- •Вводное занятие
- •Работа № 1 структура электромагнитного поля в волноводе
- •Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе
- •Работа № 2 исследование структуры электромагнитного поля в резонаторах волноводного типа
- •Работа № 3 исследование волновых процессов в намагниченном феррите
- •1. Тензор магнитной проницаемости
- •2. Распространение волн круговой поляризации
- •3. Продольно-намагниченный феррит
- •5. Вентиль на эффекте Фарадея
Вводное занятие
Основные особенности измерений на СВЧ
Измерения на СВЧ сводятся либо к оценке коэффициента отражения (входного сопротивления) различных волноводных устройств, либо к оценке уровня сигнала (мощности или напряженности поля) на выходе устройств СВЧ генераторов, антенн и т.п.
Источником сигнала служит СВЧ генератор на клистроне, в качестве индикаторов используются детекторные приемники, распределение напряженности поля в волноводе определяется с помощью измерительной линии.
Рассмотрим основные особенности измерительных приборов и методику радиоизмерений на СВЧ.
Генераторы
На рис. 1 приведена типичная схема СВЧ генератора.
Измеритель мощности
Волномер
Клистронный генератор
Модулятор
Узел установки мощности
Рис. 1
Частота сигнала, генерируемого отражательным клистроном, зависит, как известно, от двух параметров: настройки объемного резонатора и напряжения на отражателе. Перестройка объемного резонатора изменяет генерируемую частоту на несколько тысяч мегагерц и используется для грубой установки частоты. Напряжение на отражателе изменяет частоту на несколько десятков мегагерц; эта регулировка используется обычно для более точной установки частоты. В генераторах СВЧ соответствующие регулировки осуществляются с помощью ручек "Частота ("Установка, частоты") и "Отражатель". Так как одно и то же значение частоты может быть установлено при разных взаимных положениях этих ручек, необходим контроль частоты, который осуществляется с помощью волномера перестраиваемого объемного резонатора, на шкале которого нанесены значения резонансной частоты. Волномер связан с волноводным трактом генератора; если частота настройки генератора совпадает с частотой СВЧ сигнала, амплитуда колебаний в резонаторе максимальна. Сигнал с выхода резонатора поступает на стрелочный прибор, максимальное показание которого свидетельствует о настройке на заданную частоту. Обычно на приборе имеется ручка "Чувствительность волномера", позволяющая подобрать величину отклонения стрелки, удобную для настройки.
При перестройке объемного резонатора меняются условия возбуждения колебаний в отражательном клистроне, а при значительной перестройке частоты может возникнуть необходимость изменить напряжение на отражателе. Кроме того, может возникнуть необходимость в подстройке устройства связи клистрона с волноводом ручкой "Коррекция". Критерием настройки этих двух параметров является максимальная мощность СВЧ сигнала в волноводном тракте. Для контроля мощности служит измеритель мощности мост постоянного тока; в одно из его плеч включен термистор (резистор, сопротивление которого зависит от температуры), помещенный в волноводную секцию. В одну из диагоналей моста подается постоянное напряжение, которое можно изменять ручками "Установка нуля". Индикатором служит микроамперметр, используемый в волномере, переключаемый тумблером "Волномер-термистор" к соответствующей цепи. СВЧ мощность подогревает термистор, изменяя тем самым его сопротивление и вызывая разбаланс моста.
Последовательность установки частоты
1. Включить прибор и прогреть в течение 15-20 мин.
2. Если в приборе имеется несколько диапазонов, установить нужный ручкой "Диапазон".
3. Ручкой " Частота" установить заданное значение частоты.
Примечание. Как правило, в СВЧ генераторах шкала частот проградуирована в безразмерных единицах; в этом случае на приборе должна быть табличка перевода делений шкалы в значения частоты.
4. Ручку "Установка мощности" или "Начальный уровень" установить в положение, соответствующее минимальному уровню выходной мощности. Сбалансировать термисторный мост. Ручку "Установка мощности" или "Начальный уровень" поставить в положение, соответствующее максимальному уровню выходной мощности.
5. Вращая ручки "Отражатель" и "Коррекция", добиться максимального отклонения стрелки индикатора при этой мощности.
6. Установить на шкале волномера заданное значение частоты.
7. Подключить индикаторный прибор к волномеру и, плавно вращая ручки "Частота" и "Отражатель", добиться максимального отклонения стрелки.
Примечание. При изменении напряжения на отражателе изменяется и мощность, генерируемая клистроном. Поэтому при выполнении п. 7 желательно пользоваться в основном ручкой "Частота"; если же в ходе настройки пришлось существенно изменить положение ручки "Отражатель", необходимо вновь проделать операции по пп. 5 и 7.
П ереключатель "Род работы" позволяет изменять вид модуляции генератора. В положении "Внешн." или "Н.Г" модуляция отсутствует. В положении "Внутр." или " " на отражатель клистрона от генератора, имеющегося в приборе, поступает прямоугольное напряжение с частотой 1 кГц, в результате чего СВЧ сигнал будет промодулирован по амплитуде. В лабораторных работах используется именно этот вид модуляции, т. к. индикатором служат микровольтметры переменного тока (измерительные усилители).
Узел установки мощности состоит из одного или нескольких аттенюаторов. Основная деталь аттенюатора диэлектрическая пластина, покрытая поглощающим слоем и помещенная в волновод параллельно узкой стенке. При вращении ручки регулировки аттенюатора поглощающая пластина перемещается поперек широкой стенки. Если пластина расположена у узкой стенки поглощение минимально; при приближении ее к оси волновода поглощение растет и достигает максимума, когда пластина находится на оси волновода (при этом предполагается, что в волноводе распространяется волна ). Затухание, вносимое таким аттенюатором, может достигать 2030 дБ.
Поскольку отражательный клистрон является автогенератором, для обеспечения стабильности частоты и уровня мощности необходимо защитить его от отраженной волны. Для этого можно использовать аттенюатор узла установки мощности, затухание которого должно быть не меньше 1015 дБ. С этой же целью в схему измерений желательно включить ферритовый вентиль невзаимный волноводный узел, затухание которого зависит от направления распространения радиоволн в нем. Волна, распространяющаяся в "прямом" направлении (обозначенном стрелкой на корпусе узла), проходит его практически без потерь; "обратная" волна, возникшая в результате отражений от волноводного тракта, подключенного к генератору, ослабляется на 2030 дБ.
В десятисантиметровом диапазоне волн используются триодные генераторы СВЧ. В приборах этого диапазона отсутствует ручка "Отражатель", но имеется ручка "Подстройка". С ее помощью добиваются выполнения условий возбуждения в автогенераторе. Частота контролируется с помощью волномера, а мощность по индикаторному прибору, который в подобных генераторах подключается к диодному детектору. Аналогично может быть построен узел контроля мощности в некоторых генераторах трехсантиметрового диапазона.
Детекторные секции
1 2
3
5
4 6
Рис. 2
Здесь 1 диод; 2 коаксиальная линия; 3 короткозамыкающий поршень; 4 низкочастотный выход; 5 волновод; 6 регулировочный винт.
Диод является как бы продолжением центрального проводника короткозамкнутой коаксиальной линии. Конструкция головки позволяет немного изменять длину этой линии, осуществляя таким образом настройку коаксиального резонатора. Это дает возможность скомпенсировать паразитные емкости и индуктивности элементов конструкции диода. Короткозамыкающий поршень 3 перемещается вдоль волновода с помощью регулировочного винта 6 и служит основным элементом настройки секции. При настройке подбирают положения поршня и коаксиальной линии, соответствующие максимальному сигналу на низкочастотном выходе.
Другой вариант детекторной секции будет описан в разделе, посвященном измерительной линии.
Калибровка детектора
При обработке результатов измерений на СВЧ необходимо выяснить, какой величине пропорциональны показания измерительного прибора, подключенного к низкочастотному выходу детекторной секции мощности, подводимой к ней, или напряженности поля в волноводе. Дело в том, что вольт-амперная характеристика диода нелинейна: при малых напряжениях, приложенных к выпрямляющему переходу, она близка к квадратичной, при больших к линейной. Поэтому при измерениях всегда необходимо производить калибровку детектора. Один из методов калибровки описан в работе № 1.
Если в измерительной установке имеется калиброванный аттенюатор, можно воспользоваться следующей методикой оценки характеристики детектора. Затухание аттенюатора изменяется на 3 дБ, что соответствует изменению мощности, поступающей на детектор, в два раза. Если характеристика детектора квадратична, напряжение на его выходе изменится в два раза. Такой методикой удобно пользоваться, если в ходе измерений СВЧ сигнал, поступающий на детектор, меняется не более чем на 510 дБ.
Еще более грубую оценку характеристики детектора можно сделать по уровню выходного сигнала. Если сигнал на низкочастотном выходе детекторной секции не превышает нескольких милливольт, характеристику детектора можно считать квадратичной.
Измерительные усилители
Измерительные усилители служат индикаторами, которые в сочетании с детекторной секцией образуют высокочувствительный измерительный приемник. Обычно это низкочастотные малошумящие усилители, позволяющие усиливать и измерять сигналы от нескольких микровольт до десятков и сотен милливольт на частотах 10020000 Гц. Типичная функциональная схема измерительного усилителя приведена на рис. 3.
Усилитель может работать в двух режимах: широкополосном (когда одинаково усиливаются сигналы всех частот в пределах полосы пропускания) и узкополосном. Избирательный каскад, как пра-
Рис. 3
Измерительная линия
Измерительная линия предназначена для определение характера распределения поля вдоль волновода (измерения КСВ и коэффициента отражения от нагрузки). Устройство линии схематически изображено на рис. 4, на котором обозначено: 1 волновод; 2 каретка; 3 зонд; 4 стержень; 5 гайка; 6 наружная трубка; 7 внутренняя трубка; 8 бесконтактный поршень; 9 контактный поршень; 10 диод.
5
6
7
8
9
10
2
1
3
Рис. 4
Указания по технике безопасности
При выполнении лабораторных работ необходимо помнить, что СВЧ излучение оказывает вредное влияние на организм человека. Наиболее уязвимы глаза. Поэтому включать генератор на излучение следует только в момент проведения измерения. Подготовка пpибopoв к работе производится при участии преподавателя, ведущего занятия.
Требования к содержанию и оформлению отчета
В отчете необходимо привести:
1) блок-схему измерений;
2) результаты предварительных расчетов;
3) результаты измерений в виде таблиц и графиков. На графиках обязательно наносятся экспериментальные точки;
4) выводы по работе. В выводах следует привести анализ полученных результатов с указанием возможных причин расхождений теории и эксперимента.