калибровочного коэффициента резонатора от коэффициента усиления в цепи внешней запаздывающей обратной связи.

Предложена [17] точная формула для расчёта числа типов волн, возбуждаемых в прямоугольном волноводе для произвольной полосы частот. Показано, что в пределе высоких частот полученная формула переходит в известное асимптотическое приближение. Проведено сравнение результатов расчёта числа типов волн по точной и асимптотической формулам.

Рассмотрено [18] применение конечно- разностных методов для расчёта диэлектрических волноведущих систем. Исследованы основные причины, препятствующие широкому использованию метода конечных разностей для расчёта открытых диэлектрических структур и волноводов с диэлектрическим наполнением. Указаны перспективные направления развития рассматриваемых методов.

В работе [19] излагается обзор современного состояния волноводной техники. Представлены частотные характеристики коэффициентов затухания в волноводах различных типов (круглых, прямоугольных, коаксиальных Н- образных). Дан также обзор конструкций устройств на волноводах с увеличенными размерами поперечного сечения: волноводных переходов, устройств для подавления волн высших типов .

В [20] даны результаты расчетов характеристик коэффициента затухания ряда типов волн в прямоугольных и круглых волноводах. Расчеты выполнены в приближении малых потерь. Результаты расчетов представлены в виде графиков зависимости нормированных коэффициентов затухания для 14 первых типов ТЕ и ТМ в прямоугольном волноводе и 15 в круглом от длины волны, нормированной к ширине прямоугольного волновода.

Изучены [21] общие закономерности формирования амплитудно- частотной характеристики симметричных волноводных или периодических резонаторов на основе выяснения их взаимосвязи с собственными частотами колебаний открытых структур. Исследовано влияние количества и местоположения собственных частот колебания одного или различных типов симметрии на частотные характеристики. Даны простые оценки зон наличия или отсутствия резонансов полного отражения и прохождения, добротности и величин смещения резонансов относительно реальных частей собственных частот .

При размерах систем сопоставимых с длиной волны излучения, распространяющихся в данной системе, проявляются квантовые эффекты, характерные для электромагнитных процессов происходящих в атомных и молекулярных системах для электромагнитных волн видимого диапазона, т.е. в оптике. В частности, поведение электрона в атоме водорода описывается на основе постулатов, т.е. утверждений, которые не могут быть доказаны, а воспринимаются как факт на основе экспериментальных результатов. Основным постулатом является утверждение о существовании стационарных орбит, на которых электрон не излучает, причем длина орбиты при этом равна длине волны электрона. Экспериментальную проверку данного постулата в оптике затруднительна, поскольку длина волны при этом весьма мала. Для радиотехнических систем, где длины волн имеют макроскопические размеры, постановка такого эксперимента вполне осуществима [21]. Эксперимент по поведению бегущих электромагнитных волн в замкнутой системе, длина которой кратна длине волны, описан в литературе как демонстрационный, хотя изучение поведения бегущих волн в замкнутых системах представляет и чисто практический интерес.

2. Ослабления и их измерение

2.1 Виды ослаблений и основные отношения

Ослаблением называется уменьшение электрической мощности между двумя сечениями линии передачи, вызываемое ее поглощением (рассеиванием) и отражением. Ослабление возникает при наличии между генератором и нагрузкой любых пассивных четырехполюсников -- аттенюаторов, ферритовых вентилей, вращающихся сочленений, соединительных разъемов и фланцев, различных переходных и согласующих устройств. В работе [22] приведены основные методы измерения и вычисления ослабления. Значение ослабления можно рассчитать только в ограниченном числе случаев (например, ослабление предельного или поляризационного аттенюатора), поэтому его определяют экспериментально, т. е. измеряют.

В общем случае:

, (61)

где A -- ослабление, дБ; и -- мощности, отдаваемая генератором и поступающая в нагрузку соответственно.

На рис. 3 генератор с полным сопротивлением , соединен линией без потерь с нагрузкой . Ослабление равно нулю, если ; это возможно при комплексном согласовании цепи, т. е. когда и , а волновое сопротивление линии активно ().

В этом случае в нагрузку поступает максимальная мощность

, (62)

-- так называемая располагаемая мощность генератора.

Если сопротивления генератора и нагрузки равны друг другу (), но не являются комплексно-сопряженными, то они тоже

Рис. 3 Схема определения

Рис. 4 Схема определения ослабления вносимого ослабления

согласованны, т. е. отражения от нагрузки не возникает. Однако в этом случае ослабление не равно нулю, так как

(63)

следовательно,

В радиотехнической практике преимущественно измеряют два вида ослабления, вносимое, при отсутствии согласования в тракте передачи, и собственное, при наличии согласования.

Вносимое ослабление (рис. 4) определяют по формуле (61):

(64)

где -- полная мощность, поглощаемая нагрузкой при включении её на выход четырёхполюсника, а Р1 -- полная мощность, поглощаемая той же нагрузкой при включении ее непосредственно к выходу генератора.

Значение вносимого ослабления зависит от параметров четырёхполюсника и полных сопротивлений генератора и нагрузки. Если четырёхполюсник без потерь, т. е. состоит только из реактивных элементов, вносимое ослабление возникает за счет несогласованности цепи и является ослаблением отражения; если четырёхполюсник содержит и резистивные поглощающие элементы, то вносимое ослабление состоит из двух составляющих -- ослабления поглощения и ослабления отражения :

(65)

При полном согласовании цепи вносимое ослабление является только ослаблением поглощения, так как .

Собственное ослабление определяется той же формулой, но и представляют собой полные мощности на входе и выходе четырёхполюсника, нагруженного с обеих сторон согласованными сопротивлениями.

Измерение ослабления выполняется при поверке и калибровке аттенюаторов, делителей напряжения и мощностей; при определении характеристик фильтров, направленных ответвителей, ферритовых элементов, различных неоднородностей в трактах передачи и т. д.

Измерения ослабления выполняются методами отношения мощностей, отношения напряжений, замещения и отражения. Выбор метода определяется в каждом конкретном случае диапазоном частот, допустимой погрешностью измерения и характеристиками измеряемого четырёхполюсника. При измерении ослабления отрезков кабелей можно применять резонансный метод.

2.2 Измерение вносимого ослабления

Метод отношения мощностей (напряжений). Измерение выполняют в следующем порядке. Собирают схему (рис. 5); на выходе генератора устанавливают напряжение (мощность) нужной частоты, включают нагрузку и, регулируя выходное напряжение (мощность) генератора, устанавливают удобное для отсчета значение мощности Затем включают между генератором и нагрузкой четырёхполюсник и при неизменном значении выходного напряжения генератора определяют новое значение мощности .

Рис. 5. Схема измерения ослабления методом отношения мощностей (напряжений)

Вносимое ослабление определяют по формуле (61). Если нужно знать значение вносимого ослабления в диапазоне частот, указанное измерение повторяют на нескольких частотах при постоянном выходном напряжении генератора. Погрешность измерения зависит только от погрешности измерения мощности.

Измерение ослабления методом отношения напряжений выполняется в том же порядке. Значение ослабления вычисляют но формуле:

(66)

Предел измерения вносимого ослабления определяется возможностью отсчета достоверных показаний напряжений по одной шкале электронного вольтметра. Погрешность зависит от класса точности вольтметра.

Метод замещения. Вносимое ослабление измеряете помощью схемы, представленной на рис. 6. Подключают к зажимам 1, 2 измеряемый четырёхполюсник и устанавливают на нагрузке некоторое удобное для отсчета напряжение. Затем заменяют четырёхполюсник образцовым градуированным аттенюатором и регулировкой его ослабления восстанавливают прежнее показание напряжения на нагрузке; выходное напряжение генератора должно быть неизменным. Значение ослабления, вносимого образцовым аттенюатором, фиксируемое по его шкале, равно ослаблению, вносимому измеряемым четырёхполюсником.

Рис. 6. Схема измерения вносимого ослабления методом замещения

При методе замещения следует иметь в виду, что входные и выходные сопротивления измеряемого и образцового четырехполюсников должны быть одинаковыми. Погрешность измерения зависит только от погрешности градуировки образцового аттенюатора.

Метод отражения. Этот метод применяется на сверхвысоких частотах для измерения малых ослаблений. Типичными случаями являются измерение ослабления, вносимого неоднородностями, например вращающимися сочленениями волноводной линии круглого сечения, диафрагмой, настроечными винтами и т.д.

При использовании этого метода вносимое ослабление представляют в виде суммы в соответствии с формулой (65) и измеряют отдельно ослабления отражения и поглощения.

Рис. 7 Схема измерения вносимого ослабления методом отражения

Для этого собирают измерительную установку (рис. 7а) и при помощи измерительной линии определяют коэффициент стоячей волны напряжения в тракте. Значение вносимого ослабления отражения вычисляют по формуле:

(67)

Для определения ослабления поглощения четырёхполюсник поворачивают на 180° и к его входным (теперь выходным) зажимам (рис. 7б) присоединяют отрезок линии с короткозамыкающим поршнем. Устанавливают пять-шесть положений поршня на длине, не меньшей половины длины волны, и измеряют в каждом положении коэффициент стоячей волны напряжения и расстояние от выходных (теперь входных) зажимов четырёхполюсника до первого минимума.

Для каждого положения вычисляют модуль коэффициента отражения

(68)

и его фазовый угол где -- коэффициент фазы.

Полученные значения коэффициента отражения наносят на диаграмму в полярных координатах и соединяют точки между собой. Геометрическое место точек представляет собой окружность радиуса r. Ослабление поглощения вычисляется по формуле:

(69)

В соответствии с формулами (65), (67) и (69) полное вносимое четырёхполюсником ослабление:

(70)

В практике измерений на СВЧ встречаются цепи с согласованными сопротивлениями, т.е. линии, в которых волновое сопротивление, сопротивление нагрузки и входное и выходное сопротивления четырёхполюсника одинаковы. В этом случае ослабление отражения равно нулю. Ослабление поглощения определяют следующим образом. Выходные зажимы четырёхполюсника (рис. 7а) закорачивают и находят коэффициент стоячей волны напряжения ; значение вносимого ослабления

(71)

Погрешность измерения вносимого ослабления по методу отражения определяется качеством измерительной линии. Существенную роль играют также потери в короткозамыкающем поршне, который должен представлять собой чисто реактивное сопротивление, т. е. обеспечивать полное отражение энергии. Если есть подозрение, что в короткозамыкателе имеются потери, его ослабление необходимо определить в соответствии с формулой (71) и вычесть из полученного ранее.

2.3 Измерение собственного ослабления

При измерении собственного ослабления четырёхполюсника его входное и выходное сопротивления должны быть согласованы с сопротивлениями генератора и нагрузки, т е. его выходные зажимы должны быть соединены с нагрузкой (), а выходное сопротивление генератора должно быть равно входному сопротивлению четырёхполюсника: . Если первое требование почти всегда выполняется, то для удовлетворения второго часто приходится включать между генератором и входом измеряемого четырёхполюсника согласующие элементы (устройства).

Метод отношения напряжений. Измерение собственного ослабления четырёхполюсников с сосредоточенными параметрами выполняют по схеме, приведенной на рис. 8а. Напряжение и измеряют электронными вольтметрами с высокими входными сопротивлениями. Значение собственного ослабления вычисляют по формуле:

(72)

При равенстве входного и выходного сопротивлений формула (72) упрощается:

(73)

Измерение собственного ослабления линии передачи с распределенными параметрами можно свести к измерению её затухания. Это удобно при измерениях в кабелях или двухпроводных линиях передачи с малыми потерями.

Рис. 8. Схемы измерения собственного ослабления методом отношения напряжений

Напряжения на входе и выходе линии (рис. 8б) измеряют в режиме холостого хода, когда соотношение между ними определяется формулой где -- коэффициент распространения данной линии.

Отношение действующих значений напряжений:

(74)

Это отношение является функцией частоты, так как, где -- фазовая скорость распространения; .

Изменяя частоту, можно определить минимальные и максимальные значения отношения (74), которые получаются при или соответственно. Подставляя в (74) получаем

(75)

(76)

(77)

(78)

Процесс измерения заключается в плавном изменения частоты генератора при постоянном напряжении до получения максимального значения ,тогда

(79)

Погрешность измерения определяется погрешностью применяемых вольтметров и неточностью фиксирования максимального значения выходного напряжения.

Метод замещения. Для измерения собственного ослабления четырёхполюсника с распределёнными параметрами сравнивают значение ослаблений образцового аттенюатора и исследуемого четырёхполюсника, включённых последовательно друг с другом в согласованном тракте.

Рис. 9. Схемы измерения собственного ослабления методом замещения

Метод замещения может быть реализован либо на СВЧ, либо на промежуточной частоте. Первый способ применяют тогда, когда оба четырёхполюсника -- исследуемый и образцовый -- пригодны для работы на одной и той же частоте.

Метод замещения на рабочей частоте выполняется в следующем порядке. Собирают измерительную установку (рис. 9а), состоящую из генератора Г, работающего в нужном диапазоне СВЧ; двух каналов -- верхнего -- измерительного и нижнего вспомогательного; индикаторного устройства. Измерительный канал, куда входят образцовый аттенюатор и исследуемый четырёхполюсник (штриховой прямоугольник) предварительно согласуют с помощью измерительной линии и согласующих устройств СУ. Затем без измеряемого четырёхполюсника при закороченных разъёмах 1, 2 полностью вводят ослабление образцового аттенюатора и, регулируя ослабление вспомогательного аттенюатора и фазовый сдвиг фазовращателя ц, добиваются нулевого показания на выходе индикаторного устройства, куда входят направленный ответвитель НО, детектор Д и нулевой индикатор И. Не изменяя мощности генератора, присоединяют исследуемый четырёхполюсник и, уменьшая ослабление образцового аттенюатора, восстанавливают нуль на школе индикатора.

Собственное ослабление исследуемого четырехполюсника , где и -- отсчёты ослаблений по шкале образцового аттенюатора, сделанные без четырёхполюсника и с ним. Недостатком метода замещения при измерении на рабочей частоте является необходимость иметь набор образцовых аттенюаторов на различные частоты.

Метод замещения на промежуточной частоте позволяет измерять ослабление четырёхполюсников на разных частотах, используя один образцовый аттенюатор промежуточной частоты (рис. 9б). Измерение выполняется в два этапа. Сначала схема уравновешивается без четырёхполюсника регулировкой частоты гетеродина Гет и фазового сдвига фазовращателями и при минимальном ослаблении образцового аттенюатора; затем уравновешивание выполняется при включенном четырёхполюснике, для чего нужно ввести дополнительное ослабление образцового аттенюатора. Разность отсчётов по его шкале равно собственному ослаблению измеряемого четырёхполюсника. Применение фазовращателей позволяет получить на входах направленного ответвителя когерентные колебания промежуточной частоты, что значительно повышает чувствительность метода и точность измерения. Погрешность метода замещения определяется линейной зависимостью между уровнем мощности СВЧ и амплитудой напряжения промежуточной частоты. Эта линейность обеспечивается характеристикой смесителей СМ, если сигнал гетеродина превышает сигнал СВЧ, по крайней мере, в десять раз. Практически это требование всегда выполняется.

3. Способ измерения коэффициента передачи и устройство для его реализации

3.1 Описание установки и метода измерения больших коэффициентов передачи

Известен способ определения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой [23], основанный на выделении части сигналов падающей и отраженной волн, нахождении отношения их мощностей, построения зависимости этого отношения от положения исследуемой нагрузки с переменной фазой, определения радиуса и центра окружности, которую описывает вектор отношения мощностей, и последующего вычисления коэффициента затухания исследуемой нагрузки.

Недостатком данного способа является сложность расчета коэффициента затухания, а также его низкая точность.

Известен также способ определения коэффициента затухания методом сдвига минимума [24], который по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому техническому решению и принят за прототип. Данный способ заключается в выделении измерительного сигнала, пропорционального сумме части падающей и отраженной волн, изменении фазы коэффициента отражения исследуемой нагрузки, определении изменения фазы измерительного сигнала с последующим вычислением по формуле коэффициента затухания исследуемой нагрузки. Устройство, реализующее данный способ, содержит СВЧ-генератор, измерительную линию, измеритель мощности, исследуемую нагрузку с переменной фазой.

Недостатком данных способа и устройства является невысокая точность измерений.

Известно также устройство [25], которое содержит СВЧ-генератор, подключенный к направленному ответвителю падающей волны, выход которого связан через вентиль с входом направленного ответвителя отраженной волны, выход которого через второе согласующее устройство связан с исследуемой нагрузкой с переменной фазой, причем вторичный выход направленного ответвителя падающей волны соединен с первым измерителем мощности, а выход вторичного канала направленного ответвителя отраженной волны через первое согласующее устройство подключен к второму измерителю мощности.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений.

Известно устройство, выбранное как прототип [26], которое служит для определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой, содержащее генератор СВЧ, последовательно соединенные первый направленный ответвитель (НО) падающей волны, первый вентиль и НО отраженной волны и измеритель мощности, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, выход генератора СВЧ соединен с входом первого НО падающей волны через введенные второй вентиль, второй НО падающей волны и третий вентиль, к выходу вторичного канала первого НО падающей волны подключены введенные последовательно соединенные первый переменный аттенюатор, переменный фазовращатель, сумматор, третий НО падающей волны, двухканальный преобразователь частоты и измеритель разности фаз, при этом выход вторичного канала второго НО падающей волны соединен с вторым входом двухканального преобразователя частоты, выход вторичного канала третьего НО падающей волны соединен с измерителем мощности, а выход вторичного канала НО отраженной волны соединен с вторым входом сумматора через введенный второй переменный аттенюатор.

Недостатком данного устройства является неточность измерения большого коэффициента передачи ввиду использования стоячей волны.

Существует также и способ, взятый за прототип [26]. Способ определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой, основанный на изменении фазы коэффициента отражения исследуемой нагрузки от 0 до 360o, выделении измерительного сигнала, пропорционального сумме падающей и отраженной волн, и вычислении, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, регистрируют положение X1 исследуемой нагрузки, соответствующее минимуму фазы измерительного сигнала, измеряют минимальное значение фазы 1, изменяют фазу коэффициента отражения исследуемой нагрузки от 360 до 540o, регистрируют положение X2 и X3 исследуемой нагрузки, соответствующие максимуму 2 и минимуму 3 фазы измерительного сигнала, измеряют значения 2 и 3, а искомый коэффициент затухания вычисляют по формуле

= ctg , (80)

причем измерительный сигнал формируют таким образом, чтобы отраженная от исследуемой нагрузки волна составляла 0,8 - 0,9 падающей.

Недостатком данного способа является сложность его использования.

Последнее время на кафедре радиофизики и электроники физического факультета УО «ГГУ им. Ф. Скорины» ведутся работы в области радиоизмерений.

Целью работы [27] было измерение малых затуханий. Основной идеей данной работы являлось то, что при широкодиапазонном возбуждении резонатора генератором качающейся частоты наблюдается чередование максимумов и минимумов амплитуды СВЧ-поля, как функция частоты возбуждения. Схожая идея была и в работе [28], которая было посвящена измерению больших коэффициентов передачи.

Общим для работ [27], [28] также было и использование кольцевой системы. В работе [29] описана главная существенная возможность кольцевой системы: возможность измерения больших коэффициентов поглощения, сверхмалых коэффициентов пропускания и возможность совершения других операций, требующих настройки на определённую частоту.

В работах [27], [28], [30] измерялись максимумы амплитуды, а минимум брался как среднее значение между двумя соседними минимумами.

Целью данных устройства и способа является измерение больших коэффициентов передачи. Для этого предложено использование кольцевой системы, где ослабление накапливалось бы в исследуемом образце с каждым пробегом волны.

Рис.10 Схема установки

1 - кольцевая система; 2 - вентиль; 3 - короткозамкнутый поршень; 4 - направленный ответвитель; 5 - устройство вывода; 6 - индикатор; 7 - генератор; 8 - устройство крепления образца.

Генератор качающейся частоты предназначен для использования в качестве источника СВЧ сигнала в составе панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) типа Р2-53.

Принцип действия ГКЧ 53 включает в себя блок управления и блок СВЧ №4 7,8-10,3Ггц.

Сменный блок СВЧ вставляется в блок управления и соединяется с последним электрически через разъем.

Основным блоком СВЧ является генератор СВЧ, включающий в себя генераторную головку, стабилизатор напряжения и вентиль.

Генераторная головка выполнена на диоде Гана, генерирующем в диапазоне частот от 5,6 до 12,05 Ггц.

В качестве перестраиваемого высокодобротного контура генератора используется сфера из монокристалла феррита с двумя витками связи, помещенными в поле тороидального электромагнита.

Перестройка частоты генератора в широком диапазоне осуществляется изменением величины магнитного поля, создаваемого электромагнитом при изменении величины тока, протекающего в его катушке.

Зависимость между величиной магнитного поля, а следовательно и между величиной тока, протекающего по катушке электромагнита с частотой генерации прямопропорциональная.

Стабилизатор напряжения предназначен для подачи на диод Ганна напряжения смещения, преобразованного из напряжения постоянного тока (12,6 В) и управляющего напряжения (0-10 В).С целью улучшения амплитудно-частотной характеристики требуется устанавливать оптимальное значение напряжения смещения, линейно падающее от -15 до -6 В, что и обеспечивается управляемым стабилизатором напряжения. Для исключения влияния внешней цепи СВЧ тракта на режим генерации на выходе генераторных головок установлен развязывающий вентиль. На выходе генератора СВЧ установлены фильтры нижних частот, ограничивающие прохождение гармоник.

Излучение генератора (7) через направленный ответвитель (4)вводится в кольцевую систему (1), в которой возбуждаются бегущие волны. С помощью направленного ответвителя огромное число волн, стремящееся к бесконечности, распространяется по контору в направлении, указанном на рис.10.

Волноводное кольцо выполнено из отрезков прямоугольного волновода. В состав кольца включены два направленных ответвителя для ввода излучения в кольцо и ответвления части мощности в детектор. Поворотные элементы выполнены в виде плавных переходов. Использование таких переходов обусловлено необходимостью осуществления режима бегущих волн в широком диапазоне и для избежания отражения. Для возможности использования высокой рабочей частоты в широком диапазоне использовался волновод с малым сечением. Ширина волновода составила 2,3 мм, а высота - 10 мм. Поверхностный слой внутренних стенок волновода напылён алюминием.

Направленный ответвитель имеет высокую степень направленности и практически исключает распространение волны в обратном направлении, но некоторая их часть движется в обратном направлении. Путём использования вентиля (2) происходит подавление волны движущейся в обратном направлении, которая в силу своего малого количества и короткого пути до вентиля не оказывает никакого влияния. Индикатором (6) измеряются значения max и min амплитуды бегущей волны.

Направленный ответвитель - устройство, служащее для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях: падающей или отраженной волны.

Главное назначение ответвителей - направленно ответвлять некоторую часть высокочастотной мощности из основного тракта во вспомогательный. Особенности этого прибора заключаются в том, что он реагирует на волну только одного направления, то есть только на падающую или отраженную в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вторичном тракте двух волн, смещённых по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелаемом - взаимно компенсируются.

Несмотря на то, что направленные ответвители, по сути дела всегда решают одну и ту же задачу - ответвляют некоторую часть энергии основной линии передачи во вспомогательную линию, -- их применение в технике СВЧ весьма многообразно. Направленные ответвители используются для получения развязки между генераторами при включении в основную линию передачи дополнительного источника высокочастотных колебаний; при включении гетеродина в супергетеродинном приёмнике; для получения необходимых амплитудных и фазовых соотношений между сигналом в основной линии и в вспомогательной линии (например, в трёхдецибельных щелевых мостах и для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны; для переменной связи с основной линией передач и т.д.

Параметры направленных ответвителей.

Направленные ответвители любого типа принято характеризовать следующими параметрами: переходным ослаблением, направленностью, развязкой, балансом выходных плеч, согласованием плеч ответвителя с подводящими фидерными линиями, рабочим ослаблением в первичной линии, фазовыми соотношениями для напряжений в выходных плечах, диапазоном частот. Если на вход 1 элементарного восьмиполюсника поступает СВЧ мощность P1, то на выход 3 основного волновода поступит мощность P3, а на выходы 2 и 4 вспомогательного волновода - соответственно P2 и P4 .

Переходное ослабление определяется, как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии. Выражается обычно в децибелах. Например, для ответвителя, изображенного на рисунке 2, переходное ослабление вычисляется по формуле:

. (81)

Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, также от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления C НО делятся на устройства с сильной (С 0 - 10дБ) и слабой (С 10дБ) связью. Направленные ответвители, имеющие равные мощности в выходных плечах (С 3,01дБ), выделены в особый класс соединений, называемый трехдецибельные (3 - дБ) направленные ответвители или мосты.

Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии.

Направленность идеального направленного ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно также, чтобы ответвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность элементарного восьмиполюсника может быть положительной, отрицательной или нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны от волновода связи распространяются волны равной амплитуды.

Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии.

Для определения диапазонных свойств направленного ответвителя

основные характеристики определяются в функции частоты (длины волны).

Согласование плеча НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН, измеряемым со стороны входного плеча направленного ответвителя, когда к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Величина КСВН направленного ответвителя характеризует искажение поля в основном тракте из-за наличия элементов связи. Аналогичным образом определяют и КСВН плеча вспомогательного тракта НО. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большой КСВН. Режим идеального согласования с нагрузкой характеризуется величиной КСВН равном единице.

Физические основы работы направленного ответвителя электромагнитной волны.

НО представляет собой восьмиполюсник, образованный двумя линиями передачи (ЛП), связанными между собой N ? l элементами связи. Размеры элементов связи могут быть соизмеримы с длиной волны в ЛП (распределенная связь), так и много меньше (сосредоточенная или дискретная связь). В волноводных НО элементами связи в большинстве случаев являются отверстия в общей стенке двух волноводов. Эти отверстия можно представить как отрезок волновода. Поперечное сечение этого волновода может быть круглым, прямоугольным, крестообразным, Н - образным, и т.д. В НО с малым значением ответвленной мощности (НО со слабой связью) отверстия связи (ОС) - запредельные волноводы. Если в ОС может распространяться волна, а его длина соизмерима с , то такое ОС называется шлейфом. ОС может иметь собственную направленность, т.е. возбуждать во вторичном волноводе волны различной амплитуды в положительном и отрицательном направлениях. В этом случае НО может иметь только одно ОС. В противном случае их число не менее двух. Устройство состоящее из отрезка основной передающей линии и отрезка

вспомогательной линии, связанной с основной линией при помощи двух параллельно включенных зондов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивает эффект направленного ответвителя.

Следует заметить, что простой одиночный зонд, например штырь, не может быть использован в качестве направленного ответвителя. Мощность, ответвляемая одиночным зондом, пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения в данной точке, являющегося векторной суммой напряжений падающей и отраженной волн. Роль реактивных элементов связи играет ёмкость штыря или индуктивность петли (отверстия) связи. Оба зонда связаны с основной линией, т.е. по отношению к вспомогательной линии они играют роль генераторов напряжения. Принципиально в плоскостях A и B могут быть включены два согласованных индикатора, например амплитудных детектора. Однако, ввиду трудности хорошего согласования детектора, один из них обычно заменяют согласованной нагрузкой. Если необходимо одновременно регистрировать как прямую, так и отражённую волну, то пользуются двумя НО описанного типа. Каждый НО имеет во вспомогательной линии согласованную нагрузку и индикатор; НО включают в противоположных направлениях. Идеальный НО не ответвляет в индикатор сигнала при распространении волны по основной линии в обратном направлении. Однако, ввиду неточности изготовления НО, отклонение длины волны от расчётной и наличия небольшого рассогласования нагрузки во вспомогательной линии наблюдается некоторое прохождение сигнала в ненормальном направлении. Волноводные направленные ответвители со слабой связью.

Основным элементом, определяющим многообразие НО, является область связи, т.е. совокупность элементов связи, расположенных на общей для основного и вспомогательного волноводов стенке. В качестве элементов связи НО, как правило, применяют отверстия в стенках волновода. Простейшей областью связи является одно отверстие, которое обладает собственной направленностью. При конструировании НО наиболее часто применяются элементы связи в форме круглых отверстий, щелей (продольных и поперечных), крестиков и отверстий эллиптического типа. В зависимости от расположения отверстия при волне типа H10 в прямоугольном волноводе связь может быть либо чисто магнитной, либо смешанной - электрической и магнитной. Переходное ослабление элемента связи зависит от того, на какой стенке волноводного тракта расположен элемент связи. Ориентация вспомогательного волновода относительно основного производится в соответствии с принципами возбуждения волн в волноводах. Отверстия связи можно рассматривать как возбуждающие зонды. Если связь осуществляется сразу по электрическому и по магнитному полю, одно отверстие эквивалентно двум зондам: штырю и петле. Различают направленные ответвители со связью по узкой или по широкой стенке волновода.

Связь между волноводами через небольшое круглое отверстие осуществляется:

а) по тангенциальной составляющей магнитного поля;

б) по нормальной составляющей электрического поля;

Переходное ослабление определенного типа элемента связи двух волноводов зависит от длины волны в волноводе, геометрических размеров и положения этого элемента связи. Причем необходимо, чтобы переходное ослабление НО оставалось постоянным или как можно меньше отклонялось от некоторого постоянного уровня в заданном диапазоне длин волн, что в свою очередь требует постоянства переходного ослабления отдельного элемента связи в том же диапазоне. С этой точки зрения под оптимальной характеристикой переходного ослабления элемента связи понимают такую характеристику, которая удовлетворяет условию:

С-C12 ? C, (82)

где С - заданный уровень переходного ослабления, C12 - значения переходного ослабления элемента связи на краях заданного диапазона, C - допустимая величина отклонения переходного ослабления от заданного уровня.

Как правило, величина C находится в пределах 0,1-1дБ. Принято считать, что C - значение переходного ослабления элемента связи в середине диапазона.

Выбирая соответствующим образом положение круглого отверстия связи по широкой стенке волновода, можно получить характеристику переходного ослабления с минимальным отклонением от определенного уровня в заданном диапазоне длин волн. Для отверстия связи, расположенного по узкой стенке волновода, оптимальность характеристики переходного ослабления, т.е. ее отклонение от заданного уровня, однозначно определяется изменением длины волны. Cвязь двух волноводных трактов прямоугольного сечения по узкой стенке носит название “Ответвитель Бёте”. Электрическая связь возбуждает во вспомогательном волноводе синфазное поле, магнитная связь - противофазное. Поэтому мощность суммарного поля во вспомогательном волноводе распространяется в обратном направлении, т.е. в направлении противоположном распространению энергии в основном волноводе.

Направленные ответвители с ненаправленными элементами связи.

НО можно получить и при использовании ненаправленных элементов связи. Ненаправленным элементом связи называется такой элемент, который возбуждает во вспомогательном волноводе электромагнитные волны с равными амплитудами, т.е. в отношении A=B. Примером элемента связи, который не обладает направленностью, является отверстие в узкой стенке прямоугольного волновода. Волноводы в этом случае связаны тангенциальной составляющей магнитного поля Hz. Два таких отверстия, расположенных на расстоянии л/4 друг от друга, образуют направленный ответвитель, где л - длина волны в волноводе.

Направленные ответвители с одинаковыми элементами связи.

НО с двумя ненаправленными элементами связи узкополосен, так как волны во вспомогательном канале складываются при определенной частоте, для которой l = /4. Для расширения полосы в которой НО обеспечивает требуемые характеристики, используется связь через n 2 отверстий, расположенных на расстоянии l = /4, где берется в середине диапазона.

Пусть НО представляет собой систему элементов связи с равными геометрическими размерами, разнесённых на некоторое расстояние друг от друга. При рассмотрении параметров НО используются следующие предположения: фазовые скорости распространения волны в основном и вспомогательном волноводах равны между собой, размеры отверстий малы по сравнению с длиной волны.

Условие идеальной направленности B = 0 выполняется при l=/6. Выражения (83) для ответвителя с n отверстиями связи имеют вид:

, (83)

(84)

На основании (84) направленность ответвителя равна

(85)

и переходное ослабление C при единичной амплитуде волны в основном волноводе (A0=1) равно

C=20 lg nA . (86)

Очевидно, направленность ответвителя будет идеальной только тогда, когда

(87)

В данном случае, при m=l, расстояние между соседними элементами связи l=/2 .

Если в выражении для направленности ответвителя перейти к пределу при n и l, то можно получить выражение направленности ответвителя, имеющего в качестве элемента связи длинную щель:

, (88)

где L - длина щели.

Щелевые направленные ответвители.

Щелевой НО можно представить в виде симметричного относительно горизонтальной плоскости dd восьмиполюсника.

Таким образом, в рамках этого представления можно считать, что в области связи согласованного щелевого НО рассматриваются две волны: синфазная и противофазная (при этом полагают, что мощность колебаний распределяется между ними поровну). В результате интерференции этих волн происходит перераспределение СВЧ энергии между каналами 3 и 4. В таком согласованном щелевом НО сигнал в плече 2 будет отсутствовать, а напряжения в плечах 3 и 4 сдвинуться по фазе на /2. Его анализ проводят, используя суперпозицию параметров четырехполюсников двух типов, один из которых соответствует режиму синфазного возбуждения восьмиполюсника (в плоскости симметрии токи равны нулю, четырехполюсник образуется рассечением восьмиполюсника плоскостью из идеального магнетика), другой - режиму противофазного возбуждения (в плоскости симметрии напряжения равны нулю, четырехполюсник образуется аналогичным рассечением восьмиполюсника плоскостью из идеального проводника).

В рабочем диапазоне стандартного прямоугольного волновода
2a в области связи могут распространяться три волны - H10 (критическая длина волны c = 4a), H20 (c = 2a), H30 (c = 4/3a). Работа щелевого моста обусловлена интерференцией только двух низших волн области связи. Поэтому его рабочий диапазон 4/3a 2a уже рабочего диапазона волновода. Для увеличения широкополосности область связи сужают. В этом случае частотная зависимость переходного ослабления согласованного НО определяется выражением

, (89)

где , - волновое число свободного пространства, k1, k2 - собственные числа соответственно синфазной и противофазной волн в области связи щелевого НО, L - длина области связи.

Из формулы (89) следует, что переходное ослабление в диапазоне длин волн при фиксированной длине щели будет плавно изменяться.

Условие деление мощности пополам между каналами 3 и 4 имеет вид:

L=(2n-1)/2 , n=1,2,3…. (90)

Нижняя граница НО определяется нижней частотой работы волновода. Так как появление в области связи третьей волны H30 приводит к появлению интерференции трех волн, это приводит к существенному ухудшению характеристик. Поэтому верхняя граница рабочей полосы определяется критической частотой волны H30 в области связи.

Направленный ответвитель на П-волноводе.

В последнее время значительно расширилась область применения волноводов со сложной формой поперечного сечения. Это вызвано тем, что использование волноводов сложной формы при конструировании СВЧ устройств позволяет удовлетворить возросшие требования, предъявляемые к современной СВЧ аппаратуре: увеличение широкополосности, уменьшение массы и габаритов, передача больших мощностей. В связи с этим возникает необходимость в изучении элементов и узлов, построенных на этих волноводах: коаксиально-волноводных переходов, фильтров, направленных ответвителей, фазовращателей и т.п. В частности необходимо изучить такой класс устройств, часто применяемый в широкополосной СВЧ аппаратуре, как щелевые направленные ответвители (НО) на П-волноводах. Щелевые НО на П-волноводах со связью по широкой стенке характеризуются сложностью структуры в области связи.

Использующийся в данной работе щелевой НО состоит из двух П-волноводов, наложенных друг на друга по широкой стенке, в которой прорезаны две щели связи шириной a и длиной L.

Вентиль -- четырехполюсник, пропускающий волну в одном направлении почти без отражения и без ослабления, но поглощающий волну, распространяющуюся в противоположном направлении. Вентили применяются для защиты генераторов СВЧ от изменений сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей, в качестве элементов измерительных установок.

Вентили применяют для поглощения отраженных волн в линии передачи, улучшая тем самым согласование различных элементов цепи. Их эффективность определяется вентильным отношением В, то есть отношением ослаблений обратной и прямой волн, выраженным в децибелах:

(91)

где б -- коэффициенты затухания обратной и прямой волны.

Принцип действия вентилей основан на том, что намагниченная ферритовая пластина является невзаимной средой. То есть при прямом прохождении волны вектор ее поляризации поворачивается из положения А в положение Аґ, а при обратном прохождении, он не возвращается в исходное положение А.

Наиболее широко применяются вентили трех типов: резонансные, со смещением поля и фарадеевские.

Вентили со смещением поля.

Вентили со смещением поля используют то, что распределения переменного электрического поля в волноводе с намагниченной ферритовой пластиной различаются для разных направлений распространения. И может быть найдено положение пластины, для которого электрическое поле на ее поверхности равно нулю для одного из направлений распространения. На эту поверхность помещается поглотитель, например тонкая пленка металла.

Фарадеевские вентили.

Фарадеевский вентиль состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем, расположенным по оси, и внешнего соленоида, создающего продольное поле подмагничиваиия. С обеих сторон круглый волновод оканчивается плавными переходами к прямоугольным волноводам. Внутри переходов параллельно широким стенкам входного и выходного прямоугольных волноводов установлены поглощающие пластины. Выходной прямоугольный волновод повернут по отношению к входному на угол 45°. Волна, поданная на вход 1, не испытывая ослабления в поглощающей пластине, преобразуется в волну H11 круглого волновода с вертикальной поляризацией. Диаметр и длина ферритового стержня и напряженность подмагничивающего поля выбраны так, что плоскость поляризации волны при распространении по отрезку круглого волновода с ферритом поворачивается по часовой стрелке на угол 45°, и волна без потерь проходит через переход с поглощающей пластиной в выходной прямоугольный волновод, узкие стенки которого оказываются параллельными вектору . Для уменьшения отражений концы ферритового стержня и поглощающих пластин имеют скосы. Волна, поступающая на вход 2, без ослабления преобразуется в волну H11 круглого волновода. При распространении на участке с ферритовым стержнем плоскость поляризации волны поворачивается по часовой стрелке на 45° (направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения волны и определяется только направлением поля подмагничиваиия). На выходе участка с ферритом вектор оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода входа 1 и поглощающей пластине. На вход 1 волна не проходит, и вся переносимая ею мощность рассеивается в поглощающей пластине. Такой вентиль может рассматриваться как частный случай фарадеевского циркулятора.