СВЧ-УСТРОЙСТВ. УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Лекция №22. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

К СВЧ-устройствам относятся коаксиальные, полосковые и волноводные тракты (линии передачи), двухполюсные, четырехполюсные и многополюсные устройства, работающие на частотах от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм. Характерным признаком СВЧ-устройств является соизмеримость их размеров с длиной волны возбуждаемых колебаний. Такие устройства, как известно, относятся к системам с распределенными постоянными.

Укажем основные параметры СВЧ-устройств. При настройке и эксплуатации СВЧ-трактов измеряют параметры, характеризующие степень согласования нагрузки с трактом: коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВ) и комплексный коэффициент отражения нагрузки. Двухполюсные СВЧ-устройства – оконечные нагрузки, неоднородности с малой протяженностью по сравнению с длиной волны и т. д. – характеризуют полным (комплексным) сопротивлением или полной проводимостью. При экспериментальном исследовании четырехполюсных и многополюсных СВЧ-устройств измеряют элементы волновой матрицы рассеяния (параметры рассеяния) или коэффициент ослабления.

Измерение параметров и характеристик СВЧ-устройств выполняют двумя основными способами.

При первом способе с помощью измерительной линии анализируют продольное распределение электромагнитного поля в СВЧ-тракте и определяют искомые параметры расчетным путем.

При втором способе используют специализированные измерительные приборы, в частности панорамные измерители характеристик СВЧ-устройств.

Рассмотрим устройство измерительных линий. Измерительная линия (ИЛ) является универсальным прибором диапазона СВЧ, позволяющим измерить практически любой параметр устройств с распределенными постоянными. Широкое применение измерительных линий обусловлено их простотой, надежностью, возможностью использования в широком диапазоне частот.

Измерительная линия представляет собой отрезок СВЧ-тракта, вдоль которого может перемещаться индикаторная головка. Устройство коаксиальной измерительной линии поясняет рисунок 66. ЭДС, наводимая на зонде, пропорциональна напряженности электрического поля в месте расположения зонда. Эта ЭДС возбуждает резонатор индикаторной головки, связанный с детектором. Ток с выхода детектора подают на измерительный усилитель (в случае модулированного напряжения СВЧ-генератора) или на микроамперметр постоянного тока. Перемещая индикаторную головку и измеряя силу тока на выходе детектора, определяют распределение напряженности электрического поля (напряжения) вдоль измерительной линии.

Точность измерений и эксплуатационные свойства ИЛ зависят от конструктивного решения и качества изготовления ее узлов.

Основные узлы ИЛ: измерительная секция, индикаторная головка, устройство для перемещения индикаторной головки и отсчета положений зонда. Рассмотрим варианты конструкций этих узлов.

Измерительная секция является важнейшей частью ИЛ, определяющей конструкцию прибора. Потери в этой секции должны быть минимальными, а волновое сопротивление строго постоянным по всей длине. Это накладывает жесткие требования на точность изготовления деталей секции и качество обработки ее внутренних поверхностей.

В ИЛ, предназначенных для исследования коаксиальных трактов, используют измерительную секцию с внешним проводником, выполненным в виде двух параллельных пластин (рисунок 67). Если высота пластин много больше расстояния между ними, а внутренний проводник имеет эллиптическое сечение, эта система эквивалентна обычной коаксиальной линии с круглыми проводниками, что можно доказать математически строго с помощью конформных преобразований. Практически берут высоту пластин , где a – расстояние между пластинами. Внутренний проводник делают круглого сечения. Волновое сопротивление такой линии определяется приближенной формулой

, (1)

где d – диаметр внутреннего проводника.

В измерительной секции с параллельными пластинами напряженность электрического поля в области расположения зонда меняется гораздо медленнее, чем в коаксиальной линии с круглыми проводниками. Поэтому небольшие поперечные колебания зонда, возникающие при перемещении индикаторной головки вдоль линии, вызывают незначительное изменение наведенной на зонде ЭДС.

При использовании измерительной секции с параллельными пластинами трудности возникают при конструировании перехода к стандартному коаксиальному разъему. Этот переход сопровождается изменением размеров и формы проводников, что приводит к появлению полей высших типов. Последнее можно рассматривать как включение в линию проводимостей емкостного характера. Для компенсации их вводят последовательную индуктивность, что достигается смещением внутреннего проводника (рисунок 68, а).

Эквивалентная схема перехода соответствует фильтру нижних частот (рисунок 68, б). Очевидно, что для согласования фильтра с СВЧ-трактом его характеристическое сопротивление должно быть равно волновому сопротивлению из мерительной линии; частота среза фильтра должна быть больше максимальной рабочей частоты. При этом отражения от перехода пренебрежимо малы.

Волноводная измерительная секция представляет собой отрезок стандартного волновода соответствующего сечения с узкой продольной щелью. Практически используют лишь измерительные линии, предназначенные для исследования прямоугольных волноводов при распространении в них волны основного типа H₁₀. Щель в этом случае располагают точно в середине широкой стенки волновода. Длина щели должна быть не менее , где L – длина волны в волноводе.

Щель нарушает однородность измерительной секции. В сечениях волновода, соответствующих началу и концу щели, появляются отражения, определяющие собственный КСВ измерительной линии и ограничивающие ее применение для исследования нагрузок с малым коэффициентом отражения.

Наличие щели приводит также к излучению энергии в свободное пространство, однако при малой ширине и правильном расположении щели: влияние этого фактора на результаты измерений незначительно.

Индикаторная головка ИЛ служит для преобразования высокочастотной ЭДС, наведенной на элементе связи, в постоянное напряжение или ток. Во всех стандартных измерительных линиях для связи индикаторной головки с полем исследуемого СВЧ-тракта используют зонд, выполненный в виде тонкого вертикального штыря.

Связь индикаторной головки с исследуемым полем регулируют изменением глубины погружения зонда. В случае экранированного зонда меняют длину его неэкранированной части.

Активная проводимость зонда определяет долю мощности, отводимую в цепь детектора, реактивная – искажает форму стоячей волны в исследуемом тракте, в частности приводит к смещению максимумов электрического поля.

Для уменьшения влияния зонда длину его следует брать минимальной. Однако при этом уменьшается чувствительность индикаторной головки. Для компенсации реактивной проводимости зонда и повышения чувствительности применяют резонансную настройку индикаторной головки. Это уменьшает искажения поля в ИЛ и обеспечивает максимальную передачу мощности от зонда на выход детектора.

Из сказанного следует, что диапазон рабочих частот измерительной линии определяется не только размерами измерительной секции, но и диапазоном настройки индикаторной головки. Для расширения этого диапазона применяют резонаторы специальной формы. В ИЛ для метровых и дециметровых волн используют тороидальные резонаторы. На рисунке 69, а показан несимметричный тороидальный резонатор, настраиваемый перемещением центрального стержня. Резонансная длина волны l₀ по мере погружения стержня увеличивается. При высоте зазора имеет место приближенная формула

. (2)

Обозначение размеров в формуле соответствует рисунку 69, а.

Из формулы (2) следует, что, уменьшая высоту зазора, можно существенно увеличить резонансную длину волны. Но при малых зазорах резко возрастает крутизна настроечной кривой ; для улучшения ее применяют резонаторы со специально подобранной формой зазора (рисунок 69, б).

При уменьшении зазора добротность резонатора падает. Это приводит к снижению чувствительности индикаторной головки. Для выравнивания чувствительности связь зонда с резонатором осуществляют через емкостный возбудитель, выполненный в виде диска (см. рисунок 66). В такой конструкции уменьшение добротности частично компенсируется возрастающей связью возбудителя с электрическим полем резонатора.

В ИЛ сантиметрового диапазона резонансная система индикаторной головки представляет собой бикоаксиальный резонатор, состоящий из трех концентрически расположенных цилиндров (рисунок 70). Центральный стержень, являющийся продолжением зонда, вместе с внутренней поверхностью среднего цилиндра образует внутреннюю коаксиальную линию. Внешняя поверхность среднего цилиндра и внутренняя наружного образуют внешнюю коаксиальную линию, связанную с детектором. Настраивают линии с помощью короткозамыкающих плунжеров.

Детектор индикаторной головки представляет собой специальную камеру, в которую помещен полупроводниковый диод. Связь детекторной камеры с резонатором может быть индуктивной, через петлю связи (см. рисунок 66), или кондуктивной (рисунок 70). Высокочастотные составляющие тока детектора должны замыкаться на корпус прибора. Это достигается с помощью конструктивной емкости между держателем диода и камерой.

Устройство для перемещения индикаторной головки и отсчета положений зонда должно обеспечивать перемещение зонда в плоскости симметрии измерительной линии при строго постоянной глубине погружения его в измерительную секцию, а также отсчет положений зонда с заданной точностью.

Как правило, индикаторная головка крепится на каретке – металлической плите, передвигаемой вдоль измерительной секции по направляющим. Каретку устанавливают на направляющих с помощью специальных подшипников, имеющих малые биения. Для ее передвижения широко применяется фрикционная передача, как наиболее простая и надежная. Положение зонда в ИЛ метрового и дециметрового диапазонов определяют с помощью линейки, укрепленной на корпусе прибора, и нониуса, установленного на каретке. Это обеспечивает отсчет с точностью до ±0,1 мм, что соответствует практическим требованиям в этих диапазонах. В ИЛ сантиметровых волн необходимая точность отсчета составляет сотые доли миллиметра. Это достигается установкой измерителей линейных перемещений с разрешающей способностью 0,01 мм в качестве основного или дополнительного устройства для отсчета положений зонда.