Способ определения дисперсионной характеристики регулярной линии передачи в режиме рассогласованного тракта

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерении дисперсионных характеристик (ДХ) замедляющих систем (ЗС). Достигаемый технический результат - измерение ДХ ЗС в условиях, соответствующих рабочему режиму ЗС на штатном месте при нагружении ЗС на произвольную комплексную нагрузку. Устройство для осуществления способа содержит измеритель коэффициента отражения (КО), последовательно соединенные высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ), исследуемый отрезок регулярной линии передачи (ЛП) и комплексную нагрузку, подключенные к первому выходу измерителя КО, и волномер, подключенный к второму выходу измерителя КО. Способ определения ДХ ЛП заключается в возбуждении в заданном диапазоне частот СВЧ-колебаниями от генератора СВЧ измерителя КО через ВЧИТ нагруженной комплексной нагрузкой Z₁₁ исследуемой ЛП, измерении частот f_min минимального значения Г_Σmin суммарного КО от входа ЛП, определении расчетным путем коэффициента замедления n_m на каждой из измеренных частот по известным соотношениям и построении ДХ по рассчитанным значениям n_m. 3 табл., 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерении дисперсионных характеристик (ДХ) замедляющих систем (ЗС) в метровом и дециметровом диапазонах волн.

Известен резонансный способ измерения ДХ ЗС /I, с.267/, включающий возбуждение ЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе (ОЦЗ) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) от генератора СВЧ, перестройку частоты генератора до нахождения первой резонансной частоты f₀₁ и регистрацию этой частоты, перестройку частоты генератора до нахождения и регистрации второй f₀₂, третьей f₀₃ и т.д. резонансных частот внутри заданного диапазона частот, определение коэффициента замедления n_m на каждой из резонансных частот по формуле: где m - номер резонанса, m = 1, 2, 3,...; l - длина ЗС; λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте λ_om = c/f_om; c = 3·10⁸ м/с, и построение DX n=n(f) в заданном диапазоне частот по рассчитанным значениям n_m.

Устройство для измерения ДХ ЗС резонансным способом содержит /I, с. 268, рис. 168/ генератор СВЧ, к первому выходу которого подключен волномер, последовательно соединенные первый зонд, ОЦР с ЗС, закороченной на его торцевые стенки, второй зонд, детекторную секцию и индикаторный прибор, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ, при этом связь первого и второго зондов с ЗС в ОЦР осуществляют слабой с помощью петель связи.

Измерение коэффициента замедления n_m производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ОЦР с ЗС от генератора СВЧ через первый зонд. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения первого резонанса ЗС на частоте f₀₁. Наличие резонанса определяют по максимуму показаний индикаторного прибора. Регистрируют частоту f₀₁ с помощью волномера. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения второго f₀₂, третьего f₀₃ и т.д. резонансов, регистрируют частоты этих резонансов. Рассчитывают коэффициент замедления n_m на каждой из измеренных резонансных частот f_om по формуле (1) и строят ДХ n=n(f) по рассчитанным n_m, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om.

Недостатком этого аналога является тот факт, что измерения можно проводить только на закороченной с обоих концов ЗС, размещенной в специальном технологическом ОЦР; таким способом нельзя, например, измерить ДХ в ЗС, установленной на штатном месте.

Известен способ измерения волнового сопротивления Z₀₂ спиральной замедляющей системы (СЗС) /2/, включающий возбуждение нагруженной активным сопротивлением R_н СЗС СВЧ колебаниями в заданном диапазоне частот через ВЧИТ с волновым сопротивлением Z₀₁ от генератора СВЧ, измерение на заданных дискретных частотах f_m внутри заданного диапазона экстремальных значений коэффициента стоячей волны (КСВ) K_max и K_min на входе СЗС, определение парциального коэффициента отражения (КО) Γ_01m от входа СЗС по известным соотношениям на каждой из заданных частот f_m, определение волнового сопротивления Z_02m СЗС на каждой из частот f_m по формуле и построение дисперсионной зависимости Z₀₂ = Z₀₂(f) по рассчитанным значениям Z_02m.

Устройство для измерения волнового сопротивления Z₀₂ СЗС содержит генератор СВЧ, измеритель КСВ с ВЧИТ с известным волновым сопротивлением Z₀₁, подключенные к выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные СЗС, переменный фазовращатель и активную нагрузку R_н, подключенные к выходу ВЧИТ.

Измерение волнового сопротивления Z₀₂ СЗС на заданной частоте f_m внутри заданного диапазона производят следующим образом. Собирают схему измерений. На заданной частоте f_m изменяют переменным фазовращателем фазу нагрузки R_н до получения КСВ K_{max m} на входе СЗС, регистрируют K_{max m}. Этим же фазовращателем изменяют снова фазу нагрузки R_н до получения минимума КСВ K_{min m}, регистрируют K_{min m}. Находят по известным соотношениям парциальный КО Γ_01m от входа СЗС на частоте f_m. Определяют Z_02m на частоте f_m по формуле (2). Производят измерения K_max и K_min на других заданных частотах внутри заданного диапазона, рассчитывают Γ_01m и Z_02m на этих частотах. Строят ДХ Z₀₂= Z₀₂(t) по рассчитанным значениям, принимая за аргумент f задаваемые частоты f_m.

Этот аналог позволяет исследовать СЗС, размещенную непосредственно на своем штатном месте. Однако он не дает возможности измерить ДХ СЗС n=n(f), где n - коэффициент замедления.

Каждый из двух аналогов можно принять в качестве прототипа, однако наиболее близким по технической сущности является второй аналог, который и выбран авторами в качестве прототипа. Основной его недостаток состоит в том, что он не решает задачу измерения ДХ.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение ДХ n=n(f) регулярной линии передачи (ЛП), в том числе и ЗС, в режиме рассогласованного тракта (в режиме нагружения 3С на произвольную комплексную нагрузку ). При этом в качестве исследуемой ЛП используют отрезок реальной ЗС на штатном рабочем месте без привлечения технологических дополнительных устройств.

Техническим результатом заявляемого решения является то, что ДХ n=n(f) регулярной ЛП, например, отрезка регулярной ЛП, удается измерить в условиях, соответствующих рабочему режиму ЛП, не обращая внимания на согласование с ВЧИТ и нагрузкой.

Этот технический результат достигается тем, что в способе определения дисперсионной характеристики регулярной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающем возбуждение нагруженной регулярной линии передачи СВЧ колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение частот экстремальных значений входных параметров этой линии, определение коэффициента замедления n на измеренных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n=n(f) по рассчитанным значениям n, новым является то, что регулярную линию передачи нагружают известным комплексным сопротивлением нагрузки Z_н=R_n+jX_n, измеряют в заданном диапазоне частот все частоты f_{min m}, соответствующие минимальным значениям суммарного коэффициента отражения Γ_{Σ min m} от входа нагруженной регулярной линии передачи, определяют коэффициент замедления n_m на каждой из измеренных частот f_{min m} по формуле где m - номер минимума суммарного коэффициента отражения Γ_{Σ min m} от входа нагруженной регулярной линии передачи,
m = 1,2,3, . ..; c = 3·10⁸ м/c, l_sp - заданная длина нагруженной регулярной линии передачи, м, f_{min m} - измеренная частота, Гц, l₁ - длина высокочастотных соединителей нагруженной регулярной линии передачи с измерительным трактом и нагрузкой, м, β_om= 2π/λ_om, λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте f_{min m}, λ_om = c/f_{min m}, ϕ_нm - фаза нагрузки на измеренной частоте

Z_02m - заданное волновое сопротивление нагруженной регулярной линии передачи на измеренной частоте f_{min m}, Ом, R_нm, X_нm - заданные активная и реактивная составляющие комплексного сопротивления нагрузки Z_нm на измеренной частоте f_{min m}, Ом, и строят дисперсионную характеристику n=n(f), принимая за аргумент f измеренные частоты f_{min m}, и строят дисперсионную характеристику n=n(f), принимая за аргумент f измеренные частоты f_{min m}.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет измерить ДХ n= n(f) нагруженной регулярной линии передачи в заданном диапазоне частот при нагружении ЛП произвольным комплексным сопротивлением нагрузки без дополнительных технологических устройств.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа и диаграмма распространения и отражения электромагнитной волны (ЭВМ) нагруженной регулярной ЛП; на фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика (интерференционная кривая) суммарного КО Γ_0Σ от входа нагруженной регулярной ЛП; на фиг. 3 - экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (пунктирные) ДХ для двух СЗС в заданном диапазоне частот.

Устройство для измерения ДХ по предлагаемому способу содержит (фиг. 1) последовательно соединенные измеритель коэффициента отражения 1, высокочастотный измерительный тракт 2, отрезок нагруженной регулярной линии передачи 4 и фиксированную комплексную нагрузку 5. Ко второму выходу измерителя КО1 подключен волномер 3.

В качестве измерителя КО1, ВЧИТ2 и волномера 3 на фиг. 1 использован промышленный измеритель комплексных коэффициентов передачи P4-37, в качестве регулярной линии передачи 4 - отрезок СЗС в цилиндрическом корпусе (размеры корпуса и СЗС приведены ниже), в качестве комплексной нагрузки 5 - отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением Z₀ - 50 Ом длиной l_omp, нагруженной на активный резистор типа C2-10 с известным номиналом R.

Измерение ДХ производят следующим образом. Собирают схему измерений фиг. 1 в режиме измерения входных параметров, нагружают линию 4 нагрузкой Z_н в виде коаксиала с подключенным активным резистором R. Включают приборы. На измерителе КО1 выставляют заданный диапазон частот ΔF (полосу качания прибора), например, ΔF = 50 - 800 МГц; включают измеритель КО1 в режим автоматического качания частоты. На экране измерительного блока измерителя КО1 по оси частот высвечивается амплитудно-частотная характеристика (интерференционная кривая) модуля суммарного КО Γ_0Σ фиг. 2, представляющая собой периодическую кривую интерференции парциальных КО от входа СЗС 4 и от ее выхода и имеющая на оси частот экстремальные (минимальные Γ_{Σ min} и максимальные Γ_{Σ max} ) значения суммарного КО на частотах f_{min m} и f_{max m}. Регистрируют на этой кривой все частоты f_{min m} в заданном диапазоне ΔF. Определяют фазы нагрузок ϕ_нm на измеренных частотах по формуле (4) и регистрируют их. Рассчитывают коэффициент замедления n_m на каждой измеренной частоте f_{min m} по формуле (3). По рассчитанным n_m строят ДХ n=n(f), принимая за аргумент f измеренные значения частот f_{min m}.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технических результатов был изготовлен макет лабораторной установки для измерения ДХ СЗС. Установка содержит металлический цилиндрический резонатор длиной L_к= 220 мм с внутренним диаметром D_к = 120 мм. Внутри корпуса коаксиально с помощью трех диэлектрических стержней из оргстекла диаметром 8 мм и длиной 220 мм укреплен отрезок исследуемой СЗС. Геометрические размеры исследуемых отрезков СЗС приведены в табл. 1.

В табл. 1 обозначены D_н - наружный диаметр СЗС; D_ср - средний диаметр СЗС; h - шаг (период) СЗС; d_пр - диаметр проводников СЗС, l_sp - длина отрезка СЗС; l₁ - длина высокочастотных соединителей, N - число витков (периодов) в СЗС; n_г - геометрический коэффициент замедления,
В качестве нагрузки использован резистор C2-10 с номиналом R = 681 Ом, подключенный к выходу коаксиального отрезка длиной l_отр= 132 мм, так что значения нагрузки = R_нm+jX_нm на каждой из частот f_{min m} рассчитываются по известной формуле /5/:

где Z₀= 50 Ом; R = 681 Ом; l_отр = 132 мм; β_om = 2π/λ_om; λ_om = с/f_{min m}; c = 3·10⁸ м/с.

Результаты измерений и расчета сведены в табл. 2 для СЗС N 1 и табл. 3 для СЗС N 2. Измерения проведены прибором P4-37, погрешности измерения частоты Δf ≅ ± 1 МГц и остальных величин δA ≅ ± 10%.

В табл. 2 и 3 обозначены: f_min - измеренные частоты минимальных значений КО Γ_{Σ min m}; λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренным частотам f_{min m}; λ_om = c/f_min, c=3·10⁸ м/с, R_н - активная часть нагрузки СЗС, X_н - реактивная часть нагрузки; R_н и X_н определены по формуле (5); Z₀₂ - волновое сопротивление СЗС, рассчитано по /3/; ϕ_н - фаза нагрузки, определяется по формуле (4); l₁ - взята из табл. 1, β_o = 2π/λ_o; n - коэффициент замедления на измеренных частотах f_min; рассчитан по формуле (3).

На фиг. 3 приведены экспериментальные (сплошные линии, построены по табл. 2 и 3) и теоретически рассчитанные (пунктиром) ДХ n = n(f) обоих СЗС (СЗС N 1 отмечена n = 13,5 мм, СЗС N 2 - h = 10,7 мм) в диапазоне частот ΔF = (50 - 700) МГц. В области высоких частот f ≥ 200 МГц экспериментальные и расчетные ДХ практически совпадают, в области нижних частот несколько отличаются. Это связано с тем, что ДХ СЗС в области нижних частот рассчитываются неточно и обычно измеряются экспериментально /4/.

Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется и позволяет измерить ДХ n = n(f) нагруженной регулярной ЛП. Отметим, что регулярной называют такую ЛП, у которой геометрическая конфигурация проводников и свойства заполняющего ее диэлектрика остаются неизменными по всей длине /5, стр. 8/.

На фиг. 1 приведены структурная схема измерений и диаграмма распространения и отражения ЭВМ в исследуемом отрезке СЗС длиной l₀ между входом (сечение 1-1) и выходом (сечение 2-2) /2/.

Для вывода суммарного коэффициента отражения от входа СЗС (сечения 1-1) пользуемся обозначениями /2/. Во всех обозначениях точка над буквой означает комплексную величину.

Суммарный КО от входа 1-1 отрезка можно записать в виде бесконечного ряда /2;6/:

где парциальные (собственные, частичные) КО от входа в сторону генератора и нагрузки соответственно;
парциальный КО от выхода 2-2 в сторону входа 1-1 в сечении 1-1,
По определению, парциальными (собственными, частичными) КО называют КО, обусловленные только скачками волновых сопротивлений ВЧИТ Z₀₁ и исследуемого отрезка Z₀₂, при условии, что другие источники отражений в отрезке 4 не учитываются. При таком определении

Учитывая равенство (6), ряд преобразуется к виду

Этот ряд есть геометрическая прогрессия, которая сходится к конечному пределу /2,7/:

где парциальный КО от входа исследуемого отрезка 4 (сечения 1-1) в сторону генератора при условии, что от выхода отрезка 4 (сечения 2-2) отражений нет и вся прошедшая волна (1+ ) к сечению 2-2 полностью поглощается в сечении 2-2 как в нагрузке (т.е. отрезок 4 работает в режиме бегущей волны); - парциальный КО от выхода отрезка 4 (сечения 2-2) в сторону входа отрезка 4 (сечения 1-1) при условии, что прошедшая сечение 2-2 волна U_2пр не отражается и полностью поглощается в нагрузке; β_z - фазовая постоянная распространения ЭВМ в отрезке 4; l₀ - длина этого отрезка.

Анализ процесса формирования суммарного КО по фиг.1 и формуле (7) за счет двух источников отражений в отрезке 4 (вход сечение 1-1 и выход сечение 2-2) позволяет сделать следующие выводы:
- парциальные КО в сечении 1-1 (вход СЗС) складываются геометрически и образуют суммарный (общий) КО от входа СЗС, который может быть измерен измерителем КО1 фиг. 1 и который на частотной оси образует интерференционную кривую фиг. 2;
- парциальные КО в сечении 1-1 не разделены и не могут быть измерены каждый в отдельности;
- определение каждого в отдельности может быть произведено только расчетным путем по соотношениям, связывающим (формула (7)) и соответствующим измерениям.

Отметим, что доля исследуемого отрезка 4 можно принять, как для ЛП с малыми потерями, волновое сопротивление Z₀₂ чисто вещественным. Поэтому парциальный КО определяемый по формуле (6), есть действительная величина:

так как ϕ₁ зависит от соотношения Z₀₁ > Z₀₂ или Z₀₁ < Z₀₂.

Парциальный КО по определению равен /6, стр. 36/

где - модуль КО; ϕ₂ = ϕ_н - его фаза.

Из (9) следует, что модуль Γ₀₂ и фаза ϕ_н равны:

где R_н - действительная часть нагрузки в сечении 2-2, X_н - мнимая часть нагрузки в сечении 2-2; Z₀₂ - волновое сопротивление СЗС.

С учетом обозначений (8) - (11) суммарный коэффициент отражения и его модуль Γ_0Σ модно записать:

где Ψ = ϕ_н+2β_zl_o.
Так как cosΨ - функция периодическая с периодом 2π, то модуль КО Γ²_0Σ (13) - так же периодическая функция с тем же периодом на частотной оси. А следовательно, на частотной оси при заданной постоянной длине l₀ отрезка в интерференционной кривой (13) будут иметь место экстремумы суммарного КО Γ_0Σ. Исследование формулы (13) на экстремумы по аргументу Ψ показывают, что экстремумы модуля суммарного КО Γ_0Σ существуют на частотной оси в точках, в которых 1 sin Ψ = 0 или cos ϕ = ± 1; в этих точках

при этом в точках Ψ_m = m·2π имеет место максимум суммарного КО Γ_0Σ:

а в точках Ψ_m = (2m-1)π - минимум суммарного КО Γ_0Σ:

Отметим, что из формул (12), (16) и (17) следует: парциальные КО Γ₀₁ и Γ₀₂ должны быть меньше единицы (Γ₀₁ < 1 и Γ₀₂ < 1), в противном случае интерференционной картины фиг. 2 не образуется. Следовательно, исследуемый отрезок 4 не должен работать в режимах короткого замыкания или холостого хода и не должен быть нагружен на чисто реактивное сопротивление нагрузки.

Распишем более подробно условие минимума Γ_0min (15):
Ψ_m = 2β_zml_o+2β_oml₁+ϕ_нm = (2m-1)π, (18)
где β_zm - фазовая постоянная распространения ЭВМ в исследуемом отрезке СЗС на измеренной частоте f_{min m} минимума суммарного КО Γ_0min;
l₀ - заданная длина исследуемого отрезка;
l₁ - заданная длина высокочастотных соединителей, соединяющих исследуемый отрезок СЗС с ВЧИТ и нагрузкой;
β_om - заданная фазовая постоянная распространения ЭВМ в высокочастотных соединителях на измеренной частоте f_{min m};
ϕ_нm - фаза нагрузки или фаза парциального КО на измеренной частоте, определяемая по формулам (4) или (11).

Принимая во внимание, что β_zm = 2π/λ_zm и λ_zm = λ_om/n_m, где n_m - коэффициент замедления на измеренной частоте f_{min m}, а λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте f_{min m}, равная λ_om = c/f_{min m}, c=3·10⁸ м/с, найдем

Формула (19) есть формула (3), в которой l₀=l_sp.

Проведенный анализ и экспериментальные данные табл. 2 и 3 и графиков фиг. 3 показывают, что предлагаемый способ отвечает критериям новизна и изобретательский уровень, является техническим решением, технически реализуется и может быть использован при измерении дисперсионных характеристик приборов СВЧ электроники в метровом и дециметровом диапазонах волн.

Источники информации:
1. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы, - Киев, 1965.

2. Мацейка К.Ю. Измерение частотных зависимостей волнового сопротивления СЗС. Научные тр. ВУЗов Литовской ССР; Радиоэлектроника. -1985, N 21(1), с. 27-32.

3. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы, М.: Радио, 1965.

4. Советов Н.М. Техника СВЧ. -М.: Высшая школа, 1976.

5. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами. -М.: Высшая школа, 1980.

6. Бреховских Л.М. Волны в сложных средах. М.: АН СССР, 1957.

Формула изобретения

Способ определения дисперсионной характеристики регулярной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающий возбуждение нагруженной регулярной линии передачи СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение частот экстремальных значений входных параметров этой линии, определение коэффициента замедления n на измеренных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n = n(f) по рассчитанным значениям n, отличающийся тем, что регулярную линию передачи нагружают известным комплексным сопротивлением нагрузки Z_н = R_н + jX_н, измеряют в заданном диапазоне частот все частоты f_{min m}, соответствующие минимальным значениям суммарного коэффициента отражения Γ_{Σ min m} от входа нагруженной регулярной линии передачи, определяют коэффициент замедления n_m на каждой из измеренных частот f_{min m} по формуле

где m - номер минимума суммарного коэффициента отражения Γ_{Σ min m} от входа нагруженной регулярной линии передачи;
m = 1,2,3,...;
с = 3 · 10⁸ м/с;
l_sp - заданная длина нагруженной регулярной линии передачи, м;
f_{min m} - измеренная частота, Гц;
l₁ - длина высокочастотных соединителей нагруженной регулярной линии передачи с измерительным трактом и нагрузкой, м;
β_om= 2π/λ_om, λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте f_{min m}, λ_om = c/f_{min m};
ϕ_нm - фаза нагрузки на измеренной частоте f_{min m}:

Х_o2m - заданное волновое сопротивление нагруженной регулярной линии передачи на измеренной частоте f_{min m}, Ом;
R_нm, Х_нm - заданная активная и реактивная составляющие комплексного сопротивления нагрузки Z_нm на измеренной частоте f_{min m}, Ом,
и строят дисперсионную характеристику n = n(f), принимая за аргумент f измеренные частоты f_{min m}.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5