Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Относится к области измерительной техники, в частности к области измерительной техники на СВЧ, и может быть использовано при измерениях электродинамических характеристик и входных параметров однородной линии передачи. Способ определения электродинамических характеристик однородной линии передачи заключается в возбуждении нагруженной линии передачи СВЧ- колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерении экстремальных значений суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующих им частот в заданном диапазоне частот и определении электродинамических характеристик и входных параметров исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне частот Δf = fmax-fmin или Δf = fmin-fmax из приведенных соотношений, при этом в способе по п.1 предварительно выбирают из приведенных соотношений волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта и фиксированные значения двух активных нагрузок, а в способе по п.2 - волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта и фиксированное значение одной активной нагрузки. 2 с.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2102769
Класс(ы) патента: G01R27/28
Номер заявки: 5063200/09
Дата подачи заявки: 16.07.1992
Дата публикации: 20.01.1998
Заявитель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Автор(ы): Астайкин А.И.; Гусев В.Е.; Коротких Б.П.; Помазков А.П.
Патентообладатель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Описание изобретения: Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерений в электронике СВЧ. Может быть использовано при измерениях электродинамических характеристик (ЭДХ) и входных параметров различных линий передачи (ЛП) электромагнитных волн (ЭВМ), например, спиральных замедляющих систем (СЗС).
Известен резонансный способ измерения дисперсионной характеристики СЗС, включающий возбуждение СЗС, размещенной в объемном цилиндрическом резонатора (ОЦР) и закороченной на его торцевые стенки, СВЧ-колебаниями от генератора СВЧ, перестройку частоты генератора до нахождения первой резонансной длины волны λч1 в СЗЧ, измерение первой резонансной длины волны λч1 и соответствующей ей резонансной частоте fp1, перестройку частоты генератора до нахождения второй λч2 третьей λч3 и т.д. резонансных длин волн в СЗС и соответствующих им резонансных частот fp2, fp3 и т.д. определение коэффициента замедления nm ЭМВ в СЗС по формуле:

где m порядковый номер резонанса, λom длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренным резонансным частотам fpm, λomc/fpm, c 3 · 108 м/с и построение дисперсионной характеристики n n(f) в заданном диапазоне частот по рассчитанным nm.
Устройство для измерения дисперсионной характеристики резонансным способом содержит генератор СВЧ, волномер, подключенный к второму выходу генератора, последовательно соединенные аттенюатор, первый зонд, ОЦР с СЗС, закороченной на торцевые стенки, второй зонд, детекторную секцию и индикаторный прибор, подключенные к первому выходу генератора, при этом связь обоих зондов с ОЦР осуществляется с помощью петель связи.
Коэффициенты замедления nm измеряют следующим образом. Собирают схему измерений. Возбуждают закороченную СЗС в ОЦР от генератора СВЧ. Перестраивают генератор по частоте до получения первого резонанса на частоте fp1, регистрируют эту частоту по волномеру. Факт резонанса фиксируют по максимальным показаниям индикаторного прибора. Измеряют длину первой резонансной частоты λч1 соответствующую fp1 и фиксируют λч1 Снова перестраивают частоту генератора до получения второго, третьего и т.д. резонансов, регистрируют fp2, fp3 и т.д. измеряют и регистрируют соответствующие резонансные длины волн λч2ч3 и т.д. Определяют коэффициенты замедления nm на каждой из резонансных частот по формуле (1), строят дисперсионную характеристику n n(f) по расчетным значениям nm.
Недостатком аналога можно считать тот факт, что измерения можно проводить только на закороченной с обоих концов СЗС, размещенной в специальном ОЦР; в этом случае нельзя проводить измерения на СЗС, размещенной на штатном рабочем месте.
Известен резонансный способ измерения СВЧ-затухания в отрезке ЛП, включающий возбуждение СВЧ-колебаниями закороченного с двух концов отрезка ЛП, подключенного зондами со слабой связью с одного конца к генератору СВЧ, а с другого к индикатору проходной мощности, перестройку генератора СВЧ до получения резонанса в отрезке ЛП на резонансной частоте fp, регистрацию fp и показаний индикатора мощности на этой частоте, перестройку генератора по частоте вверх и вниз от резонансной частоты до частот f1 и f2, на которых показания индикатора мощности уменьшаются вдвое, регистрацию этих частот и определение СВЧ-затухания α по формуле:

где α в Нп/м, lp12 длины волн, соответствующие измеренным частотам fp, f1, f2, Гц; λ c/f; f2<f>0<f>1.
Устройство для осуществления этого способа содержит генератор СВЧ, последовательно соединенные аттенюатор, первый зонд, закороченную с обоих концов отрезок ЛП, второй зонд и индикатор мощности, подключенные к первому выходу генератора СВЧ, и волномер, подключенный к второму выходу генератора.
Измерения СВЧ затухания a в ЛП производят следующим образом. Собирают схему измерений. Перестраивают генератор СВЧ по частоте до настройки ЛП в резонанс на частоте fp, что регистрируется максимумом показаний индикатора мощности, и регистрируют fp и показания прибора gp Перестраивают частоту генератора вверх и вниз от fp, находят и регистрируют частоты f2<f>p и f1>fp, на которых показания индикатора мощности равны γ 0,5 fp. Определяют СВЧ - затухание по формуле (2).
Недостатками аналога являются применение слабой связи зондов и исследуемой ЛП, использование закороченного отрезка ЛП, что не позволяет провести измерения непосредственно на рабочем объекте.
Известен способ измерения волнового сопротивления Z02 СЗС, включающий возбуждение нагруженной активным сопротивлением Rн СЗС СВЧ-колебаниями в заданном диапазоне частот через высокочастотный измерительный тракт (ВЧИТ) с волновым сопротивлением Z01, измерение на заданных дискретных частотах fm внутри диапазона экстремальных значений коэффициента стоячей волны (КСВ) Kmax и Kmin на входе СЗС, определение парциального (собственного) коэффициента отражения (КО) Г01m от входа СЗС по известным соотношениям на каждой из частот fm, определение волнового сопротивления Z02m СЗС на каждой из частот fm по формуле

и построение дисперсионной характеристики Z02 Z02(f) по рассчитанным значениям Z02m.
Устройство для измерения волнового сопротивления Z02 содержит генератор СВЧ, последовательно соединенные измеритель КСВ с ВЧИТ с известным волновым сопротивлением Z01, отрезок СЗС, переменный фазовращатель и активную нагрузку Rн, подключенные к первому выходу генератора, и волномер, подключенный к второму выходу генератора.
Измерение волнового сопротивления Z02m на каждой из частот fm внутри заданного диапазона производят следующим образом. На заданной частоте fm изменяют фазовращателем фазу нагрузки Rн до получения максимума КСВ Kmax m на входе СЗС, регистрируют fm и Kmax m. С помощью того же фазовращателя добиваются на этой частоте получения значения минимума КСВ Kmin m на входе СЗС, регистрируют Kmin m. По известным соотношениям находят на частоте fm парциальный КО Г01m. Определяют Z02m по формуле (3). Производят измерения Kmax и Kmin на других частотах внутри заданного диапазона, рассчитывают Г01 и Z02 на этих частотах. Строят дисперсионную зависимость Z02 Z02(f) по рассчитанным значениям Z02m.
Третий аналог позволяет исследовать ВС, размещенную непосредственно на своем штатном месте, без привлечения специальных технологических устройств. Недостатком аналога можно считать существенное влияние на результаты измерений неизвестных неоднородностей в плоскостях соединения СЗС с ВЧИТ и фазовращателем.
Каждый из трех перечисленных аналогов может быть принять в качестве прототипа, однако наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является третий аналог, выбранный в качестве прототипа. Однако его недостатком является то, что он, как и два других аналога, решает задачу измерения только одного параметра исследуемой СЗС, а именно Z02, и не решает задачи измерения других важных параметров: парциального КО Г02 от конца отрезка, дисперсионной характеристики (DX)n n(f) и СВЧ затухания α в отрезке.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является измерение ЭДХ и входных параметров однородной линии передачи, в том числе и СЗС, в режиме рассогласованного тракта, при этом в качестве исследуемой ЛП используется отрезок реальной ЛП на штатном рабочем месте, никаких дополнительных мер, например закорачивания концов ЛП или помещения ЛП в специальный ОЦР, не производится.
Техническим результатом заявляемого решения является то, что ЭДХ (волновое сопротивление Z02, DX n n(f), СВЧ-затухание a ) и входные параметры (парциальные КО Г01 и Г02, суммарный КО ГΣ ) однородной ЛП удается измерить в условиях, приближенных к рабочему режиму ЛП, не обращая внимания на вопросы ее согласования с нагрузкой Rн и ВЧИТ.
Этот технический результат достигается тем, что при способе определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающем возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ-колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, новым является то, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z01 и двух фиксированных значений активных нагрузок Rн1 и Rн2 выбирают предварительно из соотношений
Z01 ≠ Rн1,2 (4)

где Z02 рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи (Ом) измеряют в данном диапазоне частот при поочередном подключении двух выбранных активных нагрузок Rн1 и Rн2, в качестве входных параметров экстремальные значения Гmin и Гmax суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты fmin и fmax, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне частот Δffmax fmin или Δf fmin fmax определяют из соотношений:


где Uф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf /fmax fmin/, м/с;
l заданная длина исследуемой линии передачи, м;
fmax, fmin две измеренные соседние частоты, соответствующие Г0max, Г0min, в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Гц;
β фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте в пределах рассчитываемого поддиапазона Df м-1 f = ω/2π любая частота в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3 · 108 м/с;
α постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Нп/м;
Z02 волновое сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Ом;
Г01 модуль парциального коэффициента отражения от входа исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Г021,2 модуль парциального коэффициента отражения от выхода исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Г021 относится к измерениям с нагрузкой Rн1, Г022 с нагрузкой Rн2;
Гomin 1,2, Гomax 1,2 модули измеренных соседних и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf индексы "оmin1" и оmax1" относятся к измерениям с нагрузкой Rн1, индексы "omin2" и "omax2" к измерениям с нагрузкой Rн2,

а дисперсионные характеристики n n(f) и Z02 Z02(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона
Технический результат достигается также и тем, что при способе определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающем возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ-колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, новым является то, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z01 и фиксированное значение активной нагрузки Rн выбирают предварительно из соотношений:
Z01=Rн (12)

где Z02 рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи (Ом) измеряют в заданном диапазоне при подключенной выбранной активной нагрузке Rн, в качестве входных параметров экстремальные значения Гmin и Гmax суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты fmin и fmax, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне Δffmax- fmin или Δf fmin- fmax определяют из соотношений:

где Uф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf/fmax- fmin/, м/с;
l заданная длина исследуемой линии передачи;
fmax, fmin две измеренные соседние частоты, соответствующие Г0 max и Г0 min, в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Гц;
β фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте f в пределах рассчитываемого поддиапазона Df м-1;
f = ω/2π любая частота в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3·108 м/с;
α постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Df Нп/м;
Z02 волновое сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf Ом;
Г01, Г02 модули парциальных коэффициентов отражений от входа и выхода соответственно исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Г0min, Г0max модули соседних минимума и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи на частотах fmax и fmin в рассчитываемом поддиапазоне Δf
а дисперсионные характеристики n=n(f) и Z02=Z02(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет измерить в заданном диапазоне частот электродинамические характеристики и входные параметры отрезка однородной линии передачи; волновое сопротивление Z02 и его зависимость от частоты, дисперсионную характеристику n= n(f) и СВЧ-затухание α = α(f) как функцию частоты, суммарный коэффициент отражения ГΣ от входа линии передачи и парциальные КО Г01 и Г02 от входа и выхода линии передачи соответственно. При этом измерения проводятся в условиях, соответствующих рабочему режиму ЛП и не требующих дополнительных технологических устройств и операций, за исключением нагружений ЛП на активные нагрузки Rн.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства для измерений по предлагаемому способу; на фиг.2 амплитудно-частотная характеристика суммарного КО.
Определение ЭДХ однородной ЛП согласно предлагаемому способу производят следующим образом. Подключают отрезок однородной ЛП с известной длиной l с неизвестным волновым сопротивлением Z02 к ВЧИТ с волновым сопротивлением Z01 ≠ Z02, например, Z01 50 Ом, измерителя КО, например, Р4-37. Нагружают выход ЛП известной активной нагрузкой Rн1. Возбуждают отрезок ЛП СВЧ-колебаниями от измерителя КО в заданной полосе частот DF например ΔF 300 МГц. На амплитудно-частотной характеристике суммарного КО (см. фиг.2), развертывающейся на экране прибора Р4-37, находят первый слева минимум (или максимум) суммарного КО, измеряют значение минимума (или максимума) суммарного КО, Г0min (или Г0max) и значение частоты f0min (или fmax этого минимума (или максимума), регистрируют эти значения. Находят на амплитудно-частотной характеристике соседний справа от fmin (или fmax) максимум (или минимум) суммарного КО на частоте fmax (или fmin), измеряют и регистрируют эту частоту и значения Г0max (или Г0min). Производят такие же измерения всех значений минимумов и максимумов суммарного КО на всех частотах справа от измеренной частоты fmax (или fmin) в пределах заданного диапазона частот ΔF отключают от выхода отрезка ЛП первую активную нагрузку Rн1 и подключают к этому выходу вторую активную нагрузку Rн2. По амплитудно-частотной характеристике суммарного КО (см. фиг. 2) производят аналогичные измерения частот fmax и fmin и значений Г0max и Г0min на этих частотах во всем диапазоне частот ΔF Определяют входные параметры отрезка ЛП по формулам (10) и (11) и ЭДХ отрезка ЛП по формулам (5) oC (8).
Выбор нагрузок Rн1, Rн2 и волнового сопротивления Z01 производят предварительно согласно формулам (14) и (15) следующим образом. По конструкции и геометрическим размерам отрезка ЛП предварительно рассчитывают волновое сопротивление Z02. Пусть, например, имеет Z02 90 Ом, тогда выбираем Z01, Rн1 и Rн2 в пределах, приведенных в формулах (14) и (15), например Z01 500 м 0,55 Z02, Rн1 35 Ом 0,39 Z02; Rн2 210 Ом 2,33 Z02.
Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит (фиг.1) измеритель КО 1 с ВЧИТ 2, волномер 3, подключенный к второму выходу измерителя КО, исследуемый отрезок ЛП 4, вход которого подключен ко входу ВЧИТ 2 измерителя КО 1, и фиксированную активную нагрузку Rн 5, подключенную к выходу отрезка ЛП 4.
Устройство работает следующим образом. Собирают блок-схему по фиг.1. Включают приборы. Вставляют на измерителе КД 1 необходимую заданную полосу частот ΔF Включают измеритель КО 1 в режим измерения КО на входе ВЧИТ (режим измерения входных параметров четырехполюсника). Перестраивая измеритель КО 1 по частоте, например, путем автоматического качания частоты, находят частоту fmin (или fmax) первого слева минимума (или максимума) суммарного КО, измеряют и регистрируют fmin (или fmax), Г0min (или Г0max). Находят справа от fmin (или fmax) частоту fmax (или fmin) соседнего максимума (или минимума) суммарного КО Г0max (или Г0min). Измеряют и регистрируют эту частоту и значение КО. Производят такие же измерения на всех частотах максимумов и минимумов суммарного КО, находящихся справа от частоты fmax (или fmin), во всей рабочей заданной полосе частот ΔF Отключают от выхода ЛП первую активную нагрузку Rн1, подключают к этому выходу вторую активную нагрузку Rн2. Проводят аналогичные измерения. Определяют входные параметры и ЭДХ отрезка по формулам (5)oC(11).
В качестве измерителя КО1 могут быть использованы, например, промышленные измерители комплексных коэффициентов передачи типа Р4-37, Р4-37А, Р4-38 и т.п. в качестве ВЧИТ, например, выносные рефлектометры "Zx" этих приборов; в качестве одной ЛП4 отрезок ЛП, имеющий входной и выходной высокочастотные разъемы, например спиральная замедляющая система 1112-Л019. СБ в металлическом корпусе; в качестве нагрузки 5 Rн1 и Rн2, - например, резисторы С2-10. Измеритель КО, ВЧИТ, волномер, отрезок ЛП и нагрузки соединяются в измерительную схему как непосредственно, так и с помощью фидеров, изготовленных из промышленных кабелей, например, СР50-2-11, СР50-2-22, СР50-4-21 и т.п.
Лабораторная установка 1112-Л019 для измерений по предлагаемому способу содержит:
измеритель КО измеритель комплексных коэффициентов передачи Р4-37;
ВЧИТ выносной рефлектометр "Zx" прибора Р4-37 с Z01 50 Ом;
отрезок ЛП спиральная замедляющая система 1112-Л019.СБ в корпусе 1112-Л019.001-01;
нагрузка Rн Z01 50 Ом из комплекта Р4-37;
соединительные проводники и кабели.
Размеры корпуса 1112-Л019.001-01: длина внутренней полости Lk 220 мм; диаметр внутренней полости Dk 120 мм. Геометрические размеры спиралей приведены в табл.1.
В табл. 1 обозначены: Dн наружный диаметр спирали; dпр. - диаметр проводника спирали; h шаг (период) спирали; Lsp. длина спирали; lвт длина витка спирали; n число витков (периодов) спирали; nг геометрический коэффициент замедления.
В табл. 2 приведены результаты измерений и расчета ЭДХ и входных параметров СЭС 1112-Л019.СБ с использованием лабораторной установки 1112-Л019.
В табл.2 обозначены: fmin частоты минимумов суммарного КО; fmax частоты максимумов суммарного КО; n коэффициент замедления СЗС; Vф фазовая скорость распространения ЭМВ в СЗС; βz фазовая постоянная распространения ЭМВ в СЗС; K0 волновое число; Z02 - волновое сопротивление СЗС; α0 коэффициент СВЧ-затухания в проводнике СЗС и стенках корпуса; Г01, Г02 модули парциальных КО от входа и выхода СЗС, Г0max, Г0min модули измеренных КО (максимум и минимум).
В табл.3 для иллюстрации приведены результаты измерений коэффициента замедления n тех же СЗС согласно первому аналогу. В табл.3 обозначены: "N резонанса" порядковый номер резонанса в закороченной с обоих концов СЗС; fрез. значение резонансной частоты, n коэффициент замедления.
Как видно из табл. 2 и 3, коэффициенты замедления n, определяемые по предлагаемому способу и первому аналогу, отличаются незначительно, не более чем на 10% однако измерения по предлагаемому способу ближе к геометрическому замедлению спиралей (см.табл.1, столбец nг).
Погрешность измерений в обоих случаях не более ±10%
Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется и дает положительный эффект расширения функциональных возможностей и упрощения измерений.
На фиг. 1 приведены блок-схема измерений и диаграмма распространения и отражения ЭМВ в исследуемом отрезке ЛП длиной l между входом и выходом отрезка (сечения 1-1 и 2-2 на фиг.1).
На диаграмме распространения и отражения (фиг.1) обозначены:
1-1 сечение соединений отрезка ЛП с входом ВЧИТ (вход ЛП);
2-2 сечение соединения отрезка ЛП с нагрузкой (выход ЛП);
Uпад=1 волна, распространяющаяся от ВЧИТ к входу ЛП;
парциальный КО от сечения 1-1 (входа ЛП) в сторону ВЧИТ;
парциальный КО от выхода ЛП в сторону входа ЛП;
парциальный КО от входа ЛП в сторону нагрузки (выхода ЛП); ;
βz фазовая постоянная распространения ЭМВ в отрезке ЛП;
l длина отрезка ЛП.
Точка над буквой обозначает комплексную величину.
Как видно из диаграммы распространения и отражения (фиг.1), в отрезке ЛП, имеющем парциальные коэффициенты отражения , происходят многократные отражения волны, падающей на сечение 1-1, от отражающих сечений 1-1 и 2-2 (входа и выхода ЛП). В результате многократных отражений суммарный КО от входа ЛП в сторону входа ВЧИТ может быть записан в виде бесконечного ряда:

Этот ряд преобразуется к пределу /4, 5/

где суммарный КО от входа ЛП в сторону ВЧИТ;
парциальный (собственный) КО от входа ЛП в сторону ВЧИТ при условии, что от выхода ЛП нет отражений (выход ЛП согласован полностью);
парциальный (собственный) КО от выхода ЛП в сторону входа ЛП при условии, что после сечения 2-2 нет отражений;
α коэффициент СВЧ затухания в ЛП, Нп/м;
b фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЛП, м-1
l длина отрезка ЛП, м.
При таком определении парциальных КО последние выражаются как (5):

где Z01 волновое сопротивление ВЧИТ, Ом;
Z02 волновое сопротивление отрезка ЛП, Ом;
Rн сопротивление нагрузки на выходе ЛП, Ом.
В линиях передачи с малыми потерями, какие практически используются в эксплуатации, Z01 и Z02 действительные величины, а Rн также действительная величина. Поэтому парциальные КО также будут действительными величинами (со своими знаками "плюс" или минус"). Кроме того, переобозначим:

С учетом этого, формулу (19) можно переписать в виде:

Модуль будет равен:

где ϕ = 2βl
Г01, Г02 модули парциальных КО.
Исследование Г20Σ на экстремумы по аргументу v дает точки экстремумов sinϕ = 0 или cosϕ = ±1, а выражения для максимума и минимума Г будут:


т. е. максимум суммарного КО при условии cosϕ = 1, а минимум суммарного КО при условии cosϕ = -1, или

где m 0; 1; 2;
Из условия (28) и выражений (26) и (27) следует, что на частотной развертке измерителя КО, например Р4-37, образуется интерференционная картина суммарного КО Г с чередующимися максимумами в точках vmax= 2βmax·l = 2mπ и минимумами в точках ϕmin= 2βmin1 = (2m+1)π, приведенная на фиг.2, на частотах fmax и fmin.
Рассмотрим разность фаз Δϕ между соседними минимумом на частоте fmin и максимумом на частоте fmax:
Dv-2β2l-2β1l = (2m+1)π-2mπ = π (29)
где β2 фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЛП на частоте fmin;
β1 фазовая постоянная распространения ЭМВ в ЛП на частоте fmax, т.к. β2= ω2/Uф21= ω1/Uф1, где ω = 2πf, то разность Δϕ между точками соседних минимума и максимума суммарного КО будет равна:

Так как рассматриваются однородные линии передачи, например, типа спиральных замедляющих систем или коаксиальных линий, то с достаточной степенью точности можно принять, что дисперсия в исследуемом отрезке слабая и ею можно практически пренебречь в пределах половины одного интерференционного лепестка между частотами fmin и fmax, здесь фазовая скорость распространения ЭМВ в отрезке ЛП остается практически постоянной, т.е. Vф1=Vф2=Vф. Учитывая еще, что ω = 2πf, находим

Отсюда находим фазовую скорость Vф и коэффициент замедления n:

где c 3·108 м/с; l длина отрезка ЛП, м; f2 и f1 в герцах.
Формулы (30) и (31) суть формулы (5) и (7). Фазовую постоянную распространения βz по формуле (6) находим из известных соотношений, связывающих круговую частоту ω = 2πf и фазовую скорость распространения ЭМВ на этой частоте. Таким образом, предлагаемый способ дает возможность определить фазовую скорость Vф по формуле (5) на разных частотах, фазовую постоянную распространения βz ЭМВ по формуле (6) и коэффициент замедления n по формуле (7), а затем построить дисперсионную характеристику в заданном диапазоне частот как функцию частоты любой характеристики, определенной по формулам (5)oC(7) (например, vф= ϕ(ω) или βz= ϕ1(ω) или n = ϕ2(ω) ). Для определения этих ЭДХ отрезка ЛП необходимо измерить частоты fmin и fmax соседних минимумов и максимумов суммарного КО на интерференционной картине амплитудно-частотной характеристики суммарного КО. Для построения дисперсионной характеристики необходимо произвести измерения и расчеты во всем заданном диапазоне частот.
Рассмотрим максимальный и минимальный суммарные КО из формул (26) и (27). Разрешаем эти выражения относительно получим:

В правой части равенства (32) только одна неизвестная величина - парциальный КО от входа отрезка ЛП Г01. Поэтому Г01 можно найти:

Выражение (33) суть формула (10). Таким образом, предлагаемый способ дает возможность определить парциальный КО от входа отрезка ЛП: для его определения необходимо измерить соседние максимумы Г0 max и минимумы Г0 min суммарного КО на входе отрезка. Знак "±" в формуле (33) выбирается из условия, что по определению Г01≅1.
Разделить между собой парциальный КО Г02 и затухание в отрезке e-2αl в выражении (32) только при одном измерении не удается. Поэтому для отдельного определения Г02 и e-2αl нужны либо дополнительные измерения, либо дополнительные условия.
Дополнительные измерения.
Сделаем измерения максимумов и минимумов суммарного КО при двух разных нагрузках активных Rн1 и Rн2, причем отношения Rн1/Z02 и Rн2/Z02 определяются выражением (5), а отношение Rн2/Rн1=0 т.е. задано. Пусть нагрузке Rн1 соответствуют Г0 max1 и Г021, а нагрузке Rн2 соответствуют Г0max2 и Г022. Подключение нагрузки с разными значениями Rн1 и Rн2 не сказывается на величине парциального коэффициента Г01 от входа отрезка (см.формулу (22)) и на величине затухания e-2αl ЭМВ в отрезке, т.к. последнее зависит только от длины l и коэффициента затухания α, который зависит от конструкции ЛП и материала, т.к. при обоих измерениях будем иметь: Г01101201 и В соответствии с формулой (32) для разных нагрузок получим:

Разделим (**) на (*), получим:

Из формулы (35) видно, что наличие измерений при двух нагрузках Rн1 и Rн2 дает возможность парциальные КО Г021 и Г022 выразить один через другой, а имея измерения , можно найти отношение Г022021 парциальных КО от выхода отрезка ЛП.
Рассмотрим известное отношение двух значений активной нагрузки Rн2/Rн1= d, при которых производят измерения частот и суммарного КО. Найдем связь этого известного отношения с парциальными КО Г021 и Г022. По определению согласно формуле (21)

Разрешаем эти выражения относительно Rн1 и Rн2, получим Rн1= Z02(1+Г021)·(1-Г021); Rн2=Z02(1+Г022)·(1-Г021).
Отношение Rн2/Rн1 с использованием этих выражений имеет вид:

В выражении (36) одна неизвестная парциальный КО Г021, который легко определяется из квадратного уравнения:

Формула (37) суть формула (11). Знак перед корнем в формуле (37) опять выбирается из условия Г02≅1
Подставим Г02, определенный по формуле (37), в формулу (32), найдем затухание СВЧ e-2αl в отрезке ЛП и коэффициент затухания α:

Формула (38) есть формула (9). Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить парциальный КО ГО02 от выхода отрезка ЛП, СВЧ- затухание e-2αl и коэффициент затухания α в отрезке ЛП. Для их определения необходимо измерить , при двух значениях фиксированной активной нагрузки Rн1 и Rн2 на выходе отрезка ЛП с известным отношением Rн2/Rн1 d, определить парциальный КО Г01 по формуле (33), определить величину b по формуле (34), а затем уже Г02 и α по формулам (11) или (38) и (9).
Дополнительные условия (частный случай).
Нагрузим исследуемый отрезок ЛП одной фиксированной активной нагрузкой Rн Z01, где Z01 волновое сопротивление ВЧИТ. На основании определения парциальных КО Г01 и Г02 по формулам (22) и (23) заключаем, что в этом случае Г02= -Г01, а модули их равны, т.е. Г02 Г01. Следовательно, в этом случае оба парциальных КО Г01 от входа ЛП и Г02 от выхода ЛП могут быть определены по формулам (10) или (33), а коэффициент затухания a по формуле (38), если заменить в ней парциальный КО Г02 на парциальный КО Г01, т.к. Г02 Г01, т.е.

Но формула (39) есть формула (38) или (18), в которых Г02 заменен на Г01. Таким образом, предлагаемый способ в частном случае при условии равенства Rн Z01 дает возможность определить парциальные КО Г01 и Г02 от входа и выхода отрезка ЛП, затухание e-2αl и коэффициент затухания α Для их определения достаточно измерить суммарные КО Г0min и Г0max и определить Г01, Г02 и a по формулам (35) и (39).
Для определения волнового сопротивления Z02 отрезка ЛП используем формулу (28). Разрешаем ее относительно Z02, получим:

Формула (40) суть формула (8). Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить волновое сопротивление Z02 исследуемого отрезка ЛП. Для его определения необходимо измерить суммарные КО Г0min и Г0max, определить парциальные КО Г01 и Г02 по соответствующим формулам и определить волновое сопротивление по формуле (40).
Проведенный анализ доказывает, что предлагаемый способ позволяет определить перечисленные выше ЭДХ однородного отрезка ЛП и его входные параметры, т. е. технически реализуется, составляет техническое решение и может быть использован при измерении этих характеристик и параметров однородных линий передач, например, спиральных замедляющих систем, отрезков двухпроводных линий, высокочастотных соединителей и т.п.
Выберем оптимальные с точки зрения измерений диапазоны отношений Z01/Z02 Rн/Z02, где Z01 волновое сопротивление ВЧИТ, Rн сопротивление активной нагрузки, Z02 - волновое сопротивление исследуемого отрезка ЛП.
Рассмотрим выражения (26) и (27) для Г0max и Г0min. Положим α0 и преобразуем выражения (26) и (27) к другому виду:

Положим Г01 1; Г02 любой, Г02 ≅1. Из формулы (41) имеем Г0max0=1, из формулы (42) имеет Г0min= Г01= 1 Из этого следует, что интерференционная картина фиг. 2 не реализуется. Известно, что КО Г=1 реализуется либо при холостом ходе (ХХ), либо при коротком замыкании (КЗ). Следовательно, на входе исследуемого отрезка ЛП нельзя устанавливать режим с величиной парциального КО Г01= 1, т.е. режимы ХХ или КЗ. Поэтому на парциальный КО Г01 необходимо ввести строгое ограничение.
Г01<1 (43)
Ограничение (43) есть ограничение на Г01 в формуле (10). Положим Г02 1, а Г01 любой, Г01<1, т.е. на выходе отрезка ЛП установлены режим либо ХХ, либо КЗ. Из формулы (41) следует Г0max=1, из формулы (40) имеет Г0min=1, т. е. опять не реализуется интерференционная картина фиг.2. Следовательно, на выходе исследуемого отрезка ЛП нельзя устанавливать режим ХХ либо КЗ с величиной парциального КО Г02=1, а на величину Г02 необходимо ввести строгое ограничение:
Г02<1 (44)
Ограничение (44) есть ограничение на Г02 в формуле (11).
Введем ограничения на Z01и Rн сверху и снизу.
Обычно при измерениях используются промышленная аппаратура, промышленные кабели и промышленные высокочастотные соединители. Гарантированный КСВ промышленных кабелей, например, РК50-2-22, K≅1,07 (Z0 50±3 Ом), а высокочастотных соединителей, например, типа У1 (26-го присоединительного ряда), K≅1,15, что соответствует КО ГО≅0,07. В схемах измерения обычно присутствуют не менее двух таких соединителей, включенных последовательно. Положим, что имеем такое последовательное соединение двух высокочастотных соединителей с парциальными КО от входа и выхода 0,07. Тогда максимальный суммарный КО на входе этого соединения в соответствии с формулой (26) будет равен:

КО Г0max 0,14 будет являться шумом при измерениях ЭДХ и входных параметров исследуемого отрезка по предлагаемому способу измерений в режиме рассогласованного тракта. Этот шум создается отражениями распространяющейся ЭМВ от неоднородностей высокочастотных рабочих трактов. Чтобы влияние этого шума практически не сказывалось на результатах измерений Г0min и Г0max, необходимо выбрать такие отношения между z01 и Z02, Rн и Z02, которые бы обеспечивали превышение парциальных КО г01 и Г02 над шумами отражениями от неоднородностей высокочастотных измерительных трактов. Положим в исследуемых отрезках 2αl ≅0,5Hn (практически реализуемый случай), а максимальный суммарный КО С учетом этого найдем, что парциальные КО Г01 и Г02 от входа и выхода отрезка ЛП должны быть ограничены снизу:

Положим Г01 Г02; согласно формуле (26), максимальный КО будет

т. е. имеет Г0max как функцию величин парциальных КО. Если рассматривать эту функцию при значениях парциальных КО Г0102≥0,7, то оказывается, что максимальный суммарный ГО Г0max≥0,94; при дальнейшем увеличении парциальных КО Г01= Г02>0,7 максимальный суммарный КО Г0max изменяется медленно. Такое медленное изменение Г0max приводит к трудностям регистрации Г0max с достаточной точностью, обеспечивающей допустимые погрешности измерений и расчета. Чтобы избежать этого, необходимо парциальные КО Г01 и Г02 ограничить сверху
Г0102≅0,7
С учетом вышеизложенного, наиболее оптимальный диапазон определения парциальных КО Г01 и Г02 выглядит так:

Выражение (22) и (23), определяющие парциальные КО Г01 и Г02 через волновые сопротивления Z01, Z02 и нагрузку Rн, можно переписать так:

Как видно из выражений (46) и (47), парциальные КО Г01 и Г02 зависят от отношений Z01/Z02 и Rн/Z02. Подставим пределы изменения Г01 из (45) в (46), найдем:

Выражение (48) есть формула (5).
Подставим пределы изменения Г02 из (45) в выражение (47), найдем:

Выражение (49) есть формула (5).
Рассмотрим минимальный суммарный КО из формулы (27):

Если выбрать отношения Z01/Z02 и Rн/Z02, пределы которых приведены в выражения (48) и (49), такими, что Г01>02 e-2αl то окажется, согласно формуле (50), что Г0min<0. Но существующие способы определения КО по измеренным значениям КСВ не различают положительного или отрицательного значения КО. Кроме того, в этом случае получаются между двумя соседними Г0max два минимума Г0min в точках перехода суммарного КО Г0Σ через нуль. Чтобы избежать этого, необходимо по формулам (48) и (49) отношения Z01/Z02 и Rн/Z02 выбирать так, чтобы выполнялось неравенство:
Г02·e-2αl≅ Г01 (51)
Наконец, введем ограничение на задаваемый диапазон частот ΔF (ширину полосы качания измерителя КО) при заданной длине l исследуемого отрезка ЛП. При заданной длине отрезка l при выборе ширины полосы качания ΔF исходят из того, чтобы на амплитудно-частотной характеристики фиг.2 (интерференционной картине суммарного КО) уложилось не менее одного интерференционного лепестка. Анализ самого неблагоприятного случая размещения минимумов и максимумов суммарного КО на амплитудно-частотной характеристике фиг.2 показывает, что на заданной длине l минимальный набег фазы ΔΨ между нижней и верхней частотами полосы качания DF должен быть не менее 3π т.е. Dj ≥ 3π Используя формулу (29), найдем условия ограничения на полосу качания

Принимая во внимание, что Vф c/n, получим:

где ΔF задаваемая ширина диапазона частот, Гц, C=3·108 м/с;
n коэффициент замедления ЭМВ в отрезке ЛП;
l заданная длина отрезка, м.
Таким образом, предлагаемый способ определения ЭДХ однородного отрезка ЛП в режиме рассогласованного тракта удовлетворяет условиям патентоспособности: удовлетворяет критериям "новизна" и изобретательский уровень, технически реализуется и имеет промышленную применимость.
Формула изобретения: 1. Способ определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающий возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, отличающийся тем, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z01 и двух фиксированных значений активных нагрузок RH1 и RH2 выбирают предварительно из соотношений
Z01≠ RH1,2;

где Z02 рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии, Ом,
измеряют в заданном диапазоне частот при поочередном подключении двух выбранных активных нагрузок RH1 и RH2 в качестве входных параметров экстремальные значения Γmin и Γmax суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты fmin и fmax, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне частот Δf = fmax-fmin или Δf = fmin-fmax определяют из соотношений

βz = ω/Uф= 2πf/Uф;
n c/Uф;




где Uф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона
l заданная длина исследуемой линии передачи;
fmax, fmin две измеренные соседние частоты, соответствующие Γ0.max0.min в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
βz - фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте f в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, м-1;
f = ω/2π - любая частота в пределамх рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3 · 108 м/с;
α - постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Нп/м;
Z02 волновое сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Ом;
Γ01 - модуль парциального коэффициента отражения от входа исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Γ021,2 - модуль парциального коэффициента отражения от входа исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf,Γ021 относится к измерениям с нагрузкой RH1, Γ022 - с нагрузкой RH2;
Γ0.min1,20.max1,2 - модули измеренных соседних минимума и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, индексы "0.min1" и "0.max1" относятся к измерениям с нагрузкой RH1, индексы "0.min2" и "0.max2" с нагрузкой RH2;
a RH2/RH1 ≠ 1;

а дисперсионные характеристики n n(f) и Z02 Z02(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf, принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона fср (fmax + fmin)/2.
2. Способ определения электродинамических характеристик однородной линии передачи в режиме рассогласованного тракта, включающий возбуждение нагруженной линии передачи СВЧ колебаниями через высокочастотный измерительный тракт в заданном диапазоне частот, измерение экстремальных значений входных параметров линии передачи и определение электродинамических характеристик и входных параметров расчетным путем, отличающийся тем, что волновое сопротивление высокочастотного измерительного тракта Z01 и фиксированное значение активной нагрузки RH выбирают предварительно из соотношений
Z01 RH;

где Z02 рассчитанное волновое сопротивление исследуемой линии передачи, Ом,
измеряют в заданном диапазоне при подключенной выбранной активной нагрузке RH в качестве входных параметров экстремальные значения Γmin и Γmax суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи и соответствующие им частоты fmin и fmax, электродинамические характеристики и входные параметры исследуемой линии передачи в каждом поддиапазоне Δf = fmax-fmin или Δf = fmin-fmax определяют из соотношений

βz = ω/Uф= 2πf/uф;
n c/Uф;



где Uф фазовая скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона м/с;
l заданная длина исследуемой линии передачи, м;
fmax, fmin две измеренные соседние частоты, соответствующие Γ0.max и Γ0.min, в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
βz - фазовая постоянная распространения в исследуемой линии передачи на частоте f в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, м-1;
f = ω/2π - любая частота в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Гц;
n коэффициент замедления электромагнитной волны в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
c скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве, c 3 · 108 м/с;
α - постоянная затухания в исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Нп/м;
Z02 волнове сопротивление исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf, Ом;
Γ0102 - модули парциальных коэффициентов отражений от входа и выхода соответственно исследуемой линии передачи в пределах рассчитываемого поддиапазона Δf;
Γ0.min0.max - модули соседних минимума и максимума суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи на частотах fmax и fmin в рассчитываемом поддиапазоне Δf,
а дисперсионные характеристики n n(f) и Z02(f) в заданном диапазоне частот строят по значениям расчета этих величин для каждого поддиапазона Δf, принимая за аргумент f среднюю частоту каждого поддиапазона fср (fmax + fmin)/2.