Линия с прорезями

Рисунок 1. Волноводная щелевая линия

Линии с прорезями используются для микроволновых измерений и состоят из подвижного зонда, вставленного в щель линии передачи . Они используются в сочетании с источником микроволновой энергии и обычно, в соответствии с их низкой стоимостью применения, с дешевым диодным детектором Шоттки и измерителем КСВ , а не с дорогим измерителем мощности СВЧ .

Линии с прорезями позволяют измерять стоячие волны , длину волны и, после некоторых вычислений или нанесения на диаграммы Смита , ряд других параметров, включая коэффициент отражения и электрический импеданс . прецизионный регулируемый аттенюатор Для повышения точности в испытательную установку часто включается . Это используется для измерения уровня, в то время как детектор и измеритель КСВ остаются только для обозначения контрольной точки для установки аттенюатора, что полностью исключает ошибки измерения детектора и измерителя. Параметром, чаще всего измеряемым с помощью линии с прорезями, является КСВ. Это служит мерой точности согласования импеданса с испытуемым объектом. Особенно это важно для передающих антенн и их фидерных линий; высокий коэффициент стоячей волны на радио- или телевизионной антенне может исказить сигнал, увеличить потери в линии передачи и потенциально повредить компоненты на пути передачи, возможно, даже передатчик.

Линии с прорезями больше не используются широко, но все еще можно найти в бюджетных приложениях. Их главный недостаток заключается в том, что они трудоемки в использовании и требуют расчетов, таблиц или построения графиков для использования результатов. Они должны быть изготовлены с механической точностью, а зонд и его детектор должны быть тщательно отрегулированы, но они могут давать очень точные результаты.

Описание

Линия с прорезями является одним из основных инструментов, используемых при радиочастотных испытаниях и измерениях на сверхвысокочастотных частотах. Он состоит из прецизионной линии передачи , обычно коаксиальной , но волноводные также используются реализации с подвижным изолированным зондом , вставленным в продольную щель, вырезанную в линии. В коаксиальной линии с прорезями прорезь врезается во внешний проводник линии. Зонд вводится мимо внешнего проводника, но не настолько, чтобы он касался внутреннего проводника. В прямоугольном волноводе щель обычно вырезается по центру широкой стенки волновода. Также возможны круговые волноводные щелевые линии.

Линии с прорезями относительно дешевы. и может выполнять многие измерения, выполняемые более дорогим оборудованием, например, сетевыми анализаторами . Однако методы измерения с использованием щелевых линий более трудоемки и часто не позволяют напрямую получить желаемый параметр; Часто требуются некоторые расчеты или построения графиков. В частности, они могут одновременно выполнять измерения только на одной фиксированной частоте, поэтому построение графика зависимости параметра от частоты занимает очень много времени. Это можно сравнить с современными инструментами, такими как анализаторы цепей и спектра , которые по своей природе сканируют частоту и мгновенно создают график. Линии с прорезями в настоящее время в значительной степени вытеснены, но все еще используются там, где капитальные затраты являются проблемой. Остальные области их применения в основном находятся в миллиметровом диапазоне , где современное испытательное оборудование либо непомерно дорого, либо вообще недоступно, а также в академических лабораториях и среди любителей. Они также полезны в качестве учебного пособия, поскольку пользователь более непосредственно знакомится с основными линейными явлениями, чем с более сложными инструментами.

Операция

Линия с прорезями работает путем отбора проб электрического поля внутри линии передачи с помощью зонда. Для точности важно, чтобы зонд как можно меньше нарушал поле. По этой причине диаметр зонда и ширина паза остаются небольшими (обычно около 1 мм ), и зонд вводится не дальше, чем необходимо. В волноводных щелевых линиях также необходимо располагать щель в таком положении, чтобы ток в стенках волновода был параллелен щели. Тогда ток не будет нарушен наличием щели, если она не слишком широка. Для доминирующей моды она находится на центральной линии широкой поверхности волновода, но для некоторых других мод она может быть смещена от центра. Это не проблема для коаксиальной линии, поскольку она работает в режиме TEM (поперечно-электромагнитного) и, следовательно, ток повсюду параллелен щели. Прорезь может быть сужена на концах, чтобы избежать разрывов, вызывающих отражения.

Возмущение поля внутри линии, вызванное введением зонда, сведено к минимуму, насколько это возможно. Это беспокойство состоит из двух частей. Первая часть связана с мощностью, которую зонд извлекает из линии, и проявляется в виде эквивалентной схемы резистора с сосредоточенными параметрами . Это сводится к минимуму за счет ограничения расстояния, на которое датчик вставляется в линию, так что потребляется только достаточная мощность для эффективной работы детектора. Вторая часть возмущения обусловлена ​​энергией, запасенной в поле вокруг зонда, и проявляется в виде сосредоточенного эквивалента конденсатора . Эту емкость можно нейтрализовать индуктивностью с равным и противоположным импедансом . Индуктивности с сосредоточенными параметрами непрактичны на микроволновых частотах; вместо этого используется регулируемый шлейф с индуктивной эквивалентной схемой для «отстройки» емкости пробника. В результате получается эквивалентная схема с высоким импедансом шунта в линии, который мало влияет на передаваемую мощность в линии. В результате такой настройки зонд становится более чувствительным, и в результате расстояние, на которое он вводится, может быть дополнительно ограничено.

Тестовая установка

Рисунок 2. Тестовая установка с использованием волноводной щелевой линии

Рисунок 3. Коаксиальная щелевая линия

Типичная испытательная установка с волноводной щелевой линией показана на рисунке 2. На этом рисунке энергия от источника испытательного оборудования (не показана) поступает в аппарат через коаксиальный кабель слева и преобразуется в волноводный формат с помощью ( пусковой установки 1). Далее следует участок волновода (2), обеспечивающий переход к волноводу меньшего размера. Важным компонентом установки является изолятор (3), который предотвращает отражение энергии обратно в источник. В зависимости от условий испытаний такие отражения могут быть большими, и возвратная волна может повредить мощный источник. Мощность, поступающая в щелевую линию, контролируется поворотным регулируемым аттенюатором (4). Далее следует сама линия с прорезями (5), над которой на подвижной каретке установлен датчик. Каретка также несет на себе регулировку зонда: (6) — регулировка глубины зонда, (7) — длина коаксиальной секции с регулировкой настройки, и (8) — детектор , в котором используется либо точечный контакт кварцевый выпрямитель или диод с барьером Шоттки. Правый конец линии с прорезями оканчивается согласованной нагрузкой (9), которая поглощает всю мощность, выходящую из конца волновода. Нагрузку можно заменить компонентом или системой, которую необходимо протестировать. Его также можно заменить эталонным короткозамыкателем (10), который используется для калибровки линии с прорезями. Каретка может перемещаться вдоль линии с прорезями с помощью поворотной ручки (11), которая одновременно перемещает нониус ( 12) для точного измерения положения щупов вдоль линии.

Зонд соединен с детектором и индикатором (не показан на рисунке 2). Это могут быть соответственно термистор и измеритель мощности или детектор огибающей и КСВ-метр . Детектором может быть кристаллический детектор или диод с барьером Шоттки . Детектор монтируется на сборке зонда, обычно на расстоянии λ/4. от кончика зонда, как показано на рисунке 3. Это связано с тем, что детектор выглядит почти как короткое замыкание на линию передачи, и это расстояние преобразует его в разомкнутую цепь за счет эффекта четвертьволнового трансформатора импеданса . Таким образом, детектор оказывает минимальное влияние на загрузку линии. На рисунке 3 можно увидеть шлейф настройки зонда, ответвляющийся от линии, соединяющей зонд с детектором. Рисунок 2 имеет несколько иное расположение; основной зонд в волноводе ведет в вертикальную коаксиальную секцию настройки и регулировки, но детектор находится на горизонтальной боковой секции, а вторичный зонд - в вертикальной коаксиальной секции.

Измерения

Измерения микроволновой мощности можно проводить напрямую, обычно с помощью детектора и измерителя на основе термистора. Однако эти приборы дороги, и обычный измеритель, используемый для измерений с использованием щелевой линии, представляет собой более дешевый низкочастотный измеритель КСВ. Источник микроволновой энергии модулируется по амплитуде , как правило, сигналом частотой 1 кГц , который улавливается детектором огибающей в зонде и отправляется на измеритель КСВ. Эта схема предпочтительнее простого обнаружения немодулированной несущей напрямую, что приведет к выходному сигналу постоянного тока стабильный узкополосный настроенный усилитель можно использовать , поскольку для усиления сигнала частотой 1 кГц . В КСВ-метре требуется большое усиление, поскольку предел диапазона квадратичного закона детекторного диода не более 10 мкВт .

Максимумы и минимумы

Рисунок 4. Картины стоячей волны на линии для различных коэффициентов отражения с указанием максимумов и минимумов.

Когда линия с прорезями завершается точно согласованной нагрузкой, в обнаруженной мощности вдоль линии не происходит никаких изменений, за исключением очень небольшого уменьшения из-за потерь в линии. Однако, когда его заменяют тестируемым устройством (DUT), которое не идеально согласовано с линией, произойдет отражение обратно в сторону источника . Это приводит к тому, стоячая волна ) возникает что на линии с периодическими максимумами и минимумами (совместно — экстремумами из-за чередующейся конструктивной и деструктивной интерференции . Эти экстремумы обнаруживаются путем перемещения зонда вперед и назад вдоль линии, а затем уровень в этой точке можно измерить с помощью измерителя.

Сами по себе экстремумы особого интереса не представляют, но используются при расчете еще нескольких полезных параметров. Некоторые из этих параметров требуют измерения точного положения экстремума. С математической точки зрения можно одинаково использовать как максимумы, так и минимумы, но минимумы предпочтительнее, поскольку они всегда намного резче, чем максимумы, особенно для больших отражений, как показано на рисунке 4. Кроме того, зонд вызывает меньшие помехи в поле. вблизи минимума, чем вблизи максимума.

Длина волны

Длина волны определяется путем измерения расстояния между двумя соседними минимумами. Это расстояние будет λ/2. Нет необходимости в тестируемом устройстве, лучшие результаты достигаются при коротком замыкании опорного источника.

Коэффициент стоячей волны

Коэффициент стоячей волны (КСВ или КСВН) является основным параметром, который чаще всего измеряется на щелевой линии. Эта величина имеет особое значение для передающих антенн . Высокий КСВ указывает на плохое согласование между питающей линией и антенной, что увеличивает потери мощности, может привести к повреждению компонентов на пути передачи, возможно, включая передатчик, и вызвать искажения телевизионных, FM-стерео и цифровых сигналов. Если входная мощность установлена ​​так, что максимумы находятся на уровне 0 дБм , измерение минимума в децибелах напрямую даст КСВ (после отбрасывания знака минус).

Коэффициент отражения

Коэффициент отражения ρ — это отношение отраженной волны к падающей волне. В общем случае это комплексное число . Величину коэффициента отражения можно рассчитать на основе измерения КСВН по формуле:

$|\rho |={\frac {\mathrm {VSWR} -1}{\mathrm {VSWR} +1}}$

где КСВН — коэффициент стоячей волны, выраженный как коэффициент напряжения (не в децибелах ). Однако для полной характеристики коэффициента отражения необходимо найти еще и фазу ρ. Это делается на линии с прорезями путем измерения расстояния первого минимума от проверяемого устройства. Перемещение пробника прямо к тестируемому устройству невозможно, поэтому обычно применяется другой подход. Отмечается положение первого минимума при наличии опорного короткого замыкания. Расстояние назад по линии от этой контрольной точки до следующего минимума, когда ИУ установлено, будет таким же, как расстояние от ИУ до первого минимума. Это происходит потому, что короткое замыкание гарантирует минимум в положении ИУ.

Фазовая : часть ρ определяется выражением

$\angle \rho ={\frac {4\pi }{\lambda }}x-\pi$

где λ — длина волны, а x — расстояние до первого минимума, как описано ранее. Представление величины и фазы ρ при необходимости может быть выражено в виде вещественной и мнимой частей вместо этого путем обычных манипуляций с комплексными числами.

Импеданс

Импеданс Z ИУ можно рассчитать по коэффициенту отражения по формуле:

$Z=Z_{0}{\frac {1+\rho }{1-\rho }}$

где Z ₀ – характеристическое сопротивление линии. Альтернативный метод — построить график КСВН и расстояния до узла (в длинах волн) на диаграмме Смита . Эти величины непосредственно измеряются по прорезанной линии. На этом графике импеданс ИУ (нормированный на Z ₀ ) можно считать непосредственно с диаграммы Смита.

Вопросы точности

Хорошие лески с прорезями — это инструменты, изготовленные с высокой точностью. Они необходимы, потому что механические дефекты могут повлиять на точность. Некоторые из механических проблем, имеющих отношение к этому, включают люфт нониуса, концентричность внутреннего и внешнего проводника, округлость внешнего проводника, центральность и прямолинейность внутреннего проводника, изменения поперечного сечения и способность каретки для поддержания постоянной глубины зонда. Проблемы с настройкой зонда и помехами в поле уже обсуждались, но изолированные прокладки, удерживающие центральный проводник, также могут нарушать поле. Следовательно, они изготавливаются настолько дискретными, насколько это совместимо с механической прочностью. Однако самым большим источником погрешностей обычно является не сама щелевая линия, а характеристики детекторного диода.

Выходной сигнал обнаруженного напряжения диодов с барьером Шоттки, обычно используемых в микроволновых детекторах, имеет квадратичную зависимость от измеряемой мощности, и счетчики калибруются соответствующим образом. Однако по мере увеличения мощности диод значительно отклоняется от квадратичного закона и остается точным вплоть до выходного напряжения всего около 5-10 мВ . Это можно немного улучшить, добавив нагрузочный резистор на выход детектора, но это также имеет нежелательный эффект в виде снижения чувствительности. Другой метод заключается в уменьшении диапазона измеряемой мощности (так, чтобы он находился в пределах квадратичного диапазона детектора) путем измерения в точке, отличной от максимума. Затем максимум рассчитывается на основе известной математической формы структуры стоячей волны. Возражение против этого состоит в том, что это значительно увеличивает трудозатраты, необходимые для проведения измерений, равно как и метод точной калибровки детектора и настройки показаний измерителя в соответствии с калибровочной таблицей.

Полностью исключить ошибки в детекторе и измерителе можно, если в испытательной установке использовать прецизионный регулируемый аттенюатор. В этом методе сначала находят минимум и аттенюатор настраивают так, чтобы измеритель показывал точно какую-то удобную отметку. Затем обнаруживается максимум, и затухание увеличивается до тех пор, пока измеритель не покажет ту же отметку. Величина затухания, которую необходимо было увеличить, равна КСВ стоячей волны. Точность здесь зависит от точности аттенюатора, а вовсе не от детектора.

Библиография

• Коннор, Франция, Передача волн , Edward Arnold Ltd., 1972 г. ISBN   0-7131-3278-7 .
• Дас, Аннапурна; Дас, Сисир К., Микроволновая техника , Tata McGraw-Hill Education, 2009 г. ISBN   0-07-066738-1 .
• Гупта, К.С., Микроволновые печи , New Age International, 1979 г. ISBN   0-85226-346-5 .
• Ли, Томас Х. , Планарная микроволновая техника , издательство Кембриджского университета, 2004 г. ISBN   0-521-83526-7 .
• Вольтмер, Дэвид Рассел, Основы электромагнетизма 2: квазистатика и волны , Morgan & Claypool, 2007 г. ISBN   1-59829-172-6 .