Описание измерительной установки и методики измерений

Измерительная установка состоит из СВЧ генератора трехсантиметрового диапазона, выполненного на диоде Ганна, измерительной линии (ИЛ) и вольтметра В7–16 (см. приложение).

К концу ИЛ с помощью струбцинок подключают различные волноводные нагрузки, параметры которых измеряют косвенным образом по распределению амплитуды Е напряженности электрического поля вдоль линии. ИЛ работает на основном типе волны Н10. При этом длина волны в волноводе ИЛ определяется выражением

где l0 – длина волны генератора в свободном пространстве; а – ширина волновода.

Длина волны lВ связана с частотой генератора соотношением

 

 

где с – скорость света в свободном пространстве.

При короткозамкнутой нагрузке распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, а) описывается выражением

 

 

где h = 2p/lВ.К – постоянная распространения; lВ.К – длина волны в волноводе в режиме короткого замыкания; l – текущая координата, определяемая по отсчетному устройству ИЛ.

 

 

А б

Рис. 2.1

 

При произвольной комплексной нагрузке ZН распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, б) описывается выражением

 

где К = Еmax/Emin – коэффициент стоячей волны (КСВ); Еmax и Еmin – максимальное и минимальное значения амплитуд напряженности электрического поля; h = 2p/lВ.Н – постоянная распространения (продольное волновое число); lВ.Н – длина волны в волноводе, нагруженном на сопротивление ZН.

Измерение длины волны может быть произведено методом определения положения двух соседних узлов напряженности поля (рис. 2.1), при котором

 

или методом “вилочного” отсчета (рис 2.1), при котором

 

 

Предельную погрешность измерения lВ рассчитывают как погрешность косвенного измерения и оценивают предельными погрешностями измерений li, которые равны

 

D Пl = D ПИ + D ПМ .

 

Здесь D ПИ – предельная инструментальная погрешность измерения положения зонда; D ПМ – предельная методическая погрешность, зависящая от метода измерений.

При индикации экстремального уровня

 

 

а при отсчете на установленном уровне

 

 

В этих выражениях m– единица младшего разряда ЦВ, а значения производных рассчитываются при l = lЭКС и l = lУР соответственно. Зависимости показаний вольтметра U от координаты l при квадратичной градуировочной характеристике ИЛ определяются соотношениями

 

 

при короткозамкнутой нагрузке или комплексной нагрузке соответственно.

Значение КСВ определяют с помощью градуировочной характеристики ИЛ – зависимости показаний вольтметра от истинных значений амплитуды напряженности Е электрического поля в ИЛ. Учитывая, что при короткозамкнутой нагрузке распределение поля Е точно известно (Е/Е0 = |sin(hl)|), то, следовательно, поставив ИЛ в режим короткого замыкания, оказываются известными истинные значения Е/Е0 напряженности электрического поля вдоль ИЛ. Для этого режима и строят градуировочную характеристику ИЛ в относительном масштабе по точкам (Ei /E0, Ui) (рис. 2.2). При этом конкретному значению Ei /E0 соответствует вполне определенное значение Dli = li lmin, которое рассчитывается из соотношения

 

Dli = arcsin(Ei /E0)/h = lВ.К arcsin(Ei /E0)/(2p).

 

Таким образом, при экспериментальном определении градуировочной характеристики задаются конкретными значениями Ei /E0 (например, 0,1; 0,2;…1) и рассчитывают значения Dli . Затем перемещают зонд ИЛ от положения lmin на величину Dli и отсчитывают показания вольтметра Ui . По полученным точкам (Ei /E0, Ui ) строят градуировочную характеристику.

В табл. 2.1 п. 4 лабораторного задания значения arcsin(Ei /E0)/(2p) заранее рассчитаны (вторая строка таблицы). Поэтому величины Dli рассчитываются как произведения этих значений на величину lВ.К (третья строка таблицы).

 

Рис. 2.2

Градуировочная характеристика позволяет по показаниям вольтметра Umax и Umin определить истинные значения Еmax 0 и Еmin 0, что является необходимым при точном измерении КСВ. С учетом градуировочной характеристики К рассчитывается по формуле

 

 

Погрешность d ПК оценивают как погрешность косвенного измерения

 

d ПК = d П(Еmax /E0) + d П(Emin /E0).

Домашнее задание

1. Изучите принцип работы ИЛ. Ознакомьтесь с методами измерений lВ, fГЕН, КСВ и методикой получения градуировочной характеристики ([1], с. 266, 268 – 275).

2. Приведите формулы для расчета измеряемых величин (lВ, fГЕН, КСВ) и выведите соотношения для оценки погрешностей этих величин.

3. Ответьте на контрольные вопросы.

 

Лабораторное задание

 

1. Включите СВЧ генератор и цифровой вольтметр В7–16. За время их прогрева ознакомьтесь с правилами эксплуатации ИЛ и ЦВ по их описаниям, приведенным в приложении, и получите у лаборанта необходимые волноводные нагрузки. Запишите в отчет метрологические характеристики ИЛ, а также показания термометра. Установите нуль и произведите калибровку ЦВ.

2. Подключите к концу ИЛ с помощью струбцинок короткозамыкатель. Переместите каретку детекторной секции в положение, соответствующее пучности электрического поля в волноводе. Вводя ослабление аттенюатора, добейтесь показания вольтметра U< 100 мВ. В дальнейшем настройку ИЛ и ослабление аттенюатора не изменяйте.