СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 1998 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях электродинамических характеристик (ЭДХ) и входных параметров различных линий передачи (ЛП) электромагнитных волн (ЭВМ), например, спиральных замедляющих систем (СЗС).

Известен резонансный способ измерения дисперсионной характеристики СЗС, включающий возбуждение СЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резонатора (ОЦР) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ-колебаниями от генератора СВЧ, перестройку частоты генератора до нахождения первой резонансной длины волны λ_ч1 в СЗЧ, измерение первой резонансной длины волны λ_ч1 и соответствующей ей резонансной частоте f_p1, перестройку частоты генератора до нахождения второй λ_ч2 третьей λ_ч3 и т.д. резонансных длин волн в СЗС и соответствующих им резонансных частот f_p2, f_p3 и т.д. определение коэффициента замедления n_m ЭМВ в СЗС по формуле:

где m порядковый номер резонанса, λ_om длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренным резонансным частотам f_pm, λ_omc/f_pm, c 3 • 10⁸ м/с и построение дисперсионной характеристики n n(f) в заданном диапазоне частот по рассчитанным n_m.

Устройство для измерения дисперсионной характеристики резонансным способом содержит генератор СВЧ, волномер, подключенный к второму выходу генератора, последовательно соединенные аттенюатор, первый зонд, ОЦР с СЗС, закороченной на торцевые стенки, второй зонд, детекторную секцию и индикаторный прибор, подключенные к первому выходу генератора, при этом связь обоих зондов с ОЦР осуществляется с помощью петель связи.

Коэффициенты замедления n_m измеряют следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают закороченную СЗС в ОЦР от генератора СВЧ. Перестраивают генератор по частоте до получения первого резонанса на частоте f_p1, регистрируют эту частоту по волномеру. Факт резонанса фиксируют по максимальным показаниям индикаторного прибора. Измеряют длину первой резонансной частоты λ_ч1 соответствующую f_p1 и фиксируют λ_ч1 Снова перестраивают частоту генератора до получения второго, третьего и т.д. резонансов, регистрируют f_p2, f_p3 и т.д. измеряют и регистрируют соответствующие резонансные длины волн λ_ч2,λ_ч3 и т.д. Определяют коэффициенты замедления n_m на каждой из резонансных частот по формуле (1), строят дисперсионную характеристику n n(f) по расчетным значениям n_m.

Недостатком аналога можно считать тот факт, что измерения можно проводить только на закороченной с обоих концов СЗС, размещенной в специальном ОЦР; в этом случае нельзя проводить измерения на СЗС, размещенной на штатном рабочем месте.

Известен резонансный способ измерения СВЧ-затухания в отрезке ЛП, включающий возбуждение СВЧ-колебаниями закороченного с двух концов отрезка ЛП, подключенного зондами со слабой связью с одного конца к генератору СВЧ, а с другого к индикатору проходной мощности, перестройку генератора СВЧ до получения резонанса в отрезке ЛП на резонансной частоте f_p, регистрацию f_p и показаний индикатора мощности на этой частоте, перестройку генератора по частоте вверх и вниз от резонансной частоты до частот f₁ и f₂, на которых показания индикатора мощности уменьшаются вдвое, регистрацию этих частот и определение СВЧ-затухания α по формуле:

где α в Нп/м, l_p,λ₁,λ₂ длины волн, соответствующие измеренным частотам f_p, f₁, f₂, Гц; λ c/f; f₂<f₀<f₁.

Устройство для осуществления этого способа содержит генератор СВЧ, последовательно соединенные аттенюатор, первый зонд, закороченную с обоих концов отрезок ЛП, второй зонд и индикатор мощности, подключенные к первому выходу генератора СВЧ, и волномер, подключенный к второму выходу генератора.

Измерения СВЧ затухания a в ЛП производят следующим образом. Собирают схему измерений. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до настройки ЛП в резонанс на частоте f_p, что регистрируется максимумом показаний индикатора мощности, и регистрируют f_p и показания прибора g_p Перестраивают частоту генератора вверх и вниз от f_p, находят и регистрируют частоты f₂<f_p и f₁>f_p, на которых показания индикатора мощности равны γ 0,5 f_p. Определяют СВЧ - затухание по формуле (2).

Недостатками аналога являются применение слабой связи зондов и исследуемой ЛП, использование закороченного отрезка ЛП, что не позволяет провести измерения непосредственно на рабочем объекте.

Известен способ измерения волнового сопротивления Z₀₂ СЗС, включающий возбуждение нагруженной активным сопротивлением R_н СЗС СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) с волновым сопротивлением Z₀₁, измерение на заданных дискретных частотах f_m внутри диапазона экстремальных значений коэффициента стоячей волны (КСВ) K_max и K_min на входе СЗС, определение парциального (собственного) коэффициента отражения (КО) Г_01m от входа СЗС по известным соотношениям на каждой из частот f_m, определение волнового сопротивления Z_02m СЗС на каждой из частот f_m по формуле

и построение дисперсионной характеристики Z₀₂ Z₀₂(f) по рассчитанным значениям Z_02m.

Устройство для измерения волнового сопротивления Z₀₂ содержит генератор СВЧ, последовательно соединенные измеритель КСВ с ВЧИТ с известным волновым сопротивлением Z₀₁, отрезок СЗС, переменный фазовращатель и активную нагрузку R_н, подключенные к первому выходу генератора, и волномер, подключенный к второму выходу генератора.

Измерение волнового сопротивления Z_02m на каждой из частот f_m внутри заданного диапазона производят следующим образом. На заданной частоте f_m изменяют фазовращателем фазу нагрузки R_н до получения максимума КСВ K_maxm на входе СЗС, регистрируют f_m и K_maxm. С помощью того же фазовращателя добиваются на этой частоте получения значения минимума КСВ K_minm на входе СЗС, регистрируют K_minm. По известным соотношениям находят на частоте f_m парциальный КО Г_01m. Определяют Z_02m по формуле (3). Производят измерения K_max и K_min на других частотах внутри заданного диапазона, рассчитывают Г₀₁ и Z₀₂ на этих частотах. Строят дисперсионную зависимость Z₀₂ Z₀₂(f) по рассчитанным значениям Z_02m.

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

Каждый из трех перечисленных аналогов может быть принять в качестве прототипа, однако наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является третий аналог, выбранный в качестве прототипа. Однако его недостатком является то, что он, как и два других аналога, решает задачу измерения только одного параметра исследуемой СЗС, а именно Z₀₂, и не решает задачи измерения других важных параметров: парциального КО Г₀₂ от конца отрезка, дисперсионной характеристики (DX)n n(f) и СВЧ затухания α в отрезке.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является измерение ЭДХ и входных параметров однородной линии передачи, в том числе и СЗС, в режиме рассогласованного тракта, при этом в качестве исследуемой ЛП используется отрезок реальной ЛП на штатном рабочем месте, никаких дополнительных мер, например закорачивания концов ЛП или помещения ЛП в специальный ОЦР, не производится.

Техническим результатом заявляемого решения является то, что ЭДХ (волновое сопротивление Z₀₂, DX n n(f), СВЧ-затухание a ) и входные параметры (парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂, суммарный КО Г_Σ ) однородной ЛП удается измерить в условиях, приближенных к рабочему режиму ЛП, не обращая внимания на вопросы ее согласования с нагрузкой R_н и ВЧИТ.

Этот технический результат достигается тем, что при способе определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающем возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ-колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, новым является то, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z₀₁ и двух фиксированных значений активных нагрузок R_н1 и R_н2 выбирают предварительно из соотношений
Z₀₁ ≠ R_н1,2 (4)

где Z₀₂ рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи (Ом) измеряют в данном диапазоне частот при поочередном подключении двух выбранных активных нагрузок R_н1 и R_н2, в качестве входных параметров экстремальные значения Г_min и Г_max суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты f_min и f_max, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне частот Δff_max f_min или Δf f_min f_max определяют из соотношений:


где U_ф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf /f_max f_min/, м/с;
l заданная длина исследуемой линии передачи, м;
f_max, f_min две измеренные соседние частоты, соответствующие Г_0max, Г_0min, в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Гц;
β фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте в пределах рассчитываемого поддиапазона Df м^-1 f = ω/2π любая частота в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3 • 10⁸ м/с;
α постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Нп/м;
Z₀₂ волновое сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Ом;
Г₀₁ модуль парциального коэффициента отражения от входа исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Г_021,2 модуль парциального коэффициента отражения от выхода исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Г₀₂₁ относится к измерениям с нагрузкой R_н1, Г₀₂₂ с нагрузкой R_н2;
Г_omin1,2, Г_omax1,2 модули измеренных соседних и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf индексы "оmin1" и оmax1" относятся к измерениям с нагрузкой R_н1, индексы "omin2" и "omax2" к измерениям с нагрузкой R_н2,

а дисперсионные характеристики n n(f) и Z₀₂ Z₀₂(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона
Технический результат достигается также и тем, что при способе определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающем возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ-колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, новым является то, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z₀₁ и фиксированное значение активной нагрузки R_н выбирают предварительно из соотношений:
Z₀₁=R_н (12)

где Z₀₂ рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи (Ом) измеряют в заданном диапазоне при подключенной выбранной активной нагрузке R_н, в качестве входных параметров экстремальные значения Г_min и Г_max суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты f_min и f_max, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне Δff_max- f_min или Δf f_min- f_max определяют из соотношений:

где U_ф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf/f_max- f_min/, м/с;
l заданная длина исследуемой линии передачи;
f_max, f_min две измеренные соседние частоты, соответствующие Г_0max и Г_0min, в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Гц;
β фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте f в пределах рассчитываемого поддиапазона Df м^-1;
f = ω/2π любая частота в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3•10⁸ м/с;
α постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Нп/м;
Z₀₂ волновое сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Ом;
Г₀₁, Г₀₂ модули парциальных коэффициентов отражений от входа и выхода соответственно исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Г_0min, Г_0max модули соседних минимума и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи на частотах f_max и f_min в рассчитываемом поддиапазоне Δf
а дисперсионные характеристики n=n(f) и Z₀₂=Z₀₂(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет измерить в заданном диапазоне частот электродинамические характеристики и входные параметры отрезка однородной линии передачи; волновое сопротивление Z₀₂ и его зависимость от частоты, дисперсионную характеристику n= n(f) и СВЧ-затухание α = α(f) как функцию частоты, суммарный коэффициент отражения Г_Σ от входа линии передачи и парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ от входа и выхода линии передачи соответственно. При этом измерения проводятся в условиях, соответствующих рабочему режиму ЛП и не требующих дополнительных технологических устройств и операций, за исключением нагружений ЛП на активные нагрузки R_н.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для измерений по предлагаемому способу; на фиг.2 амплитудно-частотная характеристика суммарного КО.

Определение ЭДХ однородной ЛП согласно предлагаемому способу производят следующим образом. Подключают отрезок однородной ЛП с известной длиной l с неизвестным волновым сопротивлением Z₀₂ к ВЧИТ с волновым сопротивлением Z₀₁ ≠ Z₀₂, например, Z₀₁ 50 Ом, измерителя КО, например, Р4-37. Нагружают выход ЛП известной активной нагрузкой R_н1. Возбуждают отрезок ЛП СВЧ-колебаниями от измерителя КО в заданной полосе частот DF например ΔF 300 МГц. На амплитудно-частотной характеристике суммарного КО (см. фиг.2), развертывающейся на экране прибора Р4-37, находят первый слева минимум (или максимум) суммарного КО, измеряют значение минимума (или максимума) суммарного КО, Г_0min (или Г_0max) и значение частоты f_0min (или f_max этого минимума (или максимума), регистрируют эти значения. Находят на амплитудно-частотной характеристике соседний справа от f_min (или f_max) максимум (или минимум) суммарного КО на частоте f_max (или f_min), измеряют и регистрируют эту частоту и значения Г_0max (или Г_0min). Производят такие же измерения всех значений минимумов и максимумов суммарного КО на всех частотах справа от измеренной частоты f_max (или f_min) в пределах заданного диапазона частот ΔF отключают от выхода отрезка ЛП первую активную нагрузку R_н1 и подключают к этому выходу вторую активную нагрузку R_н2. По амплитудно-частотной характеристике суммарного КО (см. фиг. 2) производят аналогичные измерения частот f_max и f_min и значений Г_0max и Г_0min на этих частотах во всем диапазоне частот ΔF Определяют входные параметры отрезка ЛП по формулам (10) и (11) и ЭДХ отрезка ЛП по формулам (5) ^oC (8).

Выбор нагрузок R_н1, R_н2 и волнового сопротивления Z₀₁ производят предварительно согласно формулам (14) и (15) следующим образом. По конструкции и геометрическим размерам отрезка ЛП предварительно рассчитывают волновое сопротивление Z₀₂. Пусть, например, имеет Z₀₂ 90 Ом, тогда выбираем Z₀₁, R_н1 и R_н2 в пределах, приведенных в формулах (14) и (15), например Z₀₁ 500 м 0,55 Z₀₂, R_н1 35 Ом 0,39 Z₀₂; R_н2 210 Ом 2,33 Z₀₂.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит (фиг.1) измеритель КО 1 с ВЧИТ 2, волномер 3, подключенный к второму выходу измерителя КО, исследуемый отрезок ЛП 4, вход которого подключен ко входу ВЧИТ 2 измерителя КО 1, и фиксированную активную нагрузку R_н 5, подключенную к выходу отрезка ЛП 4.

Устройство работает следующим образом. Собирают блок-схему по фиг.1. Включают приборы. Вставляют на измерителе КД 1 необходимую заданную полосу частот ΔF Включают измеритель КО 1 в режим измерения КО на входе ВЧИТ (режим измерения входных параметров четырехполюсника). Перестраивая измеритель КО 1 по частоте, например, путем автоматического качания частоты, находят частоту f_min (или f_max) первого слева минимума (или максимума) суммарного КО, измеряют и регистрируют f_min (или f_max), Г_0min (или Г_0max). Находят справа от f_min (или f_max) частоту f_max (или f_min) соседнего максимума (или минимума) суммарного КО Г_0max (или Г_0min). Измеряют и регистрируют эту частоту и значение КО. Производят такие же измерения на всех частотах максимумов и минимумов суммарного КО, находящихся справа от частоты f_max (или f_min), во всей рабочей заданной полосе частот ΔF Отключают от выхода ЛП первую активную нагрузку R_н1, подключают к этому выходу вторую активную нагрузку R_н2. Проводят аналогичные измерения. Определяют входные параметры и ЭДХ отрезка по формулам (5)^oC(11).

В качестве измерителя КО1 могут быть использованы, например, промышленные измерители комплексных коэффициентов передачи типа Р4-37, Р4-37А, Р4-38 и т.п. в качестве ВЧИТ, например, выносные рефлектометры "Z_x" этих приборов; в качестве одной ЛП4 отрезок ЛП, имеющий входной и выходной высокочастотные разъемы, например спиральная замедляющая система 1112-Л019. СБ в металлическом корпусе; в качестве нагрузки 5 R_н1 и R_н2, - например, резисторы С2-10. Измеритель КО, ВЧИТ, волномер, отрезок ЛП и нагрузки соединяются в измерительную схему как непосредственно, так и с помощью фидеров, изготовленных из промышленных кабелей, например, СР50-2-11, СР50-2-22, СР50-4-21 и т.п.

Лабораторная установка 1112-Л019 для измерений по предлагаемому способу содержит:
измеритель КО измеритель комплексных коэффициентов передачи Р4-37;
ВЧИТ выносной рефлектометр "Z_x" прибора Р4-37 с Z₀₁ 50 Ом;
отрезок ЛП спиральная замедляющая система 1112-Л019.СБ в корпусе 1112-Л019.001-01;
нагрузка R_н Z₀₁ 50 Ом из комплекта Р4-37;
соединительные проводники и кабели.

Размеры корпуса 1112-Л019.001-01: длина внутренней полости L_k 220 мм; диаметр внутренней полости D_k 120 мм. Геометрические размеры спиралей приведены в табл.1.

В табл. 1 обозначены: D_н наружный диаметр спирали; d_пр. - диаметр проводника спирали; h шаг (период) спирали; L_sp. длина спирали; l_вт длина витка спирали; n число витков (периодов) спирали; n_г геометрический коэффициент замедления.

В табл. 2 приведены результаты измерений и расчета ЭДХ и входных параметров СЭС 1112-Л019.СБ с использованием лабораторной установки 1112-Л019.

В табл.2 обозначены: f_min частоты минимумов суммарного КО; f_max частоты максимумов суммарного КО; n коэффициент замедления СЗС; V_ф фазовая скорость распространения ЭМВ в СЗС; β_z фазовая постоянная распространения ЭМВ в СЗС; K₀ волновое число; Z₀₂ - волновое сопротивление СЗС; α₀ коэффициент СВЧ-затухания в проводнике СЗС и стенках корпуса; Г₀₁, Г₀₂ модули парциальных КО от входа и выхода СЗС, Г_0max, Г_0min модули измеренных КО (максимум и минимум).

В табл.3 для иллюстрации приведены результаты измерений коэффициента замедления n тех же СЗС согласно первому аналогу. В табл.3 обозначены: "N резонанса" порядковый номер резонанса в закороченной с обоих концов СЗС; f_рез. значение резонансной частоты, n коэффициент замедления.

Как видно из табл. 2 и 3, коэффициенты замедления n, определяемые по предлагаемому способу и первому аналогу, отличаются незначительно, не более чем на 10% однако измерения по предлагаемому способу ближе к геометрическому замедлению спиралей (см.табл.1, столбец n_г).

Погрешность измерений в обоих случаях не более ±10%
Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется и дает положительный эффект расширения функциональных возможностей и упрощения измерений.

На фиг. 1 приведены блок-схема измерений и диаграмма распространения и отражения ЭМВ в исследуемом отрезке ЛП длиной l между входом и выходом отрезка (сечения 1-1 и 2-2 на фиг.1).

На диаграмме распространения и отражения (фиг.1) обозначены:
1-1 сечение соединений отрезка ЛП с входом ВЧИТ (вход ЛП);
2-2 сечение соединения отрезка ЛП с нагрузкой (выход ЛП);
U_пад=1 волна, распространяющаяся от ВЧИТ к входу ЛП;
парциальный КО от сечения 1-1 (входа ЛП) в сторону ВЧИТ;
парциальный КО от выхода ЛП в сторону входа ЛП;
парциальный КО от входа ЛП в сторону нагрузки (выхода ЛП); ;
β_z фазовая постоянная распространения ЭМВ в отрезке ЛП;
l длина отрезка ЛП.

Точка над буквой обозначает комплексную величину.

Как видно из диаграммы распространения и отражения (фиг.1), в отрезке ЛП, имеющем парциальные коэффициенты отражения , происходят многократные отражения волны, падающей на сечение 1-1, от отражающих сечений 1-1 и 2-2 (входа и выхода ЛП). В результате многократных отражений суммарный КО от входа ЛП в сторону входа ВЧИТ может быть записан в виде бесконечного ряда:

Этот ряд преобразуется к пределу /4, 5/

где суммарный КО от входа ЛП в сторону ВЧИТ;
парциальный (собственный) КО от входа ЛП в сторону ВЧИТ при условии, что от выхода ЛП нет отражений (выход ЛП согласован полностью);
парциальный (собственный) КО от выхода ЛП в сторону входа ЛП при условии, что после сечения 2-2 нет отражений;
α коэффициент СВЧ затухания в ЛП, Нп/м;
b фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЛП, м^-1
l длина отрезка ЛП, м.

При таком определении парциальных КО последние выражаются как (5):

где Z₀₁ волновое сопротивление ВЧИТ, Ом;
Z₀₂ волновое сопротивление отрезка ЛП, Ом;
R_н сопротивление нагрузки на выходе ЛП, Ом.

В линиях передачи с малыми потерями, какие практически используются в эксплуатации, Z₀₁ и Z₀₂ действительные величины, а R_н также действительная величина. Поэтому парциальные КО также будут действительными величинами (со своими знаками "плюс" или минус"). Кроме того, переобозначим:

С учетом этого, формулу (19) можно переписать в виде:

Модуль будет равен:

где ϕ = 2βl
Г₀₁, Г₀₂ модули парциальных КО.

Исследование Г20Σ

на экстремумы по аргументу v дает точки экстремумов sinϕ = 0 или cosϕ = ±1, а выражения для максимума и минимума Г_0Σ будут:


т. е. максимум суммарного КО при условии cosϕ = 1, а минимум суммарного КО при условии cosϕ = -1, или

где m 0; 1; 2;
Из условия (28) и выражений (26) и (27) следует, что на частотной развертке измерителя КО, например Р4-37, образуется интерференционная картина суммарного КО Г_oΣ с чередующимися максимумами в точках v_max= 2β_max•l = 2mπ и минимумами в точках ϕ_min= 2β_min1 = (2m+1)π, приведенная на фиг.2, на частотах f_max и f_min.

Рассмотрим разность фаз Δϕ между соседними минимумом на частоте f_min и максимумом на частоте f_max:
Dv-2β₂l-2β₁l = (2m+1)π-2mπ = π (29)
где β₂ фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЛП на частоте f_min;
β₁ фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЛП на частоте f_max, т.к. β₂= ω₂/U_ф2,β₁= ω₁/U_ф1, где ω = 2πf, то разность Δϕ между точками соседних минимума и максимума суммарного КО будет равна:

Так как рассматриваются однородные линии передачи, например, типа спиральных замедляющих систем или коаксиальных линий, то с достаточной степенью точности можно принять, что дисперсия в исследуемом отрезке слабая и ею можно практически пренебречь в пределах половины одного интерференционного лепестка между частотами f_min и f_max, здесь фазовая скорость распространения ЭМВ в отрезке ЛП остается практически постоянной, т.е. V_ф1=V_ф2=V_ф. Учитывая еще, что ω = 2πf, находим

Отсюда находим фазовую скорость V_ф и коэффициент замедления n:

где c 3•10⁸ м/с; l длина отрезка ЛП, м; f₂ и f₁ в герцах.

Формулы (30) и (31) суть формулы (5) и (7). Фазовую постоянную распространения β_z по формуле (6) находим из известных соотношений, связывающих круговую частоту ω = 2πf и фазовую скорость распространения ЭМВ на этой частоте. Таким образом, предлагаемый способ дает возможность определить фазовую скорость V_ф по формуле (5) на разных частотах, фазовую постоянную распространения β_z ЭМВ по формуле (6) и коэффициент замедления n по формуле (7), а затем построить дисперсионную характеристику в заданном диапазоне частот как функцию частоты любой характеристики, определенной по формулам (5)^oC(7) (например, v_ф= ϕ(ω) или β_z= ϕ₁(ω) или n = ϕ₂(ω) ). Для определения этих ЭДХ отрезка ЛП необходимо измерить частоты f_min и f_max соседних минимумов и максимумов суммарного КО на интерференционной картине амплитудно-частотной характеристики суммарного КО. Для построения дисперсионной характеристики необходимо произвести измерения и расчеты во всем заданном диапазоне частот.

Рассмотрим максимальный и минимальный суммарные КО из формул (26) и (27). Разрешаем эти выражения относительно получим:

В правой части равенства (32) только одна неизвестная величина - парциальный КО от входа отрезка ЛП Г₀₁. Поэтому Г₀₁ можно найти:

Выражение (33) суть формула (10). Таким образом, предлагаемый способ дает возможность определить парциальный КО от входа отрезка ЛП: для его определения необходимо измерить соседние максимумы Г_0max и минимумы Г_0min суммарного КО на входе отрезка. Знак "±" в формуле (33) выбирается из условия, что по определению Г₀₁≤1.

Разделить между собой парциальный КО Г₀₂ и затухание в отрезке e^-2αl в выражении (32) только при одном измерении не удается. Поэтому для отдельного определения Г₀₂ и e^-2αl нужны либо дополнительные измерения, либо дополнительные условия.

Дополнительные измерения.

Сделаем измерения максимумов и минимумов суммарного КО при двух разных нагрузках активных R_н1 и R_н2, причем отношения R_н1/Z₀₂ и R_н2/Z₀₂ определяются выражением (5), а отношение R_н2/R_н1=0 т.е. задано. Пусть нагрузке R_н1 соответствуют Г_0max1 и Г₀₂₁, а нагрузке R_н2 соответствуют Г_0max2 и Г₀₂₂. Подключение нагрузки с разными значениями R_н1 и R_н2 не сказывается на величине парциального коэффициента Г₀₁ от входа отрезка (см.формулу (22)) и на величине затухания e^-2αl ЭМВ в отрезке, т.к. последнее зависит только от длины l и коэффициента затухания α, который зависит от конструкции ЛП и материала, т.к. при обоих измерениях будем иметь: Г₀₁₁=Г₀₁₂=Г₀₁ и В соответствии с формулой (32) для разных нагрузок получим:

Разделим (**) на (*), получим:

Из формулы (35) видно, что наличие измерений при двух нагрузках R_н1 и R_н2 дает возможность парциальные КО Г₀₂₁ и Г₀₂₂ выразить один через другой, а имея измерения , можно найти отношение Г₀₂₂/Г₀₂₁ парциальных КО от выхода отрезка ЛП.

Рассмотрим известное отношение двух значений активной нагрузки R_н2/R_н1= d, при которых производят измерения частот и суммарного КО. Найдем связь этого известного отношения с парциальными КО Г₀₂₁ и Г₀₂₂. По определению согласно формуле (21)

Разрешаем эти выражения относительно R_н1 и R_н2, получим R_н1= Z₀₂(1+Г₀₂₁)•(1-Г₀₂₁); R_н2=Z₀₂(1+Г₀₂₂)•(1-Г₀₂₁).

Отношение R_н2/R_н1 с использованием этих выражений имеет вид:

В выражении (36) одна неизвестная парциальный КО Г₀₂₁, который легко определяется из квадратного уравнения:

Формула (37) суть формула (11). Знак перед корнем в формуле (37) опять выбирается из условия Г₀₂≤1
Подставим Г₀₂, определенный по формуле (37), в формулу (32), найдем затухание СВЧ e^-2αl в отрезке ЛП и коэффициент затухания α:

Формула (38) есть формула (9). Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить парциальный КО ГО₀₂ от выхода отрезка ЛП, СВЧ- затухание e^-2αl и коэффициент затухания α в отрезке ЛП. Для их определения необходимо измерить , при двух значениях фиксированной активной нагрузки R_н1 и R_н2 на выходе отрезка ЛП с известным отношением R_н2/R_н1 d, определить парциальный КО Г₀₁ по формуле (33), определить величину b по формуле (34), а затем уже Г₀₂ и α по формулам (11) или (38) и (9).

Дополнительные условия (частный случай).

Нагрузим исследуемый отрезок ЛП одной фиксированной активной нагрузкой R_н Z₀₁, где Z₀₁ волновое сопротивление ВЧИТ. На основании определения парциальных КО Г₀₁ и Г₀₂ по формулам (22) и (23) заключаем, что в этом случае Г₀₂= -Г₀₁, а модули их равны, т.е. Г₀₂ Г₀₁. Следовательно, в этом случае оба парциальных КО Г₀₁ от входа ЛП и Г₀₂ от выхода ЛП могут быть определены по формулам (10) или (33), а коэффициент затухания a по формуле (38), если заменить в ней парциальный КО Г₀₂ на парциальный КО Г₀₁, т.к. Г₀₂ Г₀₁, т.е.

Но формула (39) есть формула (38) или (18), в которых Г₀₂ заменен на Г₀₁. Таким образом, предлагаемый способ в частном случае при условии равенства R_н Z₀₁ дает возможность определить парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ от входа и выхода отрезка ЛП, затухание e^-2αl и коэффициент затухания α Для их определения достаточно измерить суммарные КО Г_0min и Г_0max и определить Г₀₁, Г₀₂ и a по формулам (35) и (39).

Для определения волнового сопротивления Z₀₂ отрезка ЛП используем формулу (28). Разрешаем ее относительно Z₀₂, получим:

Формула (40) суть формула (8). Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить волновое сопротивление Z₀₂ исследуемого отрезка ЛП. Для его определения необходимо измерить суммарные КО Г_0min и Г_0max, определить парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ по соответствующим формулам и определить волновое сопротивление по формуле (40).

Проведенный анализ доказывает, что предлагаемый способ позволяет определить перечисленные выше ЭДХ однородного отрезка ЛП и его входные параметры, т. е. технически реализуется, составляет техническое решение и может быть использован при измерении этих характеристик и параметров однородных линий передач, например, спиральных замедляющих систем, отрезков двухпроводных линий, высокочастотных соединителей и т.п.

Выберем оптимальные с точки зрения измерений диапазоны отношений Z₀₁/Z₀₂ R_н/Z₀₂, где Z₀₁ волновое сопротивление ВЧИТ, R_н сопротивление активной нагрузки, Z₀₂ - волновое сопротивление исследуемого отрезка ЛП.

Рассмотрим выражения (26) и (27) для Г_0max и Г_0min. Положим α0 и преобразуем выражения (26) и (27) к другому виду:

Положим Г₀₁ 1; Г₀₂ любой, Г₀₂ ≤1. Из формулы (41) имеем Г_0max=Г₀=1, из формулы (42) имеет Г_0min= Г₀₁= 1 Из этого следует, что интерференционная картина фиг. 2 не реализуется. Известно, что КО Г=1 реализуется либо при холостом ходе (ХХ), либо при коротком замыкании (КЗ). Следовательно, на входе исследуемого отрезка ЛП нельзя устанавливать режим с величиной парциального КО Г₀₁= 1, т.е. режимы ХХ или КЗ. Поэтому на парциальный КО Г₀₁ необходимо ввести строгое ограничение.

Г₀₁<1 (43)
Ограничение (43) есть ограничение на Г₀₁ в формуле (10). Положим Г₀₂ 1, а Г₀₁ любой, Г₀₁<1, т.е. на выходе отрезка ЛП установлены режим либо ХХ, либо КЗ. Из формулы (41) следует Г_0max=1, из формулы (40) имеет Г_0min=1, т. е. опять не реализуется интерференционная картина фиг.2. Следовательно, на выходе исследуемого отрезка ЛП нельзя устанавливать режим ХХ либо КЗ с величиной парциального КО Г₀₂=1, а на величину Г₀₂ необходимо ввести строгое ограничение:
Г₀₂<1 (44)
Ограничение (44) есть ограничение на Г₀₂ в формуле (11).

Введем ограничения на Z₀₁и R_н сверху и снизу.

Обычно при измерениях используются промышленная аппаратура, промышленные кабели и промышленные высокочастотные соединители. Гарантированный КСВ промышленных кабелей, например, РК50-2-22, K≤1,07 (Z₀ 50±3 Ом), а высокочастотных соединителей, например, типа У1 (26-го присоединительного ряда), K≤1,15, что соответствует КО ГО≤0,07. В схемах измерения обычно присутствуют не менее двух таких соединителей, включенных последовательно. Положим, что имеем такое последовательное соединение двух высокочастотных соединителей с парциальными КО от входа и выхода 0,07. Тогда максимальный суммарный КО на входе этого соединения в соответствии с формулой (26) будет равен:

КО Г_0max 0,14 будет являться шумом при измерениях ЭДХ и входных параметров исследуемого отрезка по предлагаемому способу измерений в режиме рассогласованного тракта. Этот шум создается отражениями распространяющейся ЭМВ от неоднородностей высокочастотных рабочих трактов. Чтобы влияние этого шума практически не сказывалось на результатах измерений Г_0min и Г_0max, необходимо выбрать такие отношения между z₀₁ и Z₀₂, R_н и Z₀₂, которые бы обеспечивали превышение парциальных КО г₀₁ и Г₀₂ над шумами отражениями от неоднородностей высокочастотных измерительных трактов. Положим в исследуемых отрезках 2αl ≤0,5Hn (практически реализуемый случай), а максимальный суммарный КО С учетом этого найдем, что парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ от входа и выхода отрезка ЛП должны быть ограничены снизу:

Положим Г₀₁ Г₀₂; согласно формуле (26), максимальный КО будет

т. е. имеет Г_0max как функцию величин парциальных КО. Если рассматривать эту функцию при значениях парциальных КО Г₀₁=Г₀₂≥0,7, то оказывается, что максимальный суммарный ГО Г_0max≥0,94; при дальнейшем увеличении парциальных КО Г₀₁= Г₀₂>0,7 максимальный суммарный КО Г_0max изменяется медленно. Такое медленное изменение Г_0max приводит к трудностям регистрации Г_0max с достаточной точностью, обеспечивающей допустимые погрешности измерений и расчета. Чтобы избежать этого, необходимо парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ ограничить сверху
Г₀₁=Г₀₂≤0,7
С учетом вышеизложенного, наиболее оптимальный диапазон определения парциальных КО Г₀₁ и Г₀₂ выглядит так:

Выражение (22) и (23), определяющие парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ через волновые сопротивления Z₀₁, Z₀₂ и нагрузку R_н, можно переписать так:

Как видно из выражений (46) и (47), парциальные КО Г₀₁ и Г₀₂ зависят от отношений Z₀₁/Z₀₂ и R_н/Z₀₂. Подставим пределы изменения Г₀₁ из (45) в (46), найдем:

Выражение (48) есть формула (5).

Подставим пределы изменения Г₀₂ из (45) в выражение (47), найдем:

Выражение (49) есть формула (5).

Рассмотрим минимальный суммарный КО из формулы (27):

Если выбрать отношения Z₀₁/Z₀₂ и R_н/Z₀₂, пределы которых приведены в выражения (48) и (49), такими, что Г₀₁<Г₀₂ e^-2αl то окажется, согласно формуле (50), что Г_0min<0. Но существующие способы определения КО по измеренным значениям КСВ не различают положительного или отрицательного значения КО. Кроме того, в этом случае получаются между двумя соседними Г_0max два минимума Г_0min в точках перехода суммарного КО Г₀Σ через нуль. Чтобы избежать этого, необходимо по формулам (48) и (49) отношения Z₀₁/Z₀₂ и R_н/Z₀₂ выбирать так, чтобы выполнялось неравенство:
Г₀₂•e^-2αl≤ Г₀₁ (51)
Наконец, введем ограничение на задаваемый диапазон частот ΔF (ширину полосы качания измерителя КО) при заданной длине l исследуемого отрезка ЛП. При заданной длине отрезка l при выборе ширины полосы качания ΔF исходят из того, чтобы на амплитудно-частотной характеристики фиг.2 (интерференционной картине суммарного КО) уложилось не менее одного интерференционного лепестка. Анализ самого неблагоприятного случая размещения минимумов и максимумов суммарного КО на амплитудно-частотной характеристике фиг.2 показывает, что на заданной длине l минимальный набег фазы Δψ между нижней и верхней частотами полосы качания DF должен быть не менее 3π т.е. Dj ≥ 3π Используя формулу (29), найдем условия ограничения на полосу качания

Принимая во внимание, что V_ф c/n, получим:

где ΔF задаваемая ширина диапазона частот, Гц, C=3•10⁸ м/с;
n коэффициент замедления ЭМВ в отрезке ЛП;
l заданная длина отрезка, м.

Таким образом, предлагаемый способ определения ЭДХ однородного отрезка ЛП в режиме рассогласованного тракта удовлетворяет условиям патентоспособности: удовлетворяет критериям "новизна" и изобретательский уровень, технически реализуется и имеет промышленную применимость.

Относится к области измерительной техники, в частности к области измерительной техники на СВЧ, и может быть использовано при измерениях электродинамических характеристик и входных параметров однородной линии передачи. Способ определения электродинамических характеристик однородной линии передачи заключается в возбуждении нагруженной линии передачи СВЧ- колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерении экстремальных значений суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующих им частот в заданном диапазоне частот и определении электродинамических характеристик и входных параметров исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне частот Δf = f_max-f_min или Δf = f_min-f_max из приведенных соотношений, при этом в способе по п.1 предварительно выбирают из приведенных соотношений волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта и фиксированные значения двух активных нагрузок, а в способе по п.2 - волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта и фиксированное значение одной активной нагрузки. 2 с.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

1. Способ определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающий возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, отличающийся тем, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z₀₁ и двух фиксированных значений активных нагрузок R_H1 и R_H2 выбирают предварительно из соотношений
Z₀₁≠ R_H1,2;

где Z₀₂ рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии, Ом,
измеряют в заданном диапазоне частот при поочередном подключении двух выбранных активных нагрузок R_H1 и R_H2 в качестве входных параметров экстремальные значения Γ_min и Γ_max суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты f_min и f_max, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне частот Δf = f_max-f_min или Δf = f_min-f_max определяют из соотношений

β_z = ω/U_ф= 2πf/U_ф;
n c/U_ф;




где U_ф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона
l заданная длина исследуемой линии передачи;
f_m a x, f_m i n две измеренные соседние частоты, соответствующие Γ_0.max,Γ_0.min в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
β_z - фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте f в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, м^-1;
f = ω/2π - любая частота в пределамх рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3 • 10⁸ м/с;
α - постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Нп/м;
Z_0 2 волновое сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Ом;
Γ₀₁ - модуль парциального коэффициента отражения от входа исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Γ_021,2 - модуль парциального коэффициента отражения от входа исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf,Γ₀₂₁ относится к измерениям с нагрузкой R_H 1, Γ₀₂₂ - с нагрузкой R_H 2;
Γ_0.min1,2,Γ_0.max1,2 - модули измеренных соседних минимума и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, индексы "0.min1" и "0.max1" относятся к измерениям с нагрузкой R_H 1, индексы "0.min2" и "0.max2" с нагрузкой R_H 2;
a R_H 2/R_H 1 ≠ 1;

а дисперсионные характеристики n n(f) и Z_0 2 Z_0 2(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf, принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона f_с р (f_m a x + f_m i n)/2. 2. Способ определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающий возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, отличающийся тем, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z_0 1 и фиксированное значение активной нагрузки R_H выбирают предварительно из соотношений
Z_0 1 R_H;

где Z_0 2 рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи, Ом,
измеряют в заданном диапазоне при подключенной выбранной активной нагрузке R_H в качестве входных параметров экстремальные значения Γ_min и Γ_max суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты f_m i n и f_m a x, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне Δf = f_max-f_min или Δf = f_min-f_max определяют из соотношений

β_z = ω/U_ф= 2πf/u_ф;
n c/U_ф;



где U_ф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона м/с;
l заданная длина исследуемой линии передачи, м;
f_m a x, f_m i n две измеренные соседние частоты, соответствующие Γ_0.max и Γ_0.min, в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
β_z - фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте f в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, м^-1;
f = ω/2π - любая частота в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3 • 10⁸ м/с;
α - постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Нп/м;
Z_0 2 волнове сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Ом;
Γ₀₁,Γ₀₂ - модули парциальных коэффициентов отражений от входа и выхода соответственно исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Γ_0.min,Γ_0.max - модули соседних минимума и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи на частотах f_m a x и f_m i n в рассчитываемом поддиапазоне Δf,
а дисперсионные характеристики n n(f) и Z_0 2(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf, принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона f_с р (f_m a x + f_m i n)/2.