CC BY
15РАДИОТЕХНИКА, СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ, АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
УДК 621.372.865
Ф.И. Афонин, Г.В. Боков, И.В. Лащенко
РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МОДУЛЕЙ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ УСТРОЙСТВ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОСНОВЕ ПЛАСТИНЧАТОГО МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА
Севастопольский национальный технический университет, Украина
Представлены результаты разработки рефлектометрического измерителя на основе гибридного направленного ответвителя с разнотипными волноводными каналами для определения модулей комплексных коэффициентов отражения и передачи микроволновых устройств, выполненных на основе пластинчатого металлоди-электрического волновода.
Ключевые слова: рефлектометрический измеритель, гибридный направленный ответвитель, пластинчатый металлодиэлектрический волновод.
Введение
Передача электромагнитной энергии сантиметрового диапазона волн осуществляется в основном по волноводам прямоугольного сечения и полосковыми линиями. Недостатками указанных линий передач являются сложность изготовления и дороговизна волноводов, а также открытый характер полосковой линии, приводящий к потерям энергии волны на излучение. Альтернативой полому волноводу прямоугольного сечения и полосковой линии может служить пластинчатый металлодиэлектрический волновод (ПМДВ).
В работе [1] представлены результаты исследования ПМДВ, весьма перспективного для построения устройств, работающих в коротковолновой части дециметровых и длинноволновой части сантиметровых волн. Волновод конструктивно прост и технологичен в изготовлении, имеет малую стоимость, практически полностью закрыт для излучения электромагнитной энергии. Конструкция ПМДВ представлена на рис. 1.
Волновод представляет собой тонкую ленточную диэлектрическую пластину (1) с двухсторонней металлизацией широких стенок, которая зажимается по широким стенкам между двумя проводящими пластинами (2). Структура электромагнитного поля в ПМДВ определена по методике, изложенной в [2]. В соответствии с концепцией плоских парциальных волн определены типы распространяющихся в волноводе волн и их параметры, условия одноволнового режима работы, критические длины волн, дисперсионные уравнения.
Для измерения модулей комплексных коэффициентов отражения (ККО) и передачи (ККП) волноводных элементов и узлов, построенных на основе пластинчатого металлоди-электрического волновода, было принято решение использовать рефлектометр. Рефлекто-метрические методы измерения основаны на разделении падающих, отраженных и прошедших волн. Разделение волн осуществляется в основном с помощью направленных ответвителей (НО).
© Афонин Ф.И., Боков Г.В., Лащенко И.В., 2013.
Рис. 1. Конструкция пластинчатого металлодиэлектрического волновода
Промышленностью выпускаются панорамные приборы группы Р2. Современные ре-флектометрические измерительно-вычислительные блоки, например, панорамные измерители КСВ типов Р2-73 - Р2-82 имеют встроенный микропроцессорный блок. Эти приборы имеют запрограммированный режим коррекции неквадратичности СВЧ детекторов, отстройки от шумов, режим записи и сравнения частотных характеристик измеряемых объектов [3]. Однако для реализации микроволновой части такого прибора необходимо иметь направленные ответвители, детекторные головки и согласованные нагрузки, построенные на основе пластинчатого металлодиэлектрического волновода. Поскольку детекторные головки и согласованные нагрузки пока находятся в стадии разработки, целесообразно использование гибридных направленных ответвителей, первичный и вторичный каналы которых выполнены на различных типах волноводов. Первичным каналом является отрезок пластинчатого ме-таллодиэлектрического волновода, а вторичным - полый металлический волновод прямоугольного сечения с встроенной детекторной головкой и согласованной нагрузкой (рис. 2).
Рис. 2. Схема гибридного направленного ответвителя
В разработанном варианте ответвителя поле связи волноводных каналов состоит из шести поперечных щелей шириной w и длиной —, , , , — и . Зависимость нормированной амплитуды волны в обратном плече вспомогательного (вторичного) волновода от усредненной длины волны направленного ответвителя выбрана биноминальной. При этом ^ — , — Lq> и ^^ — •
Расстояние d между щелями определено из соотношения
-+-— к, (1)
X во
в1о в20
где X в - средняя длина волны в металлическом волноводе; X в - средняя длина волны в
10 20
пластинчатом металлодиэлектрическом волноводе. Из (1) следует
X,, • X,,
d — 4, 0 I20 ] • (2)
^ч +Хв20 )
Для расчета параметров гибридного направленного ответвителя введем понятие усредненной длины волны НО - Х™ , которая определяется из выражения
^но = 2Х в1 Хв 2 в Хв1 +Хв 2
На средней частоте /0 усредненная длина волны направленного ответвителя X™
равна
2 • X в • X в„
Хнво —-10-2°_ . (3)
в0 Xв +X. ()
в10 в20
Длина волны в полом металлическом волноводе прямоугольного сечения рассчитывается по формуле [3]:
X
X— ■
V
1 ( 2а )
а длина волны в пластинчатом металлодиэлектрическом волноводе [2] -
X —
л/£1 • 81ПбХ
где X - длина волны генератора;
81 - относительная диэлектрическая проницаемость материала пластины ПМДВ; а - размер широкой стенки металлического волновода;
9Х - угол падения плоской волны на границу раздела диэлектрик-воздух в пластинчатом
металлодиэлектрическом волноводе.
Расстояние между щелями ответвителя с учетом (2) и (3) рассчитываем по формуле
Xн°
d —-
в 0
4
Тогда фазовый сдвиг ф0 между волнами, ответвляемыми щелями связи на средней длине волны направленного ответвителя XHо , равен
2л^ к
Ф0 —
X,Bо 2 в 0
На других длинах волн А™ фазовый сдвиг ф определяется согласно выражению
АН
\ но в 0
ф =
_ 2к 4 _ к Ав1о ' Ав20
1 но 1 но
Ав Ав
2 а в1 л 2
Ч + Ав 2
Ч +Ав 20
Направленность ответвителя в 30 %-ной полосе частот не менее 40 дБ.
Методика определения модулей комплексных коэффициентов отражения и передачи несколько отличается от стандартной. Как известно, доминирующая погрешность рефлекто-метрического измерителя обусловлена не идентичностью коэффициентов передачи К1 и к2 каналов детекторных головок. Эти коэффициенты зависят от неравенства переходных затуханий направленных ответвителей, отличия элементов связи детекторных головок с волноводами, не идентичности амплитудно-частотных характеристик СВЧ-диодов и других факторов. Чтобы исключить влияние коэффициентов К и к2 на результаты измерения модуля Г ККО и модуля Т ККП, предлагается осуществлять прямые и обратные запитки (соединения) направленных ответвителей.
Определение модуля комплексного коэффициента отражения
При прямом соединении НО, представленном на рис. 3, напряжения и и и2пр , снимаемые с диодов детекторных головок Ди Д2 направленных ответвителей падающей и отраженной волн соответственно, определяются соотношениями:
и = кеГ;
1пр 1 Г '
и9 = К Г 2 Ег,
2 пр 2 Г '
где Ег - нормированная амплитуда волны генератора.
Здесь учтено, что диоды имеют квадратичные характеристики детектирования.
(4)
И.У.
Рис. 3. Схема прямого соединения направленных ответвителей при измерении модуля комплексного коэффициента отражения: НОВД — направленный ответвитель падающей волны; С.Н. — согласованная нагрузка; НООВ — направленный ответвитель отраженной волны; И.О. — измеритель отношения;
И.У. — исследуемое устройство
Сигналы с головок поступают на измеритель отношения. В результате деления получаем
^пр. = к2 . Г2
и!
К
(5)
При обратном соединении, изображенном на рис. 4, генератор и исследуемая нагрузка меняются местами.
С детекторных головок на измеритель отношения поступают теперь следующие сигналы:
Их отношение имеет вид:
и1 — к1 • г 2 • е2;
1пкр 1 Г '
и — К9 • е г .
2 обр 2 г
^обр = к1 р2
и К' '
2обр 2
(6)
(7)
И.У.
Рис. 4. Схема обратного соединения для измерения модуля комплексного коэффициента отражения
Перемножая левые и правые части уравнений (5) и (7) и преобразовывая полученный результат, определяем модуль Г ККО:
Г2 —
V
и2 и
2пр 1п
и и2
1пр 2обр
Таким образом, для вычисления модуля комплексного коэффициента отражения достаточно определить напряжения, снимаемые с первого и второго диодов при прямом и обратном соединениях.
Определение модуля комплексного коэффициента передачи
Методика определения модуля комплексного коэффициента передачи аналогична предыдущему пункту и обеспечивается прямым и обратным соединениями генератора и согласованной нагрузки.
С.Н.
Рис. 5. Функциональная схема прямого соединения для измерения модуля комплексного коэффициента передачи: НОПВ - направленный ответвитель падающей волны; НОПрВ - направленный ответвитель прошедшей волны
Для прямого соединения имеем:
и = к • еГ ;
1пр 1 1 '
и = К • т 2 • е2 .
2пр 2 1
Здесь Т - модуль комплексного коэффициента передачи. В результате совместного решения (8) и (9) получаем
и2пр = ¿2,т2
и1 к1 .
1т> 1
пр
Обратное соединение выполняется по схеме, представленной на рис. 6.
(8) (9)
(10)
С.Н.
Рис. 6. Функциональная схема обратного соединения для измерения модуля комплексного коэффициента передачи
Для обратного соединения:
и - к • Е2 •
и 2обр - к2 ег ;
и1 - к1 • т2 • ег.
1обр 1 1
Совместное решение (11) и (12) дает следующий результат
и1пкр к1 т2
и.
обр _ "1
к^
2обр 2
В результате преобразования выражений (10) и (13) получаем
гр 2 _
II
и 2 2пр и, 1обр
и1пр и 2 2обр
(11) (12)
(13)
(14)
Из выражения (14) определяется модуль комплексного коэффициента передачи Т в результате измерения напряжений и1пр , и2 и и1овр , и2 с первого и второго диодов при
прямом и обратном соединениях.
Заключение
Таким образом, в работе представлены результаты разработки рефлектометрического измерителя на базе гибридного направленного ответвителя с разнотипными волноводными каналами для определения модулей комплексных коэффициентов отражения и передачи устройств, выполненных на основе пластинчатого металлодиэлектрического волновода.
Библиографический список
1. Боков, Г.В. Плоский полуоткрытый металлодиэлектрический волновод для корабельных радиоэлектронных средств // зб. наук. пр. Академп вшськово-морських сил iменi П.С. Нахiмова. - Севастополь: АВМС iменi П.С. Нах1мова. 2012 Вып. 2 (10). С. 99-103.
2. Саламатин, В.В. Основы геометрической электродинамики волноводов прямоугольного сечения: учеб. пособие / В.В. Саламатин, И.Л. Афонин, С.Н. Бердышев. - Севастополь: Севастопольский национал. техн. ун-т, 2008. - 220 с.
3. Измерение параметров радиотехнических цепей / Б.А. Абубакиров [и др.]; под ред. В.Г. Ан-друщенко, В.П. Фатеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.
Дата поступления в редакцию 08.02.2013
Ph.I. Afonin, G.V. Bokov, I.V. Laschenko
REFLECTOMETER FOR DIMENSION THE MAGNITUDE OF COMPLEX COEFFICIENTS REFLECTION AND TRANSMISSION BASED ON THE PLATE METAL-DIELECTRIC WAVEGUIDE
Sevastopol national technical university, Ukraine
Purpose: The purpose of the paper is to construct the measuring methods for calculation the absolute value of complex characteristic of microwave systems.
Design/methodology/approach: The article proposes a qualitative model of reflectometer that allows to simplify measuring procedure of complex characteristic of microwave frequencies equipment. Method is based on comparison of direct and reflected signals.
Findings: In the result of the research we found the easy solution for determination the magnitude of reflectivity and transmission factors.
Research limitations/implications: The size of the article doesn't allow to present detailed results of end-use measurements.
Originality/value: The value of the results, presented in this work, is the simple reflectometer based on hybrid directed coupler which has polytypic wave conductors one of them is the plate metal-dielectric waveguide.
Key words: reflectometer, hybrid directed coupler, plate metal-dielectric waveguide.
