20. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ НА ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В ВОЛНОВОДНЫХ СЕКЦИЯХ

Возможны два метода измерения парциальных потерь рабочей волны в паразитную волну.

1. Измерение распределения нерегуляриостей в исследуемых волноводах с последующим расчетом по формулам, приведенным в гл. 3.

2. Непосредственное измерение величин величин, связанных с

Формулы, необходимые для расчета в случае, если известно распределение нерегулярностей, ответственных за возникновение волны, приведены в гл. 3, 4. Однако механическое определение размеров этих нерегулярностей во всех волноводных секциях или составленной из них линии весьма трудоемко и требует очень высокой точности измерений (порядка сотых-тысячных долей миллиметра).

Рис. 5.7. Схема измерения потерь на преобразование методом резонанса между критическими сечениями: 1 — генератор; 2 — аттенюатор; 3 - возбудитель; 4 — фильтр; 5 — конусный переход; 6 — исследуемый волновод; 7 — детекторная секция; 8 — индикатор; 9 — блок питания генератора.

Поэтому более предпочтительными являются методы непосредственного измерения потерь мощности на преобразование рабочей волны в паразитные волны.

Как отмечалось в измерять в отдельных волноводных секциях необходимо как для контроля их качества, так и для прогнозирования параметров линий на волне составленных из этих секций.

Методы измерений преобразования волн в волноводных секциях должны обладать весьма высокой чувствительностью. При длине секции в несколько метров необходимо измерять потери мощности рабочей волны на преобразование порядка Такую чувствительность может обеспечить метод, использующий явление резонанса между критическими сечениями (см. п. 9.3).

Рассмотрим принципиальную схему такого метода (рис. 5.7). Для измерения потерь мощности рабочей волны на преобразование в паразитные волны, имеющие большие, чем рабочая волна, критические частоты на

бхйд системы подается рабочая волна, причем конусный переход 5 является запредельным для паразитной волны индекса у (критическое сечение обозначено потери на Преобразование в которую измеряются. На случайных нерегулярностях исследуемой секции многоволнового волновода 6 длиной возникает волна, которая может резонировать между критическими сечениями

Для измерения потерь мощности рабочей волны на преобразование в паразитные волны, имеющие меньшую, чем рабочая волна, критическую частоту (например, волны в линии на волне в круглом волноводе), на вход системы, показанной на рис. 5.7, подается паразитная волна, для которой необходимо произвести измерением в объеме создаются резонансные условия для волны рабочего типа.

Анализ резонанса в системе с критическими сечениями дан в § 9. Здесь приведем лишь основные расчетные соотношения, связывающие параметры такого резонатора и потери на преобразование [5.5, 5.6].

Так, при выполнении условия малости потерь резонирующей волны коэффициент прохождения (по мощности) нерезонирующей волны (ей приписываем индекс 1) минимален при резонансе волны и равен при этом

где -потери мощности волны за один пробег по резонатору; потери мощности волны индекса 1 на преобразование в волну на этом же участке.

«Ширина» резонансной кривой поглощения при резонансе волны может быть описана параметром равным изменению величины при котором коэффициент прохождения нерезонирующей волны увеличивается от

причем может изменяться либо за счет изменения длины резонатора либо за счет изменения фазовой постоянной волны (т. е. частоты).

Если рабочая волна имеет большую, чем паразитная волна, критическую частоту, то, как уже отмечено,

на вход системы, показанной на рис. 5.7, поступает волна, а резонирует рабочая. 6 этом случае выражения (20.1) и (20.2) справедливы при замене индексов 1. Если какое-либо из условий: не выполняется, то получить столь же простые, как (20.1), (20.2), формулы для нахождения не удается. Так, если величина не является малой, то коэффициент прохождения иерезонирующей волны равен [5.6]

где разность потерь мощности на преобразование волны 1 в волну и обратных потерь на преобразование волны в волну 1 за один пробег по резонатору. Эта величина в секции со случайными нерегулярностями при немалых или в общем случае не равна нулю [5.1]. Поэтому в рассматриваемом случае измерение величины при известных строго говоря, не позволяет найти потери мощности на преобразование в каждой секции.

Однако на практике при создании линии передачи обычно нужно знать средние для ансамбля однотипных секций потери мощности на преобразование Среднее значение при обычно выполняющихся на практике допущениях о характере распределения нерегулярностей в секциях равно нулю. Тогда из (20.3) следует, что

Выражение (20.4) позволяет определить (при известных средние парциальные потери в ансамбле секций с немалым затуханием нерезонирующей волны 1.

Из соотношений (20.1), (20.2) и (20.4) можно найти пределы изменения величин, поддающихся экспериментальному определению, в зависимости от

Область минимальных и максимальных измеряемых величин может быть ограничена пределами

обусловленными тем, что обычно изменяется величина (коэффициент прохождения по мощности) и отличить

соответственно от и 1 весьма трудно.

Из (20.1) и (20.5) получаем следующую оценку для отношения

В табл. 20.1 приведены рассчитанные по формуле (20.6) минимальные значения для волноводной секции длиной в зависимости от

Таблица 20.1 (см. скан)

Для измерения величин с помощью схемы, приведенной на рис. 5.7, на вход резонатора с критическими сечениями после возбудителя 3 и фильтра 4 поступает волна 1, а в объеме между этими сечениями резонирует волна, возникшая на нерегулярностях волновода 6. При резонансе волны на экране осциллографа 8 наблюдается провал в огибающей зоны генерации клистрона (рис. 5.8). Измеряются либо величины (при неизвестной величине либо только (при известной величине а затем по формулам (20.1), (20.2) и (20.4) рассчитываются потери

До сих пор рассматривалась связь волны 1 лишь с одной волной, возникающей на нерегулярностях волновода 6 (рис. 5.7). В действительности волна 1, поступающая на вход системы, представленной на рис. 5.7, возбуждает на нерегулярностях волновода 6 ряд волн различных типов. Тем из этих волн, для которых в рассматриваемой системе имеются критические сечения и выполняются условия (9.25), будут соответствовать провалы в наблюдаемой на экране осциллографа отгибающей на резонансных частотах (рис. 5.8,а). Возникает задача идентификации наблюдаемых провалов.

Наиболее естественной является идентификация резонирующих волн по длине волны или фазовой постоянной в волноводе. Резонансы волны повторяются при изменении электрической длины резонатора на . Это соответствует также перестройке частоты при которой

где разность фазовых постоянных волны в сечении на частотах

Рис. 5.8. Огибающая прошедшего через резонатор сигнала (случай двух резонирующих волн): а — без введения искусственной нерегулярности; б - при введении искусственной нерегулярности.

Если (длина волновода 6 намного больше расстояний от концов этого волновода до критических сечений), то

где

— фазовая постоянная волны в волноводе 6 на частоте с — скорость света; критическая частота волны в исследуемом волноводе.

Таким образом, измеряя или между двумя резонансами волны, можно определить а следовательно, и тип резонирующей волны. Однако можно ошибиться в определении типа волны, если имеется несколько волн с близкими или равными фазовыми постоянными. В этом случае целесообразно определять тип резонирующей волны методом малых нерегулярностей.

При этом используется то обстоятельство, что каждая вносимая в волновод малая нерегулярность вызывает волны определенных типов и поэтому влияет лишь на некоторые резонансы, наблюдаемые на экране осциллографа (рис. 5.8,б).

В гл. 1 была подробно рассмотрена связь между видом нерегулярности и типом возбуждаемых ею волн. Так, в случае круглого волновода с распространяющейся в нем волной на изменениях диаметра возбуждаются волны на сдвигах оси — волны Поэтому, помещая после круглого волновода 6 регулируемый с к [5.7], можно изменять уровень возбуждения волн в схеме, приведенной на рис. 5.7, с волной 1 типа В регулируемом стыке можно плавно сдвигать оси волноводов. При этом возбуждаются волны и те из резонансов, которые вызваны этими волнами, изменяют глубину. Сравнивая картины, показанные на рис. 5.8, при отсутствии и наличии сдвига осей, установить, какой из резонансов вызван волной

Аналогично рассмотренному устройство, состоящее из двух кольцевых нерегулярностей в круглом волноводе [5.5], из волны Ни возбуждает волны Изменяя расстояние между нерегулярностями, можно менять амплитуду волны Но" от до где амплитуда волны возбужденной на одной нерегулярности. Это устройство позволяет обнаруживать резонансные провалы на волнах

Оценим теперь погрешности определения величин В случае, когда измеряются получаем

При нахождении средних значений для ансамбля секций при большом числе секций погрешность определяется главным образом систематическими ошибками измерения величин При использовании прецизионных СВЧ аттенюаторов, имеющих погрешность величина

Определять величину при малых отношениях со столь высокой точностью значительно труднее, так как при этом измеряются либо малые изменения

длины резонатора либо изменения фазовой постоянной [или перестройка частоты связанная с выражением (27.7)], соответствующие изменению от до

Поэтому на практике желательно предварительно измерять величину Это можно сделать, например, введя в систему, показанную на рис. 5.7, искусственную нерегулярность, сильно связывающую волны При где коэффициент преобразования волны 1 в на искусственной нерегулярности, резонансный провал, вызванный резонансом волны, будет широким и глубоким, т. е. величины могут быть измерены с высокой точностью. При величина определяется выражением

При известной величине погрешность измерения величины равна

Отметим, что рассматриваемая схема измерения (см. рис. 5.7) может использоваться и для отбраковки волноводных секций по потерям на преобразование в заводских условиях [5.8].

Так, в случае волноводов с рабочей волной наиболее значительными могут быть потери мощности на преобразование в волну которая возникает из на изгибах оси волновода. Например, при и диаметре волновода основной вклад в преобразование волны дадут изгибы с пространственным периодом около 60—65 см. Такие изгибы получаются при изготовлении волноводных труб, причем при амплитуде изгибов порядка и указанной периодичности потери волны на преобразование в составляют около

При длине секции, равной и омических потерях волны в ней в случае допустимых потерь мощности волны на преобразование в равных глубина провала на экране

осциллографа при резонансе волны равна 0,97 [см. выражение (20.1)]. Следовательно, если коэффициент прохождения при резонансе (см. рис. 5.8) меньше 0,97, то секция бракуется.