4.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАТУХАНИЯ

4.2.1. Геометрические аттенюаторы

Если в передающую линию без потерь между согласованным генератором, питающим линию мощностью и согласованной нагрузкой, поглощающей мощность включен какой-то узел, то вносимые потери, или рабочее затухание, равно

Принимая во внимание эти условия, можно предложить [106, 274] два принципиальных метода измерения, при одном из которых неизвестный сверхвысокочастотный узел фактически удаляется и вносимые потери определяются как отношение измеренных мощностей, а при другом узел заменяется эталон которым узел сравнивается. Если между источником с коэффициентом отражения по напряжению и нагрузкой с коэффициентом отражения по напряжению включен аттенюатор с коэффициентом передачи по напряжению и коэффициентами отражения по напряжению Рвых. то действительные вносимые потери определяются выражением [26]

Были также выведены соотношения для каскадно включенных постоянных [29] и переменных аттенюаторов [229].

В одном из приборов, применяемых в качестве абсолютного стандарта затухания, использован запредельный волновод в котором могут существовать только затухающие виды колебаний. В волновод на некотором расстоянии от точки возбуждения можно ввести зонд или другое съемное устройство и извлекать из волновода мощность, которая будет пропорциональна квадрату напряженности поля в данной точке. Так как напряженность поля по мере удаления от точки возбуждения убывает экспоненциально, то устройство действует как переменный аттенюатор, ослабление которого будет линейной функцией расстояния [339]. Коэффициент затухания получается из уравнения (1.60) и равен [391]

Чтобы измерять длины, на которых наблюдаются ослабления, обычно предусматривают точные средства, а для их упрощения применяют круглые волноводы. С целью уменьшения зависимости а от частоты обычно выбирают диаметр волновода таким, чтобы было велико во всем рабочем диапазоне частот. Например, если аттенюатор должен использоваться в диапазоне частот от до н если а должно быть постоянно с точностью до 1%, то диаметр волновода надо выбирать таким, чтобы Обычно применяются колебания вида для которых

или для которых

Если значение а должно быть известно с обычно требуемой точностью, то размеры волновода также должны быть точно известны; таким образом, когда

В аттенюаторах с использованием колебаний вида входные и выходные линии обычно являются коаксиальными, нагруженными на круглые металлические диски, связь между которыми является емкостной. Такие аттенюаторы имеют тот недостаток, что наличие малейшей эллиптичности и эксцентриситета дисков приводит к возбуждению колебаний типа ТЕ. Даже если волна возбуждается очень слабо, она при больших ослаблениях все же будет давать ошибку, так как затухает гораздо медленнее, нежели

Может оказаться полезной надлежащая ориентация слегка эллиптических дисков, но, вообще говоря, аттенюаторы такого типа не часто применяются на практике. В обычной конструкции [155] предельного аттенюатора используется круглый волновод, возбуждаемый колебаниями вида входные и выходные присоединения осуществляются посредством петель или волноводов. Если радиус волновода настолько мал, что частотным членом в уравнении (4.35) можно пренебречь, то ослабление становится равным

Как показал Браун [52], для очень точных расчетов должна вводиться поправка на поверхностный эффект, обусловленный конечной проводимостью стенок волновода. Погрешности возникают также вследствие возбуждения колебаний высших видов; для уменьшения амплитуды колебаний вида следует применять экран Фарадея, а для уменьшения возбуждения колебаний вида двойную петлю. Если поперечное сечение волновода не вполне круглое, то могут возникнуть ошибки, обусловленные возбуждением составляющей, поляризованной под прямым углом к требуемому направлению.

Предельный аттенюатор требует согласования сопротивлений, так как входное сопротивление его для больших расстояний между элементами связи является, вообще говоря, реактивным. Согласующие секции применяются в виде распределенных резистивных ослабителей, резистивных петель связи и сосредоточенных последовательных или параллельных резистивных элементов. В аттенюаторах, предназначенных для частот и ниже, нередко применяют отрезки кабеля с потерями, хотя практичны также и резистивные петли. На частотах входные и выходные присоединения могут быть выполнены гибким коаксиальным кабелем, в то время как на частоте вход может быть волноводной, а выход — коаксиальной линией передачи. В приборах, предназначенных для использования на частоте 24 Ггц и выше, применения кабелей и подвижных механических соединений желательно избегать. Здесь можно пользоваться принципом диэлектрического стержня [237], вдвигаемого в предельный волновод, размеры которого выбираются такими, что распространение в нем волны будет только там, где имеется диэлектрик.

Конструкция такого аттенюатора, пригодная для работы на частоте показана на рис. 4.10; входная и выходная линии — волноводы с сечением В месте соединения волновода диэлектрический стержень постепенно переходит к меньшему диаметру для уменьшения возбуждения колебаний высших видов. Граничные условия на поверхности раздела таковы, что если в диэлектрике существует только основной вид колебаний, то и в запредельной области, заполненной воздухом, будет существовать только основной вид колебаний. Резистивный согласующий диск вставлен в оболочку из полистиролового диэлектрика, чтобы он мог находиться в узле тока. Так как индуктивное сопротивление запредельного волновода равно примерно то длина полистироловой оболочки на

диске должна равняться приблизительно В конце предельного волновода может быть помещен полистироловый стержень длиной примерно так чтобы реактивный импеданс предельного волновода, отнесенный к месту соединения его с прямоугольным волноводом, равнялся бы нулю и отражения в прямоугольном волноводе отсутствовали бы.

Рис. 4.10. Предельный аттенюатор с подвижным диэлектриком.

Рабочая частота волновод сеченнем

Типичными для предельных аттенюаторов являются вносимые потери около 14 дб и линейный диапазон изменения затухания по крайней мере до 120 дб. Такие аттенюаторы, однако, довольно громоздки, и их применение ограничивается случаями, когда требуются большие пределы изменения ослабления.

В более удобном приборе для сверхвысоких частот затухание выражают как функцию угла; этот прибор, подобно предельному аттенюатору, является абсолютным устройством. Такой аттенюатор с вращающейся пластиной [123, 248,294] состоит из отрезка круглого волновода, разделенного, как показано на рис. 4.11, на три

секции, в которых распространяется волна вида Предусмотрены переходы на нормальный прямоугольный волновод. Каждый из отрезков волновода содержит резистивную пластину, которая поглощает в основном всю энергию волны, плоскость поляризации которой по электрическому вектору параллельна поверхности пластины. Фиксированное положение пластин в оконечных секциях таково, что они параллельны широкой стенке прямоугольного волновода. Это делает устройство взаимным и обеспечивает правильное преобразование от основного вида колебаний в прямоугольном волноводе к основному виду колебаний в круглом волноводе. Если пластина в центральной секции (которая является подвижной) повернута на угол по отношению к пластинам в концевых секциях, то разложение падающего на нее электрического поля показывает, что параллельная составляющая будет поглощаться, а перпендикулярная передаваться.

Рис. 4.11. Переменный аттенюатор с вращающейся пластиной. Типичная габаритная длина составляет для частоты для Резистивные пластины представляют собой металлизированное стекло; центральная пластина может поворачиваться.

Следовательно, плоскость поляризации повернется на угол 6. На последнюю пластину падает электрическое поле под углом , и поэтому можно показать, что пользуясь снова разложением на квадратурные составляющие, передаваемая составляющая будет Затухание в этом случае окажется

плюс небольшие постоянные вносимые потери. Полезное преимущество рассматриваемых аттенюаторов заключается в том, что закон, выраженный в уравнении (4.37), не зависит от частоты. Более того, устойчивость калибровки не зависит от стабильности поглощающих пластин при условии, что они дают достаточное затухание. Еще одним преимуществом является тот факт, что вследствие небольшой толщины пластины в центральной секции вращение ее не вызывает изменения фазы выходящей волны. Типичные значения параметров для модели, используемой на частоте таковы: точность отсчета ±0,1 дб в пределах значений дб, коэффициент отражения по напряжению менее 0,025 и вносимые потери менее 3 дб.

Абсолютный метод [166] точной калибровки аттенюаторов основан на применении трехплечего волноводного моста, в котором

вход от источника сигнала и выход на детектор происходят через гибридное Т-образное соединение. Плечо 1 содержит калибруемый переменный аттенюатор, аттенюатор установки уровня и фазовращатель, плечо 2 содержит переменный аттенюатор, фазовращатель и соединяющий переключатель, наконец, плечо 3 содержит подобный же переключатель и фиксированный аттенюатор, позволяющий подать на детектор сигнал нужной амплитуды У и произвольной фазы. Процедура калибровки, состоит в проведении следующих операций: а) при отключенном плече 2 и при максимальном затухании исследуемого аттенюатора мост балансируется так, что сигнал на выходе плеча 1 должен быть равен при включенном плече 2, но выключенном плече 3, мост опять балансируется настолько, чтобы сигнал на выходе плеча 2 равнялся бы при всех трех включенных плечах сигналы на выходе плеч 2 и 3 должны быть равны а на выходе плеча . Для новой балансировки моста исследуемый аттенюатор должен быть установлен так, чтобы в плече 1 было напряжение изменение на —6,02 дб. Процесс повторяется для получения дальнейших ступеней: —3,52, —2,50 дб и т. д. Небольшие погрешности, обусловленные отражениями от различных узлов, сводятся к минимуму путем применения поглощающих развязок, и на частоте в пределах затухания дб можно получить точность ±0,02 дб.