4.3.3. Мостовые методы

Методы измерения полных сопротивлений на сверхвысоких частотах с помощью мостов обладают рядом преимуществ. Неизвестное полное сопротивление в таких случаях сравнивается

с известным эталоном, причем требуются две независимые регулировки для согласования модулей полных сопротивлений и фазовых углов. В практических конструкциях мостовых схем две регулировки в основном независимы и позволяют осуществлять быструю балансировку моста. Величина сопротивления находится непосредственно по калибровке моста, и точность измерения принципиально зависит от точности стандарта (эталона) сопротивлений и от точности конструкции мостовой схемы [334, 361].

Эталон полных сопротивлений в виде может быть получен путем параллельного (или последовательного) соединения подвижного короткозамыкателя с согласованной нагрузкой. На практике можно достичь почти идеального короткого замыкания, но гораздо труднее получить согласованную нагрузку. В методе скользящей нагрузки [6, 174] положение элементов регулируется так., что отражения от цепи и от нагрузки попеременно складываются и вычитаются, а наблюдаемое изменение является мерой коэффициента отражения; таким образом может быть достигнуто почти десятикратное увеличение точности измерения.

Простейшая мостовая схема обладает четырьмя плечами, и ее действие основано на том факте, что если сопротивления, включенные в два плеча, одинаковы, то передача мощности между двумя другими плечами отсутствует. Пригодные для нашей цели мостовые схемы выполняются на гибрндных кольцах, трехдецибельных направленных ответвителях и Т-образных гибридных соединениях; вообще говоря, гибридные Т-образные соединения предпочтительнее, так как избирательность их зависит только от симметрии структуры и может превосходить 50 дб.

На коаксиальных линиях были построены различные псевдомостовые схемы, использующие, например, [57] наборы емкостных или индуктивных зондов. Неравные полные сопротивления можно сравнивать с помощью гибридного соединения, показанного на рис. 4.17, причем угол между переходами определяет коэффициент моста [152]. Предложены также симметричные шестиплечие мостовые схемы, основанные на турникетном соединении и на схеме Парселла [61]. Такие схемы ведут себя как мост Уитстона в том смысле, что связь между плезами 1 и 2 отсутствует лишь тогда, когда цепи, подключенные к оставшимся четырем плечам, связаны соотношением Таким образом, если эталонное сопротивление переменные реактивные сопротивления, то баланс может быть получен для произвольной величины неизвестного сопротивления Фазовый угол эталонного сопротивления равен фазовому углу неизвестного сопротивления, а отношение реактивных сопротивлений в плечах 4 и 5 дает множитель. Следовательно, после калибровки шестиплечий мост позволяет получить величину неизвестного сопротивления только в значениях физических длин.

Полное сопротивление может быть измерено с помощью приборов, дающих прямой отсчет потока мощности, протекающей по линии

передачи. Одним из таких приборов является 1340] направленный ответвитель, у которого мощность во вспомогательном плече составляет лишь небольшую часть мощности, проходящей в главном волноводе. Хотя это устройство может быть использовано как мост с нулевым отсчетом, оно является также и рефлектометром [1,2], преимущества которого были рассмотрены ранее. Если в обоих вспомогательных плечах ответвителя помещены детекторы с одинаковой чувствительностью, то можно определить отношение прямой и отраженной бегущих волн, т. е. коэффициент отражения от нагрузки [44, 101, 241, 288 , 302]. Связанные с этим соотношения из-за несовершенства направленного ответвителя позволяют получить только приближенные результаты [230]. Ответвители, имеющие направленность свыше 40 дб и КСВН менее 1,05, характеризуются хорошей точностью в относительном диапазоне частот

С помощью метода усиленных откликов [30] можно повысить точность при измерении малых значений КСВН. Если имеется в распоряжении источник сигнала с устойчивой амплитудой, то достаточно измерить только мощность, распространяющуюся в обратном направлении. На данной частоте точность может также быть повышена вспомогательной подстройкой [300]; такой метод также дает информацию о фазе нагрузки. Фазу можно определить и с помощью вспомогательного зонда напряжения, как описано Парценом [200]. Пусть будут соответственно напряжения падающей волны, отраженной волны и напряжение на зонде. Измеренная величина определяет размер окружности на диаграмме полных сопротивлений, дает другую окружность, пересекающую первую. В действительности возможны две точки пересечения, но их можно различить, помещая в качестве вспомогательного зонда неоднородность известного характера, например емкостную кнопку. Если I есть расстояние между вспомогательным зондом и точкой, соответствующей минимуму напряжения, то

Выходное напряжение этих рефлектометров, если необходимо, можно записать на самописце [108, 287].

Рассмотрение полей в прямоугольном волноводе показывает, что волна вида распространяясь по направлению к нагрузке, будет производить правополяризованную по кругу волну, в то время как волна, распространяющаяся в противоположном направлении, будет давать левополяризованную волну. Таким образом, несогласованная нагрузка приведет к эллиптически поляризованной волне, осевое отношение которой равно отношению суммы и разности амплитуд составляющих, а последние, в свою очередь, пропорциональны относительным амплитудам волн вида в прямоугольном волноводе; следовательно, осевое отношение равно КСВН. Ясно также, что угловое положение большой или малой осей эллипса

поляризации при изменении фазового угла коэффициента отражения будет изменяться линейно; изменение коэффициента отражения на вызывает изменен не фазового угла на 180°. Этот новый принцип был использован Коном 165] в приборе, показанном на рис. 4.20.

Рис. 4. 20. Измеритель полных сопротивлений с использованием круговой поляризации: а — общий вид; б, в, г - различные конфигурации отверстий связи. (См. [65].)

Вспомогательный волновод связан с главным посредством отверстия, форма и расположение которого выбраны так, что волна с круговой поляризацией возбуждается лишь в случае согласованной нагрузки. Это происходит потому, что щели 1 связаны с поперечным магнитным полем прямоугольного волновода, а щель 2 — с продольным магнитным полем. Следовательно, щели 1 и 2 возбуждают в круглом волноводе волны вида которые ортогональны в пространственном и временном отношении. Если положение и размеры щелей выбраны надлежащим образом, то амплитуды этих двух волн будут одинаковыми и, таким образом, будет возбуждаться волна с круговой поляризацией. Фаза и амплитуда коэффициента отражения от несогласованной нагрузки может, таким образом, быть определена путем поворота (304, 369] поляризованного детектора.

В приборе для работы на частоте было применено электронное вращение с помощью намагниченного феррита. Информация получалась из выходного сигнала и подавалась на прибор, прокалиброванный непосредственно в значениях КСВН или коэффициента отражения. Такие индикаторы оказались полезными [281] при заводском испытании узлов. Для частот в диапазоне пригодна вращающаяся индуктивная петля; остаточные емкостные явления устраняются, если эту петлю закончить другой петлей, которая таким образом будет связана с данным видом колебаний во втором волноводе только индуктивно [135]. Такие устройства просты и прочны, хотя и обладают чувствительностью к изменению частоты.

Разработано несколько методов, позволяющих наблюдать полное сопротивление непосредственно на экране осциллографа [4,13]. В индикаторе Рибле [213] поля в волноводе анализируются специальным ответвителем, на зажимах которого вырабатываются напряжения, идентичные с теми, которые развивались бы на двух несвязанных зондах, разнесенных друг от друга на всех частотах на Эти два напряжения вводятся в измеритель отношений, выход которого связан с вертикальными пластинами осциллографа. При соответствующем расположении нагрузки и анализатора картина на экране осциллографа для ряда частот представит истинные величины КСВН. С появлением генераторов обратной волны и ламп бегущей волны стало возможным быстрое измерение полных сопротивлений в широком диапазоне частот [188 291]. Балансные измерительные системы [172] позволяют производить одновременно автоматическое измерение амплитуды и фазы как функций частоты в диапазоне . В другом типе прибора [88] на осциллографе наблюдается зависимость коэффициента отражения от частоты; типичная модель перекрывает интервал частот Волноводная система состоит из двух направленных ответвителей, включенных выходом к выходу; испытуемое устройство включается в качестве нагрузки. Цепь обратной связи обеспечивает постоянство уровня падающей мощности.

Многофункциональной называется такая система, в которой развертка на осциллографе имеет вид круговой диаграммы полных сопротивлений [329]. Сэмюэль [225] использовал источник постоянной амплитуды для питания волновода, вдоль которого были расположены четыре пронумерованных от до 4 зонда, разнесенные через к выходам зондов были присоединены одинаковые детекторы с квадратичными характеристиками. Выражая напряжение в падающей и отраженной волнах соответственно как получим, что на выходе детектора 1 будет напряжение

а на выходе детектора 3

ВЧ члены при детектировании исключаются, так что

Подобным же образом

и

Если разности и подать соответственно на пластины осциллографа, то положение пятна будет определяться координатами и в результате получается график полных сопротивлений. Постоянная К и центр диаграммы определяются калибровкой с помощью подвижного короткозамыкателя. Типовой прибор [304] позволяет проводить непрерывное наблюдение полных сопротивлений в относительном 10% диапазоне частот в области 9,5 Ггц с точностью по КСВН лучшей, чем 0,03; максимальная ошибка, обусловленная фиксированными зондами, получается на краях диапазона и составляет ±4% по модулю коэффициента отражения и ±2° по фазе.

Прибор для графического изображения полных сопротивлений [273], перекрывающий диапазон 8,2-12,4 Ггц, отбирает образцы волн с помощью направленных ответвителей. Образец отраженной волны модулирован прямоугольными импульсами. Образец прямой волны задержан во времени для компенсации отрезка линии между ответвителями. Каждый из образцов волн делится на две равные части, которые объединяются в двух квадратичных детекторах, причем в одну из частей падающей волны вводится опережение по фазе в 90°. Выходные напряжения подаются на пластины осциллографа для получения круговой диаграммы. Фазы и амплитуды отраженного сигнала, образцы которого получаются от высококачественного направленного ответвителя, могут быть определены с большой точностью при условии пользования гетеродинными методами детектирования и низкой промежуточной частотой [284]. Нужная частота гетеродина может быть получена от источника сигнала как боковая полоса с помощью непрерывно вращающегося фазовращателя. Сигнал от смесителя разлагается на составляющие для отклонения пятна на экране осциллографа путем сравнения его фазы с сигналом, который вырабатывается в системе, синхронизированной по фазе с модулятором одной боковой полосы частот. В приборе [303] для частоты можно измерить коэффициент отражения до 0,0001 с точностью лучше чем дополнительные особенности этой системы включают частотные отметки на экране, калиброванные шкалы для фазовых углов и прецизионные аттенюаторы для амплитудных измерений.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)