Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, точнее к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях электродинамических параметров (ЭДП) различных линий передачи (ЛП) электромагнитных волн (ЭМВ), в частности замедляющих систем (ЗС).
Известен способ измерения дисперсионной характеристики (ДХ) ЭС в режиме стоячих волн [1, стр. 265; 2, стр. 410], включающий возбуждение ЗС, закороченной на конце, СВЧ- колебаниями через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) в заданной полосе частот, определение с помощью зонда, введенного в ЗС и перемещаемого вдоль ЗС, соседних точек минимума показаний индикаторного прибора на заданных дискретных частотах fm, расположенных внутри заданного диапазона, и фиксирование этих точек X1m и X2m, определение коэффициента замедления nm на каждой частоте fm по формуле
где m - номер заданной дискретной частоты, m = 1,2,3...;
λom - длина волны в свободном пространстве, λom= c/fm, с = 3 • 108 м/с, и построение ДХ n=n(f) в заданной полосе по рассчитанным nm.
Устройство для измерения ДХ содержит [2, стр. 410, рис. 11.29] генератор СВЧ, волномер, подключенный к первому выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные переменный аттенюатор и закороченную на конце ЗС, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные зонд, введенный в ЗС, детекторную секцию и индикаторный прибор.
Измерение коэффициента замедления nm на заданной дискретной частоте fm производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ЗС на заданной частоте fm внутри заданного диапазона частот, устанавливая частоту fm по волномеру. Передвигая зонд вдоль ЗС, находят и фиксируют точку X1m, в которой показания индикаторного прибора минимальны. Снова передвигают зонд вдоль ЗС и находят справа или слева от точки X1m соседнюю точку X2m с минимальными показаниями индикаторного прибора и фиксируют ее. Рассчитывают nm на частоте fm по формуле (1). Измеряют точки минимумов на других частотах, рассчитывают nm на этих частотах. По рассчитанным значениями nm строят ДХ n= n(f).
Недостатком аналога является сложность измерений и значительные погрешности, связанные с необходимостью согласования входа ЗС со ВЧИТ до получения режима бегущей волны во всем заданном диапазоне частот.
Известен резонансный способ измерения ДХ ЗС [3, стр. 23], включающий возбуждение ЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе (ОЦР) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ-колебаниями от генератора СВЧ в заданном диапазоне частот, перестройку частот генератора СВЧ до нахождения первой резонансной частоты f01 и регистрацию этой частоты, перестройку частоты генератора СВЧ до нахождения и регистрации второй f02, третьей f03 и т. д. резонансных частот, определение коэффициента замедления nm на каждой из резонансных частот f0m по формуле
где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
λom - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й резонансной частоте, λom= c/fom, с = 3 • 108 м/с;
lsp -длина ЗС,
и построение ДХ ЗС n=n(f) по рассчитанным значениям nm.
Устройство для измерения ДХ резонансным способом содержит [1, стр. 268, рис. 168] генератор СВЧ, волномер, подключенный к первому выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные первый зонд, ОЦР с ЗС, 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 ЗС в ОЦР осуществляют слабой с помощью петель связи.
Измерение коэффициента замедления nm на резонансных частотах производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ОЦР с ЗС от генератора СВЧ через первый зонд в виде петли связи. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения первого резонанса в ЗС на частоте f01. Наличие резонанса определяют по максимуму показаний индикаторного прибора. Регистрируют частоту f01 с помощью волномера. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения второго f02, третьего f03 и т.д. резонансов в ЗС в заданном диапазоне частот. Регистрируют по волномеру эти частоты. Определяют коэффициент замедления nm на каждой резонансной частоте по формуле (2) и строят ДХ n= n(f) по рассчитанным значениям nm.
К недостаткам второго аналога можно отнести работу только с закороченной на торцы ОЦР ЗС и невозможность определения других ЗДП ЗС, необходимых при ее проектирования других ЗДП ЗС, необходимых при ее проектировании и эксплуатации. Однако второй аналог близок по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбран авторами в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение ЭДП ЗС резонансным методом в режиме холостого хода (xx) обоих концов ЗС.
Техническим результатом заявляемого решения является возможность измерения резонансным методом ряда ЭДП, необходимых при проектировании ЗС.
Этот технический результат достигается тем, что в способе определения параметров замедляющих систем, включающем возбуждение замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение всех резонансных частот f0m в этом диапазоне, определение коэффициентов замедления nm на резонансных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n=n(f) по рассчитанным значениями nm, новым является то, что концы замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, оставляют разомкнутыми, измеряют и регистрируют все резонансные частоты f0m1 и добротности Q0m1 на этих частотах в заданном диапазоне, укорачивают длину замедляющей системы на величину Δ lsp ≤ 0,1 lsp и снова измеряют все резонансные частоты f0m2 в этом же диапазоне частот, определяют электродинамические параметры замедляющей системы по формулам:
βzm = nm•βom (5)
αom = βzm/2Qom (6)
Zom = Rom/2αom (7)
Lom = βzm•Zom/ωom (9)
Com = βzm/Zomωom (10)
где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
lsp1 - длина замедляющей системы при первом измерении резонансных частот f0m1 и добротностей Q0m1;
lsp2 - длина замедляющей системы при втором измерении резонансных частот f0m2, после укорочения первоначальной длины lsp1 на Δlsp, м,
Δlкр - кажущееся удлинение замедляющей системы в режиме холостого хода, м;
λom - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте, м, λom = c/fom, с = 3 • 108, м/с;
βzm - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в замедляющей системе, рад/м;
βom - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, рад/м, βom = 2π/λom;
αom - постоянная затухания электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, Нп/м;
Z0m - волновое сопротивление замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
R0m - заданное погонное сопротивление проводников замедляющей системы на резонансной частоте, Ом/м;
Rcbm - сопротивление связи на оси замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
Pm - поперечное волновое число замедляющей системы на резонансной частоте рад/м, 
L0m - погонная индуктивность замедляющей системы на резонансной частоте, Гн/м;
C0m - погонная емкость замедляющей системы на резонансной частоте, Ф/м,
и строят дисперсионные зависимости a=a(f), где a - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f0m.
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет измерить резонансным методом в режиме xx обоих концов ЗС наряду с ДХ n=n(f) перечисленные ЭДП ЗС (4) - (10) и их частотные зависимости.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу, на фиг. 3, 2, 4 - измеренные (сплошными линиями) и рассчитанные (пунктиром) частотные зависимости коэффициента замедления n, волного сопротивления Z0 и постоянной затухания αo соответственно, на фиг. 5 - частотная зависимость кажущегося удлинения Δlкр(f).
Устройство для измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу содержит (фиг. 1) генератор СВЧ 1, волномер 2, подключенный к первому выходу генератора СВЧ 1, последовательно соединенные ВЧИТЗ, первый зонд 4, ОЦР 5 с ЗС 6 в режиме xx обоих концов, второй зонд 7, детекторную секцию 8 и индикаторный прибор 9, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ 1. Первый и второй зоны 4 и 7 связаны с ОЦР 5 и ЗС 6 с помощью петель связи 10.
В качестве генератора СВЧ 1, волномера 2, ВЧИТ 3, детекторной секции 8 и индикаторного прибора 9 может быть использован промышленный измеритель комплексных коэффициентов передачи P4-37 в режиме измерения проходных параметров четырехполюсников [4] ; в качестве зондов 4 и 7 проволочные зонды с короткозамкнутыми петлями связи 10, возбуждающими магнитные составляющие полей внутри ОЦР; в качестве ОЦР 5 - цилиндрический металлический резонатор заданных длины и внутреннего диаметра.
Определение ЭДП ЗС по предлагаемому способу производят следующим образом. Собирают схему измерений фиг. 1. На генераторе качающейся частоты измерителя P4-37 выставляют заданный диапазон качания частоты ΔF, в котором измеряются ЭДП ЗС, например ΔF = (100 = 800) МГц включают прибор в режим 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 f0m1 в полосе качания ΔF. Частоты резонансов определяют по максимумам АЧХ. Измеряют и регистрируют добротности Q0m1 на всех резонансных частотах f0m1 любым известным способом, например, резонансным методом [5, стр. 58]. Выключают схему измерений. Уменьшают длину ЗС 6 lsp1 на величину Δlsp= (0,5 -0,1) lsp1, получают lsp2. Снова собирают схему измерений фиг. 1 и включают ее в режим автоматического качания частоты в том же диапазоне ΔFo. Измеряют и регистрируют по АЧХ ЗС 6 частоты всех резонансов f0m2 в полосе ΔF. Выключают схему измерений. Рассчитывают погонное сопротивление Rom1 проводников ЗС 6 на резонансных частотах f0m1 любым известным способом, например, по методикам [6, стр. 132]. Рассчитывают ЭДП ЗС по формулам (3) -(10) для каждой резонансной частоты f0m1. Строят ДХ a= a(f), принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f0m1. В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технического результата измерений на предприятии изготовлен макет лабораторной установки для измерения параметров спиральной замедляющей системы (СЗС) по предлагаемому способу. В качестве генератора СВЧ 1, волномера 2, ВЧИТЗ, детекторной секции 8 и индикаторного прибора 9 использован измеритель P4-37 в режиме измерения проходных параметров четырехполюсников. ОЦР лабораторной установки представляет металлический цилиндр длиной Lц = 220 мм с внутренним диаметром Dц = 120 мм. Внутри цилиндра коаксиально крепится СЗС из медного проводника с помощью трех диэлектрических стержней из оргстекла диаметром dст = 8 мм и длиной lст = 220 мм. Концы СЗС разомкнуты, т.е. находятся в режиме xx по отношению к корпусу.
Геометрические размеры исследуемых СЗС приведены в табл. 1. (см. табл. 1-4 в конце описания)
В табл. 1 обозначены: Dср - средний диаметр СЗС; dпр - диаметр проводников СЗС; lsp1 - длина СЗС при первом измерении резонансных частот и добротностей; lsp2 - длина СЗС при втором измерении резонансных частот; N - число витков в СЗС; h - шаг (период) СЗС; nг - геометрическое замедление СЗС.
Результаты измерений и расчетов замедления по формулам (3) и (11) приведены в табл. 2 и 3, расчет остальных параметров СЗС приведен в табл.4.
В табл. 2-3 обозначены: f01 - измеренные резонансные частоты при первом измерении СЗС длиной lsp1; f02 - измеренные резонансные частоты при втором измерении СЗС длиной lsp2; λo - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте, λo= c/fo, c = 3 • 108 м/с; βo= 2π/λo; n1,2 - коэффициенты замедления, рассчитанные по формуле (11); n = коэффициент замедления СЗС, рассчитанный по формуле (3); Δlкр - кажущееся удлинение СЗС на резонансных частотах; αa - постоянная затухания ЭМВ в СЗС; βz - фазовая постоянная распространения ЭМВ в СЗС; Z0 - волновое сопротивление СЗС; Rсв - сопротивление связи на оси СЗС; R0, L0, C0 - погонные сопротивление, индуктивность и емкость СЗС соответственно.
Отметим, что все ЭДП имеют дисперсионную зависимость.
На фиг. 3, 2, 4 приведены измеренные (сплошные линии) и теоретически рассчитанные (пунктиром) дисперсионные зависимости коэффициента замедления n, волновое сопротивление Z0 и постоянной затухания αo. Экспериментальные и теоретически рассчитанные ЭДП удовлетворительно совпадают, отличия в ЭДП объясняются погрешностями изготовления и установки СЗС в корпусе резонатора, а также неточностью теории СЗС в области низких частот [11, стр. 140]. На фиг. 5 приведена частотная зависимость кажущего удлинения Δlкр СЗС в режиме xx.
Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется, составляет техническое решение и позволяет измерить ЭДП ЗС.
Согласно [1, стр. 267; 2, стр. 411; 3, стр. 23], коэффициент замедления nm при резонансном способе измерения определяется по формуле
где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
λom - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте;
lsp - геометрическая длина ЗС.
Формула (11) дает правильные результаты для режима короткого замыкания (КЗ) ЗС на обоих концах. Экспериментально установлено [8], что в режиме XX концов ЗС имеет место некоторое "удлинение" электрической длины lsp9 ЗС по сравнению с геометрической длиной lsp на некоторую величину Δlкр с каждого конца ЗС. Это "удлинение" связано с выбегом электромагнитного поля за торцевые границы ЗС: поле обрывается не сразу на геометрической границе ЗС, а спадает за этой границей до нуля на некотором расстоянии Δlкр от границы торца ЗС. Это явление выбега поля за торцевые границы называют также либо краевым эффектом, либо влиянием краевых емкостей. В режиме XX обоих концов ЗС величина удлинения ЗС равна 2Δlкр. При каждом измерении резонансных частот f0m величина 2Δlкр неизвестна и не учитывается при расчете nm по формуле (11), что приводит к значительным погрешностям расчета (см. строки n1 и n2 табл. 2 - 4). Для исключения этих погрешностей нужно учесть влияние Δlкр. Учет этих Δlкр позволяет сделать предлагаемый способ.
Пусть при известной длине lsp1 проведено измерение резонансных частот f0m1 в режиме XX ЗС. Учитывая выбег поля на 2Δlкр, формулу (11) нужно записать в следующем виде
В формуле (12) учтен краевой эффект в виде слагаемого 2Δlкр. Однако эта формула не позволяет однозначно определить nm, так как здесь одно уравнение и два неизвестных: nm и Δlкрm. Для однозначного определения двух неизвестных нужно второе независимое уравнение. Для получения этого второго уравнения укоротим длину lsp1 до величины lsp2 на некоторую необходимую длину Δlsp, такую, которая изменила бы резонансную частоту f0m1 на f0m2, но на которой замедление nm и кажущееся "удлинение" Δlкрm остались практически такими же, как и при первом измерении f0m1. Для частоты f0m2 и соответствующей ей длины волны λom2 уравнение (11) можно записать так:
Уравнения (12) и (13) и дают систему из двух уравнений с двумя неизвестными nm и Δlкрm
Решение этой системы позволяет определить однозначно nm и Δlкрm
Формулы (15) и (16) суть формулы (3) и (4).
По определению, коэффициентом замедления n ЗС называют отношение [6, стр. 6]:
где с = 3 • 108 м/с;
Uф - фазовая скорость распространения ЭМВ в ЗС;
λo - длина волны в свободном пространстве, λo= c/fo;
f0 - частота;
λz - длина волны в ЗС, соответствующая частоте f0, λz= λo/n;
βo= 2π/λo;
βz - фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЗС, βz= 2π/λz.
Из формулы (17) следует формула (5) для любой частоты
βz= βo•n (18)
В реальной ЗС, как линии передачи с малыми потерями, постоянную затухания αo можно выразить через погонные параметры R0, L0, C0, G0 [5, стр. 204; 9, стр. 292]:
где Z0 - волновое сопротивление ЗС, 
R0 - погонное сопротивление проводников ЗС, рассчитывается, например, по методике [6, стр. 132]. Из формулы (19) следует формула (7) для произвольной заданной частоты
Zo= Ro/2αo. (20)
В теории длинных линий доказывается [9, стр. 298], что добротность Q0 линии на любой частоте f0 связана с погонными параметрами l0 и R0 соотношением
Представим L0 в формуле (21) следующим образом:
получим
так как 
по определению, а 2αo= Ro/Zo из формулы (19). Следовательно, из (20), (21) и (22) следует формула (6) для любой частоты
αo= βz/2Qo (23)
Перемножим 
на 
получим для любой частоты ωo= 2πfo,
Отсюда для любой частоты ωo следует формула (9):
Lo= βz•Zo/ωo (24)
Разделим 
на 
получим
Отсюда для любой частоты ωo следует формула (10):
Co= βz/Zo•ωo (25)
Наконец, в [10] показано, что волновое сопротивление Z0 ЗС и сопротивление связи Rсв на оси той же ЗС связаны соотношением
Формула (26) суть формулы (8).
Приведенные анализ и экспериментальные результаты табл. 2 -4 и фиг. 2 - 5 показывают, что предлагаемый способ отвечают критериям "новизна", "изобретательский уровень", является техническим решением, технически реализуется и может быть использован при измерении электродинамических параметров и характеристик замедляющих систем приборов СВЧ-электроники.
Источники информации
1. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. Киев, 1965.
2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ 4.1. М., Высшая школа, 1970.
3. "Электромагнитные замедляющие системы" (методика измерения характеристик). Под ред. д.т.н. Дерюгина Л.Н. М., МАИ, Оборонгиз, 1060.
4. P4-37. Измеритель комплексных коэффициентов передачи, ТО и ИЗ, ЦЮ1, 400.245ТО.
5. Асеев Б.П. "Колебательные цепи". - М., Связь и Радио, 1955.
6. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М., Сов. Радио, 1966.
7. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Л., Энергия, 1972.
8. Следков В.А., Рязанов В.Д. "Измерение дисперсии фазовых скоростей в передающих линиях", РЭ, 1989, т.34, N 11, стр. 2429-2433.
9. Лосев А.К. Линейные радиотехнические цепи. М., Высшая шк., 1971.
10. Пчельников Ю. Н. "О соотношении между волновым сопротивлением и сопротивлением связи", РЭ, 1983, т.28, N 10, стр. 1981-1985.
11. Советов Н.М. Техника СВЧ. М., Высшая школа, 1976.
Способ включает возбуждение СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, концы которой оставляют разомкнутыми, измерение и регистрацию всех резонансных частот f om1 и добротностей Qom1 на этих частотах в заданном диапазоне, затем укорачивают длину замедляющей системы на величину Δ lsp≤ 0,1 lsp и снова измеряют все резонансные частоты fom2 в этом же диапазоне частот, определяют коэффициенты замедления nm на резонансных частотах и электродинамические параметры замедляющей системы расчетным путем по приведенным формулам, строят дисперсионные зависимости a= a(f), где а - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты fom. Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения резонансным методом электродинамических параметров, необходимых при проектировании замедляющих систем. 5 ил., 4 табл.
βzm = nm•βom,
αom = βzm/2Qom,
Zom = Rom/2αom,
Lom = βzm•Zom/ωom,
Com = βzm/Zomωom,
где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
lsp1 - длина замедляющей системы при первом измерении резонансных частот fom1 и добротностей Qom1, м;
lsp2 - длина замедляющей системы при втором измерении резонансных частот fom2 после укорочения первоначальной длины lsp1 на Δlsp, м;
Δlкрт - кажущееся удлинение замедляющей системы в режиме холостого хода, м;
λom - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте, м, λom = c/fom;
βzm - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в замедляющей системе, рад/м;
βom - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, рад/м, βom = 2π/λom;
αom - постоянная затухания электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, Нп/м;
Zom - волновое сопротивления замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
Rom - заданное погонное сопротивление проводников замедляющей системы на резонансной частоте, Ом/м;
Rсвm - сопротивление связи на оси замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
Pm - поперечное волновое число замедляющей системы на резонансной частоте, рад/м, 
Lom - погонная индуктивность замедляющей системы на резонансной частоте, Гн/м;
Com - погонная емкость замедляющей системы на резонансной частоте, Ф/м,
и строят дисперсионные зависимости a=a(f), где а - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты fom.
| Трохименко Я.К | |||
| и др | |||
| Замедляющие системы.-Киев, 1965, с.265-267 | |||
| Лебедев И.В | |||
| Техника и приборы СВЧ, ч.1.-М.: Высшая школа, 1970, с.410 | |||
| Электромагнитные замедляющие системы | |||
| Методика измерений характеристик./Под ред | |||
| Дерюгина Л.Н.-М.: МАИ, 1960, с.23 | |||
| Сазонов В.П | |||
| и др | |||
| Замедляющие системы.-М.: Сов.радио, 1966, с.132. |
