СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛЯРНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В РЕЖИМЕ РАССОГЛАСОВАННОГО ТРАКТА МЕТОДОМ ФИКСИРОВАННОЙ ФАЗЫ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛЯРНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В РЕЖИМЕ РАССОГЛАСОВАННОГО ТРАКТА МЕТОДОМ ФИКСИРОВАННОЙ ФАЗЫ


RU (11) 2136009 (13) C1

(51) 6 G01R27/28, G01R27/32 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1999.08.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 97102606/09 
(22) Дата подачи заявки: 1997.02.20 
(45) Опубликовано: 1999.08.27 
(56) Аналоги изобретения: Научные труды ВУЗов Литовской ССР, Радиоэлектроника, 1985, N 21(1), с.27-32. SU 1173349 A, 15.08.85. SU 672581 A, 05.07.79. SU 254186 A, 05.11.69. US 3769580 A, 30.10.73. US 5150064 A, 22.09.92. EP 0278669 A2, 17.08.88. WO 92/17949 A1, 15.10.92. 
(71) Имя заявителя: Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии 
(72) Имя изобретателя: Помазков А.П.; Огурцов А.Н. 
(73) Имя патентообладателя: Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии 
(98) Адрес для переписки: 607190, Саров, Нижегородская обл., пр.Мира 37, ВНИИЭФ, Начальнику ОПИНТИ Кимачеву А.А. 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛЯРНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В РЕЖИМЕ РАССОГЛАСОВАННОГО ТРАКТА МЕТОДОМ ФИКСИРОВАННОЙ ФАЗЫ 

Предлагаемое изобретение относится к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерении дисперсионных характеристик (ДХ) замедляющих систем (ЗС). Достигаемый технический результат - измерение ДХ ЗС в условиях, соответствующих рабочему режиму ЗС на штатном рабочем месте. Устройство для осуществления способа содержит измеритель коэффициента отражения (КО), последовательно соединенные высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ), используемый отрезок регулярной линии передачи (ЛП), фазовращатель и активную нагрузку RH, подключенные к первому выходу измерителя КО1, и волномер, подключенный ко второму выходу измерителя КО1. Способ определения ДХ ЛП заключается в возбуждении в заданном диапазоне частот СВЧ колебаниями от измерителя КО1 через ВЧИТ 2 нагруженной сопротивлением RH исследуемой ЛП, измерении частот f1m минимального значения Гomin1m суммарного КО от входа ЛП, изменении фазы нагрузки RH фазовращателем на заданную величину m, повторном измерении частот f2m минимального значения Гomin2m суммарного КО, определении коэффициента замедления nm в каждом поддиапазоне по известным соотношениям и построении ДХ по рассчитанным значениям nm. 4 ил., 2 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Предлагаемое изобретение относится к области и измерительной техники, а точнее - к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях дисперсионных характеристик (ДХ) замедляющих систем (ЗС).

Известен способ измерения ДХ ЗС в режиме стоячих волн [1, с.265; 2, с.6; 3, с.410], включающий возбуждение ЗС, закороченной на конце, СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) в заданной полосе частот, определение и фиксирование с помощью зонда, введенного в ЗС и перемещаемого вдоль ЗС, точек минимума показаний индикаторного прибора на заданных дискретных частотах fm, расположенных внутри заданного диапазона, в точках X1 и X2, определение коэффициента замедления nm на частоте fm расчетным путем по формуле



где оm - длина волны в свободном пространстве, соответствующая дискретной частоте fm;

оm= c/fm, c = 3 108 м/с;

fm - в герцах и построение ДХ n=n(f) в заданной полосе частот по рассчитанным nm.

Устройство для измерения ДХ содержит [3, с.410, рис.11.29] генератор СВЧ, ко второму выходу которого подключен волномер, последовательно соединенные переменный аттенюатор и закороченная на конце ЗС, подключенные к первому выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные зонд, введенный в ЗС, детекторную секцию и индикаторный прибор.

Измерение коэффициента замедления nm на заданной дискретной частоте fm производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ЗС на заданной частоте fm внутри заданной полосы частот, частоту fm устанавливают по волномеру. Передвигая зонд вдоль ЗС, находят точку X1, в которой показания индикаторного прибора минимальны, и фиксируют точку X1. Снова передвигают зонд вдоль ЗС и находят справа или слева от X1 соседнюю точку X2, в которой показания индикаторного прибора минимальны, и фиксируют X2. Рассчитывают nm на частоте fm по формуле (1). Таким же образом измеряют и рассчитывают nm на других дискретных частотах внутри заданной полосы частот. По рассчитанным nm строят дисперсионную характеристику n=n(f).

Недостатками аналога являются сложность измерений и значительные погрешности, связанные с необходимостью согласования входа ЗС со ВЧИТ до получения режима бегущей волны во всей заданной полосе частот.

Известен резонансный способ измерения ДХ [1, с.267; 2, с.23; 3, стр.411] , включающий возбуждение ЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резотаторе (ОЦР) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ колебаниями от генератора СВЧ, перестройку частоты генератора до нахождения первой резонансной частоты fp1 и регистрацию этой частоты, перестройку частоты генератора до нахождения и регистрации второй fp2, третьей fp3 и т.д. резонансных частот, определение коэффициента замедления nm на каждой из резонансных частот fрm по формуле



где m - номер резонанса, m = 1, 2, 3...; оm - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й резонансной частоте fpm, оm= c/fpm, c = 3108 м/с; l - длина ЗС, и построение ДХ n=n(f) по рассчитанным значениям nm.

Устройство для измерения ДХ резонансным способом содержит [1, с.268, рис.168] генератор СВЧ, ко второму выходу которого подключен волномер, последовательно соединенные первый зонд, ОЦР с ЗС, закороченной на торцевые стенки ОЦР, второй зонд, детекторную секцию и индикаторный прибор, подключенные к первому выходу генератора СВЧ, при этом связь первого и второго зондов с ЗС в ОЦР осуществляется с помощью петель связи, образующих слабую связь зондов с ЗС.

Измерение коэффициента замедления nm на резонансных частотах производят следующим образом. Сообщают схему измерений. Возбуждают ОЦР с ЗС от генератора СВЧ через первый зонд и его петлю связи. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения первого резонанса в ЗС на частоте fp1. Наличие резонанса определяют по максимальным показаниям индикаторного прибора. Регистрируют частоту fp1 с помощью волномера. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения второго fp2, третьего fp3 и т.д. резонансов, регистрируют по волномеру эти частоты. Определяют коэффициенты замедления nm по формуле (2) для каждой частоты и строят ДХ n=n(f) по расчетным значениям nm.

Недостатком второго аналога является тот факт, что измерение ДХ можно проводить только на закороченной с обоих концов ЗС, размещенной в специальной ОЦР. Таким способом нельзя измерить ДХ в реальной ЗС, установленной на своем штатном месте. Кроме того, резонансные измерения спиральных ЗС дают значительные погрешности, что связано с отсутствием в таких СЗС плоскостей зеркальной симметрии [2].

Известен способ измерения волнового сопротивления Z02 спиральной ЗС (СЗС) [4], включающий возбуждение нагруженной активным сопротивлением Rн СЗС СВЧ колебаниями в заданном диапазоне частот через ВТИЧ с волновым сопротивлением Z01, измерение на заданных дискретных частотах fm внутри заданного диапазона максимального и минимального (экстремальных) значений коэффициента стоячей волны (КСВ) Kmaxm и Kminm на входе СЗС, определение парциального (собственного) коэффициента отражения (КО) Г01m от входа СЗС по известным соотношениям на каждой из частот fm, определение волнового сопротивления Z02m СЗС на каждой из частот по формуле

Z02m = Z01(1+Г01m)/(1-Г01m)

и построение дисперсионной зависимости Z02=Z02(f) по рассчитанным значениям Z02m.

Устройство для измерения волнового сопротивления Z02m содержит генератор СВЧ, измеритель КСВ с ВЧИТ с известным волновым сопротивлением Z01, подключенные к выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные СЗС, переменный фазовращатель и активную нагрузку Rн, подключенные к выходу ВЧИТ.

Измерение волнового сопротивления Z02m на заданной частоте fm внутри заданного диапазона производят следующим образом. На заданной частоте fm измеряют переменным фазовращателем фазу нагрузки Rн до получения максимума КСВ Kmaxm на входе СЗС, регистрируют fm и Kmaxm. С помощью того же фазовращателя добиваются на этой же частоте получения значения минимум а КСВ Kminm на входе СЗС, регистрируют Kminm. Находят по известным соотношениям парциальный КО Г01m на частоте fm. Определяют Z02m на этой частоте по формуле (3). Производят измерения Kmax и Kmin на других частотах внутри заданного диапазона и рассчитывают Г01 и Z02 на этих частотах. Строят дисперсионную зависимость Z02=Z02(f) по рассчитанным значениям Z02m.

Третий аналог позволяет исследовать ЗС, непосредственно размещенную на своем штатном месте, без привлечения специальных технологических устройств. К недостаткам аналога можно отнести существенное влияние на результаты измерений неизвестных неоднородностей, расположенных в плоскостях соединения СЗС с ВЧИТ и фазовращателем.

Каждый из трет перечисленных аналогов может быть принят в качестве прототипа, однако наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является третий аналог, выбранный авторами в качестве прототипа. Его недостатком является то, что он не решает задачу измерения дисперсионной характеристики СЗС n=n(f).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение дисперсионной характеристики регулярной линии передачи (ЛП), в том числе и СЗС, в режиме рассогласованного тракта методом фиксированной фазы; при этом в качестве исследуемой линии используется отрезок реальной ЛП на штатном рабочем месте, никаких дополнительных мер, например закорачивания концов ЛП, полного согласования ЛП с ВЧИТ или помещения отрезка ЛП в ОЦР, не производится.

Техническим результатом заявляемого решения является то, что ДХ регулярной ЛП удается измерить в условиях, приближенных к рабочему режиму ЛП, не обращая внимания на вопросы согласования ее с нагрузкой Rн и ВЧИТ.

Этот технический результат достигается тем, что в способе определения дисперсионной характеристики регулярной линии передачи в режиме рассогласованного тракта методом фиксированной фазы, включающем возбуждение нагруженной на сопротивление нагрузки Rн линии передачи СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение частот экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение дисперсионной характеристики расчетным путем, новым является то, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z01 и величину сопротивления нагрузки Rн выбирают предварительно равными или неравными друг другу из соотношения



где Z02 - рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи, измеряют при заданном подключенном сопротивлении нагрузки Rн в заданном диапазоне частот все частоты f1m, соответствующие минимальным значениям Г0min1m суммарного коэффициента отражения от входа линии передачи, изменяют фазу сопротивления нагрузки Rн на фиксированную величину m снова измеряют в заданном диапазоне частот все частоты f2m, соответствующие минимальным значениям Г0min2m суммарного коэффициента отражения от входа линии передачи, коэффициенты замедления nm в каждом поддиапазоне частот fm= f1m-f2m или fm= f2m-f1m определяют по формуле



где m - номер поддиапазона, m = 1, 2, 3,...; m - заданное число, 0,1 m 0,9; l - заданная длина отрезка исследуемой линии передачи; f1m и f2m - две соседние измеренные частоты, соответствующие Г0min1m и Г0min2m, в m-ом поддиапазоне а дисперсную характеристику n=n(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета nm для каждого поддиапазона fm, принимая за аргумент f среднюю частоту fср каждого поддиапазона fср m = (f1m + f2m)/2.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет измерить дисперсионную характеристику n=n(f) в заданном диапазоне частот отрезка регулярной ЛП в условиях, приближенных к рабочему режиму ЛП и не требующих ни дополнительного согласования исследуемой ЛП с ВЧИТ и Rн, ни закорачивания ее на концах, ни размещения в технологическом ОЦР.

На фиг. 1 приведена структурная схема (блок-схема) устройства для реализации предлагаемого способа и диаграмма распространения и отражения электромагнитной волны (ЭМВ) в исследуемой ЛП; на фиг.2 - амплитудно-частотная (интерференционная) характеристика суммарного КО на оси частот в заданном диапазоне; на фиг.3 - положение Г0min суммарного КО на оси частот в отдельном поддиапазоне при первом измерении - сплошная линия и при втором измерении после изменения фазы нагрузки на заданную величину - пунктиром; на фиг. 4 - экспериментальная (сплошная линия) и расчетная (пунктиром) ДХ СЗС в заданном диапазоне частот. Как видно по фиг.3, положение Г0min2 на шкале частот в отдельном поддиапазоне может быть как справа (Г''0min2, f''2 > f1), так и слева (Г'0min, f'2 < f1) относительно положения Г0min1 на частоте f1 при первом измерении.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит (фиг.1) измеритель КО1 с ВЧИТ2, волномер 3, подключенный ко второму выходу измерителя КО1, последовательно соединенные отрезок исследуемой регулярной ЛП4, фазовращатель 5 с известными сдвигами фазы и фиксированное сопротивление нагрузки Rн 6, подключенные к выходу ВЧИТ2.

В качестве измерителя КО1, ВЧИТ2 и волномера 3 на фиг.1 использован промышленный измеритель комплексных коэффициентов передачи P4-37, в качестве отрезка 4 регулярной ЛП-СЗС в цилиндрическом корпусе (размеры приведены ниже), в качестве фазовращателя 5 - отрезок коаксиальной линии длиной l0 = 114 мм с воздушным заполнением с волновым сопротивлением Z0 = 50 Ом, в качестве сопротивления нагрузки 6 - резистор типа C2-10 Rн= 681 Ом.

Измерение дисперсионной характеристики n=n(f) производят следующим образом. Предварительно, до начала измерений, выбирают величины волнового сопротивления Z01 ВЧИТ и сопротивления нагрузки Rн согласно соотношению (4). Для этого сначала по конструкции и геометрическим размерам отрезка исследуемой ЛП рассчитывают ее волновое сопротивление Z02 любым известным способом, например, по методике [5] или [6]. Пусть, например, по расчету получают Z02 = 150 Ом. Тогда величина Z01 и Rн выбирают в пределах, приведенных в формуле (4), например Z01 = 50 Ом = 0,33 Z02 и Rн = 681 Ом = 4,5 Z02. Предварительный выбор Z01 и Rн и их соотношения с Z02 в пределах формулы (4) позволяет соизмерить масштабы измеряемой и известных величин и производить измерения с наименьшими погрешностями.

Собирают блок-схему фиг.1 в режиме измерения входных параметров. Включают приборы. На измерителе КО1 выставляют заданный диапазон частот F (полосу качания частоты прибора P4-37), например, F = (5 - 300) МГц или F = (20 - 700) МГц, включают измеритель КО1 в режим автоматического качания частоты в заданной полосе качания F. На экране измерительного блока измерителя КО1 P4-37 высвечивается амплитудо-частотная (интерференционная) характеристика суммарного КО фиг.2, представляющая собой периодическую кривую интерференции парциальных КО от входа Г01 и выхода Г02 отрезка ЛП на оси частот и имеющая минимальные Г0minm и максимальные Г0maxm (экстремальные) значения на оси частот на частотах fmin1m и fmax1m. Регистрируют на этой кривой все частоты f1m, соответствующие минимальным значениям суммарного КО Г0min1m в заданной полосе. Изменяют фазовращателем 5 фазу сопротивления нагрузки Rн 6 на заданную величину, например на величину = /3. В результате такого изменения фазы на экране измерительного блока интерференционная характеристика меняет положения частот fmin2 и fmax2 на оси частот (см. фиг.3), при этом новые положения fmin2 и fmax2 смещаются либо в право (точка f''21), либо влево (точка f'21) относительно положения f11 при первом измерении. Регистрируют все частоты f2m, соответствующие минимальным значениям суммарного КО Г0min2m в заданной полосе. Определяют на кривой все поддиапазоны и в каждом из них определяют коэффициенты замедления nm по формуле (5). По результатам расчета nm строят ДХ n=n(f), принимая за аргумент f среднюю частоту fср каждого поддиапазона fср m = (f1m + f2m)/2.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технического результата на предприятии изготовлен макет лабораторной установки для измерения ДХ СЗС. Установка содержит металлический цилиндрический корпус с внутренним диаметром Dk = 120 мм длиной Lk = 220 мм. Внутри корпуса коаксиально с помощью трех диэлектрических стержней из оргстекла диаметром dст = 8 мм и длиной lст = 220 мм крепится отрезок исследуемой СЗС. Геометрические размеры СЗС приведены в табл. 1 (см. табл.1 и 2 в конце описания).

В табл. 1 обозначены: Dср - средний диаметр СЗС; Dн - наружный диаметр СЗС; h - шаг (период) СЗС; dпр - диаметр проводника СЗС; N - число витков в исследуемом отрезке; hг - геометрический коэффициент замедления.

В качестве фазовращателя в лабораторном макете использован отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением Z0 = 50 Ом с воздушным заполнением длиной l0 = 114 мм. Нагрузкой служит резистор типа C2-10 Rн = 681 Ом.

Результаты измерений и расчета сведены в табл.2. Измерения проводились прибором P4-37, у которого погрешность измерения частоты f 1 МГц, погрешности измерения остальных величин A 10%

В табл. 2 обозначены: f1 - значения частот минимального КО при первом измерении; f2 - значения частот минимального КО при втором измерении после изменения фазы нагрузки на величину = ; 01, 02 - волновые числа, соответствующие частотам f1 и f2; 01,2= 2/01,2; 01,2 - длина волны в свободном пространстве, соответствующая частотам f1 и f2, 01,2= c/f1,2; c = 3108 м/с; = - заданное изменение фазы нагрузки в каждом из поддиапазонов fm; n - коэффициент замедления.

На фиг. 4 приведены экспериментальные (сплошная линия) и рассчетная (пунктиром) ДХ СЗС, приведенной в табл. 1, в диапазоне частот F = (20 - 650) МГц. Видно, что в области высоких частот (f250 - 300 МГц) экспериментальная и рассчетная ДХ совпадают, а в области низких частот (f < 250 МГц) отличаются и по величине и по тенденции. Это связано с тем, что ДХ СЗС в области низких частот рассчитываются неточно, обычно измеряются экспериментально [7]. В связи с неточностью рассчетов ДХ некоторых типов ЛП в предлагаемом способе для определения масштаба измеряемых величин n используется предварительный расчет Z02 и соотношений Z01/Z02 и Rн/Z02, а уже более точные данные измеряются экспериментально.

Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется и позволяет измерить дисперсионную характеристику n=n(t) отрезка регулярной ЛП.

На фиг. 1 приведены структурная схема измерений и диаграмма распространения и отраженная ЭМВ в исследуемом отрезке ЛП длиной l между входом (сечение 1-1) и выходом (сечение 2-2). На фиг. 1 обозначены: 1-1 - сечение входа исследуемого отрезка ЛП, сечение соединения входа отрезка 4 с выходом ВЧИТ - рефлектометром "Zx" измерителя КО1; 2-2 - сечение выхода отрезка 4, сечение соединения его со входом фазовращателя 5, нагруженного на сопротивление нагрузки Rн 6; падающая волна на сечение 1-1 со стороны измерителя КО1, или волна, распространяющаяся от выхода рефлектометра ко входу исследуемого отрезка; для упрощения анализа амплитуда падающей волны принята равной 1, фаза в сечении 1-1 равной нулю, множитель exp(jt) опущен; прошедшая волна или волна, прошедшая сечение 2-2 в сторону фазовращателя и нагрузки Rн, полностью поглощается в сопротивлении нагрузки Rн; парциальный (собственный, частичный) KO от сечения 1-1 отрезка ЛП в сторону входа ВЧИТ (далее именуется в сторону генератора); парциальный КО от сечения 1-1 (входа ЛП) в сторону сечения 2-2 отрезка (далее - в сторону нагрузки); парциальный КО от сечения 2-2 отрезка в сторону сечения 1-1; модуль КО; 2= фаза КО; z= z+jz - постоянная распространения ЭМВ в исследуемом отрезке; z - постоянная затухания; z - фазовая постоянная распространения ЭМВ, z= 2/z, z - длина волны ЭМВ в исследуемом отрезке, z= o/n, o - длина волны в свободном пространстве, o= c/f0, c = 3 108 м/с, f0 - заданная частота, n - коэффициент замедления; l - длина исследуемого отрезка ЛП; величина и фаза парциального КО на входе исследуемого отрезка в сечении 1-1, потерями в исследуемом отрезке пренебрегаем, суммарный КО от входа 1-1 исследуемого отрезка ЛП.

Во всех обозначениях точка над буквой обозначает комплексную величину.

Как видно из диаграммы распространения и отражения ЭМВ, подающая волна 1 частично отражается от сечения 1-1 с КО в сторону генератора, а частично проходит сечение 1-1 (часть волны 1+ ) и распространяется в сторону выхода. Эта часть волны частично отражается от сечения 2-2 (часть волны в сторону сечения 1-1, а частично проходит сечение 2-2 в сторону нагрузки в виде и полностью поглощается в нагрузке. Отраженная часть (1+Г1г) снова частично отражается от сечения 1-1 в сторону выхода 2-2, и частично проходит сечение 1-1 в сторону генератора и складывается с первым отражением Между сечениями 1-1 и 2-2 происходят многократные отражения ЭМВ, в результате которых часть энергии подающей ЭМВ отражается от сечения 1-1 в сторону генератора и образует суммарный коэффициент отражения от входа 1-1, а другая часть энергии ЭМВ проходит сечение 2-2 в сторону нагрузки и полностью поглощается в ней (см. фиг. 1 и /8/).

Суммарный коэффициент отражения от входа 1-1 исследуемого отрезка может быть записан в виде бесконечного ряда (см. фиг. 1):



По определению парциальными (частичными, собственными) KO называют КО, обусловленные только скачками волновых сопротивлений ВЧИТ Z01 и исследуемого отрезка Z02 при условии, что других источников отражений нет, т.е.



и



где модуль парциального КО, 1 - его фаза. Подставляя в ряд, получаем



этот ряд есть геометрическая прогрессия, которая сходится в конечному пределу [4,8]



где парциальный КО от входа исследуемого отрезка (сечения 1-1) в сторону генератора при условии, что от выхода отрезка (сечения 2-2) отражений нет и прошедшая волна полностью поглощается, т.е. отрезок исследуемой ЛП работает в режиме бегущей волны; парциальный КО от выхода исследуемого отрезка (сечения 2-2) в сторону генератора (входа отрезка) при условии, что прошедшая волна полностью поглощается в нагрузке.

При таких определениях парциальных КО выражается через Z01 и Z02 по формуле (6), а через Rн и Z02 по формуле



где модуль КО, 2 - его фаза; Z02 - волновое сопротивление исследуемого отрезка ЛП.

В линиях передачи с малыми потерями, какие практически используются в приборах СВЧ электроники, волновые сопротивления Z01 и Z02 - действительные числа, Rн - активное сопротивление, действительная величина, поэтому парциальные КО будут действительными величинами со своими знаками плюс или минут, а их фазы 1 и 2 в формулах (6) и (9) равны нулю 1= 2 = 0. Тогда формулу (8) можно переписать:



где Г01 и Г02 - действительные величины, определяемые по формулам (6) и (9).

Модуль суммарного КО будет равен:



где = -2zl.

Так как cos - функция периодическая с периодом 2, модуль суммарного КО Г0 так же будет периодической функцией с периодом 2 на оси частот. Исследуем Г20 на экстремумы по аргументу .



или, так как знаменатель не равен нулю и Г01 0; Г02 0



Исследование формулы (12) показывает, что это равенство возможно в двух случаях: а) при любых углах , если Г01 = Г02 = 1 и б) если sin = 0. Как будет показано ниже случай Г1= Г2 невозможен, так как в этом случае нет интерференционной кривой фиг. 2. Следовательно, экстремумы модуля суммарного КО Г0 существуют в точках sin = 0 или = m2 и = (2m-1), где m - номер экстремальной точки на оси частот. Но в этих точках cos = 1 или

cosm= 1 и m= m2, m = 1,2,3,... (13)

cosm= -1 и = (2m-1), m = 1,2,3,... (14)

Поставим в формулу (11) точки экстремумов m, найдем экстремальные значения модуля суммарного КО Г0:





Преобразуем эти выражения следующим образом:





Знаменатели (15) и (16) одинаковы; в числителе (15) стоит сумма, в числителе (16) - разность одинаковых слагаемых, поэтому Г01> Г02. Следовательно, Г01 есть максимум выражения (11), Г01= Г0max, а Г02 - его минимум, Г02= Г0min. Обозначая их как Г0max и Г0min перепишем:





Проведенный анализ многократных отражений в исследуемом отрезке ЛП и поведения модуля суммарного КО (11) показывает, что имеет место интерференция модуля суммарного КО Г0 на оси частот с образованием интерференционной кривой, приведенной на фиг. 2. Минимум Г0min модуля суммарного КО Г0 располагаются на тех частотах, на которых cosm= -1, m= (2m-1) или

2zml = (2m-1), m = 1,2,3,... (19)

Максимумы Г0max модуля суммарного КО Г0 располагаются на тех частотах, на которых cosm= 1, m= m2 или

2zml = m2, m = 0,1,2,... (20)

где m - номер экстремальной точки; zm - фазовая постоянная распространения в исследуемом отрезке ЛП, l - длина этого отрезка. При заданной длине l отрезка частоты fminm минимума суммарного КО Г0min можно определить из выражения:



где c = 3 108 м/с; nm коэффициент замедления на частоте fminm.

Равенство (18) равносильно утверждению, что в минимуме модуля суммарного КО Г0min парциальные КО Г01 и Г02 на частоте fmin находятся в противофазе, поэтому условие минимума модуля суммарного КО Г0min можно выразить в более общем виде:

2m-1m= (2m-1) (22)

где m - номер минимума; 1m= 01m - собственная фаза парциального КО Г01 в сечении 1-1 отрезка ЛП (фиг. 1); 2m= 02m-2zml - фаза парциального КО Г02 в сечении 1-1 исследуемого отрезка; 02 - собственная фаза парциального КО Г02 в сечении 2-2 исследуемого отрезка ЛП.

В общем случае фазы 01m и 02m на каждой из частот fmin минимума модуля суммарного КО Г0minm неизвестны, а уравнение (22) может иметь бесконечное множество решений. Для нахождения однозначного решения можно сделать следующее: измерить частоты fmin1 при подключенном сопротивлении нагрузки Rн, потом изменить фазу нагрузки Rн на небольшую величину m= m и снова измерить частоты fmin2. Изменение фазы m= m необходимо производить на небольшую величину с тем, чтобы частоты f1 и f2 одного и того же поддиапазона fm отличалась незначительно, а собственные фазы 01 и 02 парциальных КО Г01 и Г02 практически на этих частотах были бы одинаковы. При таких предположениях условие минимума суммарного КО Г0min (22) на каждой из частот f1m и f2m можно записать в следующем виде:



где уравнение (1) записано для частоты f1m, а уравнение (2) - где f2m. Вычтем из уравнения (1) второе получим

021m+2z1ml-011m-022m-m-2z2ml+012m= 0

Так как 021m 022m, 011m 012m и m= m, то условие минимума приобретает вид

2l(z1m-z2m) = m (24)

где l - заданная длина исследуемого отрезка.

По определению z= /Uф и поэтому Поскольку частоты f1 и f2 в каждом поддиапазоне разнесены незначительно, то Vф1 Vф2 Vф, а z1-z2= 2(f1-f2)Vф

Подставим это выражение в формулу (24), найдем:





Формула (26) есть формула (4). Итак, предлагаемый способ технически реализуется, позволяет измерить коэффициент замедления nm в каждом поддиапазоне частот а затем и построить ДХ n = n(f) по рассчитанным значениям nm.

Введем ограничения на измеряемые и задаваемые величины, которые позволяют производить измерения с минимальными погрешностями. К таким величинам относятся величины парциальных КО Г01 и Г02, величина волнового сопротивления ВЧИТ Z01, величина сопротивления нагрузки Rн, величина изменения фазы m и величина диапазона F, в котором измеряется ДХ n = n (f).

Положим Г01 = 1, Г02 < 1. Равенство Г01 = 1 означает, что на входе 1-1 исследуемого отрезка ЛП осуществлен режим холостого хода (ХХ) или короткого замыкания (КВ). Подставим Г01 = 1 в формулы (15) и (16), получим Г0max = Г0min = 1, т. е. модуль суммарного КО Г0 на всей частотной оси равен 1, интерференции Г0 нет и измерения невозможны. Следовательно, должно быть

Г01 < 1, (27)

т. е. на входе исследуемого отрезка ЛП не должны существовать режимы КЗ или ХХ.

Положим Г01 < 1 и Г02 = 1. Равенство Г02 = 1 означает, что на выходе 2-2 исследуемого отрезка ЛП заданы режимы ХХ или КЗ. Подставим Г02 = 1 в формулы (15) и (16), получим Г01= 1, Г02= -1. Так как Г02 - это модуль КО, то необходимо положить Г02 = Г0min= /-1/ = 1, снова нет интерференции суммарного КО Г0 на частотной оси и измерения невозможны. Следовательно, должно выполняться условие

Г02 < 1, (28)

т.е. на выходе исследуемого отрезка ЛП не должно быть ни КЗ, ни ХХ.

Выберем соотношения Rн/Z02 и Z01/Z02

Обычно при измерениях используется промышленная аппаратура. Для промышленных высокочастотных соединителей, например, типа VI ГОСТ 20265-83 (или 26-й присоединительный ряд по АГО. 364-000 ТУ) максимальный коэффициент стоячей волны (КСВ) K1,15, что соответствует Г'0 0,07. В схемах измерения обычно используется не менее двух таких соединителей, поэтому суммарный коэффициент отражения Г'0max на входе сочленения из двух соединителей может быть равен по формуле (17)



Для точной регистрации частот f1 и f2 минимума Г0min суммарного КО на интерфененционной картине фиг. 2 необходимо положить, чтобы Г01 и Г02 в сечении 1-1 (место их сложения) были больше 0,14, т.е. Г01 > 0,14 и Г02 > 0,14. Так как в исследуемой ЛП имеет место затухание сигнала с постоянной затухания z, то нужно учесть еще и это затухание. Можно принять, что при практических работах в диапазоне до 2000 МГц всегда выполняется условие zl 0,5 Нп. Подставим эту величину для значения Г02, находим, что парциальный Г02 в сечении 2-2 должен быть Г02 > 0,14e0,5 = 0,23, т.е. должно выполняться условие Г01 > 0,23 и Г02 > 0,23 и для больше уверенности Г01 0,25 и Г02 0,25.

Расчеты показывают, что наилучшие условия для измерений получаются тогда, когда Г0max 0,94, откуда следует, что Г01 0,7 и Г02 0,7.

Таким образом, оптимальный диапазон парциальных КО Г01 и Г02 заключен в пределах

0,25 Г01 0,70, (29)

0,25 Г02 0,70, (30)

Г01 = Г02 или Г01 Г02, (31)

Имея ввиду, что парциальные КО Г01 и Г02 определяются по формулам (6) и (9), найдем, что указанным диапазонам (29) и (30) соответствует диапазон отношений Z01/Z02 и Rн/Z02:





Соотношение (32) есть формулам (4).

Найдем пределы изменения фазы m при втором измерении (см. формулу (23)). Разность фаз между частотами максимума Г0max и минимума Г0min на основании формул (19) и (20) равна

2zmaxl-2zminl= (2m-1)-m2 = .

Поэтому m должно быть меньше , например m m 0,9 и m< 0,9

Минимальное изменение фазы m должно обеспечить разность частот f1 и f2 в m-ном поддиапазоне, превышающий погрешности измерения частоты измерительным прибором. Для прибора Р4-37 погрешность f 1 МГц, поэтому положим МГц, например f 2,5 МГц. Подставим это значение fm в формулу (26), найдем



где принято l = 0,22 мм и n = 14.

Таким образом, пределы изменения m можно принять равными

0,1 m 0,9

Наконец, найдем диапазон частот, в пределах которого измеряется ДХ n = n(f), очевидно, что для построения ДХ в заданном диапазоне F необходимо, чтобы в нем разместилось не менее трех точек минимума суммарного КО Г0min. Разнос частот между двумя соседними минимумами определить из формулы (31), положив в ней = 2. Принимая l = 0,22 и nг = 14 (как в лабораторном макете), получим



Тогда F 3fmin = 150 МГц, например, F = 250 МГц.

Таким образом, полоса качания Fк прибора Р4-37 может быть принята равной Fк1 = (5 - 250) МГц или Fк2 = (5 - 650) МГц и т.д.

Приведенный анализ и экспериментальные данные табл. 2 и графика фиг. 4 показывают, что предлагаемый способ отвечает критериям новизна и изобретательский уровень, технически реализуется, является техническим решением и имеет промышленную применяемость: может быть использован при измерении дисперсионных характеристик замедляющих систем.

Источники информации

1. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко "Замедляющие системы", Киев, 1965 г.

2. "Электромагнитные замедляющие системы" (методика измерения электрических характеристик), под. ред. д.т.н. Л.Н. Дерюгина, М., МАИ, Оборонгиз, 1960.

3. И. В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ" ч. 1 Техника СВЧ. М., Высшая школа, 1970 г.

4. К. Ю. Мацейка "Измерение частотных зависимостей волнового сопротивления ЗС". Научные труды ВУЗов Литовской ССР, Радиоэлектроника, 1985 г., N 21 (1) стр. 27 - 32.

5. Р.А.Силин, В.П. Сазонов "Замедляющие системы", М. Сов. Радио, 1965 г.

6. И. Т. Иванов "Волновое сопротивление ЗС в виде коаксиальной линии". Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, Киев, 1978 г., дсп N 3390-78.

7. Н.М. Советов "Техника СВЧ", М. Высшая школа, 1976 г.

8. Л.М.Бреховских "Волны в слоистых средах", М., АНСССР, 1957 г. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ определения дисперсионной характеристики регулярной линии передачи в режиме рассогласованного тракта методом фиксированной фазы, включающий возбуждение нагруженной на сопротивление нагрузки RН линии передачи СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение частот экстремальных значений входных параметров линии передачи, определение коэффициента замедления n на измерительных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n = n(f) по рассчитанным значениям n, отличающийся тем, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z01 и величину сопротивления нагрузки RН выбирают предварительно равными или неравными друг другу из соотношений



где Z02 - рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи, измеряют при заданном подключенном сопротивлении нагрузки RН в заданном диапазоне все частоты f1m, соответствующие минимальным значениям Г0min1m коэффициента отражения от входа линии передачи, изменяют фазу сопротивления нагрузки RН на фиксированную величину m и снова измеряют в заданном диапазоне все частоты f2m, соответствующие минимальным значениям Г0min2m коэффициента отражения от входа линии передачи, коэффициент замедления nm в каждом поддиапазоне частот fm = f1m - f2m или fm = f2m - f1m определяют по формуле



где m - номер поддиапазона, m = 1,2,3.., с = 3 108 м/с;

m - заданное число 0,1 m 0,9;

l - заданная длина отрезка исследуемой линии передачи;

f1m и f2m - две соседние измеренные частоты, соответствующие Г0min1m и Г0min2m в m-ом поддиапазоне fm|f1m-f2m|, а в качестве аргумента f при построении дисперсионной характеристики n = n(f) принимают среднюю частоту fср каждого поддиапазона fср = ( f1m + f2m)/2.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru