книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

XIII

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ТЕХНИКЕ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Измерительная техника сверхвысоких частот реша­ ет в основном те же задачи, что и на более низких ча­ стотах. Однако экспериментальные методы измерений в области СВЧ отличаются принципиально. Это разли­ чие обусловлено, по существу, тем, что на сверхвысо­ ких частотах вместо обычных квазистационарных изме­ рительных контуров с сосредоточенными индуктивно­ стями и емкостями применяются в качестве элементов измерительных цепей коаксиальные кабели, волноводы и объемные резонаторы. Определение величин в про­ цессе измерений здесь несколько усложняется, так как понятия напряжения, тока и сопротивления на сверх­ высоких частотах более или менее утрачиваются в том смысле, как они определяются для случая постоянных или квазистационарных токов. Несмотря на это, изме­ рения на сверхвысоких частотах могут производиться не только с равной, а даже со значительно более вы­ сокой точностью, чем в обычной высокочастотной тех­ нике. Так получается прежде всего благодаря тому об­ стоятельству, что электромагнитное поле из-за полной экранировки стенками волноводов и полых резонато­ ров в этом случае определяется однозначно. Конечно, за счет внесения измерительных зондов и из-за связи измерительной цепи с другими элементами схемы про­ исходит незначительное возмущение поля, однако оно может быть сделано в большинстве случаев столь нич­ тожным, что практически не влияет на результат измере­ ний. Ниже дается обзор важнейших методов измерений

иизмерительных приборов техники сверхвысоких частот. I. Кристаллические детекторы

Для индикации и приема (выпрямления) СВЧ-коле- баний служат кристаллические детекторы, которые при­ меняются вплоть до самых коротких волн длиной в

десятые доли миллиметра. В качестве выпрямляющего элемента часто используется прижимной контакт тонкой металлической иглы с поверхностью кристалла кремния. Этот элемент крепится в керамическом корпусе и де­ лается по возможности безъемкостным. При контакте острия иглы с поверхностью кристалла из-за различия работ выхода электронов из соприкасающихся материа­ лов в окрестности контакта образуется тонкий гранич­ ный слой. Он асимметричен, и сопротивление контакта зависит от величины и направления приложенного на­ пряжения. Для малых высокочастотных мощностей, т. е. приблизительно до 10 мет, выпрямленный ток прямо

пропорционален квадрату приложенного напряжения. При измерениях стремятся работать на этом квадратич­ ном участке вольтамперной характеристики. При более высоких мощностях ВЧ-сигнала зависимость между то­ ком и напряжением становится линейной (в прямом на­ правлении). Для токов противоположного направления (направление запирания) кристаллический детектор представляет достаточно высокое сопротивление.

Ток, выпрямленный детектором, может измеряться обычным 'микроамперметром. При измерениях детектор обычно связан с небольшой штыревой антенной (зон­ дом), которая погружена через отверстие или щель в вы­ сокочастотное электрическое поле полого резонатора, волновода или коаксиального кабеля. В предположении, что работа ведется на квадратичном участке характе­ ристики детектора, ток, измеряемый микроамперметром, прямо пропорционален квадрату напряженности пере­ менного электрического поля.

Чувствительность кристаллического детектора может быть существенно увеличена, если измеряемый или про­ сто индицируемый СВЧ-сигнал модулируется прямо­ угольными импульсами со звуковой частотой повторения (например, 1000 гц). Прямоугольное напряжение с ча­ стотой 1 0 0 0 гц, появляющееся на выходе детекторной

цепи после выпрямления СВЧ-сигнала, используется для индикации, осуществляемой с помощью селектив­ ного усилителя. Таким способом достигается чувстви­ тельность, достаточная почти для всех встречающихся на практике измерений.

Кристаллические детекторы применяются в СВЧ-тех* нике не только в качестве индикаторов, но также и в ка*

242

честве смесителей гетеродинных приемников. В отличие от только что рассмотренного случая, в котором кристал­ лический детектор был необходим для индикации малых СВЧ-мощностей или СВЧ-напряжений, теперь он должен работать на линейном участке характеристики. С по­ мощью местного гетеродина (обычно отражательный клистрон), мощность которого составляет около 1 мет,

рабочая точка детектора сдвигается в линейную область характеристики. Смеситель может состоять как из од­ ного, так и из двух кристаллических детекторов, вклю­ ченных по мостовой схеме.

2 . Измерение мощности

а) Болометр

Для измерения мощности на сверхвысоких частотах имеются различные способы. Если речь идет об измере­ нии малых мощностей СВЧ-сигнала (от 0,01 до 10 мет), то используются болометрические мосты; измерение СВЧ-мощности с помощью таких устройств основано на изменении сопротивлении болометра при подаче на него СВЧ-мощности. Различают два вида болометров: барет­ теры и термисторы. Бареттер в принципе состоит из ва­ куумной (или заполненной водородом) стеклянной кол­ бы, в которую впаяна короткая и тонкая металлическая проволочка. При облучении проволочки СВЧ-мощностыо она нагревается и омическое сопротивление ее при этом повышается (температурный коэффициент положите­ лен). В случае же термистора нагревается диэлектри­ ческий шарик, в который впаяны две изолированные одна от другой платиновые проволочки, играющие роль ли­ нии, подводящей энергию СВЧ. В противоположность бареттеру сопротивление термистора с увеличением на­ грева (т. е. мощности СВЧ) уменьшается (температурный коэффициент отрицателен). Если в одном из плеч мостовой схемы под действием СВЧ-сигнала сопротив­ ление бареттера или термистора изменяется, то мост, до

наблюдаются изменения показаний индикатора, вели­ чина которых является мерой СВЧ-мощности. Бареттер, вообще говоря, обладает большей чувствительностью,

чем термистор; зато последний относительно менее чув­ ствителен к перегрузкам. Термоэлементы (термопары) также могут использоваться для измерения мощности. Они, однако, обладают значительно меньшей чувстви­ тельностью, чем болометр, и пригодны лишь тогда, когда измеряется достаточно большая СВЧ-мощность.

Болометром молено измерить и большую СВЧ-мощ­ ность, если уменьшить ее в известное число раз с по­ мощью соответствующих ослабителей (аттенюаторов). Если, например, СВЧ-мощность ослабляется на 20 дб, то мощность, попадающая на болометр, составляет всего лишь 1% от имеющейся на входе аттенюатора. Следова­ тельно, если болометрический мост измеряет СВЧ-мощ­ ность, например, в 5 мет, то она соответствует в сто раз большей реально имеющейся мощности, т. е. 500 мет.

б) Калориметр

Для измерения больших мощностей, как, например, мощности магнетрона или многорезонаториого клистро­ на, используют калориметры, у которых в основе измери­ тельного процесса лежит нагревание жидкости (вода, масло) полем высокой частоты. В качестве жидкости для зарядки калориметра пригодна любая сильно погло­ щающая СВЧ-колебания жидкость. Калориметрические измерители мощности обычно градуируются непосред­ ственно в единицах мощности. Измеренная высокоча­ стотная мощность является усредненной мощностью СВЧ, т. е. она соответствует той мощности, которую вы­ рабатывает генератор в режиме непрерывных колеба­ ний. Однако во многих случаях (например, в случае радиолокационных магнетронов) СВЧ-мощность выра­ батывается в виде коротких прямоугольных импульсов, которые повторяются через определенные временные интервалы. Естественно, что пиковая мощность Ртах такого СВЧ-импульса значительно больше, чем сред­ няя мощность. Пиковая мощность Ршах и средняя Р связаны соотношением

где А— длительность импульса и fw — так называемая частота повторения импульсов (рис. 1 1 2 ).

Как показывает равенство (164), средняя мощность Р равна пиковой мощности, умноженной на произведение

244

здесь Ue означает бегущую в прямом направлении (или просто «бегущую») волну напряжений, a Ur— волну, от­ раженную от неоднородности или от оконечного сопро­ тивления нагрузки. Через Z0 обозначено волновое (или

характеристическое) сопротивление линии, а через ZL— сопротивление оконечной нагрузки или сопротивление неоднородного элемента. Обычно все импедансы норма­ лизуются, т. е. отсчитываются в единицах волнового со­ противления измерительной линии. Это достигается пу­ тем деления числителя и знаменателя выражения (166) на Z0. При этом (166) переходит в формулу

Поскольку отраженная волна напряжений может иметь любую фазу по отношению к фазе бегущей волны, коэф­ фициент отражения, вообще говоря, является величиной комплексной; он может принимать любые значения меж­ ду нулем (нет отражений) и 1 (полное отражение). Если линия замкнута на сопротивление, равное волновому, т. е. Zi,=Zo, то согласно (167) г=0. Это означает, что отражение отсутствует и вся мощность, поступающая от генератора, поглощается оконечной нагрузкой. Если ли­ ния на конце короткозамкнута, т. е. ZL= 0 , то коэффи­

циент отражения г ——1. Теперь вся мощность отра­ жается от конца линии; напряжение в отраженной волне сдвигается по фазе на 180° относительно волны бегущей.

В линии, свободной от потерь, все максимумы стоячей волны имеют одинаковую амплитуду. Соответственно, то же справедливо и для минимумов. Предположение об отсутствии потерь практически всегда выполняется для достаточно коротких линий. Отношение напряжения в максимуме к напряжению в минимуме стоячей волны, установившейся вдоль линии передачи, называют коэф­ фициентом стоячей волны по напряжению (К.СВН). Сле­ довательно, КСВН равняется

< 1 6 8 >

Максимальное напряжение Uma.x является суммой ампли­ тудных значений напряжений прямой (бегущей) и об­ ратной (отраженной) волн, в то время как минимальное напряжение Umln есть их разница. Тик как напряжение в

246

(Сраженной волне пропорционально абсолютному значе­ нию коэффициента отражения, то можно КСВН предста­ вить в виде

Отсюда получается выражение для коэффициента отра­ жения в функции КСВН:

Значение |г| может лежать лишь в интервале между О и 1. При г = 0 отражения отсутствуют, при /*= 1 осуществ­ ляется полное отражение падающей на нагрузку волны. Отношение Umax/Umm (КСВН) может принимать любые значения между 1 и оо; КСВН бесконечно велик в слу­ чае полного отражения и равен 1, если отражение отсут­

ствует.

Согласно выражению (170) КСВН определяется ве­ личиной коэффициента отражения. Следовательно, отно­ шение т = UmaxIUmin является мерой коэффициента отражения. Фазу коэффициента отражения можно по­ лучить, зная расстояние между положениями какоголибо минимума напряжения и так называемой опорной (эталонной) плоскости (обычно роль эталонной плоско­ сти играют фланцы измерительной линии). Для этого просматривают профиль волны вдоль измерительной ли­ нии; осуществляется это с помощью детекторного зонда, погруженного в СВЧ-поле линии через щель, по которой зонд может перемещаться в продольном направлении. Зонд отбирает небольшую часть энергии волны, имею­ щейся в линии, и подает ее после выпрямления детекто­ ром на индикаторный прибор. Напряжение, индуцируе­ мое на зонде, пропорционально напряженности поля в месте погружения зонда. Перемещая зонд вдоль измери­ тельной линии, удается измерить напряжение в миниму­ мах и максимумах стоячей волны. Процесс измерения принципиально одинаков как для коаксиальной, так и для волноводной измерительных линий. Для обработки результатов измерений служат специальные круговые диаграммы, о которых еще пойдет речь позднее.

При всех измерениях профиля стоячей волны не­ обходимо учитывать, что зонд измерительной линии

247

представляет собой неоднородность, которая (если рас­ сматривать зонд как самостоятельный объект измере­ ний) создает отражения. Чтобы сделать эти искажения достаточно малыми и исключить ошибки измерений, следует погружать зонд в измерительную линию на глу­ бину не более чем 1 мм*). На рис. 113 представлена блок-схема установки для измерения КСВН. Чтобы устранить обратное влияние измерительной линии на генератор (отражательный клистрон) за счет рассогла­ сования, между генератором и измерительной линией

Рис. 113. Блок-схема установки для измерения профиля волны (КСВН и фазы коэффициента отражения).

ставится вентиль, который пропускает СВЧ-мощность только в направлении от генератора к измерительной линии, но не наоборот. Если измеряемый объект, импе­ данс которого должен быть определен, поглощает не всю падающую на него СВЧ-мощность, к нему должно подключаться согласованное сопротивление (согласо­ ванная нагрузка).

В противном случае в линии существуют дополни­ тельные паразитные отражения, которые затрудняют процесс измерений. Генератор должен давать СВЧ-ко- лебания одной-единственной частоты, так как любой другой частоте соответствует иной профиль волны в из­ мерительной линии с другими значениями напряжений в максимуме и минимуме. Если генератор должен мо­ дулироваться, то делать это следует с помощью прямо­ угольных импульсов напряжения.

Для измерения больших значений КСВН служит так называемый метод удвоения минимума. При этом методе зонд детектора не вносит искажений. Зонд вводится в

*) Для волн сантиметрового диапазона. На более длинных вол­ нах допустима большая глубина погружения зонда, на более ко­ ротких она должна быть, соответственно, меньше (Прим, перев.).

248

измерительную линию столь глубоко, чтобы удобно было регистрировать напряжение в минимуме. Затем зонд сдвигается в точку du в которой мощность (а значит, и пропорциональное ей показание индикаторного прибора) в два раза превышает минимальное значение. После этого зонд сдвигается в соответствующее положение d.2 по другую сторону от минимума. Тогда КСВН можно получить из соотношения

(171)

т n i d i - d 2) ‘

В этом выражении XL означает длину волны в изме­ рительной линии. В случае коаксиальной измерительной линии %L равна длине волны Я в свободном пространстве, т. е. длине волны излучения генератора. Для волновод­ ной измерительной линии Яг, соответствует длине вол­ ны Ян в волноводе, т. е. отличается от длины волны в свободном пространстве. Обычно такие измерения про­ изводятся в режиме модулированных колебаний. Это оз­ начает, что сигнал, полученный в результате детектиро­ вания модулированных напряжений звуковой частоты СВЧ-колебаний, не сразу поступает на индикаторный прибор, а предварительно усиливается следующим после детектора селективным усилителем, настроенным на ча­ стоту модуляции.

б) Измерения с помощью направленных ответвителей

Импедансные измерения в области сверхвысоких ча­ стот удобно проводить с помощью направленных ответ­ вителей. Их характерное свойство заключается в воз­ можности принимать раздельно прямую и отраженную волны. Если использовать два направленных ответви­ теля для раздельного измерения прямой и обратной волн, то отношение их выходных напряжений дает сразу значение коэффициента отражения. Блок-схема соедине­ ния соответствующих измерительных элементов пока­ зана на рис. 114 [31]. Измерение может проводиться как на фиксированных частотах (подобно тому как это де­ лается с помощью измерительной линии), так и в неко­ тором частотном интервале — с помощью качания часто­ ты генератора (как в методе неподвижного зонда).

249

В качестве индикаторного устройства используется или обычный измерительный прибор, или осциллографическая трубка. Если применяется метод качания ча­ стоты, то на экран осциллографа могут подаваться еще специальные частотные метки, вырабатываемые измери­ телем частоты. Модулирующее напряжение, подводимое

Рис. 114. Блок-схема установки с направленным ответвите­ лем для определения значений коэффициента отражения.

к генератору качающейся частоты, одновременно по­ дается на осциллографическую трубку для синхрони­ зации развертки.

в) Круговые диаграммы Смита

Импеданс можно определить, исходя из величины коэффициента отражения и координаты первого мини­ мума напряжений, отсчитываемой от фланцев измери­ тельной линии, к которым подключается сопротивление нагрузки. Важным вспомогательным средством служит для этого круговая диаграмма Смита (рис. 115 на вклей­ ке). Она содержит две различные группы окружностей. Одна из групп представляет линии постоянного сопро­ тивления. Величина сопротивления наносится для ка­ ждой из этих окружностей точками на горизонтальной оси (диаметре) диаграммы. Эти величины начинаются с нуля и в основании оси достигают бесконечных значе­ ний. Середина горизонтальной оси (центр диаграммы) соответствует значению 1,0. Так как речь идет о норма­

250