СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ МАТЕРИАЛА РЕФЛЕКТОРА Российский патент 2021 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), предназначено для измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузок в миллиметровом, сантиметровом, дециметровом и метровом диапазоне радиоволн и может быть использовано для контроля в процессе производства коэффициента отражения отражающих материалов, например используемых для изготовления рефлекторов антенн.

Известен способ измерения коэффициента отражения в открытом пространстве («Техника измерений на сантиметровых волнах». Пер. с англ. Под ред. Г.А. Ремеза. М.: изд-во Сов. Радио, 1949, стр. 333), состоящий в излучении передающей антенной электромагнитной волны в направлении отражающей поверхности, приеме отраженной волны с использованием приемной антенны, измерении амплитуд волн, отраженных от образца отражающей поверхности и эталонной отражающей поверхности с известным коэффициентом отражения и нахождении измеряемого коэффициента отражения как отношения измеренных амплитуд отраженных волн, соответствующих измеряемому образцу и эталонной отражающей поверхности.

Известно также изобретение «Способ измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающего покрытия» (RU, патент №2234101, G01R 27/06, Бюл. 22 от 10.08.04). Способ состоит в последовательном облучении сверхширокополосным сигналом радиопоглощающего покрытия и металлической пластины одинаковых размеров, приеме отраженных от них сигналов и вычислении коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия по отношению мощностей отраженных сигналов от образца материала и металлической пластины.

Недостатком указанных способов является наличие погрешности измерения, связанной с прямым прохождением волны между передающей и приемной антенной. К недостаткам этих способов следует также отнести то, что для создания синфазного волнового фронта с равномерным амплитудным распределением требуются большие расстояния, а следовательно, и большие производственные площади, что не позволяет применить эти способы для контроля в процессе производства.

В способе измерения коэффициента отражения с использованием рефлектометра, например, описанного в книге А.Н. Зайцев, П.А. Иващенко, А.В. Мыльников «Измерения на сверхвысоких частотах». М.: Изд-во стандартов, 1989, стр. 33, указанный недостаток устранен. Согласно данному способу, к входам рефлектометра присоединяют генератор СВЧ колебаний и измеряемую нагрузку, измеряют амплитуды волн на выходах рефлектометра, пропорциональных амплитудам падающей и отраженной волн, и рассчитывают коэффициент отражения как их отношение. Недостаток способа состоит в низкой точности при измерении коэффициентов отражения, по модулю близких к единице. Указанный недостаток определяется тем, что при описанном прямом методе измерений коэффициент отражения определяется отношением двух измеренных значений, измеряемых с инструментальной относительной погрешностью, составляющей величину не менее 1÷2%. Абсолютная погрешность измерения коэффициента отражения равна удвоенному значению относительной погрешности измерения амплитуд падающей и отраженной волн.

Более высокую точность измерения больших коэффициентов отражения обеспечивают непрямые методы измерения, в которых используется свойство интерференции падающей волны и отраженной от нагрузки. Известен способ измерения в волноводном тракте с использованием измерительной линии (см., например, А.Н. Зайцев, П.А. Иващенко, А.В. Мыльников «Измерения на сверхвысоких частотах», М.: Изд-во стандартов, 1989 г., стр. 35). Согласно этому способу, ко входам измерительной линии присоединяют генератор СВЧ колебаний и измеряемую нагрузку и измеряют распределение напряженности поля вдоль измерительной линии при помощи зонда, определяют ее минимальное и максимальные значения и по ним находят коэффициент отражения. Недостатком способа является то, что для его реализации требуется осуществлять с высокой точностью плавное механическое перемещение зонда. Кроме того, наличие в волноводном канале зонда приводит к искажению интерференционной картины поля в измерительной линии и снижает точность измерения.

Указанный недостаток отсутствует в способе измерения согласно патенту РФ №2362176 от 24.12.2007. Данный способ заключается в том, что излучатель, соединенный с генератором СВЧ колебаний, помещают поочередно перед эталонной отражающей поверхностью с известным коэффициентом отражения и поверхностью измеряемого образца, изменяя расстояние между излучателем и отражающей поверхностью, находят максимальное и минимальное значения амплитуды отраженной волны на входе излучателя для эталонной отражающей поверхности и измеряемого образца и по ним находят искомый коэффициент отражения. Недостаток данного способа состоит в недостаточно высокой точности измерения больших коэффициентов отражения из-за возникновения переотраженных волн между отражающей поверхностью и излучателем.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения коэффициента отражения в волноводном тракте (А.Ф. Харвей, Техника свехвысоких частот. Пер. с англ. под ред. В.И. Сушкевича. М.: «Сов. Радио» 1965, стр. 312), основанный на измерении фазы и (или) амплитуды стоячей (или) бегущей волны, возникающих при наличии нерегулярности в волноводе. Способ заключается в том, что образец материала помещают в поперечном сечении волновода, например прямоугольного, и измеряют амплитуды отраженной U_отр (или) прошедшей U_прош волны. При отсутствии значительных потерь в волноводе по значениям амплитуд отраженной или прошедшей волн находят коэффициент отражения по мощности образца материала. Для образцов с малыми потерями и толщиной значительно меньших длины волны коэффициент отражения по мощности равен

Недостаткам прототипа являются сложность выполнения устройств, реализующих данный способ измерения, связанная с необходимостью установки образца в поперечное сечение волновода и значительные габариты волновода для измерения образцов материалов в длинноволновых, например метровом, диапазонах волн.

Задачей изобретения является упрощение устройств, реализующих способ измерения и сокращение их габаритных размеров.

Поставленная задача решается за счет того, что способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки заключается в том, что образец материала устанавливают в волноводе и измеряют коэффициент прохождения, причем образец устанавливают на боковой стенке волновода, измерения коэффициента прохождения проводят дважды, сначала для эталонного образца с известным коэффициентом отражения, затем с измеряемым образцом с размерами и формой идентичными эталонному образцу и определяют коэффициент отражения образца Г_изм как

где Г_изм, Г_этал - коэффициенты отражения по мощности измеряемого и эталонного образцов,

K_{прох изм} и K_{прох этал} - измеренные для них коэффициенты прохождения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых признаков отвечающих критерию новизны.

Суть изобретения поясняется чертежами:

- на фиг. 1 представлена схема реализации измерения коэффициента прохождения эталонного образца;

- на фиг. 2 представлена схема реализации измерения коэффициента прохождения измеряемого образца;

- на фиг. 3 показана зависимость коэффициента прохождения от значения коэффициента отражения образца материала;

- на фиг. 4 показана схема устройства по заявляемому способу для измерения плоских образцов отражающих материалов в прямоугольном волноводе;

- на фиг. 5 показана структурная схема устройства для измерения K_{прох этал} и K_{прох этал};

- на фиг. 6 показано устройство по заявляемому способу для измерения плоских образцов отражающих материалов в полосковом волноводе.

Способ измерения состоит в следующем. Эталонный образец 2 с известным коэффициентом отражения Г_этал устанавливают на боковой стенке волновода 1 (Фиг. 1) и измеряют амплитуду прошедшей волны U_{прош этал}. Затем ее заменяют (Фиг. 2) на измеряемый образец 3 с неизвестным коэффициентом отражения Г_изм и измеряют амплитуду прошедшей волны K_{прош изм}. Измеренные значения коэффициента прохождения K_{прош этал} и K_{прош этал} в ДБ равны:

Известно (см., например, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, «Антенны УКВ», том. 1, М.: «Связь», 1977, стр. 53-54), что затухание в стенках волновода на единицу длины вследствие тепловых потерь равно

α_мет=R_sC,

где постоянная С определяется видом волновода, его размерами и типом волны,

R_s - поверхностное сопротивление материала стенок волновода. Конечное значение R_s приводит к наличию тепловых потерь.

Если стенки волновода являются частично полупрозрачными, т.е. содержат участок в виде сетки, это приводит к затуханию распространяющейся волны вследствие потерь на излучение. Затухание на единицу длины можно записать аналогичным образом:

α_сет=R_{s сет}C_сет,

где R_{s сет} аналогично тепловым потерям определяется потерями на изучение,

С_сет<С - коэффициент, учитывающий частичное выполнение стенок волновода из сетчатого материала.

Коэффициент отражения по мощности от материала с поверхностным сопротивлением равен (см., например, Н.П. Красюк, Н.Д. Дымович, Электродинамика и распространение радиоволн М.: «Высшая школа» 1974, стр. 198, 213):

Г≈1-4R_s/Z_c,

где Z_c - характеристическое сопротивление,

R_s - реальная часть Z_s.

Поэтому можно считать, что сетчатый материал, используемый в качестве эталона, характеризуется значением поверхностного сопротивления R_{s сет}:

Аналогично, для измеряемого материала

Эквивалентность значений R_s при нормальном падении плоской волны на плоский образец материала и аналогичных значений R_{s сет этал} и R_{s сет изм} имеет место, если распределение токов по стенке волновода подобно распределению токов на поверхности образца, облучаемого плоской волной. А именно, если линии указанных токов на поверхности образца в волноводе параллельны друг другу. В этих случаях измеренное значение коэффициента передачи отрезка волновода единичной длины с эталонным образцом равно:

а содержащего измеряемый образец, по форме и размерам аналогичный эталонному:

Иллюстрирующая зависимость коэффициента передачи от значения коэффициента отражения показана на Фиг. 3. Зависимость соответствует использованию несимметричного полоскового волновода со стандартным волновым сопротивлением Z_волн=50 Ом для двух значений ширины проводника W - 50 и 75 мм.

По измеренному K_этал при известном Г_этал находится значение С_сет и подставляется в формулу для K_изм. Значение коэффициента отражения тогда находится из соотношения:

Окончательно

Вариант устройства, реализующего заявляемый способ измерения коэффициента отражения, показан на Фиг. 4.

Устройство состоит из прямоугольного волновода 4 с фланцами 5. В узкой стенке волновода прорезано окно, в котором устанавливается эталонный, а затем измеряемый образцы. Размеры волновода выбираются из условия распространения в нем волны основного типа H₁₀ (см. например Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, «Антенны УКВ», том. 1, М.: «Связь», 1977, стр. 31-32). В месте установки должен обеспечиваться качественный электрический контакт между образцом и стенкой волновода. Способы выполнения контактного соединения хорошо известны (см. например, А.Ф. Харвей Техника сверхвысоких частот. Пер. с англ. под ред. В.И. Сушкевича М.: «Сов. Радио» 1965, стр. 106-108). Устройство через соединительные фланцы 5 присоединяется к измерительному прибору как показано на Фиг. 5.

Устройство измерений состоит из генератора СВЧ 6, двух направленных ответвителей 7 и 8, ответвляющих электромагнитые волны с амплитудами, пропорциональными амплитудам падающей U_пад и прошедшей U_прош волны, измерительного устройства, например на основе прямоугольного волновода 9, согласованной концевой нагрузки 10 и устройства 11, определяющего коэффициент прохождения:

Функции устройства измерений могут выполняться существующими радиоизмерительными приборами - векторными анализаторами цепей СВЧ необходимого диапазона частот, например ZVA40, производимый фирмой Rohde&Schwarz (диапазон частот до 40 ГГц).

Устройство согласно заявляемому способу может быть также выполнено на основе полосковых волноводов - симметричного или несимметричного (Фиг. 6). Устройство состоит из внешнего 12 и внутреннего 13 проводников.

В пластине внешнего проводника прорезано окно 14, в котором устанавливается эталонный, а затем измеряемый образцы. Размеры полоскового волновода выбираются из условия согласования со стандартным коаксиальным трактом (50 Ом). В месте установки должен обеспечиваться качественный электрический контакт между образцом и стенкой волновода. Устройство через коаксиально-полосковые переходы и соединительные кабели (на Фиг. 6 условно не показано) присоединяется к измерительному прибору как показано на Фиг. 5. Устройство измерений и вычисление коэффициента отражения аналогичны измерениям с использованием прямоугольного волновода.

Измерение коэффициента отражения образца осуществляется следующим образом:

1 - проводится предварительная калибровка устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи в соответствии с инструкцией по его использованию;

2 - в устройство согласно Фиг. 4 или Фиг. 6 устанавливается эталонный образец и производится измерение коэффициента передачи K_этал;

3 - в устройство согласно Фиг. 4 или Фиг. 6 устанавливается измеряемый образец и производится измерение коэффициента передачи K_изм;

4 - по измеренным значениям коэффициента прохождения для эталонного и измеряемого образцов коэффициент отражения измеряемого образца определяется расчетным путем согласно соотношению

Расчеты показывают, что предложенный способ измерения СВЧ нагрузок позволяет измерять коэффициенты отражения нагрузок, значение которых близко единице, с погрешностью не более 0.01. Так, из расчетной зависимости, приведенной на Фиг. 3, следует, что изменению коэффициента отражения от 0.96 до 0.98 соответствует изменение измеряемого коэффициента передачи не менее 0.4 дБ. Типичное значение точности современных измерительных приборов составляет величину не хуже 0.2…0.3 дБ.

Устройства, реализующие заявляемый способ измерения, обладают меньшими габаритами по сравнению с устройствами, осуществляющими измерение коэффициентов отражения образцов материала в открытом пространстве, в поле излучаемой волны. В этих случаях размеры образца материала должны составлять величину не менее нескольких длин волн и располагаться в дальней зоне излучателя, т.е. на расстоянии так же не меньшем нескольких длин волн. Это обстоятельство становится существенным при измерении коэффициентов отражения в метровом диапазоне волн.

Измерения в волноводном тракте не требуют использования устройств со значительными габаритами. Так при реализации измерений с использованием прямоугольного волновода габаритные размеры измерительного устройства составляют величину порядка 0.7λ×0.3λ×λ. Вариант устройства на основе полоскового волновода может иметь еще меньшие габариты - порядка 0.5λ×0.5λ×0.1λ.

Способ измерения коэффициента отражения легко реализуется с использованием серийно выпускаемых промышленностью элементов и приборов. Способ обеспечивает достижение технического результата изобретения - упрощения устройств, реализующих способ измерения больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн и уменьшение их габаритных размеров.

Способ может применяться для целей контроля материалов в производственных условиях при разработке, производстве и испытаниях развертываемых антенн, особенно длинноволновых частотных диапазонов, использующих в качестве материала рефлекторов сетеполотна различных типов.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для контроля в процессе производства коэффициента отражения отражающих материалов, например, используемых для изготовления рефлекторов космических антенн. Технический результат: упрощение устройств, реализующих способ измерения, и сокращение их габаритных размеров. Сущность: эталонный и измеряемый образцы поочередно устанавливают на боковой стенке волновода. Измеряют коэффициенты прохождения и определяют коэффициент отражения образца материала как

где Г_изм, Г_этал - коэффициенты отражения измеряемого и эталонного образцов, K_{прох изм} и K_{прох этал} - измеренные для них коэффициенты прохождения. 6 ил.

Способ измерения коэффициента отражения материала рефлектора, заключающийся в том, что образец материала устанавливают в волноводе и измеряют коэффициент прохождения, отличающийся тем, что образец устанавливают на боковой стенке волновода, измерение коэффициента прохождения проводят дважды: сначала для эталонного образца с известным коэффициентом отражения, затем с измеряемым образцом с размерами и формой, идентичными эталонному образцу, и определяют коэффициент отражения образца Г_изм как

где Г_изм, Г_этал - коэффициенты отражения измеряемого и эталонного образцов,

K_{прох изм} и K_{прох этал} - измеренные для них коэффициенты прохождения.