способ определения дисперсионной характеристики регулярной линии передачи в режиме рассогласованного тракта

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 _{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 _{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;

_om= 2/_om, _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте f_{min m}, _om = c/f_{min m};

_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}.

Описание изобретения к патенту

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;

_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте _om = c/f_om;

c = 310⁸ 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) _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 _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 _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 _{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 _{min m} от входа нагруженной регулярной линии передачи,

m = 1,2,3, . ..; c = 310⁸ 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, _om= 2/_om, _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте f_{min m}, _om = c/f_{min m}, _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 ₀ 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 F (полосу качания прибора), например, F = 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 ₀ фиг. 2, представляющая собой периодическую кривую интерференции парциальных КО от входа СЗС 4 и от ее выхода и имеющая на оси частот экстремальные (минимальные _min и максимальные _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 F. Определяют фазы нагрузок _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; _om = 2/_om; _om = с/f_{min m}; c = 310⁸ 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 f 1 МГц и остальных величин A 10%.

В табл. 2 и 3 обозначены: f_min - измеренные частоты минимальных значений КО _{min m}; _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренным частотам f_{min m}; _om = c/f_min, c=310⁸ 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/; _н - фаза нагрузки, определяется по формуле (4); l₁ - взята из табл. 1, _o = 2/_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 F = (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; _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 ₁ зависит от соотношения Z₀₁ > Z₀₂ или Z₀₁ < Z₀₂.

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



где - модуль КО; ₂ = _н - его фаза.

Из (9) следует, что модуль ₀₂ и фаза _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 ₀ модно записать:



где = _н+2_zl_o.

Так как cos - функция периодическая с периодом 2, то модуль КО ²₀ (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 ₀. Исследование формулы (13) на экстремумы по аргументу показывают, что экстремумы модуля суммарного КО ₀ существуют на частотной оси в точках, в которых 1 sin = 0 или cos = 1; в этих точках



при этом в точках _m = m2 имеет место максимум суммарного КО ₀:



а в точках _m = (2m-1) - минимум суммарного КО ₀:



Отметим, что из формул (12), (16) и (17) следует: парциальные КО ₀₁ и ₀₂ должны быть меньше единицы (₀₁ < 1 и ₀₂ < 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 _0min (15):

_m = 2_zml_o+2_oml₁+_нm = (2m-1), (18)

где _zm - фазовая постоянная распространения ЭВМ в исследуемом отрезке СЗС на измеренной частоте f_{min m} минимума суммарного КО _0min;

l₀ - заданная длина исследуемого отрезка;

l₁ - заданная длина высокочастотных соединителей, соединяющих исследуемый отрезок СЗС с ВЧИТ и нагрузкой;

_om - заданная фазовая постоянная распространения ЭВМ в высокочастотных соединителях на измеренной частоте f_{min m};

_нm - фаза нагрузки или фаза парциального КО на измеренной частоте, определяемая по формулам (4) или (11).

Принимая во внимание, что _zm = 2/_zm и _zm = _om/n_m, где n_m - коэффициент замедления на измеренной частоте f_{min m}, а _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте f_{min m}, равная _om = c/f_{min m}, c=310⁸ 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.