Этот метод используется для распределения статических и квазистатических полей. В диапазоне СВЧ методом электролитической ванны (рис. 38) исследуется структура поля волны, являющейся квазистатической. В этом случае, измерив распределение статического поля в СВЧ-устройстве, можно утверждать, что структура этого поля будет одинаковой со структурой поля Т-волны в этом же устройстве.
Рисунок 38 - Измерение структуры поля методом электролитической ванны:
а-схема измерения, б-измеренная структура поля
Измерительная установка состоит из диэлектрической ванны, обычно заполненной водой. В ванну опущены металлические электроды, пропорциональные по размерам и одинаковые по форме с металлическими поверхностями сечения измеряемого устройства. Допустим, это будет поперечное сечение прямоугольной коаксиальной линии. К электродам подключен источник постоянного или низкочастотного переменного напряжения. Измерение сводится к определению и вычерчиванию формы эквипотенциальных линий электрического поля между электродами. Для измерения потенциалов используют ламповый вольтметр V с большим входным сопротивлением. Построив линию эквипотенциальных поверхностей, нетрудно нарисовать структуру электромагнитного поля, поскольку электрические силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, а магнитные совпадают с ними. Обычно этот процесс автоматизируется.
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
Наиболее простые и доступные методы измерения коэффициента отражения основаны на применении измерительной линии, представляющей собой отрезок линии передачи с узкой щелью, прорезанной вдоль ее оси. Через щель внутрь волновода помещен электрический зонд, соединенный с детектором и передвигаемый вдоль щели с помощью каретки.
Промышленностью выпускаются измерительные линии коаксиальной, прямоугольной и симметрично-полосковой конструкции. Для проведения калибровки и ряда измерений комплект содержит короткозамыкатель и согласованную нагрузку. Коаксиальные измерительные линии, используемые на частотах 10…10000 МГц, имеют собственный Кст=2..3 не более 10%. Волноводные измерительные линии имеют прямоугольное сечение, используются на частотах 1000МГц и выше, имеют собственный Кст=1,01…1,03 и погрешность измерения Кст=2..3 не более 7%.
При измерениях коэффициента отражения измерительная линия включается в состав стенда (рис. 39,а). В процессе измерений, передвигая зонд, снимают картину распределения электрического поля вдоль линии (рис. 39, б).
Рисунок 39 - Измерение коэффициента отражения методом измерительной линии
Перемещение зонда измерительной линии калибровано, и его положение отсчитывается с помощью специальной линейки или микрометрического устройства. Расстояние между двумя соседними минимумами (рис.39, б) равно длине волны в используемой измерительной линии. Положение минимумов определяет фазу коэффициента отражения измеряемого устройства, а отношение максимума к минимуму электрического поля определяет коэффициент стоячей волны: Кст=Еmax/Emin.
С помощью Кст определяют модуль коэффициента отражения по следующей формуле: Г=(Кст-1)/(Кст+1).
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ
Модуль и фаза (аргумент) коэффициента передачи имеют самостоятельное значение и определяются отдельно. В случае уменьшения амплитуды волны модуль коэффициента передачи определяет затухание, а в случае увеличения амплитуды волны – усиление. Аргумент коэффициента передачи определяет изменение фазы волны при прохождении ее через измеряемое устройство и используется для оценки фазовых характеристик СВЧ-устройств.
Измерение модуля коэффициента передачи можно проводить следующими наиболее распространенными методами: измерительной линии, резонатора, отношения мощностей, замещения и компенсационным.
Метод измерительной линии используется для измерения малых затуханий (порядка нескольких децибел) и основан на измерении четырехполюсника, короткозамкнутого на выходном конце. Измерив Кст, можно вычислить затухание четырехполюсника
α=8,68arctg1/Кст.
Это соотношение справедливо, если затухание в самой измерительной линии меньше затухания в измеряемом четырехполюснике и нет отражений от входа последнего.
Метод резонатора удобен для определения затуханий менее 1 Дб в небольших отрезках линии передачи. Линию достаточной длины закорачивают с обоих концов или сворачивают в кольцо с таким расчетом, чтобы образовать резонатор, и тогда измеряют собственную добротность полученного резонатора. По результатам измерения добротности Q0 вычисляется коэффициент затухания линии передачи, который с достаточной степенью точности можно определить соотношением α=27,3/Q0λв.
Эта формула справедлива лишь для резонаторов небольшой электрической длины (например полволны) с малыми потерями в местах короткого замыкания и при слабой связи во время измерений с генератором и индикатором.
Метод отношения мощностей основан на измерении мощности на входе Рвх и выходе Рвых измеряемого устройства и вычислении модуля коэффициента передачи (затухания и усиления) α=10lg(Рвх/Рвых).
Функциональная схема измерения затухания методом замещения показана на рис.40.
Рисунок 40 - Измерение модуля коэффициента передачи методом замещения
В методе используется точный образцовый аттенюатор, включенный между генератором и выходным индикатором. Аттенюатор первоначально устанавливается на некоторый удобный уровень, принимаемый в качестве опорного. После включения измеряемого четырехполюсника затухание аттенюатора изменяется до тех пор, пока детектируемый сигнал не достигает первоначального значения.
По изменению показаний аттенюатора определяют модуль коэффициента передачи (затухание или усиление) четырехполюсника. Оба последних метода используются при измерениях затухания больше нескольких децибел.
Измерение фазы коэффициента передачи. Фазовый угол коэффициента передачи обычно находят как изменение фазы (фазовый сдвиг) сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе измеряемого устройства. Большинство измерительных устройств используют метод замещения по СВЧ и промежуточной частоте, компенсационный метод или метод фазовых детекторов.
На рис. 41 приведена функциональная схема для измерения комплексного значения коэффициента передачи компенсационным методом.
Рисунок 41 - Измерение модуля и фазы коэффициента передачи компенсационным методом.
Отсчет по шкалам аттенюатора и фазовращателя дает значения модуля и фазового угла комплексного коэффициента передачи измеряемого устройства. Отсчет начинают после того, как с помощью регулировки аттенюатора и фазовращателя индикатор покажет нуль, что соответствует равенству амплитуд и фаз выходных сигналов в обеих параллельных ветвях.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Для определения полного сопротивления СВЧ-элементов и устройств часто используют комплексное значение коэффициента отражения. Под полным сопротивлением понимают коэффициент пропорциональности между воздействием (приложенным напряжением) и реакцией электрической цепи на это воздействие (возникшим током). В цепях СВЧ-диапазона приходится иметь дело с распространением электромагнитных волн, где полное сопротивление является внешней характеристикой тракта и устройств, включенных в него. По реакции на электромагнитную волну (отражение, поглощение и передача) оно эквивалентно реакции обычного полного сопротивления с сосредоточенными параметрами на низкочастотную волну напряжения и тока, распространяющуюся, например, в двухпроводной линии.
Автоматизация измерений полных сопротивлений осуществляется с помощью многозондовой измерительной линии, которая представляет собой отрезок волновода с продольной щелью, как в обычной измерительной линии, но с четырьмя неподвижными зондами, расположенными на расстоянии λв/8 друг от друга; ближайший к измеряемому устройству зонд располагается также на расстоянии λв/8 от входа в измеряемое устройство (рис. 42).
Рисунок 42 - Автоматический измеритель полных сопротивлений
Наводимые на зондах сигналы после детектирования усиливаются, вычитаются в комбинации (U1-U3), (U4-U2) и, соответственно подводятся к отклоняющим пластинам электронно-лучевой осциллографической трубки. При постоянной выходной мощности свипируемого генератора и одинаковых частотных характеристиках всех четырех зондов радиальное отклонение луча от цента осциллографической трубки в таком устройстве пропорционально модулю коэффициента отражения, а угол между горизонтальной осью и вектором, проведенным через светящуюся точку отклоненного луча и центр осциллограммы, равен фазе коэффициента отражения.
Необходимость соблюдения условия λв/8 требует перестройки зондов при измерении в широком диапазоне частот.
Измерители полных сопротивлений в режиме панорамного измерения (автоматической перестройки частоты) в полосе ±10% имеют погрешность определения модуля ±4% и фазы ±2%.
Список литературы.
1. Констpуиpование экpанов и СВЧ устpойств/ Под pед. А.М.Чеpнушенко.-М.: Радио и связь. 1990.-353 с.
2. Микроэлектронные устройства СВЧ/Под ред. Г.И.Веселова.-М. Высш.шк.,1988.-280 с.
3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш.шк., 1988. -432 с.
4. Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот / Под ред. В.М. Седых – Харьков «Вища школа» 1974-275 с.
Вопросы к зачету
1. Нагрузки
2. Широкополосная согласованная нагрузка
3. Узкополосная согласованная нагрузка
4. Аттенюаторы
5. Предельные аттенюаторы
6. Фиксированные аттенюаторы
7. Переменный поглощающий аттенюатор
8. Фазовращатели
9. Согласование в линиях передачи СВЧ. Нежелательные эффекты, возникающие при отсутствии согласования
10. Принципы согласования с помощью 4-х полюсника, 3 способа согласования
11. Согласование активных составляющих полных сопротивлений нагрузки и линии передачи
12. Согласование реактивных составляющих полных сопротивлений нагрузки и линии передачи
13. Согласование полных сопротивлений нагрузки и линии передачи
14. Принцип действия пластинчатого диэлектрического трансформатора полных сопротивлений
15. Матрица рассеяния
16. Автоматизация проектирования СВЧ-устройств
17. Пакеты прикладных программ для анализа и расчета устройств СВЧ
18. Особенности СВЧ микроэлектронных устройств
19. Микрополосковые резисторы
20. Микрополосковые емкостные элементы
21. Микрополосковые индуктивные элементы
22. Неоднородности
23. Печатные резонаторы
24. Фильтры СВЧ
25. Фильтры нижних частот
26. Полоснопропускающие фильтры
27. Делители мощности
28. Направленные ответвители.
29. Характеристики смесителей
30. Конструкции смесителей
31. Устройства на ферритах
32. Ферритовые циркуляторы
33. Вентили
34. Методы исследования параметров устройств СВЧ
35. Измерение структуры электромагнитного поля методом активного зонда
36. Измерение структуры электромагнитного поля методом реактивного зонда
37. Измерение структуры электромагнитного поля методом электролитической ванны
38. Измерение коэффициента отражения
39. Измерение коэффициента передачи
40. Измерение полного сопротивления
