способ определения параметров замедляющих систем

Формула изобретения

Способ определения параметров замедляющих систем, включающий возбудждение замедляющей системы, закороченной на конце, СВЧ-колебаниями от генератора СВЧ в заданном диапазоне частот, измерение фиксированных f_om в этом диапазоне, определение коэффициентов замедления n_m на измеренных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n=n(f) по рассчитанным значениям n_m, отличающийся тем, что измеряют все частоты f_om последовательных резонансов закороченной на конце замедляющей системы как двухполюсника, измеряют действительные части R_m входного сопротивления двухполюсника на каждой частоте f_om, измеряют в окрестности каждой частоты f_om последовательных резонансов верхнюю f_mb и нижнюю f_mн частоты, на которых мнимые части входного сопротивления двухполюсника равны соответственно X_m(f_mb)=R_m и X_m(f_mb)=-R_m, определяют электродинамические параметры замедляющей системы на каждой частоте f_om последовательных резонансов по формулам





_zm= _omn_m,









m - номер последовательного резонанса двухполюсника, m = 1,2,3...., _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной частоте f_omom = c/f_om, c = 3 10⁸ м/с, Q_om - добротность двухполюсника на частоте f_om, l_sp - длина замедляющей системы, м, _zm - фазовая постоянная распространения волны в замедляющей системе на частоте f_om, рад/м, _om - фазовая постоянная распространения волны в свободном пространстве, рад/м, _om= 2/_om, _om - постоянная затухания волны в замедляющей системе на частоте f_om, Hп/м, Z_om - волновое сопротивление замедляющей системы на частоте f_om, R_om - заданное погонное сопротивление замедляющей системы на частоте f_om, Ом/м, L_om - погонная индуктивность замедляющей системы на частоте f_om, Гн/м, С_om - погонная емкость замедляющей системы на частоте f_om, Ф/м, _om= 2f_omf, f_om в герцах, и строят дисперсионные характеристики а=а(f), где а - любой параметр, принимая за аргумент f измеренные частоты f_om последовательных резонансов двухполюсника.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях электродинамических параметров (ЭДП) однородных линий передач (ЛП) электромагнитных волн (ЭМВ), в частности спиральных замедляющих систем (СЗС).

Известен способ измерения дисперсионных характеристик (ДХ) замедляющих систем (ЗС) /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 X_1m и X_2m минимумов показаний индикаторного прибора, подключенного к выходу зонда, на заданных дискретных частотах f_m внутри заданной полосы частот, определение коэффициента замедления n_m на каждой фиксированной частоте f_m по формуле



где _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая частоте f_m, _om = c/f_m, c = 310⁸ м/с, и построение ДХ n = n(f) ЗС по рассчитанным значениям.

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, и последовательно соединенные зонд, введенный в ЗС, детекторную секцию и индикаторный прибор.

Измерения ДХ производят следующим образом. Собирают схему измерений и возбуждают ЗС на фиксированных частотах f_m внутри заданной полосы частот. На каждой из частот f_m с помощью зонда находят и регистрируют две соседние точки X_1m и X_2m минимумов показаний индикаторного прибора. Определяют _om и рассчитывают n_m по формуле (I). Строят ДХ n = n(f) по рассчитанным значениям n_m.

Недостатком аналога является сложность измерений, связанная с перемещением зонда вдоль ЗС и регистрацией точек X_1m и X_2m, и значительные погрешности, связанные с согласованием ЗС со ВЧИТ до получения режима бегущей волны во всей заданной полосе частот.

Наиболее близким по технической сущности является выбранный в качестве прототипа способ измерения коэффициента замедления в кабеле /3, стр. 165/, включающий возбуждение СВЧ колебаниями закорочненого с одного конца отрезка кабеля, связанного с коаксиальной вставкой петлей связи, от генератора СВЧ в заданном диапазоне частот, измерение и регистрацию резонансных частот f_m кабеля в заданном диапазоне, определение коэффициента замедления n_m на резонансных частотах по формуле:



где m - номер резонанса, m = 1,2,3..., с = 310⁸ м/с, l_к - длина кабеля, м, f_m - частота m-го резонанса, f_m-1 - частота предыдущего резонанса, Гц.

Устройство для измерения коэффициента замедления содержит /3, стр. 165, рис. 7.1/ генератор СВЧ, волномер, подключенный к первому выходу генератора СВЧ, последовательно соединенные аттенюатор, измеритель коэффициента стоячей волны (КСВ), коаксиальную вставку и согласованную нагрузку, подключенные ко второму выходу генератора СВЧ, и исследуемый кабель, закороченный с одного конца, а вторым концом подключенный к коаксиальной вставке через петлю связи с малой связью.

Измерение коэффициента замедления производят следующим образом. Собирают схему измерений. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до получения первого, второго и т.д. резонансов на частотах f₁, f₂,...f_m, регистрируют эти частоты. Наличие резонансов в кабеле определяют по максимумам КСВ на этих частотах. Определяют n_m на каждой из частот по формуле (2).

Прототип частично устраняет недостаток аналога в отношении согласования до режима бегущей волны, однако имеет погрешности, связанные с нечеткой регистрацией максимумов КСВ, и не позволяет измерять другие параметры.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача измерения ЭДП ЗС на штатном рабочем месте в режиме измерения входных параметров закороченного на конце двухполюсника (ДП).

Техническим результатом заявляемого решения является способ измерения ЭДП ЛП, в том числе и ЗС, на штатном рабочем месте в режиме короткого замыкания (кз) выхода ЛП путем измерения входного сопротивления ЛП как двухполюсника.

Этот технический результат достигается тем, что в способе определения параметров замедляющих систем, включающем возбуждение замедляющей системы, закороченной на конце, СВЧ колебаниями от генератора СВЧ в заданном диапазоне частот, измерение фиксированных частот f_om в этом диапазоне, определение коэффициентов замедления n_m на измеренных частотах расчетным путем и построение дисперсионной характеристики n=n(f) по рассчитанным значениям n_m, новым является то, что измеряют все частоты f_om последовательных резонансов закороченной на конце замедляющей системы как двухполюсника, измеряют действительные части R_m входного сопротивления двухполюсника на каждой частоте f_om, измеряют в окрестности каждой частоты f_om последовательных резонансов верхнюю f_mв и нижнюю f_mн частоты, на которых мнимые части входного сопротивления двухполюсника равны соответственно X_m(f_mв) = R_m и X_m(f_mн) = -R_m, определяют электродинамические параметры замедляющей системы на каждой частоте f_om последовательных резонансов по формулам:





_zm= _omn_m (5)









где n_i - номер последовательного резонанса двухполюсника, m = 1,2,3,..., _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая m-й измеренной частоте f_om, _om = c/f_оm, c = 310⁸ м/с, Q_om - добротность двухполюсника на частоте f_om, l_sp - заданная длина замедляющей системы, м, _zm - фазовая постоянная распространения волны в замедляющей системе на частоте f_om, рад/м, _om - фазовая постоянная распространения волны в свободном пространстве, рад/м, _om= 2/_om, _om - постоянная затухания волны в замедляющей системе на частоте f_om, H_п/м, Z_om - волновое сопротивление замедляющей системы на частоте f_om, Ом, R_om - заданное погонное сопротивление замедляющей системы на частоте f_om, Ом/м, L_0m - погонная индуктивность замедляющей системы на частоте f_om, Гн/м, C_0m - погонная емкость замедляющей системы на частоте f_om, Ф/м, _om= 2f_om , f_om в герцах, и строят дисперсионные характеристики a= a(f), где d - любой параметр, принимая за аргумент f измеренные частоты f_om последовательных резонансов двухполюсника.

Совокупность существенных признаков заявляемого решения позволяет измерить ЭДП ЗС на штатном месте в режиме измерения входных характеристик закороченной ЗС как двухполюсника.

На фиг. 1 приведена структурная схема измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу, на фиг. 2, 3, 4 - измеренные (сплошная линия) и рассчитанные (пунктиром) коэффициент замедления n, волновое сопротивление Z_o и постоянная затухания _o соответственно (для двух типов СЗС).

Устройство для измерения ЗДП ЗС по предлагаемому способу, фиг. 1, содержит последовательно соединенные измеритель входных сопротивлений (ИВС) 1, ВЧИТ 2 и СЗС 3, расположенную в корпусе 4 и закороченную на торец корпуса 4.

Определение ЭДП ЗС по предлагаемому способу производят следующим образом. Собирают схему измерений, для чего штатную ЗС закорачивают на выходе, а вход ЗС подключают к выходу ВЧИТ ИВС 1. Перестраивая ИВС 1 по частоте снизу вверх, находят первую f₀₁, вторую f₀₂, третью f₀₃, и т.д. до f_om частоты в заданном диапазоне частот, на которых реактивная часть входного сопротивления X_вх (f_om) ЗС равна нулю, регистрируют эти частоты f_om. Измеряют активные части входного сопротивления R_m (f_om) на каждой из этих частот. В окрестностях каждой из этих частот f_om находят и регистрируют верхнюю f_me и нижнюю f_mн частоты, на которых мнимые части входного сопротивления ЗС равны соответственно X_m(f_mв)= R_m и X_m(f_mн) = -R_m. Рассчитывают погонное сопротивление R_om на каждой из частот f_om любым известным способом, например, согласно /4, стр. 132/. Рассчитывают ЭДЦ ЗС по формуле (3) - (9), строят дисперсионные зависимости a=a(f) каждого из параметров, принимая за аргумент f измеренные частоты f_om.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технического результата изготовлен макет для измерения ЭДП ЗС по предлагаемому способу. В качестве ИВС1 и ВЧИТ2 использован промышленный "Измеритель комплексных коэффициентов передачи" Р4-37 в режиме измерения входных параметров (5). В качестве корпуса 4 использован цилиндрический резонатор длиной L_p = 220 мм с внутренним диаметром D_p = 120 мм. В качестве ЗС использованы две СЗС, закрепляемые в резонаторе коаксиально с помощью трех диэлектрических стержней из оргстекла диаметром d_ст = 8 мм и длиной l_ст = 220 мм.

Геометрические размеры СЗС приведены в табл. 1.

В табл. 1 обозначены: D_н - наружный диаметр СЗС; D_ср - средний диаметр СЗС; h = шаг (период) СЗС; d_пр - диаметр проводников СЗС; l_sp - длина СЗС; N - число витков (периодов) в СЗС; r_г - геометрическое замедление.

Результаты измерений и расчетов по формулам (3) - (9) приведены в табл. 2 для СЗС N 1 и табл. 3 для СЗС N 2.

В табл. 2 и 3 обозначены: f_om - измеренные частоты последовательных резонансов; _om - длина волны в свободном пространстве, соответствующая этим частотам; _om - фазовая постоянная распространения ЭМВ в свободном пространстве; n_m - коэффициент замедления на частоте f_om; 2f =f_mв - f_mн - полоса пропускания в окрестности измеренных частот f_om; R_m - действительная часть входного сопротивления на частоте f_om; Q_om - добротности, вычисленные по формуле (4); _om - постоянная затухания ЭМВ в СЗС на частотах f_om; _zm - фазовая постоянная распространения ЭМВ в СЗС на частотах f_om; Z_om - волновое сопротивление СЗС на частотах f_om; R_om - погонное сопротивление СЗС на частотах f_om; L_om; C_om - погонные индуктивность и емкость на частотах f_om.

На фиг. 2, 3, 4 приведены измеренные (сплошные линии) и теоретически рассчитанные (пунктиром) коэффициент замедления n(f), волновое сопротивление Z_o(f) и постоянная затухания _o (f) соответственно. Экспериментальные и рассчитанные ЭДП удовлетворительно совпадают, некоторые расхождения объясняются погрешностями изготовления и установки СЗС в корпусе, а также неточностью теории на низких частотах /4, стр. 112, рис. IV. 2/.

Покажем, что предлагаемый способ составляет техническое решение, реализуется и позволяет измерить ЭДП _z,_o, Z_o, L_o и C_o ЗС.

По определению, коэффициентом замедления называют отношение /4, стр. 6/:



где _z и _o - фазовые постоянные распространения ЭМВ в ЗС и свободном пространстве; _o и _z - длина волны в свободном пространстве и ЗС; c = 310⁸ м/с; U_ф - фазовая скорость распространения ЭМВ в ЗС.

Из формулы (10) сразу следует формула (5) описания:

_z= _on и _z= _o/n (11)

Из теории длинных линий и замедляющих систем известны соотношения /4, стр. 128, 133, 6, стр. 298/:









где _z определена в формулах (10) и (11); _o= 2f_o, f_o - измеренная частота; Z₀ - волновое сопротивление ЗС; R_o, L_o, C_o - погонные сопротивление, индуктивность и емкость ЗС; _z - длина волны в ЗС; _o - постоянная затухания, Нп/м.

Из формулы (15) следует формула (6) описания:



где Q_o - добротность ЗС на частоте f_o.

Из формулы (14) сразу следует формула (7) описания:



Перемножение _z (11) на Z_o (13) на одной и той же частоте дает формулу (8) для L_o описания, а деление _z на Z_o - формулу (9) для C_o описания:









Таким образом, если измерены резонансные частоты f_om и добротности Q_om ЗС на этих частотах и известно погонное сопротивление R_om ЗС, то по формулам (5) - (9) определяются ЭДП _zm,_om, Z_om, L_om, C_om ЗС.

Покажем, что добротность Q_om ЗС может быть измерена в режиме измерения входных параметров ЗС как двухполюсника и что частоты f_om последовательных резонансов ЗС как двухполюсника в режиме кз соответствуют резонансным частотам по проходным характеристикам ЗС как четырехполюсника.

Вернемся к фиг. 1 СЗС справа от сечения АА представляет собой отрезок коаксиальной линии в режиме кз, у которой внутренним проводником является спираль 3, а внешним - цилиндрический корпус 4. Отрезок коаксиальной линии в режиме кз представляет собой со стороны сечения АА двухполюсник, входное сопротивление которого равно /6, стр. 329, формула (8.128)/:

Z_вх(j) = Z_oth_zl_o (20)

а для двухполюсников (ДП) с малыми потерями /6, стр. 322, формула (8.115)/:

Z_вх(j) = jZ_otg_zl_o= jX_вх() (21)

где индекс "j" означает комплексность величины; - текущая угловая частота, = 2f , f - частота, Гц; Z_o - волновое сопротивление линии, Ом; l_o - длина отрезка линии, м; _z= _o+j_z - постоянная распространения ЭМВ в линии; _o и _z определены в формулах (10) - (15).

Входное сопротивление Z_вх(i) = jX_вх() по формуле (21) - чисто мнимое, функция периодическая с периодом , изменяется от - до + на периоде. Точки на частотной оси _о1о,_о3о,...,_omo , в которых X_вх(_omo) = 0 являются точками последовательных резонансов ДП в режиме кз;

точки на частотной оси _o2,_o4,...,_o2m, в которых X_вх(_o2m) = являются точками параллельных резонансов ДП в режиме кз /6, стр. 322, рис. 8.38/. Отметим, что, во-первых, на частотной оси параллельные и последовательные резонансы чередуются, во-вторых, отстоят друг от друга на одинаковых частотных интервалах _o2m+1-_o2m= _o2m-_o2m-1= /, = l_o/U_ф; l_o - длина отрезка; U_ф - фазовая скорость распространения ЭМВ в линии, в-третьих, на отрезке длиной l_o число параллельных и последовательных резонансов бесконечно, и в-четвертых, на отрезке длиной l_o в заданном диапазоне частот F>f_o2m+1-f_o2m число параллельных и последовательных резонансов конечно легко сосчитывается и равно N = 2F.

Исследуем точки _om последовательных резонансов. Из формулы (21) видно, что X_вх(_om) = 0 в тех точках, в которых tg_zl_o= 0 или _zl_o= m. Отсюда получим соотношение между длиной отрезка l_о и длиной волны _zm в линии, соответствующей m-й частоте f_om последовательного резонанса:



где m - номер последовательного резонанса на частотной оси, m = 1,2,3... .

Таким образом, на частотах f_om последовательных резонансов длина отрезка l_о кратна целому числу m полуволн _zm/2, соответствующих этим частотам f_om.

Из формулы (10) _z= _o/n и формулы (22) следует формула (3) для коэффициента замедления n_m описания



Исследуем входное сопротивление (20) в окрестностях частот последовательных резонансов _om,_om для линий с малыми потерями _o 1 и _ol_o 1. В этом случае можно положить th_{o o}l_o, а величину второго порядка малости th_otg_zl_o 0. Тогда входное сопротивление (20) ДП будет равно:



Положив в формуле (15) l_o= m_zm/2, для частот f_om последовательных резонансов получим



Преобразуем функцию tg_zl_o в (24) в окрестностях частот _om последовательных резонансов, положив в ней l_o= m_zm/2 :



где _om - частота последовательного резонанса, _om= 2f_om, - расстройка в окрестности частоты _om, _om

Далее следует так как

Обозначим получим

Подставим (25) и (26) в исходное Z_вх(i) (24), получим



Z_вх(i) R_экм(1+j_экм) (27)



Формула (27) представляет собой входное сопротивление последовательного колебательного контура на сосредоточенных элементах L_к, C_к, R_к в окрестности резонансной частоты /7, стр. 128, формула (7-17)/. Следовательно, короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии длиной l_o= l_sp= m_zm/2 в окрестности частот _om последовательных резонансов эквивалентен по входному сопротивлению Z_вх(i) (27) последовательному колебательному контуру на сосредоточенных элементах L_экm, C_экm, R_экm /6, стр. 336, формула (8.140)/, у которого резонансная частота , добротность Q_oк = Q_om, сопротивление R_к= R_экм= Z_omm/2Q_om, L_экm и C_экm - эквивалентные сосредоточенные индуктивность и емкость. Из этой эквивалентности следует, что резонансные свойства короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии длиной l_o= m_zm/2 фиг. 1 в окрестности частот _om, _om последовательных резонансов можно исследовать методами теории цепей, используемыми при исследовании последовательного колебательного контура на сосредоточенных параметрах L_к, C_к, R_к в окрестности резонансной частоты контура _ок, _ок,_ок= _om . В частности, полоса пропускания 2_к и добротность Q_ок такого контура определяются по нормированной обобщенной резонансной характеристике /6, стр. 224 и 225, формулы (7.7) и (7.10)/:





где - обобщенная расстройка контура; f_oк - резонансная частота контура, _ок= 2f_ок;2_к= _в-_н,

2f_к= f_в-f_н, _в - верхняя граничная частота, соответствующая _в= +1,_в= 2f_в, _н - нижняя граничная частота, соответствующая _н= -1,_н= 2f_н.

Запишем входное сопротивление Я_вх?ш) (27) в показательной форме



- амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); _z() -фазо-частотная характеристика (ФЧХ), _z() = arctg. Преобразуем АЧХ - Z() следующим образом:



, x - мнимая часть входного сопротивления Z(i) ; R - действительная часть входного сопротивления, равная сопротивлению R(_o) на резонансной частоте.

На границах полосы пропускания контура _в,н= 2f_в,н обобщенная расстройка /6, стр. 225, формула (7.11)/. Следовательно, на границах полосы пропускания мнимая часть входного сопротивления X() равна:

_в,н(_в,н) = R(_o) (33)

где X_в(_в) соответствует верхней граничной частоте _в= 2f_в;X_н(_н) - нижней граничной частоте _н= 2f_н, R(_o) соответствует резонансной частоте. А это значит, что полосу пропускания 2_к= _в-_н (или 2f_к= f_в-f_н) последовательного колебательного на сосредоточенных элементах в окрестности резонансной частоты _ок, _ок и полосу пропускания 2_m= _мв-_mн (или 2f_m= f_mв-f_mн) эквивалентного последовательного колебательного контура в окрестности частот _{om om} последовательных резонансов короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии длиной l_o= m_zm/2 можно измерять в режиме измерения только входных параметров ДП, а именно в режиме измерения входного сопротивления Z_вх(i) = R(1+j): нужно измерить резонансную частоту _om , на которой = 0 и X_вх(_om) = 0, активную составляющую R_m(_om) входного сопротивления на этой частоте, измерить верхнюю f_mв и нижнюю f_mн частоты, на которых мнимые части входного сопротивления равны соответственно X_вх(f_mв)=R_m и X_вх(f_mн) = -R_m, определить полосу пропускания эквивалентного контура 2f_m= f_mв-f_mн и определить добротность Q_om по формуле (30). Но формула (30) есть формула (4).

Вернемся к формуле (21). По определению, входным сопротивлением называют отношение /7, стр. 355/:



где - напряжение и ток на входе ДП (в сечении АА фиг. 1). Из (33) видно, что точками последовательных резонансов X_вх(_om) = 0 являются те частоты _om , на которых

При измерении дисперсионных характеристик ЗС чаще всего используют резонансные методы /8, стр. 22-29/, в которых резонансы определяют по частотному коэффициенту передачи (ЧКП) в режиме измерения проходных параметров четырехполюсника. По определению ЧКП четырехполюсника (ЧП) называют отношение /7, стр. 361/:



- напряжение на выходе ЧП; - напряжение на входе ЧП в сечении АА фиг. 1, совпадает с напряжением ДП в формуле (33). Резонансный частотой _op считают ту частоту, на которой K(_op) _ или для линий с потерями K(_op) = K_max. Из формулы (34) видно, что резонанс по проходному ЧКП будет на тех частотах, на которых . Так как в формулах (33) и (34) входное напряжение одно и то же, то заключаем, что частоты резонансов _op в ЗС по проходному ЧКП совпадают с частотами _om последовательных резонансов ЗС как ДП в режиме кз. А это значит, что для измерения дисперсионных характеристик ЗС вместо резонансных частот по проходному ЧПК /8, стр. 22-23/ можно измерять частоты _om последовательных резонансов по входному сопротивлению ЗС как ДП в режиме кз, обе частоты совпадают.

Таким образом, предлагаемый способ определения параметров ЗС удовлетворяют условиям патентоспособности: удовлетворяют критериям "новизна" и изобретательский уровень, составляет техническое решение, технически реализуется и имеет промышленную применимость.

Источники информации

1. Тараненко З.И., Трокименко Я.К. ЗС, Киев, Наука, 1965.

2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Ч.1. Техника СВЧ, М., Высшая шк. 1970.

3. Фрадин А.З., Рыжов Е.В. Измерения параметров АФу, М., Связь, 1972.

4. Силин Р.А., Сазонов В.П. ЗС, М., Сов. Радио, 1968.

5. Р4-37. Измеритель комплексных коэффициентов передачи. ТО и ТЭ. ЦЮ1.400.245.ТО.

6. Лосев А.К. Линейные радиотехнические цепи. М., Высшая школа. 1971.

7. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М., Энергия, 1969.

8. Электромагнитные ЗС (методика измерений электрических характеристик). М., Оборонгиз, 1960.