книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

лизованной диаграмме, величина 1,0 идентична Z0. Если, например, Z0=50 ом, то окружность, проходящая через центр диаграммы, представляет значение импеданса в 50 ом, тогда как окружность, которая пересекает гори­ зонтальную ось в точке 0 ,2 , соответствует импедансу,

друг друга у основания горизонтальной оси, где сопро­ тивление равно оо. То же самое справедливо для второго семейства окружностей, перпендикулярных первым; вто­ рое семейство представляет линии постоянных реактив­ ных сопротивлений. В нижней половине диаграммы реактивные сопротивления отрицательны, в верхней — положительны. Так же как и активные, реактивные со­ противления на этой диаграмме нормализованы, т.е. они должны быть умножены на волновое сопротивление ли­ нии Z0, чтобы получить значение сопротивления в омах.

С помощью круговой диаграммы Смита можно легко получить значение импеданса. Центр диаграммы соот­ ветствует нормализованному импедансу величиной 1 + / 0 ;

в точке А импеданс имеет значение 1+/I и в точке В — величину 0,45—/0,55.

Коэффициент отражения г не указывается непосред­ ственно на круговой диаграмме, но может быть получен из нее довольно простым способом, так как радиусу внешней окружности, проходящей через точки 0 и сю на

горизонтальной оси, приписывается значение r= 1. По­ этому расстояние любой точки от центра круговой диа­ граммы является мерой коэффициента отражения. Если, например, точка В лежит примерно посредине между центром и границей диаграммы, то ей должен соответ­ ствовать коэффициент отражения величиной г«0,5.

Чтобы определить импеданс измеряемого объекта, поступают следующим образом: по схеме рис. 113 сни­ мают профиль стоячей волны в измерительной линии, на выходном конце которой включено сопротивление R (объект измерений).

Полученная кривая дает максимальное Umах и мини­ мальное Um[n значения напряжений, а также расстоя­ ние I от минимума напряжений до измеряемого сопро­ тивления (рис 116).

2 5 1

Предположим, что этот минимум образовался на рас­ стоянии /=15,07 см (плоскость измерения). Затем конец измерительной линии замыкается накоротко и в ней уста­ навливается стоячая волна другого профиля. Минимум напряжения теперь располагается в другой плоскости, например, при 1\= 16,08 см. Этот новый минимум назы­ вается опорным, а плоскость, в которой он находится, — опорной плоскостью. Если частота сигнала при измере­

вой диаграммы соединен прямой линией с точкой 0,094Я на внешней окружности. Если КСВН tn=UmaxIUmin рав­ няется, например, 2 *), то значение 2 ,0 на горизонталь­

ной оси диаграммы представляет максимальную вели­ чину импеданса, тогда как обратное значение 0,5 ха­ рактеризует минимальный импеданс (в измерительной линии плоскости этих предельных значений импеданса удалены на четверть длины волны). Точка со значением 0,5 располагается напротив точки 2 ,0 на горизонталь­

ной оси. Чтобы определить неизвестный импеданс, не­ обходимо вокруг точки 1,0 (центра диаграммы) описать

окружность**), которая проходила бы через точку 0,5 и

*) При этом согласно (170) г=1/3 (Прим, перев.).

**) Радиус окружности равен приведенному коэффициенту от ражения г= 1/3 (Прим, перев.),

252

пересекала бы в точке Р радиальную прямую, прове­ денную ранее для фазового сдвига 0,094Я. Положение точки Р и характеризует искомый импеданс; в данном примере он равен 0,65-1-/0,45. Чтобы получить импеданс в омах, нужно это нормализованное значение умножить на волновое сопротивление ZQ измерительной линии. Для всех такого рода измерений важно, чтобы сдвиг мини­ мума стоячей волны, возникающий при подключении к измерительной линии измеряемой нагрузки, всегда от­ считывался от опорной плоскости.

4. Измерение затухания

Затухание в цепи четырехполюсника определяется отношением входной и выходной мощностей. При этом входной мощностью считается лишь действительно попа­ дающая в четырехполюсник мощность. Если четырехпо­ люсник не согласован с генератором, то часть падающей

Рис. 118. Блок-схема устройства для измерений затухания.

на него мощности отражается. Поэтому общее затухание складывается из собственных потерь в цепи четырехпо­ люсника и потерь на отражение; оно определяется выра­ жением

где Р1 — мощность, поступающая в четырехполюсник, и

Р2~ выходящая из него. Четырехполюсником здесь мо­ жет быть любая электрическая цепь, прибор или эле­ мент схемы.

Для измерения затухания четырехполюсников на СВЧ имеются различные возможности. На рис. 118 демонстри­

254

руется блок-схема одного из таких измерительных уст­ ройств с применением перестраиваемого калиброванного аттенюатора (четырехполюсник с затуханием). Аттенюа­ тор располагается последовательно с измеряемым объ­ ектом, который в свою очередь включен последовательно с детектором и индикаторным устройством (рис. 118,а). Выходное напряжение детектора усиливается измери­ тельным усилителем. Выходное напряжение устанавли­ вается таким, чтобы показание индикаторного прибора было хорошо читаемым. Затем измеряемый объект от­ ключается и детектор присоединяется непосредственно на выход калиброванного аттенюатора (рис. 118,6).

Затухание аттенюатора регулируется таким образом, чтобы восстановилось предыдущее показание индикатор­ ного прибора. Разница между обоими положениями руч­ ки установки затухания аттенюатора соответствует зату­ ханию измеряемого объекта. Точность этого метода зависит исключительно от точности градуировки эталон­ ного аттенюатора. Для подавления связи между четы­ рехполюсником и измерительным генератором между ними целесообразно включать отрезок однонаправленной линии (например, ферритовый вентиль).

5. Измерение длины волны и частоты

Длины волн и частоты СВЧ-колебаний измеряются несколькими различными способами. Простейшей воз­ можностью для этого является применение коаксиальной измерительной линии. Передвигая коротко замыкающий поршень, установленный на конце линии, наблюдают по­ следовательность максимумов и минимумов напряжения на выходе детекторного зонда. Расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами равно поло­ вине длины волны. Частота рассчитывается тогда по формуле f=c/X, где с — скорость распространения вол­ ны в вакууме (скорость света). При вычислении целе­ сообразно остановиться на рассмотрении минимумов напряжения, положение которых можно определить точ­ нее, чем для максимумов. Измерительная установка в принципе соответствует схеме, показанной на рис. 113.

Частота может быть измерена точнее с помощью объ­ емных резонаторов. При этом резонатор связан с вол­ новодом (линией передачи энергии) через небольшое

255

отверстие. Если настроить резонатор так, чтобы на ча­ стоте волны, бегущей по волноводу, наступил резонанс, мощность, принимаемая резонатором, станет максималь­ ной. Это можно определить двумя способами. Во-пер­ вых, изменяя настройку резонатора, частоту можно найти по максимальному поглощению в резонаторе вол­ ны, распространяющейся по волноводу; это можно сде­ лать, измеряя, например, напряжение, наводимое на неподвижный зонд измерительной линии, в функции от положения настройки волномера. Когда напряжение становится минимальным, это означает, что резонанс­ ная частота резонатора совпадает с частотой волны в линии передачи; таким образом, по положению на­ стройки резонатора можно измерить частоту СВЧ-сиг- нала (волномер поглощающего типа).

При другом способе измерения с помощью детектора, подключенного к резонатору, и индикаторного прибора определяют момент резкого возрастания мощности, по­ ступающей в объемный резонатор. Измеряемая мощ­ ность, естественно, максимальна при резонансе (волно­ мер проходного типа).

Детектор Индикатор

Н4 - 0

Рис. 119. Измерение частоты по методу поглощения.

Метод поглощения более употребителен; рис. 119 по­ казывает включение СВЧ-элементов при использовании этого метода.

Перед началом непосредственного измерения частоты СВЧ-мощность регулируется таким образом, чтобы стрел­ ка измерительного прибора отклонялась на всю шкалу. Если же теперь настроить объемный резонатор на ча­ стоту генератора, то при резонансе резко уменьшится по­ казание индикаторного прибора. Резонансная частота считывается с градуировочной шкалы частот резонатора. Указанная на рисунке измерительная линия не требуется

2Щ

для измерения частоты; однако она не мешает процессу измерений. Поскольку при измерении КСВН зачастую приходится одновременно проводить и частотные измере­ ния, на рис. 119 ради полноты приводятся все необходи­ мые для проведения этого комплекса измерений приборы.

Простейшие измерители частоты создаются на основе перестраиваемых коаксиальных или объемных резонато­ ров. Точность измерения таких волномеров лежит в пределах между 1 • 1 0 -4 и 5*10-4. Большую точность

обеспечивают цилиндрические объемные резонаторы, возбуждаемые на волне Н0ь В миллиметровом диапа­ зоне применяются открытые резонаторы (резонаторы

Измерительный

генератор

Рис. 120. Волномер с резонатором Фабри —Перо.

типа Фабри — Перо). Благодаря своей высокой доброт­ ности открытые резонаторы имеют очень острую резо­ нансную кривую при изменении расстояния между зер­ калами. Рис. 120 показывает принцип действия такого измерителя длин волн миллиметрового диапазона [32]. На столь коротких волнах для измерения длин волн можно применять такие дифракционные спектрометры, принцип действия которых известен из оптики.

Особенно высокая точность при измерении частоты в СВЧ-диапазоне достигается с помощью гетеродинного метода. Принцип его заключается в следующем. Сигнал измеряемой частоты смешивают с другим сигналом,

имеющим известную и приблизительно такую же частоту, а затем наблюдают их биения. Опорные колебания (сигнал гетеродина) создаются умножением частоты генера­ тора, стабилизированного кварцем.

Рис. 121. Блок-схема генератора сигналов стандартной часто­ ты для частотных измерений в СВЧ-диапазоне.

Частота кварцевого генератора может быть очень точно определена сравнением с эталонной частотой; то­ гда и частота гармоник кварцевого генератора опреде­ ляется с той же относительной точностью, что и основная частота. На рис. 121 показана блок-схема генератора сигналов эталонной частоты. Чтобы установить частоту кварцевого генератора как можно точнее, ее многократ­ но делят, например, методом последовательной синхро*

258

низании ряда мультивибраторов. Полученный в резуль­ тате деления сигнал с частотой порядка 50 гц подается на синхронные часы, рассчитанные на питание напряже­ нием 50 гц. Благодаря этому появляется возможность непосредственно временного сравнения хода синхронных часов с эталонным временем.

Подобно тому как на низких частотах механические собственные колебания кварца используются в качестве эталона частоты, на сверхвысоких частотах применяются объемные резонаторы с высокой добротностью, которые делаются температуростабильными и не подверженными влиянию влажности устройствами. Эти свойства позво­ ляют использовать объемные резонаторы для стабилиза­ ции СВЧ-геиераторов, однако при этом не удается достичь той степени стабильности частоты, которая воз­ можна при умножении частоты кварца.

В последнее время в качестве эталонной частоты ис­ пользуют естественные спектральные линии определен­ ных молекул, как, например, молекулы аммиака NH3. Как говорилось в разделе VIII. 1 (СВЧ-спектроскопия), для молекулы NH3 характерна частота инверсионного

перехода 23870 Мгц (Л,= 1,26 см). В СВЧ-спектроскопии эта линия наблюдается как линия спектра поглощения. Однако в молекуле NH3 можно возбудить и линию излу­

чения той же частоты. Таким образом, можно получить незатухающие СВЧ-колебания в объемном резонаторе, настроенном на эту частоту, пропуская через него пучок возбужденных молекул аммиака. Этот процесс исполь­ зуется в мазерах на молекулах NH3. Благодаря коге­ рентности излучения молекул в поле резонатора его добротность становится очень высокой, а резонансная линия, соответственно, очень узкой. На этом способе генерирования СВЧ-сигналов основаны чрезвычайно точные эталоны частоты.

Для того чтобы уменьшить расстройку между часто­ той объемного резонатора и молекулярной частотой, на практике применяют два связанных одинаковых объем­ ных резонатора. Через один из них пропускается моле­ кулярный пучок, а другой слабо связан с первым через небольшое отверстие связи. Перестройка резонаторов в узкой полосе частот порядка нескольких герц осу­ ществляется путем изменения температуры калиброван­ ного термостата. Таким образом, удается достичь