Лабораторные работы 5 симестр / Распределительные системы / UMP_FVP_1

переносимая волной высшего типа, не будет поступать в коаксиальный кабель, ибо штырь окажется в минимуме электрического по-

ля [15, 29, 31, 36, 37, 47, 51, 54, 56].

Описанное положение усугубляется еще и тем, что волны различных типов распространяются по волноводу с различными фазовыми скоростями, соотношения между которыми зависят от частоты (выражения (2.21)). Из-за этого интерференция между различными типами колебаний носит различный характер на разных частотах. Это ведет к тому, что частотная зависимость коэффициента передачи многоволнового волновода может быть весьма нерегулярной.

2.3 Теория направленных ответвителей

Если прорезать отверстие в металлической оболочке регулярного волновода, то часть силовых линий электрического и магнитного полей волны, распространяющейся по волноводу, проникнет в отверстие и возбудит электромагнитные колебания в пространстве, окружающем волновод, т.е. отверстие связи в общем случае является источником как магнитного, так и электрического полей, и возбуждение через отверстие эквивалентно одновременному возбуждению электрическим вибратором и рамкой. Геометрические размеры отверстия связи обычно значительно меньше длины волны, и отверстие незначительно нарушает структуру поля в волноводе. Поэтому в первом приближении можно считать, что структура поля в волноводе с отверстием такая же, как и в регулярном волноводе. Так как отверстия прорезаются в металлической стенки, на поверхности которой касательная составляющая электрического поля и нормальная составляющая магнитного поля стремятся к нулю, то через отверстие ответвляются, главным образом, нормальная к плоскости отверстия составляющая электрического поля и касательная к плоскости отверстия составляющая магнитного поля.

Ответвляющий поток энергии желательно направить по волноводу в одно какое-либо плечо (под плечом подразумевается отрезок линии передачи, через который вводится или выводится энергия). Для этого можно возбудить в связанном волноводе не одну, а две волны равной амплитуды так, чтобы в одном направлении они складывались в фазе, а в противоположном - в противофазе. Например, прорежем в

71

общей стенке двух линий передачи два отверстия на расстоянии, равном четверти длины волны в линии (рис. 2.13) [35, 47, 51, 56].

Рис. 2.13. Геометрия волновода с двумя отверстиями

Энергия поступает в плечо 1. Каждое из отверстий возбуждает в связанной линии по две волны, одна из которых поступает в плечо 3, а вторая - в плечо 4. В плече 4 волны от двух отверстий складываются в фазе, так как общая длина пути, проходимого этими волнами от плеча 1 до плеча 4, одинакова. В плечо 3 волны приходят в противофазе, так как путь волны 1 до плеча 3 через отверстие 1 короче пути волны,

приходящей из плеча 1 в плечо 3 через отверстие 2, на		. Вся ответ-
	2

вившаяся энергия поступит в плечо 4. В плече 3 амплитуда прошедшей волны равна нулю. Не ответвившаяся энергия пройдет в плечо 2.

Четырехплечное сочетание, т.е. восьмиполюсник, обладающее тем свойством, что при возбуждении любого из его плеч энергия на одно из выходных плеч не поступает и делится между двумя другими плечами, называется направленным ответвителем. Коэффициент деления мощности между плечами ответвителя зависит от его конструкции. Возможно равное деление, в одно из плеч может поступать либо вся, либо большая часть мощности и др. Качество направленного ответвителя характеризуется его направленностью и полосой частот, в

72

пределах которой сохраняется заданный коэффициент деления и направленность. Направленностью называют выраженное в децибелах отношение мощностей на входе ответвителя и на выходе того плеча, куда энергия при идеальной работе ответвителя не должна поступить.

Широкое распространение в технике СВЧ получили многодырочные направленные ответвители, с помощью которых можно получить любой коэффициент деления и сохранить его почти неизменным в широкой полосе частот при высокой направленности [35, 47, 51, 56]. Многодырочный направленный ответвитель изображен на рис. 2.14. Как видно из этого рисунка, в общей стенке двух прямоугольных волноводов прорезано несколько одинаковых отверстий на расстоянии l одно от другого. Пусть энергия поступает в плечо 1. Каждое из отверстий возбуждает в соседнем волноводе две волны H10 равной

амплитуды, одна из которых поступает в плечо 3, а вторая - в плечо 4. Оставшаяся часть энергии распространяется по основному волноводу и поступает в плечо 2. При анализе ответвителя будем предполагать, что ответвляющаяся через отверстие энергия настолько мала, что уменьшением амплитуды поля в основном волноводе можно пренебречь, т.е. рассматриваем направленный ответвитель со слабой связью. В указанном приближении:

				E	1				E	2		...		E	N		E	0
					3					2					3				(2.22)
					1					2					N			,
				E					E			...		E			E	0
					4					4					4
где E 1	и	E 1	- напряженности электрического поля волн, возбужда-
3		4

емых в отверстии 1 и бегущих соответственно в плечи 3 и 4 и т. д.

73

Рис. 2.14. Многодырочный направленный ответвитель

Число отверстий в направленном ответвителе и расстояние между ними подбираются так, чтобы электромагнитные волны от отдельных отверстий сложились в фазе в плече 4 и скомпенсировали друг друга в плече 3.

Рис. 2.15. Поперечное сечение направленного ответвителя.

Обратимся к рис. 2.15, где изображено поперечное сечение рассматриваемого направленного ответвителя. Цифрами в кружках обозначены порядковые номера отверстий. Волна, бегущая по основному

74

E42

волноводу из плеча 1 в плечо 2, возбуждает отверстия последовательно: сначала отверстие 1, затем 2 и т.д. Если начальную фазу волн Е31

и Е	1	принять за нулевую, то начальная фаза волн			Е	2	и	Е	2 , очевид-
	4					3			4
но,	равна l , волн		Е33 и	Е43 равна 2 l , волн	E3N		и		E4N равна

N 1 l . Амплитуда волны в плече 4 является геометрической суммой волн, бегущих в направлении этого плеча, т.е.

Е	4	Е	1 Е	2 ... Е	N	,	(2.23)
			4	4	4

Так как волна Е41 , прежде чем поступить в плечо 4, пройдет по нижнему волноводу путь, равный N 1 l , волны - путь, равныйN 2 l , и т.д., то с учетом начального сдвига фаз эти волны поступят в сечение N-го отверстия с фазами:

Е	1 Е	0		е N 1 l ;
	4					l e N 2 l
E	2 E		0		e			E	0	e N 1 l		;
	4
E	3 E		0		e	2 l e N 3 l E				0	e N 1 l ;			(2.24)
	4
..................................................
E	n E		0		e	N 1 l E	0	e N 1 l .
	4
Как видно, на входе плеча 4 волны Е 1												,Е 2 ,...,Е N		синфазны
											4	4	4

и суммируются арифметически, что изображено на векторной диаграмме рис.2.16 а.

Перейдем к определению напряженности поля в плече 3, суммируя в сечении отверстия 1 все волны, поступающие в это плечо.

Волна Е 2	, пройдя путь, равный l , до отверстия 2 получит фазовый
3
сдвиг βl ;	волна	E 3 - фазовый сдвиг 2βl ; волна	E N - фазовый
сдвиг N 1 βl.		3	3
		Если учесть начальный сдвиг фаз между этими вол-

нами, то в сечении отверстия 1:

75

E	1 E	0	;
	3				e l e l E
E	2 E		0					0	e 2 l ;
	3
E	3 E		0		e 2 l e 2 l		E			0	e 4 l ;,		(2.25)
	3
..............................................
E	N E			0		e N 1 l e	N 1 l E					0	e 2 N 1 l .
	3

a)

б)

в)

Рис. 2.16. Векторные диаграммы

Векторная диаграмма полей, построенная в соответствии с (2.24), представлена на рис. 2.16, б. Амплитуда суммарного поля в плече 3 равна длине вектора Е3, замыкающего многоугольник. Если так подобрать число отверстий либо расстояние между ними, чтобы векторная диаграмма полей имела вид замкнутого правильного многоугольника, изображенного на рис. 2.16, в., то напряженность поля в плече 3 станет равной нулю, т.е. рассматриваемое устройство будет идеальным направленным ответвителем. Как видно из рис. 2.16, в.,

E3 0 , когда сдвиг по фазе между полями от первого и последнего отверстий равен 2 2 l, т.е. 2 N 1 l 2 2 l, или

76

lN		,		(2.26)
	2
например, в двухдырочном направленном ответвителе l				и т.д.
			4

Если уменьшать расстояние l между отверстиями и одновременно увеличивать N так, чтобы не нарушалось равенство (2.26), то в пределе наступить момент, когда все отверстия сольются друг с другом, и мы получим непрерывную узкую однородную щель, прорезанную в общей стенке волноводов. Длина отверстия согласно (2.26) должна составлять целое число полуволн того типа волны, который распространяется в рассматриваемых волноводах.

Направленные ответвители широко применяются для контроля и измерения уровня проходящей и отраженной мощностей в линиях передачи, позволяют весьма просто осуществить измерение коэффициента отражения в линии. Направленные ответвители используются также в качестве элементов многих сложных устройств, например, фильтров, согласующих устройств и др.

Следует отметить, что прорезание отверстий в стенках волновода практически не сопровождается снижением электрической прочности волноводов.

2.4 Лабораторная работа №1 “Изучение отражающих свойств реактивных диафрагм, помещенных в СВЧ поле”

2.4.1 Описание и принцип работы установки

Целью данной работы является исследование зависимости коэффициента отражения от частоты (длины волны) СВЧ волн для трех видов реактивных диафрагм (индуктивной, емкостной и резонансной), установленных в поперечное сечение волновода.

Измерительный комплекс "Измеритель КСВН панорамный Р261" включает в себя три основных прибора: генератор качающейся частоты (ГКЧ) 61, индикатор КСВН и ослабления Я2Р-67 и комплект элементов рефлектометра разделительного выделения сигналов (в дальнейшем направленного ответвителя).

Работа измерителя основана на принципе рефлектометра разделительного выделения сигналов, пропорциональных мощности пада-

77

ющей от генератора и отраженной от измеряемого объекта (при измерении КСВН) волны [35, 36, 47, 51].

Сигнал, пропорциональный падающей и отраженной мощностям, снимается с детекторных головок, встроенных во вторичных трактах направленных детекторов.

Уровень напряжения на выходе головки направленного детектора падающей волны поддерживается постоянным системой АРМ генератора.

Уровень напряжения на выходе головки направленного детектора отраженной волны, при условии квадратичного детектирования, пропорционален квадрату коэффициента отражения измеряемой нагрузки на частоте измерения.

Шкала индикатора рассчитана на квадратичность детектирования и проградуирована непосредственно в значениях КСВН.

Основное назначение ГКЧ - генерирование высокочастотного сигнала с изменяющейся частотой и стабилизированной выходной мощностью.

Индикатор КСВН и ослабления Я2Р-67 позволяет наблюдать на экране электроннолучевой трубки частотные характеристики КСВН и ослабления и производить отсчет измеряемых величин по шкалам отсчетного устройства в автоматическом, и ручном режимах перестройки частоты ГКЧ.

Работа рефлектометра основана на свойстве направленного детектора сигнал СВЧ, распространяющийся в одном направлении и не реагирующий на противоположно направленный сигнал. Величина неравномерности частотной характеристики определяет одну из основных составляющих погрешности прибора в диапазоне частот при работе в автоматическом режиме перестройки частоты.

Для получения идентичных частотных характеристик направленных детекторов в детекторных концах имеется подстройка в виде подвижных короткозамыкающих плунжеров.

Величина направленности направленых детекторов, входящих в комплект, составляет 37-38 дБ.

Согласованная нагрузка используется как оконечный поглощающий элемент.

Короткозамыкатель используется для грубой калибровки при-

бора.

78

Волноводные направленные детекторы представляют собой два волновода, имеющие общую широкую станку с двумя рядами отверстий связи, размеры которой подчиняются закону распределения Чебышева.

Первичный волновод с обеих сторон оканчивается фланцами. Во вторичном волноводе в одном конце расположен поглотитель в виде пирамиды, в другом конце расположена встроенная детекторная головка с диодом и подвижный плунжер из ферроэпоксида.

В основу построения структурной схемы панорамной измерителя КСВН и ослабления положен принцип раздельного выделения и непосредственного детектирования сигналов падающей и отраженной волн. Способ раздельного выделения падающей и отраженной волн заключается в следующем. Сигнал, пропорциональный мощности, падающей на нагрузке направленным ответвителем падающей волны. Сигнал, отраженный от исследуемой нагрузки, выделяется направленным ответвителем отраженной волны.

Коэффициент отражения определяется как отношение по фор-

муле:
R	U отр	,	(2.27)
	U пад
где R - модуль коэффициента отражения по напряжению; Uотр			- ам-

плитуда продетектированного напряжения отраженной волны; U пад -

амплитуда продетектированного напряжения падающей волны. Коэффициент стоячей волны (КСВН) связан с коэффициентом

отражения соотношением:
	Kсвн	1		R		.		(2.28)
	1			R
Отсюда:
	(Kсвн 1)				Eотр
R							.	(2.29)
	(Kсвн 1)				Eпад
	79

СВЧ сигнал, поступающий на исследуемую нагрузку, промодулирован частотой 100 кГц. Ввиду этого, на выходах детекторов, детектирующих сигналы, пропорциональные мощности отраженной и падающей волн, имеется напряжение частотой 100 кГц. Эти напряжения пользуются в индикаторе для определения измеряемой величины.

Из принципа работы всего комплекса следует, что в индикаторе осуществляется усиление напряжений падающей и отраженной волн (на частоте модуляции СВЧ сигнала), деление их, детектирование, визуальная индикация на экране ЭЛТ и непосредственный отсчет по шкальному устройству.

Усилитель отраженной волны, используемый в индикаторе, предназначен для усиления сигнала отраженной волны. Совместно с усилителем падающей волны в ней осуществляется деление сигнала отраженной волны на сигнал падающей волны. Таким образом, на выходе усилителя получается сигнал, пропорциональный отношению напряжений на входах канала отраженной волны и канала падающей волны. Кроме того, в усилителе отраженной волны осуществляется регулировка усиления при калибровке прибора.

Усилитель падающей волны в индикаторе предназначен для усиления сигнала падающей волны. Совместно с усилителем отраженной волны в нем осуществляется деление сигнала отраженной волны на сигнал падающей волны. Кроме того, в усилителе падающей волны предусмотрена возможность электрического управления коэффициентом усиления. Напряжение, управляющее коэффициентом усиления, поступает от генератора.

2.4.2 Подготовка к выполнению работы

Подготовка прибора к работе и калибровка.

Внимание! При работе с измерителем необходимо соблюдать правила техники безопасности работы с СВЧ приборами. Открытые концы направленных детекторов необходимо нагружать согласованными нагрузками. При сборке и разборке СВЧ канала тумблер СВЧ генератора должен быть выключен.

Для соединения выходов детекторов направленных с выходами падающего и отраженного сигналов в индикаторе и выхода АРМ индикатора с входом АРМ ГКЧ используются соединительные двухоплеточные кабели К-9 из комплекта прибора.

80