Устройство для измерения разности фазовых скоростей в связанных линиях передачи

 

Использование: в технике СВЧ. Сущность изобретения заключается в измерении фазовых соотношений в режиме бегущих волн. Устройство содержит делитель 1 мощности, переключатель 2 на два канала, волноводный двойной Т-мост 3, линию 4 переменной длины, развязывающие первый, второй и третий аттенюаторы 5, 6 и 7, отрезки линий 7, 8, линий СВЧ, равные по длине, исследуемую связанную линию 10 передачи, согласованную нагрузку 11, фазометр 12, отрезок 13 линии передачи, СВЧ-генератор 14. Исследуемая связанная линия 10 передачи включается между выходами волноводного двойного Т-моста, измерительным входом фазометра 12 и согласованной нагрузкой 11. Цель изобретения - увеличение точности и однозначности результатов измерения, обеспечение возможности измерения для любого вида связанных линий и на любой частоте диапазона частот. 1 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ.

Вопросу определения фазовых скоростей v_е для четной и v_o нечетной волны в связанных линиях передачи придается большое значение. Действительно связанные линии передачи являются основной частью большой группы направленных ответвителей (НО) различных типов. Независимо от типа НО практически не существует НО, для которого обеспечивается баланс фазовых скоростей v_e, v_o. Это и является причиной снижения направленности НО. Причинами условия v_e ≠ v_o является целый ряд факторов наличие неоднородных областей перехода от связанных линий к несвязанным, стыки секций связи при многосекционной структуре связанных линий НО, неидеальное равенство эффективных значений диэлектрических проницаемостей ε_эфе, ε_эфо для распространения четной и нечетной волны в НО с применением диэлектрических материалов.

Известны измерители разности фаз сигналов в диапазонах СВЧ, с помощью которых можно измерить фазовые соотношения для СВЧ-четырехполюсников. Однако для проведения таких тонких исследований, как определение разности фаз при прохождении четных и нечетных волн в связанных линиях передачи, характеризующих направленные свойства, нельзя произвести непосредственные измерения с помощью фазометров, так как необходимо создавать особые условия для возбуждения четных и нечетных волн и измерения фазовых соотношений. Поскольку явления, возникающие в многосекционных связанных линиях, настолько сложны, что не поддаются теоретическому исследованию в полной мере, то экспериментальным методом исследования этих явлений отдается безусловное предпочтение.

Известен резонансный метод измерения, заключающийся в том, что возбуждается резонанс в отрезке связанных линий, соединенных через зазоры с источником СВЧ-сигналов и измерительным прибором (измерителем КСВН). При обеспечении синфазной и противофазной запитки через емкостные зазоры концов связанных линий возникают два резонансных отклика для четной и нечетной волны, которые фиксируются как резонансные частоты f_е и f_o. Эти резонансные частоты связаны с фазовыми скоростями соотношениями v_e,o= (1) где n 1, 2, 3, L длина связанных линий; f_е,о резонансные частоты для четной и нечетной волны соответственно.

Основной недостаток установки (1) в ограниченности области применения. Частоты f_e,o достаточно четко и однозначно определяются, если область связи представляет собой однородный участок с постоянным коэффициентом связи. Реальная область связи НО всегда существенно сложней (вышеупомянутые неучитываемые неоднородные области, стыки секций связи, неоднородность диэлектриков). При попытке изучить реальные области связи с помощью резонансного метода возникает сложная картина многочисленных резонансных частот, обусловленная многократными отражениями и переотражениями от ряда неоднородностей, секций связи с различными коэффициентами связи. Недостатком установки (1) является также то, что резонансные измерения могут быть проведены на дискретных частотах, далеко разнесенных друг от друга, т.е. не обеспечивается подробная зависимость разности фазовых скоростей от частоты. Определенным недостатком (1) можно считать и необходимость отсчета каким-то образом разности фаз на 180^о для линий переменной длины (ЛПД) при проведении измерений в режиме синфазной и противофазной запитки исследуемых связанных линий. В связи с этим вместо режима резонансных стоячих волн, создающего сложную картину из-за многократных отражений, целесообразно использовать режим бегущих волн.

На чертеже приведена блок-схема устройства для измерения разности фазовых скоростей в связанных линиях передачи.

Устройство содержит делитель 1 мощности, переключатель 2, волноводный двойной Т-мост 3, ЛПД 4, первый аттенюатор 5, второй аттенюатор 6, третий аттенюатор 7, равные по длине отрезки 8, 9 линий СВЧ, исследуемую связанную линию 10 передачи, согласованную нагрузку 11, фазометр 12, отрезок 13 линии передачи, СВЧ-генератор 14.

Устройство для измерения разности фазовых скоростей в связанных линиях передачи работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал от СВЧ-генератора 14 поступает на вход делителя 1 мощности, с одного из выходов которого через аттенюатор 5 и отрезок 13 линии передачи часть мощности подается на опорный вход фазометра 12. С другого выхода делителя 1 высокочастотная мощность подается на вход переключателя 2 (который может быть электромеханическим или электрически управляемым полупроводниковыми элементами). С выхода переключателя сигнал поступает непосредственно на синфазный вход (Н-вход) или через (отрезок линии) ЛПД 4 на противофазный вход (Е-вход) волнового двойного Т-моста 3. Т-мост выбирается, во-первых, широкополосным (с многоактивным перекрытием по частоте), во-вторых, он обладает свойством при подаче сигнала на Н-вход (синфазный) обеспечивать два равных по амплитуде и фазе сигнала на его выходах, а при подаче сигнала на Е-вход (противофазный) на выходах появляются два сигнала равной амплитуды, но отличающиеся по фазе на 180^о, причем свойство фазировки не зависит от частоты и сохраняется с точностью до 0,5-1^о во всем рабочем диапазоне частот. Сигналы с выходных плеч волноводного двойного Т-моста 3 через второй и третий аттенюаторы 6 и 7 в режиме измерения поступают через равные по длине отрезки 8 и 9 линий СВЧ к соответствующим входам исследуемой связанной линии 10. Перед основным измерением установка должна быть откалибрована. Это осуществляется следующим образом.

Уточняется равенство длин отрезков 8 и 9 линий СВЧ. Для этого переключатель 2 устанавливается в положение "а" и мощность поступает на Н-вход волноводного двойного Т-моста 3. Подключая поочередно отрезки 8 и 9 линий СВЧ к измерительному входу фазометра 12 (подсоединяя при этом выходной конец отрезка 8 или 9 соответственно к согласованной нагрузке 11), убеждаемся, что в обоих случаях разность фаз между опорным и измерительным каналами фазометра 12 остается одинаковой. Далее переключатель 2 устанавливается в положение "б" и сигнал через (отрезок линии) ЛПД 4 поступает на Е-вход волноводного двойного Т-моста 3. Так как электрические длины от выхода "а" переключателя 2 и от выхода "б" переключателя до входных Н- и Е-плеч волноводного двойного Т-моста могут быть различными, следует, например, выходной конец отрезка 8 подключить к измерительному входу фазометра 12 и, меняя электрическую длину (отрезка линии) ЛПД 4, добиться того, что при переключении переключателя 2 в положениях "а" и "б" фазовые показатели фазометра не изменялись. Теперь осуществляется такой режим измерения, при котором на выходе отрезка 8 фаза сигнала одинакова, поступает ли входная мощность на Н-вход волноводного двойного Т-моста 3 или на его Е-вход. Однако при этом в силу свойства волноводного двойного Т-моста на выходном конце отрезка 9 линии сигнал имеет ту же фазу, что и на отрезке 8, при подаче сигнала на Н-вход волноводного двойного Т-моста, и фазу, отличающуюся на 180^о относительно отрезка 8, если сигнал подается на Е-вход волноводного двойного Т-моста. Очевидно, что в силу симметрии схемы и свойства волноводного двойного Т-моста 3 амплитуды сигналов на выходах отрезков 8 и 9 равны в каждом из режимов. Таким образом, на выходах отрезков 8 и 9 осуществляется режим синфазного (при положении "а" переключателя 2) или противофазного (при положении "б" переключателя) возбуждения для исследуемой связанной линии 10 передачи, к входам которых подводятся сигналы.

Как известно, на практике ни в одном направленном ответвителе не выполняется равенство фазовых скоростей при четном и нечетном возбуждении связанных линий. Установить количественно это явление чрезвычайно сложно, если ответвитель содержит многокаскадную область связи с различными коэффициентами связи, неоднородное диэлектрическое заполнение, неучитываемые переходные области к несвязанным линиям. Как было отмечено, применение резонансных методов не обеспечивает четкой картины, расшифровки сложных явлений из-за наличия множества резонансных частот, обусловленных большим количеством неоднородностей (стыки секций связи, переходы к несвязанным линиям). Поэтому применение в данном устройстве режима бегущей волны снимает большинство неопределенностей и дает однозначное определение разности фаз, связанной с разностью скоростей при обеспечении режимов четного и нечетного возбуждения линий связи. По данной схеме один из выходов исследуемой связанной линии 10 передачи подключается к согласованной нагрузке 11, а выходной конец второй связанной линии подключается к измерительному каналу фазометра 12. Теперь, переключая переключатель 2, можно обнаружить разность фаз ϕ_e-ϕ_o при первом и втором измерении, т. е. в режиме синфазного возбуждения связанной линии (переключатель 2 в положении "а") и в режиме противофазного возбуждения (переключатель в положении "б"). Разность фаз Δϕ=ϕ_e-ϕ_o можно связать соотношением с фазовыми скоростями v_e и v_o: Δϕ L·f где L геометрическая длина области связи; f частота источника СВЧ-сигнала.

Получив эти данные измерения, можно принимать необходимые меры, ускоряя или замедляя одну из волн. Например, если Δϕ>0, то это означает v_e < v_o и, следовательно, надо замедлить скорость v_o в связанных линиях. И, наоборот, если Δϕ<0, то имеет место неравенство v_e > v_o и следует замедлить скорость v_e.

Особенностью предлагаемой схемы является то, что ЛПД находится за пределами противофазного делителя, до расщепления сигнала на равные и противофазные составляющие и, таким образом, не нарушает в отличие от делителя в прототипе амплитудный баланс в выходных плечах волноводного двойного Т-моста 3. Не требуется также проверка противофазности за счет регулировки ЛПД, как в прототипе, так как в данной схеме она обеспечивается автоматически свойствами волноводного двойного Т-моста. Особенностью совместной работы переключателя 2, ЛПД 4 и волноводного двойного Т-моста 3 является возможность установки одинаковой фазы сигнала на одном входе исследуемой связанной линии 10 передачи и обеспечения на другом входе синфазного или противофазного сигнала равной амплитуды. Благодаря согласованной нагрузке 11, подключенной к одному из выходов исследуемой связанной линии 10 передачи, обеспечивается режим бегущей волны и определение разности фаз между двумя режимами возбуждения этой линии передачи.

В данном устройстве ЛПД играет другую роль, чем в прототипе, где с ее помощью обеспечивается дополнительный сдвиг на 180^о и режим противофазности, который должен быть чем-то проверен.

В устройстве для измерений разности фазовых скоростей в связанных линиях передачи синфазность и противофазность обеспечиваются автоматически, ЛПД нужна только для подгонки одинаковой фазы в двух режимах возбуждения на входе исследуемой связанной линии 10 передачи, индикация выравнивания фазы в этом случае осуществляется тем же фазометром 12. Включение согласованной нагрузки 11 на одном из выходов исследуемой связанной линии 10 создает режим бегущей волны, а применение дополнительного аттенюатора 5 для подачи опорного сигнала на фазометр позволяет без механических переключений сравнить разность фаз двух типов волн.

Входной сигнал разветвляется на три канала, один из них опорный, поэтому остаются два канала, которые могут независимо сравниваться с опорным и позволять устанавливать требуемые фазовые соотношения контролем того же фазометра.

Таким образом устройство для измерения разности фазовых скоростей в связанных линиях передачи имеет следующие преимущества. Измерение разности фаз в режиме бегущей волны вместо резонансных измерений в режиме стоячей волны существенно уменьшает влияние многократных переотражений, избавляет от возможных ложных результатов измерений из-за появления дополнительных резонансных частот, обеспечивает достоверное и с более высокой точностью определение разности фазовых скоростей. Измерения можно провести на любой частоте в любом участке диапазона частот. После проведения калибровки переключением переключателя осуществляется прямоотсчетное измерение разности фаз для четной и нечетной волн, что исключает благодаря быстроте перехода от калибровки к измерению влияние возможных нестабильностей источника сигнала, случайных погрешностей измерений.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗОВЫХ СКОРОСТЕЙ В СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ, содержащее СВЧ-генератор, подключенный к делителю мощности, линию переменной длины и фазометр, измерительный вход которого предназначен для подключения одного из выходов исследуемой связанной линии передачи, отличающееся тем, что в него введены первый аттенюатор, подключенный между одним выходным плечом делителя мощности и опорным входом фазометра, второй и третий аттенюаторы, подключенные к соответствующим входам исследуемой связанной линии передачи, переключатель, вход которого соединен с другим выходным плечом делителя мощности, волноводный двойной Т-мост, боковые плечи которого подключены к соответствующим входам второго и третьего аттенюаторов, Н-плечо соединено с одним выходом переключателя, Е-плечо через линию переменной длины с другим выходом переключателя, и согласованная нагрузка, подключенная к другому выходу исследуемой связанной линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1