7.4 Поняття про еталони параметрів трактів з розподіленими постійними

В НВЧ-діапазоні застосовують два основних види ліній передавання (трактів) – коаксіальну лінію (рис. 7.16а) і хвилевод (рис. 7.16б). Конструкції, геометричні розміри і форма цих трактів можуть бути різними в залежності від частоти і призначення.

а б

Рис. 7.16. Коаксіальна лінія (а) і хвилевід (б)

Основними параметрами, які нормуються в лініях передавання, є:

• коефіцієнт стоячої хвилі за напругою або струмом (КСХН) − відношення максимального і мінімального значення напруги і струму в лінії передавання

, (7.9)

де − координата місця вимірювання вздовж лінії;− позначення КСНХ в формулах;

• хвилевий опір лінії передавання – відношення

; (7.10)

• повний опір лінії передавання , який змінюється впродовж лінії віддо мінімуму;

• коефіцієнт відбиття (КВ) являє собою відношення напруги відбитої хвилідо напруги падаючої хвилі

, (7.11)

де − різниця фаз між і.

Коефіцієнт відбиття, виражений через хвильовий опір лінії і повний опіру перетині лінії, що проходить через початок відліку, має вигляд

. (7.12)

Поміж модулем коефіцієнта відбиття і КСНХ існує простий зв'язок:

; .

Для забезпечення єдності вимірювань параметрів трактів із розподіленими постійними, враховуючи, що ці параметри пов’язані між собою відомими співвідношеннями, достатньо створити еталон одного параметра на базі пристрою, який може бути реалізований у вигляді простих геометричних форм, що піддаються електродинамічному розрахунку. Таким параметром є коефіцієнт відбиття, а роль первинного еталона КВ для хвилеводів виконує чвертьхвильова () секція короткозамкнутого хвилеводу (рис. 7.17).

Чвертьхвильова довжина лінії забезпечує мінімальний вплив на КВ фланцевого з'єднання, оскільки на відстані від короткого замикання струми в лінії практично відсутні і неідеальність фланцевих з'єднань не проявляється. В ідеальному випадку КВ такого відбивача дорівнює одиниці, реально він становить близько 0,9995 (похибка порядку 2·10^-4).

При порівнянні пристроїв, що мають малі значення КВ (0,01 і менше), з еталонним короткозамкнутим відбивачем виникає необхідність вимірювань відношень сигналів 40 дБ і більше, що пов’язано з помітним ростом похибки. Тому необхідно мати еталонні відбивачі з КВ порядку 0,1.

На рис. 7.18 показано кілька конструкцій відбивачів на хвилеводах прямокутного перетину, для яких можна розрахувати КВ менше одиниці.

На рис. 7.18 (а) подано приклад так званої нерегулярності апертурного типу, розрахунок коефіцієнта відбиття якої ведеться на основі теорії Беті за формулою:

, (7.13)

де − довжина хвилі у хвилеводі і вільному просторі відповідно.

Інші три конструкції на рис. 7.17 являють собою приклади перешкод з циліндричною симетрією, розташованих у хвилеводі, які також піддаються розрахунку. Похибка відтворення таких проміжних мір КВ становить близько 1 %.

У працездатних хвилеводах можна встановити однозначну відповідність між модулем коефіцієнта відбиття і його фазою:

.

Таким чином, еталонні відбивачі на основі реактивних елементів одночасно є мірами фазового зсуву.

До складу еталона входять також міри хвильового опору – відрізки еталонного хвилевода. За наявності надійних мір КВ точність передачі одиниці (градуювання навантажень) визначається похибкою компаратора, призначення якого – вимірювання відношення КВ навантаження, що повіряється, до КВ еталонного навантаження.

Як компаратор в еталоні Росії застосовується рефлектометрична установка. Вимірювання полягає в порівнянні сигналів, відбитих від еталонної міри КВ і міри, яка повіряється.

Наведемо типові метрологічні характеристики еталона коефіцієнта відбиття в діапазоні 2,54 – 37,5 ГГц:

діапазон вимірювань:

за модулем КВ 0 – 1;

за фазою КВ 0 – 360 град;

номінальні значення КСХН 1,05; 1,2; 1,4; 2,0; 4,5;

похибка відтворення модуля КВ:

НСП (2-10)·10^-3;

СКВ (3-5)·10^-3.

Принцип побудови еталонів для коаксіальних трактів близький (рис. 7.18).

а б

Рис. 7.18. Первинний еталон хвильового опору в коаксіальних трактах (а)

і набори мір для кожного типу коаксіального тракту (б)

До складу еталона входять набори еталонних мір хвильового опору: розрахункові відрізки прецизійних коаксіальних ліній різної довжини; еталонні вимірювачі відношень амплітуд відбитої і падаючої хвиль (вимірювачі КСХН), що використовуються одночасно як компаратори; міри хвильового (вхідного) опору на різні номінальні значення [23]. Очевидно, що похибки еталона залежать від точності виготовлення коаксіальних ліній і вимірювання їхніх геометричних розмірів.

Як вторинні і робочі еталони застосовуються прецизійні міри КВ і хвильового опору, а також вимірювачі відношення амплітуд відбитої і падаючої хвиль (вимірювачі КСХН).