5.1.3. Измерения характеристик

Существует много различных методов измерения характеристик резонаторов [82, 111, 138]. Например, методы определения добротности и параметров связи разбиваются в общем случае на три класса. В первом из них параметры зависят от измерения амплитуды и фазы волн, отраженных от резонатора как функции частоты; для этого метода необходимо иметь генератор и измеритель стоячих волн [139, 207]. Рассмотрение параллельного контура, изображенного на рис. 5.3, а, приводит к выражению для КСВН при резонансе:

в зависимости от того, будет ли связь резонатора выше или ниже критической; эти уравнения будут определять величину При расстройке резонатора до точек определяется ширина полосы, а отсюда и нагруженная добротность Тогда ненагруженная добротность может быть вычислена из уравнения (5.28) [75, 129]. Последовательный резонансный контур можно рассматривать подобным же образом.

Динамическое определение [222] девиации частоты и условий связи с помощью источника энергии СВЧ с качающейся частотой и нулевого детектора намного снижает требования к стабильности частоты, и при этом отпадает необходимость заранее знать характеристику приемника.

Нагруженная или ненагруженная добротность резонатора может быть найдена [139, 189, 262] из сдвига фазы в картине стоячих волн как функция частоты вблизи резонанса. Для систем с низкой добротностью и сильной связью эти измерения совершенно точны. Из круговой диаграммы можно определить величины и построить график в зависимости от как показано на рис. 5.6, для частотного сдвига, например для Измерение КСВН на резонансной частоте позволяет определить для любого частного резонатора величину и далее легко найти величину . Измерение смещения частоты позволяет определить а

отсюда вычислить величину Если значение очень мало, добротность может быть определена только из измерений зависимости величины КСВН от частоты. Величина КСВН на резонансной частоте позволяет получить а КСВН в точках полуспада вычисляется для из соотношения [288]:

а для из соотношения

Рис. 5. 6. Смещение минимума стоячей волны для объемного резонатора; а — для смещения частоты ; б - для (См. [139].)

Из экспериментального графика зависимости КСВН от частоты получаются частоты, соответствующие КСВН в точках полуспада мощности.

Второй класс измерений резонаторов включает определение декремента затухания и более пригоден для резонаторов с высокой добротностью. В методике измерений, описанной Шэйвом и Бареллом [183], в резонаторе получают колебания большой амплитуды, возбуждая его импульсами высокочастотной энергии шириной так что

Последующее экспоненциальное ослабление мощности, возвращаемой фидеру, будет тогда мерой Если Р — мощность генератора, мощность, возвращенная в момент после конца импульса, то

Декремент затухания может быть определен путем измерения возвращенной мощности в моменты при использовании соотношения

Так как времена затухания малы, то их наблюдают на осциллографе.

В третьем классе измерений резонатор присоединяется к согласованному генератору и детектору и передача определяется как функция частоты; тогда нагруженную добротность находят из уравнения (5.37). Если измеренная ширина полосы будет то нагруженная добротность составит

Рис. 5.7. Блок-схема установки для измерения добротности

На осциллографе развертывается частотная характеристика резонатора с обозначенными точками полуспада мощности, а также картина вида колебаний генератора. (См. [139].)

Измерения добротности облегчаются применением метода качания частоты; типичная схема измерения [139] показана на рис. 5.7. Мощность высокой частоты от частотно-модулированного генератора пропускается через исследуемый резонатор к диодному детектору. Продетектированный сигнал усиливается и подается на пластины вертикального отклонения луча осциллографа. Пилообразное напряжение, определяющее качание частоты, подается также на пластины горизонтального отклонения, в результате на экране получается изображение характеристики полосы пропускания резонатора. Генератор служит местным гетеродином приемника с очень узкой полосой пропускания. Сигналы с выхода видеоусилителя используются для модуляции яркости электронно-лучевой трубки, что позволяет получить на экране яркие точки, которые при соответствующей регулировке могут указывать точки полуспада мощности резонатора. Нагруженная добротность измеряется как отношение резонансной частоты к ширине полосы пропускания. Во время

качания частоты мощность на выходе генератора изменяется, поэтому для улучшения точности измерений необходима индикация выходного сигнала в виде дополнительного второго изображения на экране двухлучевой трубки. Сопоставляя изображения сигналов от резонатора и генератора, легко ввести поправку на изменение мощности. Чтобы облегчить измерение полосы пропускания, можно ввести калибровочные метки. Видоизмененный метод [114] включает сравнение изображения на экране осциллографа с характеристикой передачи резонансного контура высокой частоты.

Резонаторы с одним плечом для ввода энергии могут быть соединены с детектором параллельно или последовательно. Когда резонатор проходит через состояние резонанса, то показания индикатора мощности падают до минимума. Посредством согласованного гибридного соединения [166] или двух направленных ответвителей [204] можно получить сигналы, пропорциональные мощности, подводимой к резонатору и отраженной от него. Эти сигналы подаются попеременно через синхронный переключатель к пластинам вертикального отклонения осциллографа.

Периодические сигналы можно также [6] подавать на обе системы пластин осциллографа одновременно. Тогда тангенс угла наклона прямой линии к оси А, получающейся на экране осциллографа, будет пропорционален отношению мощностей. Информация о высокочастотных полях, существующих в резонаторе, может быть получена с помощью процесса моделирования в электролитической ванне [9] или методами возмущения [104, 180, 181]. При этом методе в то место, где напряженность электрического поля в резонаторе большая, можно ввести диэлектрический зонд [164]. Более распространенной процедурой [83, 87, 280] является введение в резонатор металлического предмета. Если объем металлического предмета, то изменение собственной частоты резонатора будет определяться следующим выражением [127]:

Если поместить в резонатор металлический предмет там, где электрическое поле велико, а магнитное поле ничтожно, то

Добротность резонатора можно записать в виде

где С — относится к емкости.

Параллельное активное сопротивление является важной характеристикой [74], которая может быть определена косвенным

путем из результатов измерений отношения зависящего только от геометрии резонатора. Дифференцирование резонансного соотношения по С и подстановка в уравнение (5.50) дает [287]:

так что отношение может быть найдено из измерения, включающего емкостное возмущение. Уравнение (5.51) может быть переписано как

где I — действующая длина, а - напряжение.

Подстановка уравнения (5.52) в уравнение (5.49) дает

из которого можно вычислить отношение

Существуют методы для непосредственного измерения параллельного активного сопротивления. Спроулл и Линдер [195] использовали диэлектрический стержень, имеющий активное сопротивление который они помещали в положение максимального электрического поля резонатора. Если добротности резонатора без стержня и с ним обозначить соответственно через то

Параллельное активное сопротивление [128] можно также измерить, пользуясь для обнаружения малых сдвигов передачи фазы простым мостовым методом. Применение в линии проходного резонатора позволяет использовать слабую связь. Уравнение (5.53) может быть переписано следующим образом:

где сдвиг фазы. При достаточно слабой связи резонатора а измерения для резонатора с фиксированной настройкой дают калибровку шкалы х в значениях частоты. Менее чувствительный метод [48] основан на определении амплитуды сигнала, прошедшего через возмущенный резонатор. Для измерения поверхностного сопротивления материала стенок на частоте используются сложные резонаторы в форме прямых круговых цилиндров [99, 1001. Ширина полосы частот служит мерой активного поверхностного сопротивления, а реактивное поверхностное сопротивление получается из разноса откликов для колебаний видов и