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

Волноводный резонансный вентиль.

В основе работы любого резонансного вентиля лежит явление поглощения СВЧ энергии в гиромагнитной среде при ферромагнитном резонансе. В прямоугольном волноводе с волной типа H10 имеются две плоскости, параллельные узким стенкам волновода, в которых СВЧ магнитное поле распространяющейся волны имеет круговую поляризацию. Вентиль с резонансным поглощением на прямоугольном волноводе с волной типа H10 основан на использовании поперечно намагниченной ферритовой вставки 1, расположенной в области волновода с вращающимся полем . Поперечное поле подмагничивания создают постоянным магнитом 2, причём величину поля подбирают равной полю гиромагнитного резонанса для право поляризованной волны. Падающая волна, при прохождении которой на феррит действует вектор H с левым вращением относительно поля подмагничивания, распространяется через вентиль с небольшим затуханием. Отражённая волна, при прохождении которой на феррит действует правовращающийся вектор , интенсивно затухает из-за больших потерь в феррите при гиромагнитном резонансе. Поле подмагничивания необходимое для существования гиромагнитного резонанса, и требуемое положение ферритовой пластины в волноводе зависят от частоты, что ограничивает диапазонные свойства резонансного вентиля. Расширить рабочую полосу частот резонансного вентиля удаётся с помощью диэлектрической пластины 3, скрепленной с ферритовой пластиной. Диэлектрическая пластина способствует сохранению в полосе частот условий вращения вектора в зоне расположения феррита.

Коаксиальный резонансный вентиль.

Принцип действия резонансного вентиля - взаимодействие циркулярно-поляризованной волны с намагниченным ферритом. Поскольку в обычной коаксиальной линии не существует циркулярно-поляризованного вектора магнитного поля СВЧ, его создают искусственно, заполняя частично коаксиал диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью. Область с эллиптической поляризацией СВЧ магнитного поля наиболее близкой к круговой, находится у поверхности диэлектрика. Диэлектрик заполняет половину сечения линии, что позволяет при одном направлении подмагничивающего поля располагать два ферритовых образца по обе стороны от центрального проводника коаксиального волновода. Толщина ферритовых образцов 1 - 2 мм, ширина 2 - 5 мм. При распространении волны в одном направлении вектор окажется поляризован по правому кругу (большие потери); при распространении волны в противоположном направлении волна окажется левополяризованной (малые потери). Для расширения полосы частот по обратным потерям применён метод неоднородного магнитного поля. Необходимая неоднородность поля достигается шунтированием зазора равномерно намагниченного магнита стальными шунтами. Широкополосное согласование прибора с трактом достигнуто применением диэлектрических ступенчатых (чебышевских) переходов.

Параметры и характеристики вентилей.

Параметры и характеристики ферритовых вентилей позволяют оценить возможности их применения в конкретной схеме при определённых режимах эксплуатации и определяют качество вентилей.

1) Средняя частота диапазона (в мегагерцах) и ширина полосы (в процентах или мегагерцах) определяют диапазон рабочих частот вентиля, т.е. диапазон частот, в котором основные параметры находятся в пределах, заданных техническими требованиями к вентилю. Обеспечение симметричности частотной характеристики, т.е. получение примерно одинаковых величин параметров на крайних частотах при некотором запасе по их величине на средней частоте, определяет устойчивость параметров заданных пределов при воздействии климатических факторов. Частотная характеристика вентилей с полосой пропускания свыше 7-10% чаще всего имеет осциллирующий характер.

2) Ослабление сигнала при его прохождении через ферритовый вентиль в прямом направлении называется вносимыми потерями в прямом направлении Lпр. Прямые потери показывают степень ослабления мощности на выходе вентиля по сравнению с мощностью на входе для прямого направления передачи сигнала. Потери определяются в децибелах и вычисляются по формуле:

Lпр=, [дБ ], (92)

где Рвх - мощность на входе, Рвых.пр. - мощность на выходе.

Вносимые потери в прямом направлении в большей своей части (за исключением потерь на отражение, которые для настроенного ферритового устройства пренебрежимо малы) являются диссипативными потерями элетромагнитной волны. Причиной затухания является поглощение мощности в ферритовом образце, диэлетрических деталях и потери в линии передачи. Для волновода, например, эти потери связанны с затуханием поля в его стенках. При правильном выборе размеров сечения волновода в следствие малости потерь в стенках ( порядка 0,05 - 0,1дБ/м ), а также ввиду выполнения вентилей в виде коротких отрезков волновода (от единиц сантиметров до нескольких дециметров) потери в волноводе, вносимые в общие потери вентилей на 1 - 2 порядка меньше потерь ферритовых и диэлектрических материалов. Тем не менее, при проектировании, изготовлении, эксплуатации ферритовых устройств СВЧ обращают внимание на качество выбора, исполнения и состояния токопроводящих поверхностей волновода и их покрытий. Для СВЧ диэлектриков тангенс угла диэлектрических потерь tgд не превышает 10-3, а для СВЧ ферритов не превышает 10-2. Поэтому величина диэлектрических потерь в ферритовых вентилях колеблется в пределах 0,05 - 0,2дБ. Основную долю прямых потерь составляют магнитные потери в феррите, появляющиеся вследствие ферромагнитного резонансного поглощения. При конструировании резонансных вентилей выбирается область работы вблизи резонанса. Потери на «хвосте» резонансной кривой составляют заметную величину и в основном определяют потери в ферритовом устройстве.

3) Ослабление сигнала при его прохождении через ферритовый вентиль в обратном направлении называется затуханием в обратном направлении Lобр. Обратное затухание вентиля показывает степень ослабления мощности на выходе вентиля по сравнению с мощностью на входе для обратного направления передачи сигнала. Обратное затухание определяется по формуле:

Lобр=, [дБ]. (93)

Величина обратного затухания Lобр для разных типов вентилей различна и зависит от принципа действия и конструктивного их выполнения. Как правило, его величина составляет около 20дБ, но может колебаться в пределах 15 - 40 дБ и более.

4) Важным параметром является коэффициент стоячей волны напряжения с (КСВН), характеризующий величину мощности, отражённой от ферритового вентиля. Отражение электромагнитной волны от нагрузки имеет место при неравенстве сопротивления нагрузке Zн и волнового сопротивления линии передачи Zс. Коэффициент подсчитывается по формуле:

. (94)

Наличие в волноводе или другой линии передачи ферритовых и диэлектрических деталей приводит к возникновению отражений в силу различия сопротивлений на границе перехода от пустого волновода к частично заполненному ферритом и диэлектриком. По величине Г можно найти КСВН:

с = . (95)

Для обеспечения заданной величины КСВН используют методы широкополосного согласования - ферритовые и диэлектрические детали выполняют со скосом, обеспечивающим плавный переход от пустого волновода к частично заполненному. Однако даже у хорошо согласованных ферритовых вентилей наблюдаются иногда значительные отражения из-за наличия паянных или сварных соединений, которые являются некоторыми неоднородностями в линии передачи. Дополнительное рассогласование может давать величину КСВН порядка 1,1 (особенно в коаксиальных линиях). Это довольно значительная величина, поэтому при измерениях параметров и монтаже ферритовых вентилей следует обращать серьёзное внимание на тщательную стыковку их с волноводным или коаксиальным трактом.

В данной установке использовался волноводный резонансный вентиль.

Также в данной установке был использован фазовращатель, на волноводном Y-циркуляторе. Циркулятор - согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа I на вход II, с входа II на вход III и т. д. В данной установке был использован шестиполюсный Y-циркулятор. Волноводные Y-циркуляторы выполняют на основе H-плоскостного Y-тройника, в центре которого помещают поперечно намагниченный ферритовый цилиндр, окруженный диэлектрической втулкой. Диэлектрические штыри обеспечивают широкополосное согласование входов. Поле подмагничивания создаётся внешними дисковыми магнитами. Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Волна, поступающая на вход I циркулятора, разветвляется на две волны, огибающие феррит с разных сторон. Области существования вращающегося вектора для этих волн попадают в ферритовый образец, причём направления вращения вектора относительно направления поля подмагничивания оказываются противоположными. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита и волны, огибающей ферритовый образец, имеют различные фазовые скорости и справа и слева от центра феррита. Это определяется встречными вращениями магнитного вектора волны HI0 справа и слева от оси передачи. Различные участки фронта волны начинают двигаться с разными фазовыми скоростями > . За счёт этого фронт волны при соответствующем выборе параметров устройства поворачивается на 600. Размеры и параметры ферритовой вставки выбирают таким образом, чтобы эти волны проходили на вход II с одинаковыми фазами, а ко входу III - в противофазе. Таким образом, передача колебаний с входа I происходит только на вход II. Так как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, можно утверждать, что передача со входа II будет происходить на вход III и со входа III - на вход I. Введение в конструкцию Y-циркулятора диэлектрической втулки, окружающей ферритовый образец, способствует повышению температурной стабильности и устойчивости характеристик Y-циркулятора к изменению величины подмагничивающего поля. Фазовращатель СВЧ - устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе линии передачи СВЧ (полого пли диэлектрического радиоволновода, коаксиальной длинной линии, полосковой линии) относительно фазы колебаний на её входе, осуществляемого посредством изменения электрической длины этой линии. (Электрическая длина линии равна 2pl/lb, где l - её геометрическая длина, lb - длина волны в линии.). В данной установке фазовращатель представляет собой Y-циркулятор с короткозамкнутым поршнем (3) на одном из входов. С помощью короткозамкнутого поршня изменяется электрическая длина волновода, что позволяет измерять max и min амплитуды на одной и той же частоте. Использование короткозамкнутого поршня позволяет избежать ослабление волны, т.к. металлическая пластина поршня практически не оказывает влияния на волну.

В качестве регистрирующего элемента использовался Индикатор КСВН и ослабления Р2-67.

Индикатор КСВН и ослабления Я2Р-67 предназначен для использования в составе панорамных измерителей КСВН и ослабления.

Рабочая частота измеряемого сигнала 100±1 кГц. Уход уровня калибровки при изменении частоты в пределах 100 ± 1 кГц не более ± 0,05 дБ.

Пределы измерения ослабления от 0 до минус 35 дБ, пределы измерения КСВН --от 1,035 до 5.

Пределы индикации ослабления -- от 0 до минус 40 дБ.

Пределы индикации КСВН -- от 1,02 до °°.

Погрешность измерения ослабления в линейном масштабе в децибелах не более величин, определяемых по формулам (2)

6А = ± (0,01 | Ах + 0,2), до 20 дБ,

И 6А = ± (0,015 Ах + 0,2) свыше 20 дБ,

Несоответствие шкал КСВН линейной шкале dB не более ±0,05 дБ в пределах, соответствующих рабочему участку шкалы dB от минус 5 дБ до плюс 2 дБ.

Погрешность измерения ослабления в логарифмическом масштабе в пределах шкалы от 0 до -30 дБ в децибелах не превышает величины, определяемой по формуле

6А= ±(0,1 | А),

Диапазон входных напряжений канала падающей волны 0,03--10 мВ. При этом уровень напряжения в канале отраженной волны должен быть не менее 1 мкВ.

Уход показаний индикатора при изменении уровня входного сигнала во всем диапазоне входных напряжений канала падающей волны не более ±0,2 дБ, а в положении переключателя ПРЕДЕЛЫ 30 не более ±0,3 дБ.

Входное сопротивление усилителей каналов падающей и отраженной волн на частоте 100 кГц составляет 2,7±0,75 кОм. Сопротивление входа горизонтальной развертки постоянному току 4,7±1,2 кОм.

Погрешность измерения напряжения канала падающей волны в пределах от 0,4 до 10,0 мВ не более 15%.

Усиление напряжения падающей волны для системы АРМ не менее 15 раз.

Пределы измерения ослабления от 0 до -35 дБ, пределы измерения КСВН --от 1,035 до 5. Пределы индикации ослабления -- от 0 до -40 дБ. Пределы индикации КСВН -- от 1,02 до .

В основу построения структурной схемы панорамного измерителя КСВН и ослабления положен принцип раздельного выделения и непосредственного детектирования сигналов падающей и отраженной волн. Способ раздельного выделения падающей и отраженной волн заключается в следующем.

Сигнал, пропорциональный мощности, падающей на нагрузку, выделяется направленным ответвителем (или мостовым рефлектометром) падающей волны. Сигнал, отраженный от исследуемой нагрузки, выделяется направленным ответвителем (или мостовым рефлектометром) отраженной волны.

СВЧ сигнал, поступающий на исследуемую нагрузку, промодулирован частотой 100 кГц. Ввиду этого, на выходах детекторов, детектирующих сигналы, пропорциональные мощности отраженной и падающей волн, имеется напряжение частотой 100 кГц. Эти напряжения используются в индикаторе для определения измеряемой величины.

Из принципа работы всего комплекса следует, что в индикаторе должно осуществляться усиление напряжений падающей и отраженной волн -(на частоте модуляции СВЧ сигнала), деление их, детектирование, визуальная индикация на экране ЭЛТ и непосредственный отсчет по шкальному устройству. Кроме того, в индикаторе имеются схемы, обеспечивающие логарифмический режим работы, компенсацию неидентичности частотных характеристик СВЧ трактов, индикацию частотой метки, а также выдачи управляющих сигналов при работе с цифровым блоком.

На вход индикатора подавался сигнал, снимаемый либо с направленного ответвителя, либо с детекторной головки измерительной линии в зависимости от задачи исследования. Поскольку в индикаторе производится автоматическая нормировка сигнала, для получения опорного сигнала применялась детекторная секция на входе в направленный ответвитель.

Мощность вводилась в систему через направленный ответвитель, который являлся составляющим элементом кольцевой системы.

По формуле определяется собственный коэффициент передачи системы. Затем через устройство крепления в линию вводится испытуемый образец (8) и измеряется коэффициент передачи линии с образцом, т.к. через него проходят волны поступающие потом на индикатор через второй направленный ответвитель.

Способ заключается в том, что в кольцевой системе бегущей волны на заданной частоте путём изменения электрической длины определяют максимальное и минимальное значение амплитуды при постоянной мощности возбуждения и на основании полученных значений судят о величине передачи системы.

3.2 Вывод рабочей формулы

Волна через первый направленный ответвитель попадает в волновод и движется в кольцевой системе, на каждом периоде частично ответвляясь во второй направленный ответвитель. Таким образом за счёт интерференции в ней образуется сумма волн.

(96)

(97)

A, отн.ед.



Рис.11 Частотное распределение поля в системе

1- режим бегущей волны, 2- режим стоячей волны (короткое замыкание)

Для тех волн, для которых E достигает максимум:

(98)

Подставив (98) в (97) получаем:

(99)

Аналогично и для волн, для которых Е достигает минимум:

, (100)

следовательно подставив (100) в (97) получим:

(101)

Отсюда можно получить:

(102)

(103)

где б- распределенные потери - ослабление на единицу длины.

При наличии в волноводе образца имеем:

, (104)

, (105)

(106)

, (107)

(108)

3.3 Апробирование установки

С помощью описанной выше установки было произведено определение собственного ослабление системы, а также вносимое ослабление полипропиленового образца в виде пластинки толщиной 0.4мм и полиэтиленового образца в виде пластинки толщиной 1.2 мм. Данные занесены в таблицу 1. Используя экспериментальные данные и формулу (103) был построен график для собственного ослабления системы (рис.12).

Аналогично с помощью значений с таблицы 1 и формулы (108) были получены графики вносимого ослабления полипропиленового и полиэтиленового образцов (рис.13).



Рис. 12 Собственное ослабление системы

Рис. 13 Вносимое ослабление образцов

Таблица 1 - Экспериментальные данные

Частота, f (ГГц)	Собственное ослабление	Полипропиленовый образец	Полиэтиленовый образец
	Emax	Emin	Emax	Emin	Emax	Emin
7813	5	1,25	5	1,264	5	1,36
7902		1,244		1,265		1,358
7970		1,24		1,261		1,351
8056		1,231		1,258		1,32
8145		1,216		1,24		1,33
8237		1,21		1,246		1,332
8338		1,196		1,22		1,312
8447		1,187		1,208		1,288
8551		1,182		1,195		1,259
8648		1,179		1,189		1,208
8756		1,183		1,184		1,218
8855		1,178		1,186		1,248
8953		1,18		1,194		1,26
9052		1,191		1,226		1,332
9151		1,238		1,326		1,39
9250		1,255		1,332		1,398
9353		1,27		1,312		1,412
9457		1,3		1,332		1,422
9565		1,321		1,384		1,396
9675		1,339		1,389		1,412
9783		1,312		1,326		1,332
9898		1,208		1,28		1,289
10005		1,157		1,215		1,246

Заключение

Смакетированная установка обладает существенными преимуществами по сравнению с существующими аналогичными. Многократное прохождение волны через образец применялось и раньше во внутрирезонаторных методах, где образец помещался в резонатор, а критерием измерения ослабления являлось уменьшение добротности. Однако, данная система весьма чувствительная к положениям образца в резонаторе и, кроме того, значение получаемого сигнала во многом определялось коэффициентом отражения.

В настоящей работе смакетировано и апробировано устройство на основе использования режима бегущих волн, что позволяет избегнуть погрешности позиционирования.

Основным затруднением панорамного измерения в этом режиме являлась необходимость измерения max и min на различных частотах, что даже для кольцевых систем с большой электрической длиной не позволило обеспечить необходимую точность ввиду малости определяемых параметров тонкослойных структур. Исследования указали на необходимость измерения max и min на одной и той же частоте, что подразумевало изменение электрической длины системы. Использование диэлектрического фазовращателя оказалось не целесообразным ввиду существенной зависимости ослабления в диэлектрике от фазового сдвига. Поэтому в настоящей работе было предложено использовать для настройки фазовращателя на Y- циркуляторе и короткозамкнутого поршня. Разработанное устройство в отличии от описанного ранее аналогичного устройства [30] обладает возможностью измерения ослабления на любых частотах из диапазона перестройки и большими возможностями в отношении применения для тонкослойных структур.

По материалам данной работы опубликованы тезисы доклада, статья и подана заявка на предполагаемое изобретение способа измерения ослаблений и устройства для его реализации.

Список использованных источников

1 Левин Л.М., Современная теория волноводов, пер. с англ., М., 1954.

2 Лошаков Л. Н. // К теории электронного прибора СВЧ с взаимодействием в поперечном направлении. Радиотехника и электроника, 1960, т.5, №9.-с.1448.

3 Лошаков Л. Н. // О применении леммы Лоренца для приближенного расчета постоянных распространения в электронном приборе типа лампы с поперечным взаимодействием. Радиотехника и электроника, 1961, т.6, №12.-с.2012.

4 Лопухин В. М. // Возбуждение э\м колебаний и волн электронными потоками. Гостехиздат, 1953.

5 Введенский Б. А., Аренберг А. Г., Радиоволноводы, ч. 1, М. -- Л., 1946.

6 Гуреев А.В.// Радиотехника и электроника (Москва).- 1994 -39 №6.- С.929-936.

7 Ковалёв С. В., Нестеров С. М., Скородумов И. А. // Радиотехника и электроника (Москва)- 1993.- 38 №12.- С. 2138- 2140.

8 Кирочкин Ю. А., Степанов К.Н. // Журнал экспериментальной и технической физики- 1993.- 104, №6.- С. 3955-3970.

9 Кубышкин Е. И. // Изв. РАН. Мех. тверд. тела.- 1992, №6.- С.- 42- 47.

10 Семин И. А. // Радиотехника и электроника.- 1993.- 38, №3.- С. 436- 439.

11 Свешников А. Г., Боголюбов А. Н., Минаев Д. В., Сычкова А. В. // Радиотехника и электроника - 1993.- 38 №5.- С. 804- 810.

12 Кириленко А. А., Сенкевич С. Л., Тысик Б. Г.// Радиотехника и электроника (Москва).- 1990.- 35, №4.- С. 687- 694.

13 Козлова А. Н., Эткин В. С. // Журнал “Успехи физических наук” .

14 Под редакцией Валитова Р. А. и Макаренко Б. И.// Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах (Москва).- 1984.-с. 91- 98.

15 Каценеленбаум Б. З. // Нерегулярные волноводы с медленно меняющимися параметрами.- М.: Изд- во АН СССР, 1961.- с.196.

16 Ваганов Р. Б., Матвеев Р. Ф., Мериакри В. В. // Многоволновые волноводы со случайными нерегулярностями.- М.: Сов.радио, 1972.- с.232.

17 Под редакцией Гроднева В.А. .. Многоволноводные круглые волноводы.- М.: Связь, 1972.- с. 198.

18 Валитова Р. А. // Методы и техника. М.: Радио и техника, 1984.- с.296.

19 Вамберский М. В., Казанцев В. И., Шелухин С. А. // Передающие устройства СВЧ.- Москва «высшая школа»,1984.- с.57-74.

20 Под ред. Мириманова // Миллиметровые и субмиллиметровые волны. Изд- во иностранной литературы.

21 Куликов М. Н., Стальмахов В. С. // К расчету электронно- волнового усилителя типа М с тонким лучом. Радиотехника и электроника, 1964, т. 11, №2.-с. 252.

22 Кушнир Ф.В. // Электрорадиоизмерения.- Л., 1983.- С. 292-299.

23 Almassy G. A first-order correction to sliding short behavior with application to the problem of measuring small losses // IEEE Trans. on Instrum. ans Meas. V. IM-20, N 3, August, 1971, P. 162-169.

24 В. И. Винокуров, С. И. Каплин и И. Г. Петелин.// Электрорадиоизмерения. М. : Высшая школа, 1986, с. 308-309.

25 Weidman A. P. , Engen G. F. Application of a non-ideal sliding short to two-port loss measurement // NBS Tech. Note 644, October, 1973.

26 Способ определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой и устройство для его осуществления: пат. 2006870 Российская Федерация, МПК G 01 R 27/06 / Ачкасов Е.Г., Лапунов С.Ю.; заявитель Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова; заявл. 26.11.1990; опубл. 30.01.1994.

27 Бобков В.В., Кошкар Р.В., Измерение малых затуханий кольцевых резонаторов бегущих волн // Сборник научных работ студентов и аспирантов УО «ГГУ им. Ф. Скорины».- Гомель, 2008.- С.108-109.

28 Кошкар Р.В., Измерение больших коэффициентов отражения // Сборник научных работ студентов и аспирантов УО «ГГУ им. Ф. Скорины».- Гомель, 2008.- С.136-137.

29 Семковский С.К., Кошкар Р.В., Перестройка частоты в кольцевом резонаторе // Сборник научных работ студентов и аспирантов УО «ГГУ им. Ф. Скорины».- Гомель, 2008.- С.108-109.

30 Горбачёв К.Ю., Измерение малых ослаблений в кольцевых системах бегущей волны // Материалы XXXVIII студенческой научно-практической конференции УО «ГГУ им. Ф. Скорины».- Гомель, 2009. - С. 60-62.

Размещено на Allbest.ru