Глава 5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОВОЛНОВЫХ ВОЛНОВОДОВ

19. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНЫХ ПОТЕРЬ

В гл. 3, 4 было показано, что при заданных длине линии, диаметре волновода и рабочей полосе частот основными характеристиками многоволновой линии являются следующие:

1) омические потери рабочей и паразитных волн;

2) разность фазовых постоянных этих волн;

3) средние потери рабочей волны на преобразование в паразитные волны.

Следовательно, задачей эксперимента является нахождение величин в многоволновых линиях со случайными нерегулярностями.

Следует отметить, что величины и измеряются и в одноволновых волноводах. Однако если в волноводе распространяется несколько типов волн, то при использовании стандартных методов измерения величин нужно учитывать специфику потерь в многоволновом волноводе.

Если в одноволновом волноводе потери рабочей (единственной распространяющейся волны) складываются из омических потерь и потерь на отражение, то в многоволновом волноводе полные потери волны включают ее омические потери, потери на отражение и потери на преобразование в волны других типов. В гл. 2 было показано, что практически во всех случаях потерями на отражение можно пренебречь. При этом полные потери волны на длине волновода равны

где - потери волны на преобразование в волну на длине причем

В данном случае задачей является измерение как полных потерь рабочей волны, так и состава этих потерь, т. е. доли потерь на преобразование в слабо- или сильнозатухающие паразитные волны в полных потерях. Зная структуру потерь на преобразование, можно определить изрезанность частотной характеристики потерь в линии, а также оценить попутный поток и резонансные явления.

В данной главе будут рассмотрены методы измерения полных (потерь и потерь на преобразование Будут описаны методики нахождения омических потерь разности фазовых постоянных для волн индексов

Схемы измерения полных потерь некоторой волны в многоволновом волноводе будут определены на примере волны в круглом волноводе. Эти схемы при замене возбудителей и фильтров могут быть использованы и для измерения полных потерь волн других типов.

19.1. Метод сравнения

Рассмотрим схему широко используемого и в одноволновых волноводах метода сравнения (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема измерения потерь методом сравнения: 1 — генератор; 2 — блок питания генератора; 3 — возбудитель рабочей волны с фильтром; 4 — конусный переход; 5 — исследуемый волновод; 6 — аттенюатор; 7 — детектор; индикатор.

Генератор 1 через возбудитель 3 с фильтром и конусный переход 4 возбуждает в исследуемом волноводе 5 волну Потери в волноводе 5 определяются путем сравнения показаний индикатора 8 при наличии и при отсутствии этого волновода.

Характеристики реальных детекторов обычно отличаются от квадратичной, поэтому большую точность обеспечивает калиброванный аттенюатор. В этом случае сравниваются показания калиброванного аттенюатора 6, соответствующие одному и тому же сигналу на индикаторе 8 при наличии и отсутствии волновода 5.

В случае одноволновых волноводов такая методика позволяет определять потери менее с точностью порядка а потери до с точностью не хуже

Однако в многоволновых волноводах, где может распространяться ряд волн различных типов, обеспечить такую точность измерений значительно труднее.

Если на вход исследуемого волновода 5 поступает смесь волны и паразитных волн, то измеренные потери могут заметно отличаться от полных потерь волны в волноводе 5. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим простейший случай, когда на вход волновода 5 кроме волны амплитуда которой предполагается равной 1, поступает некоторая волна с амплитудой волна образуется также из на нерегулярностях измеряемого волновода 5 и имеет амплитуду, равную Тогда при отсутствии омических потерь результирующая амплитуда волны на выходе волновода 5 будет равна

где сдвиг фаз между волнами с амплитудами В зависимости от величины амплитуда может принимать значения в пределах Следовательно, мощность волны будет изменяться от до тогда как истинные полные потери волны в волноводе 5 равны

Величины являются случайными. Поэтому в зависимости от частоты и длины волновода 5 измеренные потери волны при нечистом возбуждении последней (т. е. при будут флюктуировать относительно значения Итак, даже при известной величине исключить влияние нечистоты возбуждения волны простым вычитанием из полных потерь величины нельзя. Это связано с тем, что взаимное преобразование волн зависит от разности фаз между волнами амплитуд

Из сказанного следует, что желательно обеспечивать достаточно чистое возбуждение рабочей волны, при котором выполняется неравенство Если, однако, возбудители и фильтры не обеспечивают необходимой чистоты поля волны то исключить связанные с этим погрешности можно путем изменения сдвига фаз между паразитными волнами, возникающими соответственно в возбудителе и в исследуемом волноводе. Для этой цели может служить, например, отрезок волновода переменной длииы,

включаемый перед исследуемым волноводом. В зависимости от длины этого отрезка полные потери волны будут изменяться от

до

Зная нетрудно найти искомые потери в волноводе. Из (19.3) получаем уравнение для нахождения т. е. мощности волны, возбужденной на нерегулярностях волновода:

Другим источником ошибок измерения полных потерь являются резонансные явления между критическими сечениями (см. § 9). При наличии критических сечений для паразитных волн, возникающих на нерегулярностях в области между этими сечениями, потери рабочей волны могут превышать Так, если потери рабочей волны на преобразование в некоторую паразитную волну на участке между критическими сечениями для этой волны равны то при резонансе волны коэффициент прохождения рабочей волны умножается на величину

где затухание волны на участке между критическими сечениями. Формула (19.4) справедлива при

Согласно (19.4) для уменьшения влияния резонанса между критическими сечениями необходимо (при заданном уровне преобразования в волну увеличивать затухание волны путем включения фильтра этой волны. Так, при потери рабочей волны из-за резонанса волны составляют при это увеличение не превышает а при оно менее

Чтобы вообще устранить резонансные явления, измерения надо вести по модифицированной схеме рис. 5.1, когда рабочая волна с помощью дифракционного возбудителя с фильтром. При этом прошедшая через исследуемый волновод рабочая волна принимается другим аналогичным дифракционным возбудителем с фильтром. В такой схеме отсутствуют критические сечения для паразитных волн, а следовательно, и связанные с этим нежелательные явления.

19.2. Метод к. с. в.

Рассмотрим теперь схему (рис. 5.2), позволяющую измерять потери методом к. с. в. с помощью измерительной линии 5.

Метод к. с. в. хорошо известен в измерительной технике волноводов. Потери в волноводе длиной закороченном на конце, связаны с

коэффициентом стоячей волны по напряжению соотношением

Таким образом, задача нахождения потерь сводится к измерению к. с. в. на входе исследуемого волновода 9 (рис. 5.2). Удобством такой схемы является совмещение в пространстве генератора и индикатора, чего нет в схеме сравнения.

Рис. 5.2. Схема измерения потерь методом к. с. в: 1 — генератор; 2 — блок питания генератора; 3 — возбудитель; 4 — конусный переход; 5 — измерительная линия; 6 — аттенюатор; 7 — детектор; 8 — индикатор; 9 — исследуемый волновод; 10 - короткозамыкающий поршень.

В случае многоволновых волноводов метод к. с. в. имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что длина исследуемого волновода может плавно изменяться за счет перемещения короткозамыкающего поршня. Это позволяет исключить влияние неидеальности возбудителя 3 на величину измеряемых потерь [см. выражение (19.3)].

При изменении положения короткозамыкающего поршня изменяется сдвиг фаз между волнами амплитуд а следовательно, в пределах изменяется и амплитуда результирующей поступающей на вход возбудителя 3. Это значит, что измеряемые потери мощности волны изменяются в соответствии с соотношением (19.3). Если положение поршня зафиксировано, то можно утверждать, что измеренная величина Цизм лежит между тумаке и Измеряя при движении поршня с помощью соотношения (19.3) можно найти истинные потери мощности волиы

Однако метод к. с. в. имеет и ряд недостатков. Во-первых, он неприменим при больших потерях в

исследуемом волноводе. Во-вторых, этот метод применим лишь для измерения потерь в коротких трактах. Последнее связано с нестабильностью частоты генератора. При обычных относительных нестабильностях частоты широкополосных генераторов (клистронов, порядка 10-4 расстояние между измерительной линией и поршнем не должно превышать длин волн. Если это условие не выполняется, то измеренный к. с. в. всегда меньше истинного.

19.3. Метод двойного пробега

Рассмотрим сдему (рис. 5.3), в которой с помощью направленного ответвигеля 3 измеряется сигнал, отраженный от короткозамыкающего поршня 11. Коэффициент отражения (по мощности) связан с потерями выраженными в децибелах, на участке ответвитель — короткозамыкающцй поршень соотношением

Рис. 5.3. Схема измерения потерь методом двойного пробега: 1 — генератор; 2 — блок питания генератора; ответвитель обратной волны; 4 — ответвитель прямой волны; 5 — возбудитель; 6 — аттенюатор; 7 — конусный переход: исследуемый волновод; 9. 10 — детекторы; короткозамыкающий поршень.

Метод измерения, выполняемый по этой схеме, по существу, является модификацией метода к. с. в. Преимущество метода двойного пробега состоит в том, что он применим для измерения потерь в трактах любой длины, так как нечувствителен к нестабильности частоты генератора. Это связано с тем, что измеряется не распределение поля вдоль оси волновода (метод к. с. в.), а

мощность отраженной волны. Ограниченность применения метода определяется двумя обстоятельствами.

1) Для сравнения поступающей на вход измеряемого волновода и прошедшей через него туда и обратно мощности используются ответвители 3 и 4, принимающие соответственно отраженную и прямую волны. Иметь в достаточно широкой полосе частот два идентичных узла ответвитель—детектор (3—9 и 4—10 на рис. 5.3) практически невозможно. Поэтому измерения проводятся обычно путем включения одних и тех же ответвителей и детекторов последовательно на прием прямой и обратной волн.

Рис. 5.4. Схема измерения потерь методом сравнения и двойного пробега с помощью свип-генератора: 1 — генератор (ЛОВ); 2 - блок пнтання генератора; 3 — возбудитель рабочей волны; 4 — ответвнтель обратной волны; 4а — ответвнтель прямой волны; 5 — исследуемый волновод; -аттенюаторы; 7 — самописец; согласованная нагрузка; 9 — детекторы; 10 — модулятор; модулирующий генератор; 12 — синхронный детектор; 13 — селективный усилитель.

2) При больших потерях в исследуемом волноводе требования к направленности ответвителя становятся весьма жесткими. Для точных измерений направленность должна быть приблизительно на два порядка выше потерь на участке ответвитель — к. з. поршень и обратно. В широкополосных ответвителях направленнвсть составляет следовательно, методом двойного пробега можно измерять потери не более Для улучшения направленности вместо ответвителей можно использовать ферритовые циркуляторы.

Отметим, что измерения по всем описанным схемам могут быть автоматизированы и производиться не на фиксированных частотах, а в непрерывной полосе частот (рис. 5.4) [5.1]. Установка, собранная по схеме рис. 5.4, особенно удобна для измерения усредненных по частоте

потерь в ансамбле волноводов, из которых предполагается создавать протяженную линию или большое число коротких трактов. С помощью блока питания 2 медленно изменяется напряжение на замедляющей структуре генератора типа ЛОВ, благодаря чему автоматически перестраивается частота последнего. На самописце 7 записываются частотные зависимости прошедшей или отраженной мощностей при наличии и отсутствии исследуемого волноводного тракта 5. Сравнение этих зависимостей и дает частотную характеристику потерь в линии.

19.4. Метод ряда импульсов

Этот метод позволяет измерять полные потери в линиях длиной от нескольких десятков метров до нескольких километров. Рассмотрим блок-схему измерений методом ряда импульсов (рис. 5.5). СВЧ генератор 1 с помощью запускающего генератора 2 создает последовательность коротких импульсов.

Рис. 5.5. Схема измерения потерь методом ряда импульсов: — СВЧ генератор; 2 — запускающий генератор; 3 — аттенюатор; 4 — возбудитель; 5 — фильтр; 6 — диафрагма; 7 — исследуемый волновод; 8 — коротко-замыкающий поршень; 9 — детектор; 10 — ответвитель; 11 - приемник.

Длительность импульсов и время их повторения должны удовлетворять условиям

где — групповая скорость рабочей волны в исследуемой линии 7 длиной коэффициент затухания этой волны.

При выполнении первого условия (19.7) отсутствует интерференция СВЧ заполнения импульса при отражении от короткозамыкающего поршня 8, а второе условие (19.7) означает, что к моменту поступления в линию каждого следующего импульса предыдущий импульс

успевает практически полностью затухнуть. Кроме того, выполнение первого условия (19.7) обеспечивает отсутствие резонансных явлений в линии 7, так как при этом импульс заполняет лишь часть линии. Измерения проводятся следующим образом.

От генератора 2 по цепи синхронизации подается сигнал на запуск развертки индикатора приемного устройства 11. СВЧ импульс поступает на возбудитель 4 рабочей волны с фильтром 5. Рабочая волна падает на диафрагму 6 с большим числом отверстий, пропускающих порядка мощности падающей волньг. Большая часть мощности отражается от диафрагмы и через ответвитель 10 (или циркулятор) поступает на вход приемника 11 с осциллографическим индикатором. Эта мощность может нарушать нормальную работу приемника, поэтому желательно, чтобы входная цепь приемника была заперта на время, равное примерно длительности импульса

Прошедшая в исследуемый тракт 7 волна циркулирует в нем, многократно отражаясь от поршня 8 и диафрагмы 6. При этом мощность волны затухает по экспоненциальному закону. После каждого двойного пробега по линии часть мощности поступает через диафрагму в приемное устройство. В результате на экране осциллографа наблюдается ряд импульсов постепенно уменьшающейся амплитуды. Потери мощности волны в децибелах за один пробег по линии 7 равны

где отношение амплитуд импульсов ряда в децибелах. Величина включает в себя также потери рабочей волны в диафрагме 6 и к. з. поршне 8. Эти потери могут быть исключены путем предварительной калибровки.

Однако в реальных многоволновых линиях из-за преобразования волн на нерегулярностях расчет потерь мощности рабочей волны по формуле (19.8) может дать неверные результаты. Это связано с тем, что, импульс многократно пробегает одну и ту же линию, т. е. получается -кратная интерференция паразитных волн, возникших на одних и тех же нерегулярностях. Разность фаз между волнами типа, возникшими при пробегах, меняется при перемещении

короткозамыкающего поршня, а следовательно, изменяется результирующая амплитуда этой волны и ее потери.

Рассмотрим, каким образом можно найти истинные потери рабочей волны в исследуемой линни методом ряда импульсов. Подробный анализ этого метода дай в [5.2]. Здесь приведем лишь окончательные результаты.

Обозначим через огибающую амплитуды (по напряжению) посылаемого в линию импульса. Допустим, что сравниваем амплитуды импульсов. Желательно не начинать сравнение с первого импульса чтобы устранить влияние нечистого возбуждения и обеспечить экспоненциальную форму ряда импульсов. Будем предполагать, что выполнено следующее условие для номера исходного импульса в ряду

где максимум берется по всем паразитным волнам, возникающим в линии: групповые скорости паразитной и рабочей воли; разность потерь мощности (в неперах) паразитной и рабочей волн в линин длиной с учетом как распределенной, так и сосредоточенной фильтрации (в линию могут быть включены фильтры паразитных волн).

Обозначим далее через амплитуду (по напряжению) импульса в ряду. Тогда, как показывают расчеты, величина т. е. потерн в децибелах, рассчитанные путем сравнения амплитуд импульсов в ряду и отнесенные к единице длины, равны

где — потери на отражение от диафрагмы; омическне потери рабочей волны за однн пробег (включая потери в фильтрах); погоиный коэффициент потерь мощности рабочей волны на преобразование в паразитную волну при однократном распространении рабочей волны по линии;

где определены в формуле (19.9); разность фазовых постоянных паразитной и рабочей волн.

Полные погонные потери мощности рабочей волны при ее однократном распространении в линии (именно эти потери требуется найти в результате измерений) равны

Определим, каковы отличия между измеряемыми потерями и искомыми Как уже отмечалось, величину т. е. потери на отражение от диафрагмы, следует находить перед началом измерений и исключать их из результатов. Поэтому в дальнейшем в приводимых формулах не будем учитывать эти потери.

Анализируя формулу (19.10), замечаем, что коэффициенты меняются периодически по с периодом, равным Максимальное значение принимает, если кратно я; минимальное, — если кратно . Разность между максимальным и минимальным значением равна, как это следует из (19.11),

Качественно характер изменения в зависимости от при различной величине фильтрации паразитной волны можно проанализировать следующим образом. Предположим, что в выражении (19.11) множитель можно положить равным единице, т. е. считать, что импульсы достаточно длительные. Уменьшение длительности импульса в некоторой степени эквивалентно усилению фильтрации. При указанном предположении сумму (19.11) можно записать в виде

В этом случае

Итак, можно сделать вывод, что при измерении потерь методом ряда импульсов минимальное (при перемещении поршня) значение потерь приблизительно равно сумме омических потерь мощности рабочей волны и потерь мощности на преобразование рабочей волны в сильнозатухающие паразитные волны, для которых 1. Потери на преобразование в слабозатухающие паразитные волны практически не входят в так как Максимальное же значение при перемещении поршня представляет собой сумму омических потерь мощности рабочей волны, ее потерь на преобразование в сильнозатухающие паразитные волны и увеличенных в несколько раз потерь на преобразование в слабозатухающие паразитные волны умножается на величину порядка Поскольку обычно потери на преобразование

в слабозатухающие паразитные волны составляют значительную часть всех потерь мощности рабочей волиы на преобразование, то величина оказывается порядка или даже больше ее, так что отличие от может быть весьма значительным. Поэтому, чтобы облегчить нахождение следует стремиться обеспечивать коэффициенты близкие к 1. Согласно выражению (19.13) этого можно достичь как путем усиления фильтрации паразитных волн, так и путем укорочения импульса [5.2]. Формула (19.13) позволяет вычислить величину в зависимости от этих двух факторов.

Для случаев, когда не удается уменьшить нет и общего метода нахождения величины по известным Приведем ряд примеров, которые могут оказаться полезными в отдельных случаях.

1. В линии эффективно возбуждается лишь одна слабозатухающая паразитная волна [(остальные паразитные волны — сильнозатухающие). В этом случае меняется с периодом равным где разность фазовых постоянных слабозатухающей паразитной и рабочей волн. Периодичность объясияется тем, что все коэффициенты для при любом положении к. з. поршня близки к единице, а коэффициент испытывает значительные по амплитуде периодические изменения, вызывающие соответствующие изменения Как следует из предыдущего анализа, разность между и равна где потери на преобразование в указанную слабозатухающую волну. Значение найдем, разделив на разность рассчитанную предварительно по (19.13). Нетрудно показать далее, что в данном случае

Подставляя в (19.15) уже определенную величину и значение рассчитываемое по формуле) (19.11), записываем искомое значение потерь в виде

2. Иногда, например когда максимальные потери очень велики и на экране осциллографа наблюдается слишком мало импульсов, трудно определить максимальное значение (при перемещении поршня). В этом случае, как и в примере 1, будем предполагать, что в линии эффективно возбуждается лишь одна слабозатухающая волна индекса Критерием правильности такого предположения является периодичность изменения при перемещении поршня.

Для нахождения искомой величины потерь, согласно формуле (19.12), следует измерить меняя фильтрацию паразитной волны (например, включая в измеряемую линию фильтры с различными коэффициентами фильтрации; при этом длина фильтров должна быть возможно меньшей, чтобы свойства линии оставались иеизмеииыми. В результате получается ряд значений

где индекс от означает номер измерения для случая, когда разность потерь (фильтрации) рабочей и волн равна При изменении фильтрации меняются значения которые можно подсчитать по формуле (19.11), зная величину Используя независимость второго слагаемого в правой части (19.17) от можно определить величину по двум измерениям

где изменение омических потерь мощности основной волиы при различных измерениях, обусловленное затуханием, которое вносит фильтр паразитной волны на рабочей волие.

19.5. Резонансные методы измерения весьма малых потерь

Потери мощности рабочей волны в отдельных волноводных секциях и элементах обычно намного меньше поэтому методы, описанные в пп. для таких измерений неприменимы. Столь малые потери могут быть измерены лишь резонансными методами. Резонансные методы измерения потерь в одноволновых волноводах достаточно хорошо описаны в литературе. Изучены и особенности многоволновых резонаторов [5.3]. Рассмотрим резонансный метод измерения весьма малых потерь, не требующий в отличие от обычно применяемых методов измерения добротности резонатора или ширины резонансной кривой. Этот метод [5.4] дает наилучшие результаты при измерении потерь в волноводах, погонные потери в которых менее В этом случае добротность резонатора, включающего измеряемый волновод, настолько велика, что измерить ширину резонансной кривой чрезвычайно трудно.

Рассмотрим схему резонансного метода измерения потерь (рис. 5.6). Волна после возбудителя 4 и кольцевого фильтра 5 через диафрагму 6 с большим числом отверстий поступает в резонатор, образованный диафрагмой 6, подвижным поршнем 9 и измеряемой волноводной секцией 7. С помощью направленного ответвителя 3 измеряется коэффициент отражения от резонатора. При резонансе величина резко уменьшается, что и

Рис. 5.6. Схема резонансного метода измерения потерь: 1 - генератор; 2 — блок питания; 3 — направленный ответвитель; 4 — возбудитель; кольцевой фильтр; 6 — диафрагма; 7 — исследуемый волновод; 8 — индикатор; 9 — к з. поршень; -конусный переход: 11— фильтр. фиксируется ответвителем. Резонансное значение связано с потерями волны в резонаторе соотношениями

где коэффициент передачи диафрагмы (по мощности); - коэффициент стоячей волны (то напряжению) перед диафрагмой. Из-за преобразования волны в паразитные волны в резонаторе и интерференции последних при многократных отражениях в резонаторе (ср. с пп. 19.1-19.5) измеренная величина может заметно отличаться от искомых потерь мощности в исследуемом волноводе 7 с учетом потерь в диафрагме 6 и поршне 9.

Анализ, аналогичный приведенному в п. 19.4, показывает, что измеренная величина потерь равна

потери мощности волны в торцах резонатора (диафрагма и поршень); погоиные потери волиы на преобразование в паразитную волну;

Согласно формуле (19.21) при известных потерях в торцах измеренная величина позволяет определить полные потери мощности волны как при больших затуханиях паразитных волн, т. е. при Если затухание паразитных волн невелико, то измеренная величина лежит в пределах от

до

Для достаточно точного измерения полных потерь мощности волны необходимо вводить в резонатор фильтры ( на рис. 5.6), вносящие на всех присутствующих в резонаторе паразитных волнах потери порядка Следует отметить, что блок-схема, приведенная на рис. 5.5, и описанная методика измерения применимы как для волны в круглом волноводе, так и для любой волны в многоволновом волноводе.

Итак, можно рекомендовать ряд методов измерения полных потерь рабочей волны в многоволновых волноводах и линиях. Если потери в волноводе не превышают то следует пользоваться резонаторным методом (п. 19.5) или его модификациями. При потерях в случае коротких трактов можно пользоваться методами сравнения и к. с. в. (пп. 19.1, 19.2). В случае достаточно протяженных трактов для измерения применимы методы двойного пробега и ряда импульсов (пп. 19.3, 19.4), а метод сравнения в режиме свжнгенератора, когда на ленте самописца последовательно записываются частотные зависимости поступающей в исследуемую линию и прошедшей через линию мощности.