31. ДОПОЛНЕНИЯ К ИЗМЕРЕНИЮ ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Измерение очень малых или очень больших сопротивлений с помощью линейного трансформатора

Если измеряемое полное сопротивление по сравнению с волновым сопротивлением измерительной линии очень мало или очень велико, то отношение весьма трудно измерить, и расстояние между двумя положениями зонда, соответствующими, например, двойной величине напряжения в минимуме, тоже очень мало. В этом случае подлежащее измерению полное сопротивление можно преобразовать с помощью соответствующего линейного трансформатора в другое сопротивление такой величины, которую легче измерить [42, 46].

Рис. 31.1. а — способ измерении очень малых и очень больших значений полного сопротивления с использованием линейного трансформатора. Зажимы трансформатора должны совпадать с плоскостью А минимума напряжения. При этом условии коэффициент стоячей волны, соответствующий неизвестному полному сопротивлению, уменьшится в раз коэффициент трансформации линейного трансформатора); б - диаграмма трансформации.

Допустим, что в точке А линии (рис. 31.1,а) находится минимум напряжения, причем интересующее нас входное сопротивление в этой точке очень мало. Тогда можно подключить линейный трансформатор с известным коэффициентом трансформации зажимы которого точно совпадают с точкой А. На противоположных зажимах трансформатора будет иметь место нормированное полное сопротивление которому при достаточно большом значении соответствует значительно меньшее и поэтому легче измеряемое отношение Таким способом принципиально возможно измерение как самых больших, так и самых малых значений полного сопротивления. Коэффициент трансформации целесообразно выбирать не слишком большим, так чтобы было меньше единицы.

Весьма важно, чтобы зажимы точно совпадали с точкой А минимума напряжения, что вытекает из рис. Если это условие выполняется, то сопротивление Лгмин, измеряемое на зажимах трансформатора будет чисто активным, ему будет соответствовать определенное значение коэффициента стоячей волны. Если это условие выполняется не совсем точно, то в сечении будет наблюдаться отличное от гмин полное сопротивление которое после преобразования в даст значение Сопротивление является комплексным, а его действительная часть приблизительно равна Следует отметить, что согласно рис. сопротивлению соответствует большее значение коэффициента стоячей волны, чем сопротивлению В случае несовпадения сечений измерения Гмии приводят к меньшим его значениям. Если расстояние между будет больше некоторого значения, то величина коэффициента стоячей волны, соответствующая может быть даже больше, чем для значения

Рис. 31.2. Зависимость поправочного коэффициента учитывающего отклонения измеряемого значения от действительного, от расстояния а между точками и А.

Соответствующий минимум напряжения уже не будет располагаться в сечении При очень небольших различиях между и Гмин он смещается от точки на расстояние в раз большее, чем расстояние между точками так что по положению минимума напряжения, наблюдаемому со стороны можно определить правильно ли установлен линейный трансформатор. Ошибку, которая возникает, если минимум напряжения смещается от плоскости на отрезок а, можно определить, пользуясь приближенной кривой, изображенной на рис. 31.2. Здесь по оси абсцисс отложены значения а по оси ординат указывающий во сколько раз уменьшается сопротивление кгмин при том или ином несколько отличающемся от нуля значении а. Принципиально безразлично такой тип линейного трансформатора применяется при данном способе измерений. В статье, где подробно описывается этот способ, в качестве линейного трансформатора для коаксиальной линии используется четвертьволновый

дорезок с уменьшенным волновым сопротивлением. При точной оценке погрешности измерений в этом случае необходимо учитывать и активные потери в трансформирующем отрезке. Линейным трансформатором, не вызывающим дополнительных активных потерь, является, например в случае коаксиальной линии, отрезок, лишенный среднего проводника. При этом посредством изменения длины такого отрезка можно очень легко варьировать коэффициентом трансформации.

Если, например, необходимо измерить очень малое полное сопротивление в волноводе (рис. 31.3) и если имеется в наличии коаксиальная измерительная линия, то в качестве трансформатора можно использовать переход от коаксиальной линии к волноводу. Чем слабее выбирается связь, тем больше будет значение коэффициента трансформации k.

Рис. 31.3. Устройство, к которому применим способ измерений, иллюстрируемый рис. 31.1.

Рис. 31.3 иллюстрирует такую возможность в случае цилиндрического волновода с волной типа Глубина погружения внутреннего проводника коаксиальной линии в волновод определяет величину коэффициента трансформации

Выполнение требования точного совпадения узла напряжения А и зажимов трансформатора связано с некоторыми трудностями.

Поясним это, обратившись снова к устройству, изображенному на рис. 31.3. Зададимся, например, целью измерить затухание, обусловленное активными потерями, или постоянную потерь диэлектрической вставки, размещенной в волноводе. Из-за этих потерь в узле напряжения на входе волновода будет иметь место небольшое сопротивление Гмин.

Как уже отмечалось, минимум напряжения при этом должен точно совпадать с зажимами трансформатора В данном случае это достигается тем, что волновод снабжается подвижным короткозамыкающим поршнем, перемещая который, можно установить узел напряжения в требуемое положение. Используя тот же короткозамыкающий поршень, предварительно следует измерить параметры линейного трансформатора. При очень малых значениях сопротивления потерь переходное сопротивление

в скользящем контакте обусловливает слишком большие погрешности. Во избежание этого короткозамыкающий поршень необходимо или очень точно подогнать под размеры волновода, или запаять. Тогда требуемого положения узла напряжения можно добиться уже не механическим смещением, а небольшим изменением частоты. При изменении частоты приблизительно на коэффициент трансформации соответствующий определенной связи, практически остается постоянным, а узел напряжения несколько смещается.

Рис. 31.4. Совмещение точек и А рис. 31.1 путем небольшого изменения частоты. Кривая отражает изменение сопротивления а кривая минимума на входе линейного трансформатора в зависимости от частоты.

Рис. 31.5. Построения, позволяющие установить вид кривой смещения узла напряжения на рис. 27.7.

При этом требуемая частота определяется, исходя из того факта, что соответствует наименьшая величина коэффициента стоячей волны. Определив с помощью измерительной линии сопротивление в минимуме напряжения, в зависимости от частоты получим кривую изображенную на рис. 31.4. При «этом узел напряжения будет перемещаться соответственно кривой

Кривая по внешнему виду похожа на резонансную кривую; и, действительно, используя кривые можно построить резонансную кривую объемного резонатора. К этому вопросу мы еще вернемся в § 49.

В дополнение к описанному способу измерения очень малых значений полного сопротивления следует сделать пояснения, почему для очень большого коэффициента трансформации при использовании метода измерений, основанного на законе трансформации, получается не

ступенчатая кривая (рис. 27.7), предопределяемая этим законом, а кривая которая при дальнейшем увеличении постепенно превращается в прямую, параллельную оси абсцисс.

Причина заключается в наличии всегда имеющихся активных потерь. Вследствие этого в минимуме напряжения, расположенном со стороны зажимов трансформатора (рис. 27.1), полное сопротивление никогда точно не равно нулю, а имеет конечное значение (гмин будет при этом чисто активным). Поэтому при смещении короткозамыкающего поршня К точка, соответствующая входному сопротивлению, отнесенному к сечению будет перемещаться не вдоль мнимой оси, а по окружности постоянного рассогласования (рис. 31.5), проходящей очень близко от мнимой оси. Очевидно, что при достаточно большом коэффициенте трансформации может стать т. е.

Окружность получаемая в результате преобразования окружности при переходе к зажимам в этом случае окажется настолько удаленной от начала координат, что уже не будет заключать в себе фиксированную точку однородной линии.

При смещении короткозамыкающего поршня К (рис. 27.1) точка, соответствующая сопротивлению отнесенному к сечению пройдет снизу вверх по части окружности (рис. 31.5), которую вследствие больших размеров последней практически можно рассматривать как прямую, параллельную мнимой оси. С помощью окружностей постоянной фазы, проходящих через фиксированную точку 1, можно проследить за изменением положения минимума напряжения во входной линии. При перемещении по окружности снизу вверх минимум напряжения сначала смещается в том же направлении, что и в случае без потерь, до места, где окружность постоянной фазы К касается окружности После этого начинается обратное движение минимума напряжения (падающий участок кривой рис. 27.7) вплоть до точки касания с окружностью постоянной фазы Как видно из рис. 31.5, в области падающей части кривой (рис. 27.7) напряжение в минимуме несколько увеличивается. В некоторых случаях окружность (рис. 31.5) может проходить через фиксированную точку, при этом в линии имеет место чисто бегущая волна.

Мостовые измерения

На сверхвысоких частотах для измерения полных сопротивлений применяются также мостовые схемы [37, 41].

Этот способ удобен прежде всего в том случае, когда необходимо осуществить сравнение двух полных сопротивлений, т. е. измерить небольшую разность между ними, а также при контроле согласования в линии. В качестве мостовых соединений преимущественно применяются направленные ответвители, которые подробнее рассматриваются в § 40. На рис. 40.1 дан пример мостового соединения, составленного из отрезков прямоугольного волновода, по которым могут распространяться только волны типа Если линии нагрузить на одинаковые полные сопротивления, а через линию подать сигнал от генератора, то вследствие симметрии, о чем подробно говорится в § 40, волна в линии распространяться не будет. Если в последнюю включить детектор, то он не покажет наличия высокочастотной мощности в течение всего времени, пока нагрузочные сопротивления линий будут равны друг другу. При различных же их значениях симметрия нарушается и на детектор поступает мощность. Такое устройство можно использовать, например, при согласовании полных сопротивлений, если к линии или подключить согласованную нагрузку. Согласуемый элемент следует подключить к противоположной линии и его полное сопротивление изменять до тех пор, пока не исчезнет выпрямленный ток детектора, включенного в линию