5.2. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ

5.2.1. Волномеры с объемными резонаторами

Волномером называют прибор, применяемый для измерения длины волны, распространяющейся вдоль передающей системы; длина волны в свободном пространстве [285] определяется путем расчета, исходя из геометрических размеров волномера. При желании из известной частоты может быть получена скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве [59, 60]; с другой стороны, если известна скорость распространения [63], может быть определена частота [196, 210]. На практике обычно используется резонансная система и волномер может быть соединен таким образом, чтобы при резонансе получить либо поглощение, либо полную передачу энергии. Измерение последовательных резонансов вдоль коаксиальной линии позволяет непосредственно определить длину волны в свободном пространстве; ошибка определения длины волны вследствие конечных потерь в линии незначительна. В типичных коаксиальных волномерах, описанных Шэйвом и Барреллом [184], короткозамыкатель представляет собой щелевой пружинящий стержень, приводимый в движение точной микрометрической головкой с градуировкой на барабане. Обычно связь волномера с входным и выходным коаксиальными фидерами осуществляется с помощью петель. Внутренний проводник представляет сложную механическую конструкцию и неизбежно приводит к низким добротностям, поэтому коаксиальные волномеры используются только для длин волн свыше 3 см.

В качестве волномеров широко используются резонансные волноводы [61, 62, 202]. Фазовая скорость распространения волн в волноводе больше, чем в свободном пространстве на величину, зависящую от поперечных размеров волновода и возбуждаемого вида Колебаний. Приборы с резонаторами, работающими на основном виде колебаний, свободны от паразитных резонансов и поэтому особенно пригодны для быстрых и надежных измерений. Легко изготовить круглый резонатор [5] с круглым дроссельным короткозамыкателем, возбуждаемый колебаниями вида Для того чтобы исключить возможность возбуждения ортогональных вырожденных видов колебаний, необходимо тщательно высверлить отверстие; оно должно быть точно круглым, а концевые поверхности — строго перпендикулярными к оси. Если сделать длину резонатора равной нескольким длинам волн, то добротность возрастает; точность отсчета при этом улучшается, так как можно измерить несколько последовательных резонансов. Прямоугольный резонатор, возбуждаемый колебаниями вида механически может быть улучшен, если применить круглый короткозамыкатель, так как осевое перемещение может в этом случае регулироваться обычной микрометрической головкой. Такие конструкции используются вплоть до частоты 200 Ггц, и на рис. 5.8 показан образец волномера для диапазона 55 Ггц.

Волномеры с высокой разрешающей способностью получаютсй путем приспособления круглых резонаторов, возбуждаемых колебаниями вида Обычно используются резонаторы с относительно большими диаметрами, так что в них могут существовать и другие виды колебаний. Эти виды колебаний вызывают паразитные резонансы, которые могут приводить к неправильным отсчетам. Более того, при настройке волномера кривые частоты в зависимости от их длины для рабочего вида колебаний могут пересекаться с кривыми для других видов колебаний, подобно тому, как показано на рис. 5.1. Таксе пересечение [41] приводит к уменьшению добротности и, следовательно, к ухудшению характеристики прибора.

Рис. 5. 8. Волномер, работающий с колебаниями вида в прямоугольном волноводе. Поперечное сеченне резонатора Рабочая частота Вставка из слюды дает достаточную связь с главным волноводом.

Амплитуды этих нежелательных видов колебаний могут быть уменьшены [79] посредством правильного расположения отверстий связи, использования бесконтактных короткозамыкателей, резистивных пластин [94] и вставок из поглощающего материала [58]. Колебания нормально вырождены по обеим поляризациям желаемого вида, и, следовательно, эти волномеры должны иметь средства для разделения вырождения, для этого, например, одной из концевых стенок придается сферическая форма или в ней прорезается круговая канавка.

Типичный волномер для колебаний показан на рис. 5.9; диаметр его резонатора на частоте добротность резонатора изменяется от на двенадцатой полуволне до на двадцать четвертой. Связь по магнитному полю с волноводом осуществляется через два отверстия, расположенные на расстоянии друг от друга, выходное отверстие связи имеет такое оптимальное расположение по радиусу и азимуту, при котором паразитные резонансы сводятся к минимуму. Другой ввод энергии для такого волномера [251] осуществляется за счет небольшого первичного резонатора, резонирующего только на колебаниях вида связь с главным волноводом происходит через достаточное число отверстий, разнесенных друг от друга на одинаковые расстояния,

причем вид колебаний, который они могут возбудить, более сложный, чем наивысший вид колебаний, который может распространяться.

В гибридном волномере можно получить одновременно широкий диапазон частот, свойственный коаксиальному прибору, и высокую добротность волноводных резонаторов [1, 62, 84]. При правильном выборе диаметра внутреннего проводника можно получить линейную шкалу настройки. Если диаметр сделать малым, то скорость настройки уменьшится, однако при этом точность установки возрастет. Подобные конструкции в виде четвертьволновых коаксиальных резонаторов [256], работающих с колебаниями вида ТЕМ, используются на более длинных волнах. Обычно эти гибридные резонаторы калибруются [93] с помощью известных эталонов.

Рис. 5. 9. Волномер, работающий с колебаниями вида в круглом волноводе. Критическая частота выбрана такой же, что и критическая частота прямоугольного волновода шириной Внутреннее отверстие круглое и стенки его строго параллельны с точностью до Рабочая частота

Так как добротность резонатора изменяется пропорционально то разрешающая способность волномеров на миллиметровых волнах становится низкой. Улучшение точности установки достигается использованием быстрого изменения фазы вблизи резонанса. Одно из подобных устройств состоит из Т-образного гибридного соединения с генератором, питающим параллельное плечо, и детектором, подключаемым к последовательному плечу. Одно из главных плеч соединения нагружается входной диафрагмой волномера, а другое ?— короткозамыкателем, управляемым микрометрической головкой, который устанавливается в такое положение, чтобы получить нулевой отсчет. Изменение частоты вызывает изменение фазы в плече с резонатором, и поэтому, чтобы восстановить баланс, нужно сместить короткозамыкатель; необходимое его смещение и будет мерой изменения частоты. Так как при изменении частоты на величину сдвиг фазы равен 45°, то по сравнению с обычными методами амплитудной расстройки можно получить десятикратное улучшение разрешающей способности.