СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУД ТИПОВ ВОЛН В МНОГОВОЛНОВОМ ВОЛНОВОДЕ Советский патент 1970 года по МПК G01R21/06 

Изобретение относится к области измерительной техники СВЧ и может быть использовано для качественного и количественного анализов сложного поля в многоволновом волноводе (определения типов и относительных амплитуд волн), а также других измерений параметров волноводных элементов и систем.

Известен способ определения типов волн в многоволновом волноводе путем гармонического анализа диаграмм излучения из открытого конца волновода с перпендикулярной к его оси плоскостью апертуры. Однако разрешающая способность такого способа анализа поля низка. Если при наличии, например, в смеси двух типов волн их амплитуды имеют разный порядок, то на фоне диаграммы излучения доминирующей волны практически невозможно определить наличие излучения волны другого типа. Даже в том случае, когда волны в смеси имеют одинаковый порядок, так как они приходят к апертуре в произвольных фазах, обработка результатов измерений (разложение суммарной диаграммы излучения в ряд Фурье) является трудоемкой.

По предлагаемому способу для увеличения точности измерения открытый конец волновода выполняют в виде плоского среза стенок волновода под углом к его продольной оси, равным или несколько меньщим, например на

1-5°, утла Бриллюэна для волны низшего типа.

При излучении смеси волноводных волн из открытого конца волновода с плоскостью апертуры, составляющей с его осью угол, равный или меньший угла Бриллюэна для волны низшего типа (косого среза волновода) в плоскости, заключающей в себе большую ось эллипса и ось волновода, каждая волна формирует один (притом весьма узкий) лепесток. Налравление максимума излучения каждой волны в указанной плоскости не совпадает с осью волновода, а составляет с ней угол, однозначно определяемый собственным значением волны данного типа и поперечными размерами волновода. Этот угол практически совпадает с теоретическим углом Бриллюэна для волны данного типа. Диаграмма смеси волн из косого среза в указанной плоскости состоит из ряда лепестков, каждый из которых представляет собой диаграмму излучения волны определенного типа (причем диаграмма не зависит от взаимной фазировки отдельных типов волн

в смеси), а следовательно, есть не что иное, как спектральное разложение сложного поля в многоволновом волноводе по типам собственных волн. Соотношение уровней максимумов с учетом коэффициентов направленности

однозначно определяет относительные амплитуды этих волн в исследуемой смеси.

Предлагаемый способ позволяет производить качественный и количественный анализы поля в волноводе и другие измерения непосредственно по диаграммам излучения из косого среза волновода без какого-либо гармонического анализа результатов измерений. Способ отличается высокой разрешающей способностью. Процесс измерения диаграмм излучения легко автоматизируется, что существенно сокращает необходимое для измерений рабочее время. Предлагаемый способ пригоден на весьма коротких волнах (вплоть до субмиллиметров) и не требует каких-либо специальных дорогостоящих приборов.

На фиг. 1 показан излучатель с эллиптической аппаратурой (косой срез волновода круглого сечения), реализующий предлагаемый способ; на фиг. 2-диаграмма излучения волны Яц из косого среза в плоскости XOZ для нервой поляризации; на фиг. 3 - диаграмма излучения волны Яи из косого среза в плоскости X.OZ для второй поляризации; на фиг. 4 - блок-схема изл1ерительной установки.

Условно принято называть поляризацию падающей волны первой, если вектор Е параллелен малой оси эллипса среза (или оси ) и второй - если вектор Е перпендикулярен малой оси эллипса среза (или параллелен оси ОХ}.

Способ спектрального разложения сложного поля в многоволновом волноводе по типам волн основан на свойствах диаграмм излучения волн разных типов из открытого конца волновода, плоскость апертуры которого |ОУ составляет с осью волновода OZ угол ее, равный или меньщий угла Бриллюэна 8 для волны данного типа.

Если разложить волноводную волну на плоские волны, то угол 8 указывает направление распространения этих волн по отнощению к оси волновода.

При а 8 диаграмма излучения волны данного типа качественно отличается от диаграммы излучения той же волны из обычного

открытого конца, волновода с а -7- . При

дальнейщем уменьщении ее, т. е. когда а в, диаграмма излучения практически не меняется. Таким образом, если выбрать а - вя

(где arcsion ©я - угол Бриллюэна для волны типа Я для волновода круг2и

лого сечения, Л - - волновое число в

.свободном пространстве; а - радиус волновода; Лц - собственный корень уравнения) для волны низщего типа, то для всех распространяющихся в волноводе волн будет выполняться условие а 0.

формирует в плоскости JOZ один, причем liecbMa узкий, лепесток с линейной гюлярпзацией поля. Паправлспие максимума излучения при этом для любой из волн не совпадает с осью волновода, а отклоняется от нее в сторону оси ОХ на угол 8, практически совпадающий с расчетным углом Бриллюэна для волны данного типа. Так как угол 0 для каждой волны зависит только от ее собственного значения (при заданных длине волны 1 и радиусе -во.тновода а), то каждому типу волны соответствует одно определенное направление максимума излучения. Что касается вырожденных волн, например Я и Ян, то хотя у них направление максимума излучения в плоскости XOZ одно и то же, они различаются по поляризации ноля. Величина максимума излучения для волны определенного типа пропорциональна мощности, переносимой этой волной по

волноводу, и коэффициенту направленности ее диаграммы излучения.

Таким образом, в случае, когда в волноводе распространяется смесь волн „„ и Я„„, суммарная диаграмма излучения из косого среза

волновода а 0я„ представляет собой спектральное разложение сложного поля в нем по типам собственных волн. При этом дискретный спектр углов, соответствующих отдельным максимумам, однозначно связан с дискретным спектром собственных волн в волноводе и позволяет непосредственно определить качественный состав смеси (типы волн, входящих в данную смесь). Соотнощение максимумов излучения с учетом коэффициентов направленности диаграмм отдельных волн (при более строгом рассмотрении КСВ) однозначно характеризует при этом относительные мощности, переносимые волнами разных типов в волноводе.

Как показывает анализ диаграмм излучения из косого среза с а 8яи отдельных типов волн, одни из них формируют в плоскости XOZ лепестки при первой поляризации волны в волноводе, а другие - при второй. Исключение составляет волна Яц, которая имеет лепестки в указанной плоскости для обеих поляризаций. Следовательно, для полного анализа поля в волноводе необходимо снять диагра.ммы излучения из косого среза с а 8яи в

плоскости XOZ для двух поляризаций. Это разделение спектра типов волн по поляризациям эквивалентно разделению волн в волноводе на электрические и магнитные (кроме волны Яц). Благодаря этому разделению полного спектра на спектр электрических и спектр магнитных волн существенно возрастает разрешающая способность предлагаемого способа. Методика спектрального разложения сложлого поля во многоволновом волноводе по.типам собственных волн состоит в том, что необходимо снять диаграммы излучения исследуемой смеси волн косого среза с а ; дусмотрены специальные вращающиеся сочленения) при неподвижном излучателе (косом срезе) и двух взаимно перпендикулярных положениях приемлика. После записи соответствующих диаграмм, вращая возбудитель смеси вокруг оси OZ, необходимо установить поляризацию и число вариаций по азимуту для каждой волны, формирующей тот или другой лепесток диаграммы. По углам отклонения максимумов излучения, поляризации излучаемого поля относительно оси ОУ косого среза и числу вариаций каждого лепестка по азимутальному углу ф однозначно определяются типы, относительные амплитуды и взаимная поляризация волн, составляющих смесь в волноводе. Излучатель / состоит из генератора 2, возбудителя 3 исследуемой смеси, двух вращающихся сочленений 4, служащих для поворота поляризации смеси относительно оси ОУ косого среза волновода (излучателя), безэховой камеры 5, координатора 6 с приводом от электромотора 7, стойки 8 приемника с прямоугольным приемным рупором 9 и детекторной головки 10. Сигнал приемника и опорное напряжение с генератора 2 усиливаются усилмтелем У/ сигнала и усилителем 11 опорного напряжения и подаются на синхронный детектор 13. Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора поступает на входные клеммы самопишущего прибора 14. Управление координатором 6 и лентоиротяжным механизмом самописца осуществляется соответствующими переключателями на пульте 15 управления и концевыми выключателями. Предмет изобретения Способ измерения амплитуд типов волн в многоволновом волноводе на основе анализа амплитудной и поляризациопной диаграмм излучения открытого конца волновода, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения, открытый конец волновода выполняют в виде плоского среза стенок волновода под углом к его продольной оси, равным или несколько меньщим, например на 1-5° угла Бриллюэна для волны низщего типа.

Ш

Р/А-„

ал

0,5

wax 70 6050 0 JO 20 Ю О Ю ZQ 70 60

10

ФиеМ 50 W зо 20 Ю О 10 2030 0 50 8° Фив 3