СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ Российский патент 1999 года по МПК G01R27/28 G01R27/32 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях электродинамических параметров (ЭДП) различных линий передач (ЛП) электромагнитных волн (ЭМВ), в частности спиральных замедляющих систем (СЗС).

Известен способ измерения волнового сопротивления Z_ox СЗС(1), включающий возбуждение нагруженной активным сопротивлением R_н СЗС СВЧ колебаниями в заданном диапазоне частот через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) с волновым сопротивлением Z₀₁ от генератора СВЧ, измерение на заданных дискретных частотах f_m внутри заданного диапазона экстремальных значений коэффициента стоячей волны (КСВ) K_maxm и K_minm на входе СЗС, определение парциальных коэффициентов отражения (КО) Г_01m от входа СЗС по известным соотношениям на каждой из заданных частот f_m, определение волнового сопротивления Z_oxm СЗС на каждой из частот f_m по формуле

и построение дисперсионной характеристики (DX) по Z_ox = Z_ox(f) по рассчитанным значениям Z_oxm.

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

Измерение волнового сопротивления Z_oxm СЗС на заданной частоте f_m производят следующим образом. Собирают схему измерений. На заданной частоте f_m изменяют переменным фазовращателем фазу ϕ_н нагрузки R_н до получения максимума КСВ K_maxm на выходе СЗС, регистрируют K_maxm. Этим же фазовращателем изменяют снова фазу нагрузки R_н до получения минимума КСВ K_minm, регистрируют K_minm. По известным соотношениям находят парциальный КО Г_01m от входа СЗС. Определяют Z_oxm по формуле (I). Производят измерения K_maxm и K_minm на других заданных частотах f_m внутри заданного диапазона частот, рассчитывают Г_01m и Z_oxm на этих частотах. Строят дисперсионную характеристику ДХ Z_ox = Z_ox(f), принимая за аргумент f заданные частоты f_m.

Аналог не дает возможности измерить ДХ n = n(f) и другие ЭДП СЗС. Известен резонансный способ измерения ДХ СЗС (1, стр. 23), включающий возбуждение СЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе (ОЦР) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ колебаниями через ВЧИТ от генератора СВЧ, перестройку частоты генератора до нахождения первой резонансной частоты f₀₁ и регистрацию этой частоты, перестройку частоты генератора до нахождения второй f₀₂, третьей f₀₃ и т.д. резонансных частот внутри заданного диапазона, определение коэффициента замедления n_m на каждой из резонансных частот f_om по формуле

где m - номер резонанса, m = 1,2,3,...;
l_sp - длина СЗС;
λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной частоте, λ_om = c/f_om; c = 3 • 10⁸м/с,
и построение ДХ n = n(f) в заданном диапазоне частот по рассчитанным значениям n_m.

Устройство для измерения ДХ СЗС резонансным способом содержит (3, стр. 268, рис 168) генератор СВЧ, волномер, подключенный к первому выходу генератора, последовательно соединенные первый зонд, ОЦР с СЗС, закороченной на торцевые стенки ОЦР, второй зонд, детекторную секцию и индикаторный прибор, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ, при этом связь первого и второго зондов с СЗС в ОЦР осуществляется слабой с помощью петель связи.

Измерение коэффициента замедления n_m на резонансных частотах производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ОЦР с СЗС от генератора СВЧ через первый зонд. Перестраивают генератор до получения первого резонанса в СЗС на частоте f₀₁. Наличие резонанса определяют по максимуму показаний индикаторного прибора, регистрируют f₀₁ по волномеру. Перестраивают генератор СВЧ до получения второго f₀₂, третьего f₀₃ и т.д. резонансов в заданном диапазоне частот. Регистрируют эти частоты. Рассчитывают коэффициент замедления n_m на каждой из измеренных частот f_om по формуле (2) и строят ДХ n = n(f) в заданном диапазоне по рассчитанным n_m, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om.

Второй аналог не позволяет определять ЭДП СЗС кроме ДХ n - n(f).

Однако этот аналог наиболее близок по технической сущности к предлагаемому техническому решению, поэтому и выбран в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение электродинамических параметров ЗС, резонансным методом.

Техническим результатом заявляемого решения является то, что удается резонансным методом измерить ряд ЭДП ЗС, знание которых необходимо при проектировании и эксплуатации ЗС.

Этот технический результат достигается тем, что в способе определения параметров замедляющей системы, включающем возбуждение замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе и закороченной на торцевые стенки резонатора, СВЧ колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение всех резонансных частот f_om в этом диапазоне, определение коэффициента замедления n_m на измеренных резонансных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n = n(f) по рассчитанным значениям n_m, новым является то, что измеряют добротности Q_om замедляющей системы на каждой резонансной частоте f_om, определяют электродинамические параметры замедляющей системы на каждой резонансной частоте f_om в заданном диапазоне частот по формулам

β_zm = β_om•n_m, (4)





где m - номер резонанса, m = 1,2,3,...;
λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте, м; λ_om = c/f_om; c = 3 • 10⁸ м/с;
l_sp - длина замедляющей системы, м;
β_zm - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, рад/м;
β_om - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны на резонансной частоте в свободном пространстве, рад/м; β_om = 2π/λ_om;
α_om - постоянная затухания электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, Нп/м;
Z_om - волновое сопротивление замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
R_om - заданное погонное сопротивление проводников замедляющей системы на резонансной частоте,
R_cbm - сопротивление связи на оси замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
ρ_m - поперечное волновое число замедляющей системы на резонансной частоте, рад/м;
L_om - погонная индуктивность замедляющей системы на резонансной частоте, Гн/м;
C_om - погонная емкость замедляющей системы на резонансной частоте, Ф/м;
ω_om = 2πf_om
и строят дисперсионные зависимости a = a(f), где a - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет, наряду с ДХ n = n(f) определять резонансным способом перечисленные ЭДП (3) - (8) и их дисперсионные зависимости ДЗ a = a(f).

На фиг.1 приведена структурная схема (блок - схема) устройства для измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу, на фиг. 2, 3, 4 - измеренные (сплошная линия) и рассчитанные (пунктирные) волновое сопротивление Z₀, постоянная затухания α_o , и коэффициент замедления n соответственно (для двух типов СЗС).

Устройство для измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу содержит (фиг. 1) генератор СВЧ 1, волномер 2, подключенный к первому выходу генератора СВЧ 1, и подключенные ко второму выходу генератора последовательно соединенные высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) 3, первый зонд 4, ОЦР 5 с ЗС 6, закороченной на торцевые стенки резонатора 5, второй зонд 7, детекторную секцию 8 и индикаторный прибор 9, при этом связь первого и второго зондов 4 и 7 с ЗС 6 осуществляется слабой с помощью петель связи 10.

В качестве генератора СВЧ 1, ВЧИТ 3, волномера 2, детекторной секции 8 и индикаторного прибора 9 может быть использован промышленный измеритель комплексных коэффициентов передачи P4-37 в режиме измерения проходных параметров [4], в качестве зондов 4 к 7 - проволочные зонды с петлями связи 10, возбуждающими магнитные составляющие полей в корпусе ОЦР 5; в качестве ОЦР 5 - цилиндрический металлический резонатор заданных длины и внутреннего диаметра.

Определение ЭДП ЗС по предлагаемому способу производят следующим образом. Собирают схему измерений. На генераторе качающейся частоты измерителя Р4-37 выставляют заданный диапазон качания частоты ΔF в котором измеряют ЭДП, например ΔF = (150÷800)МГц, включают прибор в режиме автоматического качания частоты. На экране измерительного блока измерителя P4-37 высвечивается амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента передачи ЗС 6. Измеряют и регистрируют частоты всех резонансов в заданной полосе качания ΔF. Измеряют и регистрируют добротности Q_om на всех резонансных частотах f_om любым известным способом, например, резонансным методом [5, стр. 58]. Рассчитывают погонное сопротивление R₀ проводников ЗС любым известным способом, например, согласно [6, стр.132]. Рассчитывают ЭДП ЗС по формулам (3) - (9), строят дисперсионные зависимости a = a(f) каждого из параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технического результата измерений ЭДП ЗС на предприятии изготовлен макет лабораторной установки для измерения параметров СЗС по предлагаемому способу. В качестве генератора СВЧ 1, ВЧИТ 3, волномера 2, детекторной секции 8 и индикаторного прибора 9 использован прибор Р4-37 в режиме измерения проходных параметров. Объемный цилиндрический резонатор представляет собой цилиндр длиной L_к = 220 мм с внутренним диаметром D_к = 120 мм. Внутри корпуса коаксиально крепятся СЗС из меди с помощью трех диэлектрических стержней из оргстекла диаметром d_ст = 8 мм и длиной l_ст = 220 мм. Концы СЗС во время измерений закорочены на торцы цилиндра. Геометрические размеры отрезков исследуемых СЗС приведены в табл. 1 (см. табл. 1-3 в конце описания).

В табл. 1 обозначены: D_н - наружный диаметр СЗС; D_ср - средний диаметр СЗС; h - шаг (период) СЗС; d_пр - диаметр проводников СЭС; l_sp - длина СЗС; N - число витков (периодов) в СЭС; n_г - геометрическое замедление СЗС.

Результаты измерений и расчеты по формулам (2) - (8) сведены в табл.2 для СЗС N 1 и табл. 3 для СЭС N 2.

В табл. 2 и 3 обозначены: f_р - измеренные резонансные частоты; Q_o - измеренные добротности на этих частотах; λ_o - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренным резонансным частотам, λ_o = c/f_p, c = 3 • 10⁸ м/с; β_o = 2π/λ_o; n - коэффициент замедления на резонансных частотах; β_z/ - фазовая постоянная распространения ЭДП в СЗС на резонансных частотах; α_o - постоянная затухания ЭДП в СЗС на резонансных частотах; Z_o - волновое сопротивление СЗС на резонансных частотах; R_св - сопротивление связи на оси СЗС на резонансных частотах; R_oL_oC_o - погонные сопротивление, индуктивность и емкость СЗС на резонансных частотах соответственно. Отметим, что все параметры СЗС (Q_o, λ_z, β_z, α_o, Z_o, R_св, L_o, C_o, R_o имеют дисперсионную зависимость (от частоты).

На фиг. 2, 3, 4 приведены измеренные (сплошные линии) и теоретически рассчитаны (пунктирные) волновое сопротивление Z_o, постоянная затухания α_o, коэффициент замедления n соответственно. Экспериментальные и теоретически рассчитанные ЭДП удовлетворительно совпадают, некоторые отличия объясняются погрешностями изготовления и установки СЗС в корпусе резонатора, а также неточностью теории в области низких частот (6).

Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется и позволяет измерить электродинамические параметры замедляющих систем β_z, α_o, Z_o, R_св, L_o и C_o.

По определению коэффициентом замедления n ЗС называют отношение [7, стр. 6]

где C = 3 • 10⁸ м/с;
V_ф - фазовая скорость распространения ЭДП в ЗС м/с;
λ_o - длина волны в свободном пространстве, λ_o = c/f_o;
f_o - частота, на которой производят измерения, Гц;
λ_z - длина волны в ЗС, соответствующая частоте f_o;
β_o - фазовая постоянная распространения в свободном пространстве, соответствующая частоте f_o, β_o = 2π/λ_o ;
β_z - фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЗС, соответствующая частоте f_o, β_z ≠ 2π/λ_z. Из формулы (10) следует
β_z = β_o•n. (11)
Из теории длинных линий и замедляющих систем [7, стр. 128; 8, стр. 298] известны следующие соотношения




где β_z определена в формуле (10);
ω_o = 2πf_o, f_o - измеряемая частота;
L_o, C_o и R_o - погонные индуктивность, емкость и сопротивление ЗС на измеряемой частоте ω_o соответственно.

Представим и подставим это представление в формулу (15), получим

С учетом формулы (12) здесь а с учетом формул (13) и (14)

Подставим β_z и 1/2α_o в формулу (16), получим

Формула (17) есть формула (5).

Из формулы (14) непосредственно следует, что

Формула (18) суть формула (6), погонное сопротивление R_o рассчитывается по методике [7, стр. 132 или 9, стр.].

В [10] показано, что волновое сопротивление Z_o ЗС и сопротивление связи R_св на оси этой же ЗС на одной и той же частоте f_o связаны между собой соотношениями

где β_z определена в формуле (10);
ρ - поперечное волновое число в ЗС на измеряемой частоте

Формула (19) есть формула (7).

Перемножим выражения β_z и Z_o для одной и той же частоты ω_o , получим

Отсюда найдем

Формула (21) есть формула (8).

Разделим выражения β_z на Z_o на одной и той же частоте ω_o , получим

Отсюда найдем

Формула (22) есть формула (9).

Приведенный анализ и экспериментальные результаты измерений табл. 2, 3 и фиг. 2, 3, 4 доказывают, что предлагаемый способ отвечает критериям "новизна" и "изобретательский уровень", является техническим решением, технически реализуется и может быть использован при измерении электродинамических характеристик замедляющих систем приборов СВЧ электроники.

Источники информации
1. К.Ю.Мацейка "Измерение частотных зависимостей волнового сопротивления СЗС", Научные тр. ВУЗов Литовской СССР, Радиоэлектроника, 1985, N 21 (1), стр.27-32. стр. 23 - прототип.

2. Электромагнитные замедляющие системы (методика измерений электрических характеристик). Под ред. д. т.н. проф. Л.Н.Дерюгина, М, МАИ, Оборонгиз, 1960.

3. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко, ЗС, Киев, 1965.

4. Р4-37 Измеритель комплексных коэффициентов передачи. ТО и ИЭ, ЦЮ1.400.245ТО.

5. Б.П.Асеев, Колебательные цепи, М, Связи и радио, 1955.

6. Н.М. Советов Техника СВЧ, М, Высшая школа, 1976.

7. Р.А.Силин, В.П. Сазонов Замедляющие системы, М, Сов. Радио, 1968.

8. К.А.Лосев Линейные радиотехнические цепи, М.Высшая школа, 1971.

9. Н. В. Зернов, В.Г.Карпов. Теория радиотехнических цепей, Л, Энергия, 1972.

10. Ю. Н.Пчельников "О соотношении между волновым сопротивлением и сопротивлением связи в ЗС". РЭ, 1983, т.28, N 10 стр. 1981 - 1985.

Изобретение относится к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерении электродинамических параметров (ЭДП) замедляющих систем (ЗС). Достигаемый технический результат - измерение ЭДП ЗС резонансным способом в режиме короткого замыкания концов ЗС на стенки резонатора. Способ заключается в возбуждении объемного резонатора с замедляющей системой СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот от генератора СВЧ через высокочастотный измерительный тракт и зонд. Измеряют и регистрируют все резонансные частоты и добротности Q_оm на этих частотах. Определяют расчетным путем электродинамические параметры ЗС по известным соотношениям и строят дисперсионные зависимости этих параметров в диапазоне. 4 ил., 3 табл.

Способ определения параметров замедляющей системы, включающий возбуждение замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе и закороченной на торцевой стенке резонатора, СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение всех резонансных частот f_оm в этом диапазоне, определение коэффициента замедления n_m на измеренных резонансных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n=n(f) по рассчитанным значениям n_m, отличающийся тем, что измеряют добротности Q_om замедляющей системы на каждой резонансной частоте f_om, определяют электродинамические параметры замедляющей системы на каждой резонансной частоте f_om в заданном диапазоне частот по формулам
n_m= m•λ_om/2l_sp,
β_zm= β_om•n_m,
α_om= β_zm/2Q_om,
Z_om= R_om/2α_om,
R_свm= Z_om•ρ4m

/β4zm,
L_om= β_zm•Z_om/ω_om,
C_om= β_zm/Z_om•ω_om,
где m - номер резонанса, m = 1,2,3,...;
λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте, м, λ_om = c/f_om, c = 3 • 10⁸ м/с;
l_sp - длина замедляющей системы, м;
β_zm - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, рад/м;
β_om - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны на резонансной частоте в свободном пространстове, β_om= 2π/λ_om;
α_om - постоянная затухания электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, Н_п/м;
Z_om - волновое сопротивление замедляющей системы на резонансной частоте; Ом;
R_om - заданное погонное сопротивление проводников замедляющей системы на резонансной частоте, Ом/м;
R_свт - сопротивление связи на оси замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
ρ_m - поперечное волновое число замедляющей системы на резонансной частоте, рад/м,
L_om - погонная индуктивность замедляющей системы на резонансной частоте, Гн/м;
С_om - погонная емкость замедляющей системы на резонансной частоте, Ф/м;
ω_om= 2πf_om,
и строят дисперсионные зависимости a = a(f), где а - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om.