Рисунок 3.4 Распределение поля, как функция частоты (1- режим бегущей
волны, 2- режим стоячей волны)
Контроль режима осуществлялся при помощи измерительной линии,
включенной в состав волноводного кольца. На рис 3.8 и 3.9 соответственно
представлены частотные зависимости КСВН в волноводном кольце в обоих режимах.
Очевидно, что на высоких частотах ( выше 6,5 ГГц), что обусловлено сечением
волновода, режим с большой достоверностью можно считать режимом бегущей волны,
т.к. значение КСВН для этих частот не превышает 1,8, в то время, как в режиме
стоячей волны в этом диапазоне КСВН > 2×102.
3.3 Метод измерения коэффициента отражения
Задача измерения больших коэффициентов отражения актуальна при
определении параметров короткозамкнутых нагрузок в волноводных трактах.
Особенностью подобных измерений является большой динамический диапазон
измеряемых величин, что затрудняет использование методов, связанных с
применением измерительной линии ввиду сложности процедуры обеспечения
квадратичности характеристики детектора в требуемом диапазоне. В настоящей
работе теоретически и экспериментально обоснована методика измерения больших
коэффициентов отражения на основе применения кольцевого резонатора бегущей
волны.
При широкодиапазонном возбуждении такого резонатора генератором
качающейся частоты наблюдается чередование максимумов и минимумов амплитуды
СВЧ-поля, как функция частоты возбуждения. Нетрудно показать, что
соответствующие значения амплитуд определяются собственным затуханием линии α.
Действительно, амплитуда в максимуме поля определяется, как результат
интерференции волн, которые совершили целое число “оборотов” в кольцевой
системе.
Е=
Так-как в максимуме поля j= 2kp. А в минимуме j= (2k+1)p/2, то
Емакс= Е0(1-e-α)-1
Емин= Е0(1+e-α)-
1
Если внести в кольцевую систему короткозамкнутую нагрузку, то её можно
рассматривать, как отрезок короткозамкнутой линии, в которой установится режим
стоячей волны в полном соответствии с рассмотренным во второй главе материалом.
Тогда амплитуда поля в максимумах и минимумах аналогично рассмотренному выше
для режима бегущих волн с учетом коэффициента отражения от обоих поверхностей
представима в виде:
Емакс= Е0(1-Гe-α)-1,
Емин= Е0(1+Гe-α)-1.
Очевидно, что, исключив из уравнений параметры собственного затухания
линии, можно определить модуль коэффициент отражения нагрузки Г.
3.4 Реактивная нагрузка в линии
Известно, что внедрение диафрагмы в волновод эквивалентно включению в
состав тракта реактивной нагрузки, характер которой определяется ориентацией
диафрагмы относительно широкой стенки волновода. Данное обстоятельство
позволяет судить о перспективности внедрения отражающей плоскости в кольцевой
резонатор бегущей волны с целью его настройки – изменения. На рисунеке
приведены осциллограммы частотной зависимости амплитуды поля при введении в
зазор кольцевой системы диафрагмы ножевого типа.
Рисунок 3.5 Осциллограмма частотной зависимости амплитуды поля
Более высокие максимумы соответствуют режиму бегущей волны (а),
низкие – дополнительные максимумы (б и в), возникающие при
введении диафрагмы. Смещение начальных максимумов имеет место, однако
составляет незначительную величину, в то время, как смещение побочных
максимумов весьма значительно. На рисунке - б представлен случай введения
диафрагмы параллельно широкой стенке, а на рисунке в – для случая
введения диафрагмы параллельно узкой стенке. Очевидно, что в первом случае
частота резонанса сдвигается в сторону низких частот, которые на осциллограмме
слева, а во втором – в сторону высоких частот. При полном введении диафрагмы
количество максимумов удваивается, и положения обоих добавочных максимумов
совпадают. Таким образом, оказывается возможной настройка резонатора бегущей
волны на любую частоту. Возможно также введение в волноводное кольцо диафрагмы,
ножевая поверхность которой ориентирована перпендикулярно диагонали сечения
волновода. В этом случае сопротивление носит чисто активный характер и влияет
только на добротность резонатора.
Отмеченное свойство диафрагмы в кольцевой системе позволяет судить о
возможности её применения не только для настройки резонатора, но и для целей
согласования. Она может быть использована в качестве трансформатора
сопротивления в волноводном тракте, в том числе – и в случае реактивной
нагрузки для компенсации индуктивной либо емкостной составляющей. На
представленных ниже зависимостях видно, что смещение начального максимума
пренебрежимо мало и не превышает 5 МГц на основной частоте 7 ГГц.
3.5
Проверка аппаратной функции
При проведении измерений на установке данного типа появилась
возможность определения зависимости и проверки аппаратной функции прибора
измерения (Генератор качающейся частоты и индикатор КСВН и ослабления) в режиме
бегущих волн. Аппаратная функция это закон по которому проходит измерение и
изменение каких- либо параметров на конкретной установке, т. е. в нашем случае функция
отклика системы на внешнее воздействие.
Для проведения
эксперимента в нашу установку, в одно из плеч волноводноготракта был внедрен
атенюатор поляризационного типа. Который осуществлял ослабление сигнала СВЧ .
Измерения проводились на двух частотах: F1 = 8.355 Гц и F2 = 7.848 Гц. На
установке регистрировались значения минимумов αmin(A) и максимумов
αmax(A) при введении ослабления от 0 дБ до 10 дБ . Данные измерений
приведены в таблице №1 и №2. Далее по этим измерениям были построены графики
зависимости относительной величина Ат (отн.ед.) от ослабления аттенюатора A
(дБ) в интервалах [0;1] и [0;10]. В ходе анализа графиков выяснилось, что с
учетом погрешностей измерения и потерь, наблюдаемая нами зависимость
практически линейна. Следовательно и линейна аппаратная функция установки .
A (дБ) – показания ослабления аттенюатора .
αmax(A) – положение максимума при заданной
величине ослаблении.
αmin(A) – положение минимума при заданной
величине ослаблении.
Ат (отн.ед.) – теоритическое значение величины ослабления.
Таблица данных №1.
F1 = 8.355 Гц
A
(дБ)
Ат
(отн.ед.)
αmax(A)
αmin(A)
0
0,489
5,10
1,225
1
1,052
2,50
1,210
2
1,479
1,90
1,195
3
1,876
1,60
1,175
4
2,057
1,50
1,160
5
2,645
1,32
1,145
6
3,206
1,22
1,125
7
3,358
1,19
1,110
8
3,637
1,17
1,110
9
3,709
1,15
1,095
10
4,016
1,13
1,090
Таблица
данных.
F2 = 7.848 Гц
Таблица данных №2.
F1 = 7,848 Гц
A
(дБ)
Ат (отн.ед.)
αmax(A)
αmin(A)
0
1,396
1,840
1,110
1
1,840
1,515
1,100
2
2,260
1,350
1,095
3
2,573
1,270
1,090
4
2,868
1,210
1,080
5
3,218
1,170
1,080
6
3,376
1,135
1,060
7
3,770
1,110
1,060
8
4,272
1,090
1,060
9
4,672
1,080
1,060
10
4,663
1,070
1,050
Заключение
В работе экспериментально
исследовалась частотная характеристика кольцевых (замкнутых) систем СВЧ -
диапазона в режиме бегущих и стоячих волн. Показано, что в обоих случаях
частотная зависимость является квазипериодической, причем, количество
максимумов на ограниченном интервале для режима бегущих волн вдвое меньше, чем
для режима стоячих волн. Экспериментально установлено, что добротность системы
в режиме бегущих волн выше (примерно вдвое для рассматривавшейся системы), чем
в режиме стоячих волн. На основании проделанных расчетов и экспериментальных
исследований предложена методика (способ) определения больших коэффициентов
отражения, что является актуальным для контроля качества короткозамыкателей
СВЧ. Проведено практическое апробирование предложенной методики на образцах из
различных материалов и получены частотные зависимости их коэффициента отражения
в диапазоне от 6ГГц до 8,5 ГГц.
Исследовано влияние
диафрагмирования волноводного кольца на характер частотной зависимости
амплитуды волны в системе. Показано существенное влияние ориентация вводимой
диафрагмы ножевого типа относительно широкой стенки волновода на положение
максимумов амплитуды. Характер нагрузки при изменении положения диафрагмы
изменяется от емкостного до индуктивного, а модуль сопротивления – от нуля до
бесконечности, что позволяет производить перенастройку резонатора бегущей волны
на любую частоту из рабочего диапазона, переходя от режима бегущих волн к
режиму стоячих волн через режим смешанных волн. Проделанное экспериментальное
исследование позволяет судить о перспективности использования режима бегущих
волн в резонаторах СВЧ системах, по сравнению с традиционно применяющимися
резонаторами, использующие стоячую волну.
2. Ковалёв С. В., Нестеров С. М., Скородумов И. А. //
Радиотехника и электроника (Москва)- 1993.- 38 №12.- С. 2138- 2140
3. Кирочкин Ю. А., Степанов К.Н. // Журнал экспериментальной
и технической физики- 1993.- 104, №6.- С. 3955-3970.
4. Кубышкин Е. И. // Изв. РАН. Мех. тверд. тела.- 1992, №6.-
С.- 42- 47.
5. Семин И. А. // Радиотехника и электроника.- 1993.- 38,
№3.- С. 436- 439.
6. Свешников А. Г., Боголюбов А. Н., Минаев Д. В., Сычкова А.
В. // Радиотехника и электроника – 1993.- 38 №5.- С. 804- 810
7. Кириленко А. А., Сенкевич С. Л., Тысик Б. Г.//
Радиотехника и электроника (Москва).- 1990.- 35, №4.- С. 687- 694.
8. Козлова А. Н., Эткин В. С. // Журнал “Успехи физических
наук”
9. Под редакцией Валитова Р. А. и Макаренко Б. И.// Измерения
на миллиметровых и субмиллиметровых волнах (Москва).- 1984.-с. 91- 98.
10. Каценеленбаум Б. З. // Нерегулярные волноводы с медленно
меняющимися параметрами.- М.: Изд- во АН СССР, 1961.- с.196.
11. Ваганов Р. Б., Матвеев Р. Ф., Мериакри В. В. //
Многоволновые волноводы со случайными нерегулярностями.- М.: Сов.радио, 1972.-
с.232.
12. Под редакцией Гроднева В.А. .. Многоволноводные круглые
волноводы.- М.: Связь, 1972.- с. 198.
13. Валитова Р. А. // Методы и техника. М.: Радио и техника,
1984.- с.296
14. Вамберский М. В., Казанцев В. И., Шелухин С. А. //
Передающие устройства СВЧ.- Москва «высшая школа»,1984.- с.57-74
15. Под ред. Мириманова // Миллиметровые и субмиллиметровые
волны. Изд- во иностранной литературы.
16. Куликов Мю Н., Стальмахов В. С. // К расчету электронно-
волнового усилителя типа М с тонким лучом. Радиотехника и электроника, 1964, т.
11, №2.-с. 252.
17. Лошаков Л. Н. // К теории электронного прибора СВЧ с
взаимодействием в поперечном направлении. Радиотехника и электроника, 1960,
т.5, №9.-с.1448.
18. Лошаков Л. Н. // О применении леммы Лоренца для
приближенного расчета постоянных распространения в электронном приборе типа
лампы с поперечным взаимодействием. Радиотехника и электроника, 1961, т.6,
№12.-с.2012.
19. Лопухин В. М. // Возбуждение э\м колебаний и волн
электронными потоками. Гостехиздат, 1953.
20. Под ред. Федотова // Электронные СВЧ приборы со
скрещенными полями. Изд- во ин. лит., 1961.
Приложение
Таблица.1 Исследование параметров волны в линии при введении нагрузки
параллельно узкой стенке
№
L
(мм)
f
f
Амплитуда
волны
f
(db)
f (db)
0
1
2
3
4
5
1
0
7,175
7,175
0
0
2
0,4
7,178
7,178
0
0
3
0,8
7,184
7,176
-0,5
-7,5
4
1,1
7,194
7,173
-4,5
-9
5
1,2
7,204
7,175
-7
-8
6
1,6
7,218
7,177
-5
-5
7
2
7,224
7,178
-4
-4,5
8
2,4
7,227
7,178
-3
-4
9
2,8
7,229
7,177
-3
-4,2
10
3
7,232
7,178
-3,2
-5
Таблица 2 Исследование параметров волны в линии при введении нагрузки
параллельно узкой стенке
№
L
(мм)
f
f
Амплитуда
волны
f(db)
f (db)
0
1
2
3
4
5
1
0
7,690
7,690
0
-9,8
2
0,4
7,692
7,688
-0,2
-9
3
0,8
7,697
7,682
-1,6
-7,8
4
1,1
7,710
7,683
-8
-8,2
5
1,2
7,715
7,685
-7,9
-8,1
6
1,6
7,730
7,685
-7,8
-8
7
2
7,739
7,686
-8
-7
8
2,4
7,774
7,688
-7,4
-5,6
9
2,8
7,745
7,692
-6
-5,6
10
3
7,745
7,693
-5,5
-5,7
Таблица 3 Исследование параметров волны в линии при введении нагрузки
параллельно узкой стенке
№
L
(мм)
f
f
Амплитуда
волны
f(db)
f (db)
0
1
2
3
4
5
1
0
8,225
8,225
0
0
2
0,4
8,226
8,228
0
0
3
0,8
8,232
8,225
-1
-9,8
4
1,1
8,246
8,223
-6,8
-10
5
1,2
8,250
8,225
-8
-11
6
1,6
8,273
8,226
-10,2
-11,3
7
2
8,287
8,227
-10
-10
8
2,4
8,287
8,228
-9
-9,8
9
2,8
8,288
8,229
-8
-8,8
Таблица 4 Исследование параметров волны в линии при введении нагрузки
параллельно широкой стенке
№
L
(мм)
f
f
Амплитуда
волны
f(db)
f (db)
0
1
2
3
4
5
1
0
8,228
8,228
0
0
2
0,3
8,220
8,220
-3
-3
3
0,6
8,201
8,222
-5,2
-8,8
4
0,9
8,194
8,224
-5,1
-10
5
1,2
8,182
8,230
-5,4
-11,8
6
1,5
8,179
8,234
-4,8
-8
Таблица .5 Исследование параметров волны в линии при введении нагрузки
параллельно широкой стенке
№
L
(мм)
f
f
Амплитуда
волны
f(db)
f (db)
0
1
2
3
4
5
1
0
7,691
7,691
0
0
2
0,3
7,684
7,684
-2,2
-2,2
3
0,6
7,674
7,687
-9
-7,6
4
0,9
7,663
7,687
-10,3
-8,9
5
1,2
7,652
7,692
-9,5
-9,5
6
1,5
7,646
7,694
-9
-9
Таблица 6 Исследование параметров волны в линии при введении нагрузки
параллельно широкой стенке