УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ В ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТАХ Российский патент 1997 года по МПК G01R21/04 G01R21/06 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике сверхвысоких и крайневысоких частот и предназначено для измерения проходящей и падающей мощности большого уровня основного типа волны в передающих трактах радиопередающих, радиолокационных и навигационных станций, ускорителей заряженных частиц, испытательных стендов.

Известно устройство для измерения проходящей мощности сверхвысоких частот, в основу работы которого положен эффект поглощения энергии электромагнитных волн в стенках волновода [1] В этом устройстве в узкую стенку прямоугольного волновода встроена поглощающая пластина, снабженная термопреобразователем, соединенным с индикатором. Длина ее выбрана кратной половине длины волны в волноводе.

В известном устройстве переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей мощности достигает больших значений в полосе частот, во-первых, из-за изменения коэффициента преобразования датчика в диапазоне частот, и во-вторых, из-за рассогласования нагрузки, когда нарушается кратность длины датчика половине длины волны в волноводе и возникает фазочастотная погрешность.

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является устройство для изменения проходящей мощности СВЧ [2] содержащее отрезок прямоугольного волновода, две поглощающие пластины с установленными на них термодатчиками, подключенными к индикатору (блоку индикации), расположенные на середине узкой и середине широкой стенок волновода в одной плоскости поперечного сечения.

В указанном устройстве переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей мощности достигает больших значений в полосе частот из-за расположения поглощающих пластин с установленными на них термодатчиками, во-первых, на узкой и на широкой стенках волновода, а во-вторых, одной из пластин на середине широкой стенки. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на узкой стенке, пропорционален продольной составляющей магнитного поля. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на середине широкой стенки, пропорционален поперечной составляющей магнитного поля, так как на середине широкой стенки продольная составляющая магнитного поля равна нулю. Узлы или пучности стоячей волны продольной и поперечной составляющих магнитного поля сдвинуты относительно друг друга на Λ/4, где Λ длина волны в волноводе. При сложении сигналов с двух термодатчиков влияние стоячей волны, то есть сдвига фазы комплексного коэффициента отражения, уменьшается по сравнению с сигналом от любого одного термодатчика, но не устраняется полностью. Полное устранение влияния сдвига фазы в полосе частот, в общем случае, невозможно потому, что амплитуда поперечной и продольной составляющих магнитного поля разные, по разным законам изменяются в плоскости поперечного сечения волновода. Соответственно коэффициенты преобразования мощности СВЧ и КВЧ в тепло и на узкой стенке, и на середине широкой стенки будут разными. Например, в максимальной рабочей полосе частот прямоугольного волновода ±20% переменная составляющая погрешности рассогласования достигает D= ± 8,9 % при коэффициенте стоячей волны не более 1,2.

Кроме этого, расположение двух поглощающих пластин на смежных стенках прямоугольного волновода уменьшает жесткость конструкции, усложняет конструкцию и особенно технологию изготовления отрезка волновода. Объясняется это тем, что поглощающие пластины, как правило, выполняются из тонкой металлической фольги толщиной в несколько скин-слоев. Равномерное натяжение фольги, обеспечение надежного электрического контакта со стенкой по периметру окна, расположение фольги в плоскости внутренней поверхности стенки представляют собой сложные конструкторско-технологические задачи, особенно для двух смежных стенок.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения мощности в волноводных трактах, в котором новое расположение термодатчиков на одной поглощающей пластине, встроенной в широкую стенку, позволяет устранить из конструкции вторую поглощающую пластину и тем самым упростить конструкцию устройства, увеличить жесткость конструкции и упростить технологию изготовления волноводного узла, а новое положение двух термодатчиков на широкой стенке, определяемое новым математическим выражением, позволяет уменьшить переменную составляющую погрешности рассогласования в полосе частот и использовать один широкополосный ваттметр вместо нескольких (двух-трех), предназначенных для эксплуатации в более узких рабочих полосах частот и обеспечивающих одинаковый предел погрешности рассогласования.

Такой технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения мощности в волноводных трактах, содержащем отрезок прямоугольного волновода, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина с размещенными на ней двумя термодатчиками одинаковой длины, соединенными с блоком индикации, согласно изобретению термодатчики смещены друг относительно друга в поперечном и в продольном направлениях, при этом в продольном направлении расстояние между термодатчиками не превышает четверти длины волны в волноводе, а в поперечном направлении расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края удаленного термодатчика выбирается из соотношения:

при




где a размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода в поперечном направлении;
h₁ поперечный размер ближайшего к ребру отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
h₂ поперечный размер удаленного от ребра отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
l расстояние между термодатчиками в продольном направлении;
Λ длина волны в волноводе;
f_кр критическая частота;
f частота;
x₁ расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края ближайшего термодатчика.

Расположение двух термодатчиков на одной поглощающей пластине, встроенной в широкую стенку отрезка прямоугольного волновода, позволило увеличить жесткость конструкции (три стенки из четырех являются массивными), упростить конструкцию устройства и технологию его изготовления, а смещение термодатчиков относительно друг друга в продольном и в поперечном направлениях с выбором расстояния от ребра волновода до края одного из термодатчиков по приведенной формуле уменьшить в полосе частот переменную составляющую погрешности рассогласования D. Последнее объясняется тем, что каждый термодатчик реагирует в рассогласованном волноводе и на продольную, и на поперечную составляющую магнитного поля. Расположение термодатчиков на разных расстояниях x₁, x₂ от ребра волновода эквивалентно реализации неравномерного амплитудного распределения, причем выбором расстояния x₂ обеспечивается равенство нулю погрешности D на одной из расчетных частот f и равенство двух максимальных значений погрешности в полосе частот, одно из которых достигается на частоте, меньшей f, а другое на частоте, большей f.

Равенство двух максимальных значений погрешности в полосе частот является оптимальным вариантом: уменьшение f приводит к увеличению значения погрешности в максимуме на частоте, большей f, а увеличение f на частоте, меньшей f. В обоих случаях предел погрешности D в полосе частот будет возрастать. То есть минимальное предельное значение переменной составляющей погрешности рассогласования в полосе частот соответствует равенству двух максимальных значений погрешности, достигаемых на двух частотах, одна из которых меньше f, а другая больше f. На частоте f достигается равенство D нулю, причем продольное расстояние между термодатчиками l, в зависимости от выбора x₁, может быть выбрано от 0 до 0,25 Λ или больше. Например, для x₁ 0,25а при f f_кр/0,65 (примерно средняя частота максимальной рабочей полосы стандартного прямоугольного волновода) получаем x₂ 0,25a для l = 0,25 Λ и x ₂ 0,195a для l 0 или x₂ 0,3а для l = 0,1 Λ..

На фиг. 1, 2 приведены чертежи устройства для измерения мощности в волноводных трактах. На фиг. 3 6 изображены графики зависимости эффективного коэффициента отражения от частоты с указанием относительной полосы частот Δf/f_ср= (f-f_ср)/f_ср в процентах. Здесь и далее f_ср средняя частота максимальной рабочей полосы частот стандартного прямоугольного волновода ±20% модуль так называемого эффективного коэффициента отражения, функции, определяющей зависимость выходного сигнала термодатчика от фазы стоячей волны и используемой для расчета переменной составляющей погрешности рассогласования ; параметр, определяющий зависимость от продольного размера термодатчика l_o (для сосредоточенного термодатчика l_o≃ 0 и ; - параметр, определяющий зависимость от поперечных размеров термодатчиков и их положения на широкой стенке волновода; максимальное значение модуля комплексного коэффициента отражения нагрузки в рабочей полосе частот.

Графики на фиг. 3 6 скомпонованы для удобства сравнительного анализа: на фиг. 3, 5 графики для устройства [2] (при x a/2); на фиг. 4, 6 для заявляемого устройства при x₁ 0,145а, x₂ 0,48а и расстояниях между термодатчиками l, обеспечивающих минимальное значение эффективного коэффициента отражения в полосе частот (l = 0,0967 Λ_ср для фиг. 4 и l = 0,0912 Λ_ср для фиг. 6, Λ_ср - длина волны в волноводе на частоте f_ср); на фиг. 3, 4 для случая сосредоточенных термодатчиков, у которых размеры h и l_o гораздо меньше длины волны и h≃ 0, l_o≃ 0, то есть, ; на фиг. 5, 6 для термодатчиков с продольным размером l_o, равным половине длине волны в волноводе: l_o= Λ_ср/2 для фиг. 5 и l_o=Λ_max/2 на фиг. 6 (Λ_max- длина волны в волноводе на нижней граничной частоте f_ср 20%). Указаны максимальные значения эффективного коэффициента отражения в полосе частот ±20% для сосредоточенных термодатчиков (фиг. 3, 4) и для распределенных термодатчиков (фиг. 5, 6).

Устройство содержит отрезок прямоугольного волновода 1, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина 2 с размещенными на ее внешней поверхности термодатчиками 3, 4, и блок индикации 5, к которому подключены выходы обоих термодатчиков. В блоке 5 индикации предусмотрены схемы начальной регулировки, суммирования и усиления сигналов термодатчиков, а также индикаторный прибор. Термодатчики 3, 4 расположены на расстояниях x₁ и x₂ от ребра волновода и имеют поперечные размеры h₁, h₂ соответственно (см. фиг. 1). Продольные размеры термодатчиков выполнены одинаковыми и обозначены l_o. На фиг. 2 указано расстояние между термодатчиками в продольном направлении l. В качестве термодатчиков используются пленочные батареи термопар сурьма-висмут, напыленных на полиимидную пленку. Поглощающая пластина 2 выполнена толщиной в несколько скин-слоев, то есть достаточно тонкими для измерения температуры нагрева на внешних поверхностях и достаточно толстыми для предотвращения излучения электромагнитной энергии, а материалом могут служить никель, константах, нихром и др.

Устройство работает следующим образом. При подаче мощности в передающий тракт стенки отрезка волновода 1, в том числе поглощающая пластина 2, нагреваются. Термодатчики 3, 4 преобразуют тепловую энергию в электрическую. Сигналы от термодатчиков 3, 4 подаются на вход блока 5 индикации, где обрабатываются (суммируются, усиливаются и т.п.) и индицируются. Сигнал на выходе каждого термодатчика пропорционален продольной и поперечной составляющим магнитного поля. Обе составляющие магнитного поля зависят от фазы стоячей волны, а также от частоты. Выходные сигналы термодатчиков также зависят от фазы стоячей волны и от частоты, при этом в суммарном сигнале доминирующее влияние одной из составляющих магнитного поля для одного из термодатчиков (например, доминирующее влияние продольной составляющей магнитного поля для термодатчика 3) компенсируется доминирующим влиянием другой составляющей магнитного поля для второго термодатчика (например, доминирующим влиянием поперечной составляющей магнитного поля для термодатчика 4).

Выбор расстояний от ребра волновода до края соответствующего термодатчика х₁, x₂ и расстояния между термодатчиками в продольном направлении l обеспечивает наиболее эффективную компенсацию составляющих магнитного поля в полосе частот.

Например, для сосредоточенных термодатчиков, выбрав x₁ 0,145a, l = 0,0967 Λ_ср, x₂ 0,48a, что соответствует условию на частоте f_ср, на граничных частотах максимальной рабочей полосы стандартного прямоугольного волновода ±20% получим , а в полосе частот ±20% (см. фиг. 4). Любое изменение x₁, x₂, l приведет в данном случае к увеличению в полосе частот ±20%
Аналогично для протяженных (распределенных непрерывно) термодатчиков, выбрав продольный размер термодатчика l_o= Λ_max/2 и x₁ 0,145а, l = 0,0912 Λ_ср, x₂ 0,48a (значение l обеспечивает равенство нулю и на частоте f_ср 8,97%), получим 0,0168 в полосе частот ¹±20% (см. фиг. 6). Любое изменение размеров x₁, x₂, l приводят в данном случае к увеличению значения в одном из двух максимумов и, соответственно, к увеличению в полосе частот ±20%
На фиг. 6 первый минимум (равенство нулю) на частоте f_ср 20% обеспечен выбором продольного размера термодатчика l_o= Λ_max/2, так как равен нулю при продольном размере термодатчика, кратном половине длины волны в волноводе; второй минимум выбором размеров x₁, x₂, l.

Анализ кривых и значений на фиг. 3, 4, а также кривых и значений на фиг. 5, 6 показывает уменьшение переменной составляющей погрешности рассогласования в максимальной рабочей полосе частот стандартного прямоугольного волновода ±20% для заявляемого устройства по сравнению с известным устройством [2] для сосредоточенных термодатчиков в 1,52 раза, а для протяженных термодатчиков в 6,65 раз.

В табл. 1 приведены результаты расчета значений в полосе частот ±20% для сосредоточенных термодатчиков. Выделено явно выраженное минимальное значение при x₁ 0,14a. Изменение x₁ приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения.

В табл. 2 приведены результаты расчета для разных значений рабочей полосы частот с сохранением центральной частоты f_ср. Видно, что с уменьшением рабочей полосы частот происходит значительное уменьшение переменной составляющей погрешности рассогласования в предлагаемом устройстве по сравнению с известным (см. например, первую и предпоследнюю строки в табл. 2 уменьшение Δ на порядок).

В отличие от известного устройства, для которого равно нулю только на одной частоте f_ср 11% (см. фиг. 3), в предлагаемом устройстве выбором x₁, x₂, l обеспечивается равенство нулю на любой фиксированной частоте (например, на частоте f_ср на фиг. 4 и на частоте f_ср 9% на фиг. 6).

Расстояние между термодатчиками в продольном направлении изменяется в пределах от 0 до 0,25 Λ. Частный случай l = 0,25 Λ широко известен в технике измерения мощности как вариант расположения двух одинаковых квадратичных преобразователей вдоль одной оси (x₁ x₂). Когда l меньше 0,25 Λ,, расстояния от ребра волновода до краев термодатчиков не равны между собой x₁≠x₂. В случае расположения термодатчиков без взаимного смещения в продольном направлении, пределы изменения x₁, x₂ определяются рабочей полосой частот. Для максимальной рабочей полосы частот прямоугольного волновода ±20% нижняя граничная частота примерно равна 1,25 f_ср, а верхняя граничная частота 2f_ср. На нижней частоте условие равенства нулю при l 0 обеспечивается для x₁ (0,2 0,5)a, при этом x₂ (0,42 0,18)a, а на верхней граничной частоте x₁ (0 0,24)a при х₂ (0,25 0)a. В табл. 3 для примера приведены размеры, при которых равен нулю.

В приложении кратко изложена методика расчета переменной составляющей погрешности рассогласования и вывод формулы, приведенной в описании.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике сверхвысоких и крайневысоких частот и предназначено для измерения проходящей и падающей мощности большого уровня в передающих трактах радиопередающих, радиолокационных и навигационных станций, ускорителей заряженных частиц, испытательных стендов. Для уменьшения переменной составляющей погрешности рассогласования в устройстве для измерения мощности в волноводных трактах, содержащем отрезок прямоугольного волновода, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина с размещенными на ней двумя термодатчиками одинаковой длины, соединенными с блоком индикации, согласно изобретению термодатчики смещены друг относительно друга в поперечном и в продольном направлениях, при этом в продольном направлении расстояние между термодатчиками не превышает четверти длины волны в волноводе, а в поперечном направлении расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края удаленного термодатчика выбирается из математического соотношения. 6 ил, 3 табл.

Устройство для измерения мощности в волноводных трактах, содержащее отрезок прямоугольного волновода, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина с размещенными на ней двумя термодатчиками одинаковой длины, соединенными с блоком индикации, отличающееся тем, что термодатчики смещены друг относительно друга в поперечном и в продольном направлениях, при этом в продольном направлении расстояние между термодатчиками не превышает четверти длины волны в волноводе, а в поперечном направлении расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края удаленного термодатчика выбирается из соотношения





где a размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода в поперечном направлении;
h₁ поперечный размер ближайшего к ребру отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
h₂ поперечный размер удаленного от ребра отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
l расстояние между термодатчиками в продольном направлении,
Λ - длина волны в волноводе;
f_кр критическая частота;
f частота;
х₁ расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края ближайшего термодатчика.