Описание измерительной установки и методики измерений

Измерительная установка состоит из СВЧ генератора трехсантиметрового диапазона, выполненного на диоде Ганна, измерительной линии (ИЛ) и вольтметра В7–16 (см. приложение).

К концу ИЛ с помощью струбцинок подключают различные волноводные нагрузки, параметры которых измеряют косвенным образом по распределению амплитуды Е напряженности электрического поля вдоль линии. ИЛ работает на основном типе волны Н ₁₀. При этом длина волны в волноводе ИЛ определяется выражением

где l₀ – длина волны генератора в свободном пространстве; а – ширина волновода.

Длина волны l_В связана с частотой генератора соотношением

 

 

где с – скорость света в свободном пространстве.

При короткозамкнутой нагрузке распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, а) описывается выражением

 

 

где h = 2p/l_В.К – постоянная распространения; l_В.К – длина волны в волноводе в режиме короткого замыкания; l – текущая координата, определяемая по отсчетному устройству ИЛ.

 

 

А б

Рис. 2.1

 

При произвольной комплексной нагрузке Z _Н распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, б) описывается выражением

 

где К = Е_max / E_min – коэффициент стоячей волны (КСВ); Е_max и Е_min – максимальное и минимальное значения амплитуд напряженности электрического поля; h = 2p/l_В.Н – постоянная распространения (продольное волновое число); l_В.Н – длина волны в волноводе, нагруженном на сопротивление Z _Н.

Измерение длины волны может быть произведено методом определения положения двух соседних узлов напряженности поля (рис. 2.1), при котором

 

или методом “вилочного” отсчета (рис 2.1), при котором

 

 

Предельную погрешность измерения l_В рассчитывают как погрешность косвенного измерения и оценивают предельными погрешностями измерений l_i, которые равны

 

D _{П l} = D _ПИ + D _ПМ.

 

Здесь D _ПИ – предельная инструментальная погрешность измерения положения зонда; D _ПМ – предельная методическая погрешность, зависящая от метода измерений.

При индикации экстремального уровня

 

 

а при отсчете на установленном уровне

 

 

В этих выражениях m– единица младшего разряда ЦВ, а значения производных рассчитываются при l = l _ЭКС и l = l _УР соответственно. Зависимости показаний вольтметра U от координаты l при квадратичной градуировочной характеристике ИЛ определяются соотношениями

 

 

при короткозамкнутой нагрузке или комплексной нагрузке соответственно.

Значение КСВ определяют с помощью градуировочной характеристики ИЛ – зависимости показаний вольтметра от истинных значений амплитуды напряженности Е электрического поля в ИЛ. Учитывая, что при короткозамкнутой нагрузке распределение поля Е точно известно (Е/Е ₀ = |sin(hl)|), то, следовательно, поставив ИЛ в режим короткого замыкания, оказываются известными истинные значения Е/Е ₀ напряженности электрического поля вдоль ИЛ. Для этого режима и строят градуировочную характеристику ИЛ в относительном масштабе по точкам (E_i / E ₀, U_i) (рис. 2.2). При этом конкретному значению E_i / E ₀ соответствует вполне определенное значение D l_i = l_i – l _min, которое рассчитывается из соотношения

 

D l_i = arcsin(E_i /E ₀)/ h = l_В.К arcsin(E_i /E ₀)/(2p).

 

Таким образом, при экспериментальном определении градуировочной характеристики задаются конкретными значениями E_i /E ₀ (например, 0,1; 0,2;…1) и рассчитывают значения D l_i. Затем перемещают зонд ИЛ от положения l _min на величину D l_i и отсчитывают показания вольтметра U_i. По полученным точкам (E_i /E ₀, U_i ) строят градуировочную характеристику.

В табл. 2.1 п. 4 лабораторного задания значения arcsin(E_i /E ₀)/(2p) заранее рассчитаны (вторая строка таблицы). Поэтому величины D l_i рассчитываются как произведения этих значений на величину l_В.К (третья строка таблицы).

 

Рис. 2.2

Градуировочная характеристика позволяет по показаниям вольтметра U_max и U_min определить истинные значения Е_max /Е ₀ и Е_min /Е ₀, что является необходимым при точном измерении КСВ. С учетом градуировочной характеристики К рассчитывается по формуле

 

 

Погрешность d _ПК оценивают как погрешность косвенного измерения

 

d _ПК = d _П(Е_max / E ₀) + d _П(E_min / E ₀).

Домашнее задание

1. Изучите принцип работы ИЛ. Ознакомьтесь с методами измерений l_В, f _ГЕН, КСВ и методикой получения градуировочной характеристики ([1], с. 266, 268 – 275).

2. Приведите формулы для расчета измеряемых величин (l_В, f _ГЕН, КСВ) и выведите соотношения для оценки погрешностей этих величин.

3. Ответьте на контрольные вопросы.

 

Лабораторное задание

 

1. Включите СВЧ генератор и цифровой вольтметр В7–16. За время их прогрева ознакомьтесь с правилами эксплуатации ИЛ и ЦВ по их описаниям, приведенным в приложении, и получите у лаборанта необходимые волноводные нагрузки. Запишите в отчет метрологические характеристики ИЛ, а также показания термометра. Установите нуль и произведите калибровку ЦВ.

2. Подключите к концу ИЛ с помощью струбцинок короткозамыкатель. Переместите каретку детекторной секции в положение, соответствующее пучности электрического поля в волноводе. Вводя ослабление аттенюатора, добейтесь показания вольтметра U < 100 мВ. В дальнейшем настройку ИЛ и ослабление аттенюатора не изменяйте.