Область сверхвысоких частот (СВЧ) охватывает диапазон частот от 3000 до
30 000 МГц. На более низких частотах электрические цепи с
сосредоточенными постоянными образуются соединением катушек
индуктивности, конденсаторов, резисторов, микросхем, транзисторов или
ламп. Размеры этих элементов малы по сравнению с длиной рабочей волны.
В диапазоне СВЧ вместо цепей с сосредоточенными
постоянными в качестве колебательных контуров применяют отрезки
концентрических линий и объемные резонаторы. Для усиления колебаний
служат клистронные и магнетронные генераторы, лампы бегущей и обратной
волн, параметрические и квантовые усилители. Преобразователями частоты
являются кристаллические балансные смесители и ферритовые умножители
частоты. В качестве антенн применяют остронаправленные излучатели:
фазированные решетки, параболические рефлекторы, рупорные и специальные
многовибраторные антенны.
Для передачи СВЧ-энергии применяют коаксиальные кабели, волноводы и
полосковые линии. Типы линий передачи энергии, рабочий диапазон и
краткая характеристика приведены в табл. 14. Для различных узлов и
блоков СВЧ-аппаратуры используют специальные приборы: измерительные
линии, измерители коэффициента стоячей волны и комплексных коэффициентов
передачи, измерители добротности и параметров линий передачи.
Таблица 14. Линии передачи энергии и их характеристики
Измерительной линией называется устройство для
определения распределения электрического поля вдоль передающей линии. Их
используют для измерения параметров СВЧ-тракта: коэффициента стоячей
волны, полного сопротивления, длины волны, добротности и др.
В зависимости от диапазона частот измерительные линии бывают
коаксиальными и волноводными и состоят из основной линии 1 и
индикаторной голов-ки 2 (рис. 38).
Схема включения волноводной измерительной линии для определения
КСВ-тракта передачи СВЧ-энергии показана на рис. 39.
Основная линия представляет собой отрезок волновода с продольной щелью,
длиной в несколько полуволн, вдоль которой передвигается индикаторная
головка. Этот отрезок линии включается между индикатором и нагрузкой.
Индикаторная головка состоит из резонатора, связанного с основной линией
зондом. Электрическое поле основной линии с помощью зонда возбуждает в
резонаторе электромагнитные колебания. Ток в цепи детектора будет
пропорционален электрическому полю в точке нахождения зонда. Положение
зонда по шкале расстояний измерительной линии или соответствующее
значение выпрямленного тока являются данными, необходимыми и
достаточными для построения графика распределения напряженности поля в
линии передачи.
Коэффициент стоячей волны определяется как отношение наибольшей
амплитуды колебания напряженности электрического поля к наименьшей
амплитуде и характеризует степень согласования СВЧ-тракта.
Выпускаемые промышленностью измерительные линии охватывают диапазон
частот 0,5—37,5 ГГц и позволяют измерять коэффициент стоячей волны от
1,05 до 10 с погрешностью 4—10%. Коаксиальные измерительные линии Pl-3,
Pl-17, Р1-18 и Р1-22 имеют волновое сопротивление 50 Ом и охватывают
диапазон частот 0,5—12,4 ГГц, а волноводные Pl-4, Р1-12А, Р1-13А, Р1-33—
диапазон частот 4,8—78,33 ГГц.
Измерение КСВ, полных сопротивлений, добротности и других
параметров линий передачи можно осуществлять также с помощью специальных
автоматических измерителей, состоящих из свип-генератора, рефлектометра
и нндикатора СВЧ. Прибор позволяет визуально наблюдать кривую изменения
КСВ в заданном диапазоне частот.
Наряду со специальной измерительной аппаратурой и приборами в СВЧ
измерительных схемах широкое применение находят различные
преобразователи: аттенюаторы, направленные ответвители, фазовращатели,
нагрузки, согласующие устройства.
Рис. 40. Волноводные согласующие устройства (а) и
их эквивалентные схемы (б)
Аттенюаторы (ослабители) предназначены для
ослабления и регулировки уровня мощности в СВЧ-трактах. В зависимости от
конструкции аттенюаторы бывают волноводные, коаксиальные и полосковые.
Наибольшее распространение получили поглощающие аттенюаторы и ферритовые
вентили.
На рис. 40, а показаны различные волноводные согласующие устройства, а
на рис. 40, б — их эквивалентные схемы. Изменением положения реактивного
штыря 1 (зонда) в волноводе, а также формы и размера диафрагмы 2 можно
получить емкостную или индуктивную связь или соответствующий контур.
Измерение мощности в СВЧ-диапазоне не производят по току и напряжению
из-за того, что этот метод не является точным. Наиболее
распространенными являются косвенные методы измерения мощности с помощью
приборов, основанных на измерении тепловой энергии, рассеиваемой
сопротивлением нагрузки.
Рис. 41. Функциональные схемы ваттметров:
а — поглощающая, б — для измерения проходящей мощности
По назначению такие приборы можно разделить на ваттметры поглощающего
типа и для измерения проходящей мощности. Ваттметры поглощающего типа
(рис. 41, а) нашли наибольшее применение в тех случаях, когда измеряется
мощность источников колебаний — генераторов. Ваттметр, являясь нагрузкой
генератора Г, измеряет поглощаемую им мощность. Энергия, поступающая от
генератора, выделяется в нагрузочном резисторе 1; ее мощность измеряется
специальным устройством, состоящим из преобразователя 2 одного вида
энергии в другой и индикатора 3, например калометрический метод.
Калометрический метод основан на преобразовании СВЧ-энергии, поглощаемой
согласованной нагрузкой, в тепловую. Калометрический ваттметр состоит из
поглощаемой нагрузки (обычно проточной воды) и измерителей температуры.
Измеряемую мощность
определяют по разности температуры на входе и выходе нагрузки (по
показаниям специальных датчиков). Этот метод применяют для измерения
большой и средней мощностей во всем диапазоне СВЧ.
Ваттметры для измерения проходящей мощности
(например, прибор М2-32) применяют в линиях передачи, работающих на
нагрузку. В этом случае ваттметр поглощает лишь небольшую часть
мощности, проходящей по линии передачи и выделяемой в нагрузке.
На рис. 41,6 приведена функциональная схема ваттметра этого типа.
Детектор 2 преобразует энергию СВЧ, передаваемую по коаксиальной
линии 4 в нагрузку 1, в энергию НЧ, измеряемую известными
методами индикатором 3.
На
практике при наладке и эксплуатации радиотехнических средств в СВЧ
приходится измерять мощность в очень широком интервале уровней (от 10-18
до 105 Вт и более). Промышленность выпускает большое
количество приборов для измерения мощности, в том числе ваттметры
поглощающего типа: калориметрические МЗ-45, МЗ-48, МЗ-51 (измеряемая
мощность, 0,001—6 кВт в диапазоне частот 1—37 500 МГц), M3-13/1
(измеряемая мощность 1—2000 Вт в диапазоне частот до 37,5 ГГц),
термисторные и термоэлектрические (измеряемая мощность 500 мВт в
диапазоне частот 0,03—78,3 ГГц) и др.
Как отмечалось выше, наиболее часто пользуются косвенным методом для
измерения падения напряжения, создаваемого током СВЧ, на резисторе
известного сопротивления. На этом принципе построен измеритель мощности
МЗ-З (рис. 42). Прибор состоит из поглощающего резистора 1,
представляющего собой чисто активную нагрузку с сопротивлением 75 Ом, и
электронного вольтметра 2, подключенного к части резистора.
Шкала вольтметра проградуирована в единицах измерения мощности —
ваттах. Пределы измерения при непрерывном сигнале от 0,25 до 15 Вт, при
импульсной работе от 5 до 5000 Вт в импульсе. Диапазон частот 30—1000
МГц, погрешность измерения не более 20%,.