4.3.2. Картина стоячей волны

Распределение поля вдоль линии передачи может быть исследовано посредством небольшой петли, которая реагирует на магнитное поле, или, что применяется чаще, посредством небольшого зонда, чувствительного к электрическому полю. Зонд, извлекая из линии передачи весьма небольшую часть мощности, сам вводит в нее проводимость [5]. Шунтирующая реактивная проводимость обусловлена отражением и может быть сведена к нулю соответствующей настройкой в цепи зонда, в то время как шунтирующая активная проводимость представляет поглощенную мощность. С увеличением глубины погружения зонда, в линию активная проводимость возрастает, ее типичные значения для прямоугольного волновода приведены ниже в табл. 4.1.

Активная проводимость вносит ошибку в определение картины стоячей волны. Если соответственно фактический и измеренный КСВН, то

Например, если то наблюдаемое значение КСВН будет равно 1,99 при действительной величине 2,00. Измеренное значение будет совпадать с действительной величиной лишь в случае согласованной нагрузки. На практике выбираемая глубина

Таблица 4.1 Активная проводимость зонда

погружения зонда представляет компромисс между величиной, при которой получается достаточно выпрямленный сигнал, и величиной, дающей максимально допустимую ошибку измерения. Очевидно, что фазовые измерения следует всегда производить в положении минимума напряжения.

Картина стоячей волны в линии передачи может быть определена с помощью системы фиксированных зондов. Даффин [92] использовал для этого три минимально необходимых зонда; полученное им выражение для сопротивления нагрузки имеет простой вид лишь в том случае, когда расстояние между зондами равно Четыре зонда, разнесенные друг от друга на расстояние дают отсчеты, которые можно легко интерпретировать для получения величины неизвестного полного сопротивления, пользуясь некоторыми кривыми на круговой диаграмме. Отношение показаний напряжения на третьем зонде к напряжению на первом зонде и отношение показаний напряжения на четвертом и на втором зондах используются для построения параметрической диаграммы, которая, будучи перенесена на круговую диаграмму, позволяет определить полное сопротивление [113]. Если КСВН превосходит 10, то применяют точный метод, включающий наблюдение формы картины поля вблизи минимума [53, 217]. Метод заключается первоначально в нахождении величины минимума напряжения. Затем находят два положения зонда, в которых напряжение в два раза превосходит величину минимума. Если расстояние между этими двумя положениями равно 10, а характеристика детектора квадратичная, то КСВН будет

Обычный метод измерения полных сопротивлений основан на исследовании картины стоячей волны посредством измерительной линии. Используется один зонд, который обычно бывает подвижным (хотя он может быть и фиксированным и отделенным от нагрузки переменным неотражающим фазовращателем). Таким

образом, измерительная линия состоит в основном из средства перемещения зонда, который вводится в электрическое поле через продольную щель, прорезанную в стенке линии передачи. Щель должна быть расположена параллельно линиям местных токов. В коаксиальной линии с колебаниями вида ТЕМ щель может располагаться на периферии в любом месте, в то время как в прямоугольном волноводе с колебаниями вида щель должна быть расположена по центру любой из широких стенок. Обычно длину щели делают достаточной для того, чтобы иметь возможность определить два или три максимума и минимума стоячей волны.

Наличие щели шириной увеличивает волновое сопротивление коаксиальной линии на величину [239]. В случае прямоугольного волновода длина волны в волноводе и волновое сопротивление возрастают на относительную величину Щель делается по возможности более узкой; для точных измерений ее влияние можно скомпенсировать небольшим изменением размеров линии передачи. Обычно бывает необходимо свести к минимуму лишь отражение, что достигается когда на концах щели делаются полуволновые клинообразные сужения или четвертьволновые ступеньки. Если щель расположена несимметрично, то возбуждаются волны с электрическим вектором, поперечным щели. Эти щелевые волны полностью отражаются на каждом конце щели и в месте расположения каретки зонда, поэтому при некоторых положениях каретки возможны резонансные явления. Если толщина стенок волновода равна то предельная длина волны в волноводе для щелевой волны определяется неявно следующим выражением [184]:

Щелевые резонансы могут быть устранены путем сохранения симметрии щелевой секции и введения нужного затухания с помощью кусочков поглощающего материала.

Измерительные линии должны обладать хорошей механической конструкцией [184, 276, 327]. Линии передачи должны быть точны по размерам, а перемещение каретки быть таким, чтобы зонд всегда двигался параллельно внутренней стенке линии передачи, отклоняясь, например, не более чем на 2 микрона. Перемещение может осуществляться по направляющим типа «ласточкин хвост», вдоль параллельных стержней или вдоль плоских поверхностей, по которым катятся роликовые подшипники. Механизм перемещения не должен наклонять каретку; практически для этого служат тонкая металлическая лента, гибкая проволока и фрикционный механизм. Отсчет фазы, определямый положением каретки, производится по верньерной шкале или, для увеличения точности, по часовому индикатору. На практике обычно делают экранировку зонда в форме язычка из металла, составляющего одно целое с

кареткой зонда и заполняющего все пространство щели, оставляя лишь небольшой зазор. Эта экранировка уменьшает флюктуации на выходе зонда, возникающие из-за небольших изменений ширины щели [362]. Между нижней поверхностью каретки и верхней поверхностью линии передачи создается незначительный механический зазор. Низкое полное сопротивление у щели получается за счет соответствующего расположения дросселей.

В коаксиальных измерительных линиях внутренний проводник должен быть тщательно отцентрирован [35, 154, 330, 331, 368].

Рис. 4. 18. Измеритель стоячей волны с плоскопараллельнон линией: а — распределение электрического поля (сплошные линии) и магнитного поля (пунктирные линии); б - общий вид прибора. (См. [285].)

Щель должна быть достаточно узкой для того, чтобы избежать возмущения поля, но в то же время и достаточно широкой с тем, чтобы поддерживать емкость зонда постоянной, без непрактично строгих допусков. Эти трудности устранены в конструкции, описанной Холли и Элдредом [285]. Путем конформного преобразования поперечное сечение коаксиальной линин в плоскости может быть преобразовано в плоскости z в сечение плоскопараллельной линии со слегка эллиптическим внутренним проводником, как следует из рис. 4.18, а. Там же показаны силовые линии электрического и магнитного полей. Такая конструкция примерно в 8 раз менее чувствительна к изменению глубины погружения зонда, чем измерители обычного типа.

В реальном плоскопараллельном измерителе боковые пластины имеют конечную ширину; при отношении ширины пластин к расстоянию между ними около 5,6 излучение получается таким же, как излучение из щели шириной в коаксиальной линии диаметром Для простоты изготовления центральному проводнику придается в сечении круглая форма. Переход с коаксиальной линии к плоскопараллельной эквивалентен введению

шунтирующей емкости, которая может быть скомпенсирована введением отрезка линии с более высоким волновым сопротивлением. Типичное расположение, показанное на рис. 4.18, б, применимо вплоть до частот в один из образцов измерительной линии, перекрывающий диапазон обладал собственным КСВН около 1,006.

Волноводные измерительные линии из-за отсутствия внутреннего проводника проще в конструктивном отношении, хотя их небольшие размеры иногда требуют более строгих допусков. Принципы хорошего конструирования с детальным описанием моделей описаны для частот В устройстве, разработанном Хантоном [136], одну и ту же каретку и суппорт можно приспособить для волноводов разных размеров. Для перекрытия диапазонов частот 4—18 и 12—40 Ггц было достаточно двух приборов. В последнем приборе в качестве механизма установки каретки был использован прецизионный ведущий винт, несущий два барабанных лимба с нанесенными на них делениями шкалы. Зонд перемещался с помощью многозаходного винта, снабженного люфтовыбирающей пружиной. Каретка опиралась на прецизионные подшипники, катящиеся между прецизионными канавками, с закаленными поверхностями. Оба прибора для удобства обращения работали при ненастроенном зонде. На рис. 4.19 показана, предложенная автором, щелевая измерительная линия для диапазона Направляющими служили два параллельных стержня, каретка перемещалась с помощью фрикционного механизма, диодный детектор был встроен в измерительную головку. Были разработаны измерители стоячей волны щелевого типа на гребневом волноводе с двумя гребнями [345].

При измерении полного сопротивления с помощью измерителей стоячей волны возникают ошибки нескольких видов [121, 240]. Так как обычно пользуются малыми мощностями, то необходима тщательная экранировка источника высокочастотной энергии и детектора. Остаточные ошибки могут быть устранены путем калибровки [196] или, если не требуется измерение фазы, путем соответствующей регулировки [69] короткозамкнутого аттенюатора до получения того же самого распределения максимумов и минимумов, которое дает неизвестное сопротивление. Общая точность наилучших измерителей стоячей волны такова, что на частоте около можно измерять КСВН при почти согласованной нагрузке до 1,002 и фазу при большом рассогласовании с точностью до На частоте было произведено измерение полного сопротивления с помощью измерителя стоячей волны и высокочастотного моста, причем получилось соответствие в пределах следует ожидать, что это соответствие будет сохраняться вплоть до частот

Процесс измерения КСВН можно ускорить, если каретке придать возвратно-поступательное движение. В одной из усовершенствованных конструкций щелевая секция была изогнута в форме

дуги окружности, так что зонд мог непрерывно вращаться [216, 338]. Напряжение, пропорциональное движению зонда, получаемое с помощью катушки связи, и усиленные сигналы от детектора могли быть поданы соответственно на горизонтальные и вертикальные пластины осциллографа.

Другой метод подхода к этой проблеме состоит втом, что выходной сигнал от детектора подается на усилитель с высококачественной автоматической регулировкой усиления.

Рис. 4.19. Щелевой волноводный измеритель стоячей волны: а — детали зонда, видны четвертьволновые дроссели; б - прибор для диапазона рабочих частот 90 Ггц, использующий волновод сечением 549 мм.

Максимальный сигнал с выхода усилителя, таким образом, фиксируется, и для определения КСВН достаточно измерить минимальный сигнал на выходе. Еще в одном из методов используется [157] детектор, который запоминает экстремальные показания напряжения сигнала за время одиночного перемещения каретки зонда. Отношение этих двух напряжений вычисляется электронными методами, и вычисленный КСВН индицируется на приборе как стационарное значение.