Способ определения параметров замедляющих систем

 

Способ включает возбуждение СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, концы которой оставляют разомкнутыми, измерение и регистрацию всех резонансных частот f o_m1 и добротностей Q_om1 на этих частотах в заданном диапазоне, затем укорачивают длину замедляющей системы на величину Δ l_sp≅ 0,1 l_sp и снова измеряют все резонансные частоты f_om2 в этом же диапазоне частот, определяют коэффициенты замедления n_m на резонансных частотах и электродинамические параметры замедляющей системы расчетным путем по приведенным формулам, строят дисперсионные зависимости a= a(f), где а - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om. Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения резонансным методом электродинамических параметров, необходимых при проектировании замедляющих систем. 5 ил., 4 табл.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, точнее к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях электродинамических параметров (ЭДП) различных линий передачи (ЛП) электромагнитных волн (ЭМВ), в частности замедляющих систем (ЗС).

Известен способ измерения дисперсионной характеристики (ДХ) ЭС в режиме стоячих волн [1, стр. 265; 2, стр. 410], включающий возбуждение ЗС, закороченной на конце, СВЧ- колебаниями через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) в заданной полосе частот, определение с помощью зонда, введенного в ЗС и перемещаемого вдоль ЗС, соседних точек минимума показаний индикаторного прибора на заданных дискретных частотах f_m, расположенных внутри заданного диапазона, и фиксирование этих точек X_1m и X_2m, определение коэффициента замедления n_m на каждой частоте f_m по формуле где m - номер заданной дискретной частоты, m = 1,2,3...; λ_om - длина волны в свободном пространстве, λ_om= c/f_m, с = 3 · 10⁸ м/с, и построение ДХ n=n(f) в заданной полосе по рассчитанным n_m.

Устройство для измерения ДХ содержит [2, стр. 410, рис. 11.29] генератор СВЧ, волномер, подключенный к первому выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные переменный аттенюатор и закороченную на конце ЗС, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные зонд, введенный в ЗС, детекторную секцию и индикаторный прибор.

Измерение коэффициента замедления n_m на заданной дискретной частоте f_m производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ЗС на заданной частоте f_m внутри заданного диапазона частот, устанавливая частоту f_m по волномеру. Передвигая зонд вдоль ЗС, находят и фиксируют точку X_1m, в которой показания индикаторного прибора минимальны. Снова передвигают зонд вдоль ЗС и находят справа или слева от точки X_1m соседнюю точку X_2m с минимальными показаниями индикаторного прибора и фиксируют ее. Рассчитывают n_m на частоте f_m по формуле (1). Измеряют точки минимумов на других частотах, рассчитывают n_m на этих частотах. По рассчитанным значениями n_m строят ДХ n= n(f).

Недостатком аналога является сложность измерений и значительные погрешности, связанные с необходимостью согласования входа ЗС со ВЧИТ до получения режима бегущей волны во всем заданном диапазоне частот.

Известен резонансный способ измерения ДХ ЗС [3, стр. 23], включающий возбуждение ЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе (ОЦР) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ-колебаниями от генератора СВЧ в заданном диапазоне частот, перестройку частот генератора СВЧ до нахождения первой резонансной частоты f₀₁ и регистрацию этой частоты, перестройку частоты генератора СВЧ до нахождения и регистрации второй f₀₂, третьей f₀₃ и т. д. резонансных частот, определение коэффициента замедления n_m на каждой из резонансных частот f_0m по формуле где m - номер резонанса, m = 1,2,3...; λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й резонансной частоте, λ_om= c/f_om, с = 3 · 10⁸ м/с; lsp -длина ЗС, и построение ДХ ЗС n=n(f) по рассчитанным значениям n_m.

Устройство для измерения ДХ резонансным способом содержит [1, стр. 268, рис. 168] генератор СВЧ, волномер, подключенный к первому выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные первый зонд, ОЦР с ЗС, закороченной на торцевые стенки ОЦР, второй зонд, детекторную секцию и индикаторный прибор, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ, при этом связь первого и второго зондов с ЗС в ОЦР осуществляют слабой с помощью петель связи.

Измерение коэффициента замедления n_m на резонансных частотах производят следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают ОЦР с ЗС от генератора СВЧ через первый зонд в виде петли связи. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения первого резонанса в ЗС на частоте f₀₁. Наличие резонанса определяют по максимуму показаний индикаторного прибора. Регистрируют частоту f₀₁ с помощью волномера. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения второго f₀₂, третьего f₀₃ и т.д. резонансов в ЗС в заданном диапазоне частот. Регистрируют по волномеру эти частоты. Определяют коэффициент замедления n_m на каждой резонансной частоте по формуле (2) и строят ДХ n= n(f) по рассчитанным значениям n_m.

К недостаткам второго аналога можно отнести работу только с закороченной на торцы ОЦР ЗС и невозможность определения других ЗДП ЗС, необходимых при ее проектирования других ЗДП ЗС, необходимых при ее проектировании и эксплуатации. Однако второй аналог близок по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбран авторами в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение ЭДП ЗС резонансным методом в режиме холостого хода (xx) обоих концов ЗС.

Техническим результатом заявляемого решения является возможность измерения резонансным методом ряда ЭДП, необходимых при проектировании ЗС.

Этот технический результат достигается тем, что в способе определения параметров замедляющих систем, включающем возбуждение замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение всех резонансных частот f_0m в этом диапазоне, определение коэффициентов замедления n_m на резонансных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n=n(f) по рассчитанным значениями n_m, новым является то, что концы замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, оставляют разомкнутыми, измеряют и регистрируют все резонансные частоты f_0m1 и добротности Q_0m1 на этих частотах в заданном диапазоне, укорачивают длину замедляющей системы на величину Δ lsp ≅ 0,1 lsp и снова измеряют все резонансные частоты f_0m2 в этом же диапазоне частот, определяют электродинамические параметры замедляющей системы по формулам:

β_zm = n_m·β_om (5)
α_om = β_zm/2Q_om (6)
Z_om = R_om/2α_om (7)

L_om = β_zm·Z_om/ω_om (9)
C_om = β_zm/Z_omω_om (10)
где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
lsp₁ - длина замедляющей системы при первом измерении резонансных частот f_0m1 и добротностей Q_0m1;
lsp₂ - длина замедляющей системы при втором измерении резонансных частот f_0m2, после укорочения первоначальной длины lsp₁ на Δl_sp, м,
Δl_кр - кажущееся удлинение замедляющей системы в режиме холостого хода, м;
λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте, м, λ_om = c/f_om, с = 3 · 10⁸, м/с;
β_zm - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в замедляющей системе, рад/м;
β_om - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, рад/м, β_om = 2π/λ_om;
α_om - постоянная затухания электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, Нп/м;
Z_0m - волновое сопротивление замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
R_0m - заданное погонное сопротивление проводников замедляющей системы на резонансной частоте, Ом/м;
R_cbm - сопротивление связи на оси замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
P_m - поперечное волновое число замедляющей системы на резонансной частоте рад/м,
L_0m - погонная индуктивность замедляющей системы на резонансной частоте, Гн/м;
C_0m - погонная емкость замедляющей системы на резонансной частоте, Ф/м,
и строят дисперсионные зависимости a=a(f), где a - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_0m.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет измерить резонансным методом в режиме xx обоих концов ЗС наряду с ДХ n=n(f) перечисленные ЭДП ЗС (4) - (10) и их частотные зависимости.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу, на фиг. 3, 2, 4 - измеренные (сплошными линиями) и рассчитанные (пунктиром) частотные зависимости коэффициента замедления n, волного сопротивления Z₀ и постоянной затухания α_o соответственно, на фиг. 5 - частотная зависимость кажущегося удлинения Δl_кр(f).
Устройство для измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу содержит (фиг. 1) генератор СВЧ 1, волномер 2, подключенный к первому выходу генератора СВЧ 1, последовательно соединенные ВЧИТЗ, первый зонд 4, ОЦР 5 с ЗС 6 в режиме xx обоих концов, второй зонд 7, детекторную секцию 8 и индикаторный прибор 9, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ 1. Первый и второй зоны 4 и 7 связаны с ОЦР 5 и ЗС 6 с помощью петель связи 10.

В качестве генератора СВЧ 1, волномера 2, ВЧИТ 3, детекторной секции 8 и индикаторного прибора 9 может быть использован промышленный измеритель комплексных коэффициентов передачи P4-37 в режиме измерения проходных параметров четырехполюсников [4] ; в качестве зондов 4 и 7 проволочные зонды с короткозамкнутыми петлями связи 10, возбуждающими магнитные составляющие полей внутри ОЦР; в качестве ОЦР 5 - цилиндрический металлический резонатор заданных длины и внутреннего диаметра.

Определение ЭДП ЗС по предлагаемому способу производят следующим образом. Собирают схему измерений фиг. 1. На генераторе качающейся частоты измерителя P4-37 выставляют заданный диапазон качания частоты ΔF, в котором измеряются ЭДП ЗС, например ΔF = (100 = 800) МГц включают прибор в режим автоматического качания частоты. На экране измерительного блока измерителя P4-37 высвечивается амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента передачи ЗС 6. Измеряют и регистрируют частоты всех резонансов f_0m1 в полосе качания ΔF. Частоты резонансов определяют по максимумам АЧХ. Измеряют и регистрируют добротности Q_0m1 на всех резонансных частотах f_0m1 любым известным способом, например, резонансным методом [5, стр. 58]. Выключают схему измерений. Уменьшают длину ЗС 6 lsp₁ на величину Δl_sp= (0,5 -0,1) lsp₁, получают lsp₂. Снова собирают схему измерений фиг. 1 и включают ее в режим автоматического качания частоты в том же диапазоне ΔF_o. Измеряют и регистрируют по АЧХ ЗС 6 частоты всех резонансов f_0m2 в полосе ΔF. Выключают схему измерений. Рассчитывают погонное сопротивление R_om1 проводников ЗС 6 на резонансных частотах f_0m1 любым известным способом, например, по методикам [6, стр. 132]. Рассчитывают ЭДП ЗС по формулам (3) -(10) для каждой резонансной частоты f_0m1. Строят ДХ a= a(f), принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_0m1. В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технического результата измерений на предприятии изготовлен макет лабораторной установки для измерения параметров спиральной замедляющей системы (СЗС) по предлагаемому способу. В качестве генератора СВЧ 1, волномера 2, ВЧИТЗ, детекторной секции 8 и индикаторного прибора 9 использован измеритель P4-37 в режиме измерения проходных параметров четырехполюсников. ОЦР лабораторной установки представляет металлический цилиндр длиной L_ц = 220 мм с внутренним диаметром D_ц = 120 мм. Внутри цилиндра коаксиально крепится СЗС из медного проводника с помощью трех диэлектрических стержней из оргстекла диаметром d_ст = 8 мм и длиной l_ст = 220 мм. Концы СЗС разомкнуты, т.е. находятся в режиме xx по отношению к корпусу.

Геометрические размеры исследуемых СЗС приведены в табл. 1. (см. табл. 1-4 в конце описания)
В табл. 1 обозначены: D_ср - средний диаметр СЗС; d_пр - диаметр проводников СЗС; lsp₁ - длина СЗС при первом измерении резонансных частот и добротностей; lsp₂ - длина СЗС при втором измерении резонансных частот; N - число витков в СЗС; h - шаг (период) СЗС; n_г - геометрическое замедление СЗС.

Результаты измерений и расчетов замедления по формулам (3) и (11) приведены в табл. 2 и 3, расчет остальных параметров СЗС приведен в табл.4.

В табл. 2-3 обозначены: f₀₁ - измеренные резонансные частоты при первом измерении СЗС длиной lsp₁; f₀₂ - измеренные резонансные частоты при втором измерении СЗС длиной lsp₂; λ_o - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной частоте, λ_o= c/f_o, c = 3 · 10⁸ м/с; β_o= 2π/λ_o; n_1,2 - коэффициенты замедления, рассчитанные по формуле (11); n = коэффициент замедления СЗС, рассчитанный по формуле (3); Δl_кр - кажущееся удлинение СЗС на резонансных частотах; α_a - постоянная затухания ЭМВ в СЗС; β_z - фазовая постоянная распространения ЭМВ в СЗС; Z₀ - волновое сопротивление СЗС; R_св - сопротивление связи на оси СЗС; R₀, L₀, C₀ - погонные сопротивление, индуктивность и емкость СЗС соответственно.

Отметим, что все ЭДП имеют дисперсионную зависимость.

На фиг. 3, 2, 4 приведены измеренные (сплошные линии) и теоретически рассчитанные (пунктиром) дисперсионные зависимости коэффициента замедления n, волновое сопротивление Z₀ и постоянной затухания α_o. Экспериментальные и теоретически рассчитанные ЭДП удовлетворительно совпадают, отличия в ЭДП объясняются погрешностями изготовления и установки СЗС в корпусе резонатора, а также неточностью теории СЗС в области низких частот [11, стр. 140]. На фиг. 5 приведена частотная зависимость кажущего удлинения Δl_кр СЗС в режиме xx.

Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется, составляет техническое решение и позволяет измерить ЭДП ЗС.

Согласно [1, стр. 267; 2, стр. 411; 3, стр. 23], коэффициент замедления n_m при резонансном способе измерения определяется по формуле

где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте;
lsp - геометрическая длина ЗС.

Формула (11) дает правильные результаты для режима короткого замыкания (КЗ) ЗС на обоих концах. Экспериментально установлено [8], что в режиме XX концов ЗС имеет место некоторое "удлинение" электрической длины lsp₉ ЗС по сравнению с геометрической длиной lsp на некоторую величину Δl_кр с каждого конца ЗС. Это "удлинение" связано с выбегом электромагнитного поля за торцевые границы ЗС: поле обрывается не сразу на геометрической границе ЗС, а спадает за этой границей до нуля на некотором расстоянии Δl_кр от границы торца ЗС. Это явление выбега поля за торцевые границы называют также либо краевым эффектом, либо влиянием краевых емкостей. В режиме XX обоих концов ЗС величина удлинения ЗС равна 2Δl_кр. При каждом измерении резонансных частот f_0m величина 2Δl_кр неизвестна и не учитывается при расчете n_m по формуле (11), что приводит к значительным погрешностям расчета (см. строки n₁ и n₂ табл. 2 - 4). Для исключения этих погрешностей нужно учесть влияние Δl_кр. Учет этих Δl_кр позволяет сделать предлагаемый способ.

Пусть при известной длине lsp₁ проведено измерение резонансных частот f_0m1 в режиме XX ЗС. Учитывая выбег поля на 2Δl_кр, формулу (11) нужно записать в следующем виде

В формуле (12) учтен краевой эффект в виде слагаемого 2Δl_кр. Однако эта формула не позволяет однозначно определить n_m, так как здесь одно уравнение и два неизвестных: n_m и Δl_крm. Для однозначного определения двух неизвестных нужно второе независимое уравнение. Для получения этого второго уравнения укоротим длину lsp₁ до величины lsp₂ на некоторую необходимую длину Δl_sp, такую, которая изменила бы резонансную частоту f_0m1 на f_0m2, но на которой замедление n_m и кажущееся "удлинение" Δl_крm остались практически такими же, как и при первом измерении f_0m1. Для частоты f_0m2 и соответствующей ей длины волны λ_om2 уравнение (11) можно записать так:

Уравнения (12) и (13) и дают систему из двух уравнений с двумя неизвестными n_m и Δl_крm

Решение этой системы позволяет определить однозначно n_m и Δl_крm


Формулы (15) и (16) суть формулы (3) и (4).

По определению, коэффициентом замедления n ЗС называют отношение [6, стр. 6]:

где с = 3 · 10⁸ м/с;
U_ф - фазовая скорость распространения ЭМВ в ЗС;
λ_o - длина волны в свободном пространстве, λ_o= c/f_o;
f₀ - частота;
λ_z - длина волны в ЗС, соответствующая частоте f₀, λ_z= λ_o/n;
β_o= 2π/λ_o;
β_z - фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЗС, β_z= 2π/λ_z.
Из формулы (17) следует формула (5) для любой частоты
β_z= β_o·n (18)
В реальной ЗС, как линии передачи с малыми потерями, постоянную затухания α_o можно выразить через погонные параметры R₀, L₀, C₀, G₀ [5, стр. 204; 9, стр. 292]:

где Z₀ - волновое сопротивление ЗС,
R₀ - погонное сопротивление проводников ЗС, рассчитывается, например, по методике [6, стр. 132]. Из формулы (19) следует формула (7) для произвольной заданной частоты
Z_o= R_o/2α_o. (20)
В теории длинных линий доказывается [9, стр. 298], что добротность Q₀ линии на любой частоте f₀ связана с погонными параметрами l₀ и R₀ соотношением

Представим L₀ в формуле (21) следующим образом:

получим

так как по определению, а 2α_o= R_o/Z_o из формулы (19). Следовательно, из (20), (21) и (22) следует формула (6) для любой частоты
α_o= β_z/2Q_o (23)
Перемножим на получим для любой частоты ω_o= 2πf_o,

Отсюда для любой частоты ω_o следует формула (9):
L_o= β_z·Z_o/ω_o (24)
Разделим на получим

Отсюда для любой частоты ω_o следует формула (10):
C_o= β_z/Z_o·ω_o (25)
Наконец, в [10] показано, что волновое сопротивление Z₀ ЗС и сопротивление связи R_св на оси той же ЗС связаны соотношением

Формула (26) суть формулы (8).

Приведенные анализ и экспериментальные результаты табл. 2 -4 и фиг. 2 - 5 показывают, что предлагаемый способ отвечают критериям "новизна", "изобретательский уровень", является техническим решением, технически реализуется и может быть использован при измерении электродинамических параметров и характеристик замедляющих систем приборов СВЧ-электроники.

Источники информации
1. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. Киев, 1965.

2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ 4.1. М., Высшая школа, 1970.

3. "Электромагнитные замедляющие системы" (методика измерения характеристик). Под ред. д.т.н. Дерюгина Л.Н. М., МАИ, Оборонгиз, 1060.

4. P4-37. Измеритель комплексных коэффициентов передачи, ТО и ИЗ, ЦЮ1, 400.245ТО.

5. Асеев Б.П. "Колебательные цепи". - М., Связь и Радио, 1955.

6. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М., Сов. Радио, 1966.

7. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Л., Энергия, 1972.

8. Следков В.А., Рязанов В.Д. "Измерение дисперсии фазовых скоростей в передающих линиях", РЭ, 1989, т.34, N 11, стр. 2429-2433.

9. Лосев А.К. Линейные радиотехнические цепи. М., Высшая шк., 1971.

10. Пчельников Ю. Н. "О соотношении между волновым сопротивлением и сопротивлением связи", РЭ, 1983, т.28, N 10, стр. 1981-1985.

11. Советов Н.М. Техника СВЧ. М., Высшая школа, 1976.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров замедляющих систем, включающий возбуждение замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот, измерение всех резонансных частот f_om в этом диапазоне, определение коэффициентов замедления n_m на резонансных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n =n(f) по рассчитанным значениям n_m, отличающийся тем, что концы замедляющей системы, размещенной в объемном цилиндрическом резонаторе, оставляют разомкнутыми, измеряют и регистрируют все резонансные частоты f_om1 и добротности Q_om1 на этих частотах в заданном диапазоне, укорачивают длину замедляющей системы на величину Δl_sp ≅ 0,1l_sp и снова измеряют все резонансные частоты f_om2 в этом же диапазоне частот, определяют электродинамические параметры замедляющей системы по формулам


β_zm = n_m·β_om,
α_om = β_zm/2Q_om,
Z_om = R_om/2α_om,

L_om = β_zm·Z_om/ω_om,
C_om = β_zm/Z_omω_om,
где m - номер резонанса, m = 1,2,3...;
l_sp1 - длина замедляющей системы при первом измерении резонансных частот f_om1 и добротностей Q_om1, м;
l_sp2 - длина замедляющей системы при втором измерении резонансных частот f_om2 после укорочения первоначальной длины l_sp1 на Δl_sp, м;
Δl_крт - кажущееся удлинение замедляющей системы в режиме холостого хода, м;
λ_om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной резонансной частоте, м, λ_om = c/f_om;
β_zm - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в замедляющей системе, рад/м;
β_om - фазовая постоянная распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, рад/м, β_om = 2π/λ_om;
α_om - постоянная затухания электромагнитной волны в замедляющей системе на резонансной частоте, Нп/м;
Z_om - волновое сопротивления замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
R_om - заданное погонное сопротивление проводников замедляющей системы на резонансной частоте, Ом/м;
Rсв_m - сопротивление связи на оси замедляющей системы на резонансной частоте, Ом;
P_m - поперечное волновое число замедляющей системы на резонансной частоте, рад/м,
L_om - погонная индуктивность замедляющей системы на резонансной частоте, Гн/м;
C_om - погонная емкость замедляющей системы на резонансной частоте, Ф/м,
и строят дисперсионные зависимости a=a(f), где а - любой из электродинамических параметров, принимая за аргумент f измеренные резонансные частоты f_om.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8