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 l_В 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/l_В.К – постоянная распространения; l_В.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 Z_Н распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии (рис. 2.1, б) описывается выражением

где К = Е_max/E_min – коэффициент стоячей волны (КСВ); Е_max и Е_min – максимальное и минимальное значения амплитуд напряженности электрического поля; h = 2p/l_В.Н – постоянная распространения (продольное волновое число); l_В.Н – длина волны в волноводе, нагруженном на сопротивление Z_Н.

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 l_В рассчитывают как погрешность косвенного измерения и оценивают предельными погрешностями измерений l_i, 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 = l_ЭКС и l = l_УР 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 (E_i /E₀, U_i) (рис. 2.2). При этом конкретному значению E_i /E₀ соответствует вполне определенное значение Dl_i = l_i – l_min, которое рассчитывается из соотношения

Dl_i = arcsin(E_i /E₀)/h = l_В.К arcsin(E_i /E₀)/(2p).

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

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

Рис. 2.2

Градуировочная характеристика позволяет по показаниям вольтметра U_max и U_min определить истинные значения Е_max /Е₀ и Е_min /Е₀, 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(Е_max /E₀) + d _П(E_min /E₀).

Домашнее задание

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

2. Приведите формулы для расчета измеряемых величин (l_В, f_ГЕН, 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.