Линия с прорезями - Slotted line

Рисунок 1. Волноводная щелевая линия

Щелевые линии используются для микроволновая печь измерения и состоят из подвижного зонда, вставленного в прорезь в линия передачи. Они используются в сочетании с микроволновым источником питания и, как правило, в соответствии с их низкой стоимостью применения. Диод Шоттки детектор и Измеритель КСВН а не дорогой измеритель мощности микроволн.

Продольные линии могут измерять стоячие волны, длина волны, и, с некоторым расчетом или построением графика на Диаграммы Смита, ряд других параметров, включая коэффициент отражения и электрический импеданс. Переменная точности аттенюатор часто включается в испытательную установку для повышения точности. Он используется для измерения уровня, в то время как детектор и измеритель КСВН сохраняются только для отметки контрольной точки для установки аттенюатора, таким образом полностью устраняя ошибки измерения детектора и измерителя. Параметр, который чаще всего измеряется щелевой линией, - это КСВ. Это служит мерой точности согласования импеданса с испытуемым элементом. Это особенно важно для передающих антенн и их фидерных линий; высоко коэффициент стоячей волны на радио или телевизионной антенне может исказить сигнал, увеличить потери в линии передачи и потенциально повредить компоненты на пути передачи, возможно, даже передатчик.

Щелевые линии больше не используются широко, но их все еще можно найти в бюджетных приложениях. Их главный недостаток заключается в том, что они трудоемки в использовании и требуют вычислений, таблиц или построения графиков для использования результатов. Они должны быть изготовлены с механической точностью, а зонд и его детектор нужно настраивать с осторожностью, но они могут давать очень точные результаты.

Описание

Щелевая линия - один из основных инструментов, используемых в радиочастота испытания и измерения на микроволновая печь частоты. Он состоит из точности линия передачи, обычно коаксиальный но волновод также используются исполнения с подвижной изолированной зонд вставлен в продольный паз, прорезанный в леске. В линии с коаксиальной прорезью прорезь прорезана во внешнем проводнике линии. Зонд вводится за внешний проводник, но не настолько, чтобы он касался внутреннего проводника. В прямоугольном волноводе щель обычно прорезается по центру широкой стенки волновода. Также возможны круглые волноводные щелевые линии.[1]

Щелевые линии относительно дешевы[примечание 1] и может выполнять многие измерения, выполняемые более дорогим оборудованием, таким как сетевые анализаторы. Однако методы измерения с использованием щелевых линий более трудозатратны и часто не позволяют напрямую вывести требуемый параметр; часто требуется некоторый расчет или построение графика. В частности, они могут проводить измерения только на одной точечной частоте за раз, создавая график зависимости параметра от частота занимает очень много времени. Это можно сравнить с современными инструментами, такими как сеть и анализаторы спектра которые по сути частотная развертка и мгновенно создать сюжет. Щелевые линии в настоящее время в значительной степени заменены, но все еще встречаются там, где капитальные расходы являются проблемой. Их остальное использование в основном миллиметровая полоса, где современное испытательное оборудование либо слишком дорогое, либо отсутствует вообще, а также с академическими лабораториями и любителями. Они также полезны в качестве учебного пособия, поскольку пользователь больше знаком с основными линейными явлениями, чем с более сложными инструментами.[2]

Операция

Линия с прорезями работает путем отбора проб электрическое поле внутри линии передачи с зондом. Для точности важно, чтобы зонд как можно меньше возмущал поле. По этой причине диаметр зонда и ширина паза остаются небольшими (обычно около 1 мм), а зонд не вставляется дальше, чем необходимо. В линиях с прорезями волновода также необходимо размещать прорезь в месте, где ток в стенках волновода параллелен прорези. Таким образом, ток не будет нарушен наличием щели, если она не будет слишком широкой. Для доминирующий режим это находится на центральной линии широкой поверхности волновода, но для некоторых другие режимы возможно, он должен быть не по центру. Это не проблема для коаксиальной линии, потому что она работает в ТЕМ (поперечный электромагнитный) режим и, следовательно, ток везде параллелен прорези. Прорезь может быть сужена на концах, чтобы избежать разрывы вызывая отражения.[3]

Возмущение поля внутри линии, вызванное введением зонда, сводится к минимуму, насколько это возможно. Это нарушение состоит из двух частей. Первая часть связана с мощностью, извлеченной зондом из линии, и проявляется как сосредоточенная эквивалентная схема из резистор. Это минимизируется за счет ограничения расстояния, на которое зонд вставляется в линию, чтобы извлекалась только мощность, достаточная для эффективной работы детектора. Вторая часть возмущения возникает из-за энергии, запасенной в поле вокруг зонда, и проявляется как сосредоточенный эквивалент конденсатор. Этот емкость можно отменить с помощью индуктивность равных и противоположных сопротивление. Сосредоточенные индукторы неприменимы на микроволновых частотах; вместо этого регулируемый заглушка с индуктивной схемой замещения используется для «подстройки» емкости зонда. В результате получается эквивалентная схема с высоким сопротивлением в шунт через линию, что мало влияет на передаваемую мощность в линии. В результате такой настройки зонд становится более чувствительным, и расстояние, на которое он вводится, может быть дополнительно ограничено.[4]

Испытательная установка

Фигура 2. Испытательная установка с использованием волноводной щелевой линии
Рисунок 3. Коаксиальная линия с пазами

Типичная испытательная установка с волноводной щелевой линией показана на рисунке 2. На этом рисунке мощность от источника испытательного оборудования (не показан) поступает в устройство через коаксиальный кабель слева и преобразуется в формат волновода посредством из пусковая установка (1). Далее следует участок волновода (2), обеспечивающий переход на меньший размер световода. Важным компонентом установки является изолятор (3), который предотвращает отражение энергии обратно в источник. В зависимости от условий испытаний такие размышления может быть большим, и возвратная волна может повредить источник высокой мощности. Мощность, поступающая в щелевую линию, регулируется поворотной переменной аттенюатор (4). Далее следует линия с прорезями (5), над которой находится зонд, установленный на подвижной каретке. На каретке также находятся регулировки зонда: (6) - регулировка глубины зонда, (7) - длина коаксиальной секции с регулировками настройки, и (8) - детектор, который использует либо точечный контакт кристаллический выпрямитель или диод с барьером Шоттки.[5] Правый конец линии с прорезями заканчивается согласованная нагрузка (9) который поглощает всю мощность, выходящую из конца волновода. Нагрузку можно заменить на компонент или систему, которые требуется протестировать. Его также можно заменить эталонным коротким замыканием (10), которое используется для калибровки линии с прорезями. Каретка может перемещаться по линии паза с помощью поворотной ручки (11), которая одновременно перемещает нониус (12) для точного измерения положения зондов вдоль линии.[6]

Зонд подключается к детектору и дисплейному измерителю (на рисунке 2 не показан). Это могут быть, соответственно, термистор и измеритель мощности, или детектор конверта и Измеритель КСВН. Детектор может быть кристаллическим детектором или детектором. Диод с барьером Шоттки. Детектор устанавливается на сборку зонда, обычно на расстоянии λ / 4[заметка 2] от наконечника зонда, как показано на рисунке 3. Это связано с тем, что детектор выглядит почти как короткое замыкание на линию передачи, и это расстояние преобразует его в разрыв цепи через четвертьволновой трансформатор импеданса эффект. Таким образом, детектор оказывает минимальное влияние на загрузку линии. Заглушку настройки зонда можно увидеть на рис. 3, отходящую от линии, соединяющей зонд и детектор. Рисунок 2 имеет несколько иное расположение; основной зонд в волновод ведет к вертикальной коаксиальной секции настройки и настройки, но детектор находится на горизонтальной боковой секции, а вторичный зонд - в вертикальной коаксиальной секции.[7]

Измерения

Измерения мощности микроволн можно производить напрямую, обычно с помощью детектора и измерителя на основе термистора. Однако эти инструменты дороги, и обычный измеритель, используемый для измерений с щелевой линией, вместо этого является более дешевым измерителем КСВН низкой частоты. Источник питания СВЧ амплитудно-модулированный с, как правило, 1 кГц сигнал, который восстанавливается детектором огибающей в зонде и отправляется на измеритель КСВН. Эта схема предпочтительнее простого обнаружения немодулированного перевозчик напрямую, что приведет к ОКРУГ КОЛУМБИЯ выход, потому что стабильный, узкополосный, настроенный усилитель может использоваться для усиления 1 кГц сигнал. В измерителе КСВН требуется большое усиление, потому что предел квадратичного диапазона[заметка 3] диода детектора не более 10 мкВт.[8]

Максимумы и минимумы

Рисунок 4. Картины стоячей волны на линии для различных коэффициентов отражения, показывающие максимумы и минимумы

Когда линия с прорезями заканчивается нагрузкой прецизионного согласования, нет никаких изменений в обнаруженной мощности вдоль линии, кроме очень небольшого уменьшения из-за потерь в линии. Однако, когда это заменяется тестируемое устройство (DUT), который не идеально соответствует линии, будет отражение обратно к источнику. Это вызывает стоячая волна быть настроенным на линии с периодическим максимумы и минимумы (вместе, экстремумы) за счет чередования конструктивных и деструктивных вмешательство. Эти экстремумы обнаруживаются путем перемещения датчика вперед и назад вдоль линии, после чего уровень в этой точке можно измерить на измерителе.[9]

Сами по себе экстремумы не представляют большого интереса, но используются при расчете еще нескольких полезных параметров. Некоторые из этих параметров требуют измерения точного положения экстремума. С математической точки зрения можно одинаково использовать как максимумы, так и минимумы, но минимумы предпочтительнее, потому что они всегда намного резче, чем максимумы, особенно для больших отражений, как показано на рисунке 4. Кроме того, зонд вызывает меньшее возмущение поля. около минимума, чем около максимума.[10]

Длина волны

Длина волны определяется путем измерения расстояния между двумя соседними минимумами. Это расстояние будет λ / 2. Нет необходимости в DUT, лучшие результаты получаются с опорным коротким замыканием в позиции.[11]

Коэффициент стоячей волны

Коэффициент стоячей волны (КСВ или КСВН) - это базовый параметр, который чаще всего измеряется на линии с прорезями. Эта величина особенно важна для передатчика. усики. Высокий КСВ указывает на плохое согласование между фидерной линией и антенной, что увеличивает потери мощности, может вызвать повреждение компонентов в тракте передачи, возможно, включая передатчик, и вызвать искажение ТВ, стерео FM и цифровых сигналов. С входной мощностью, установленной так, чтобы максимумы были на 0 дБм, измерение минимума в децибелах даст прямой КСВ (после отбрасывания знака минус).[12]

Коэффициент отражения

В коэффициент отражения, ρ, - отношение отраженной волны к падающей. В общем, это комплексное число. Величину коэффициента отражения можно рассчитать по измерению КСВН следующим образом:

где VSWR - коэффициент стоячей волны, выраженный как отношение напряжений (не в децибелы ). Однако, чтобы полностью охарактеризовать коэффициент отражения, необходимо также найти фазу ρ. Это делается на линии с прорезями путем измерения расстояния первого минимума от DUT. Перемещение пробника прямо к ИУ нецелесообразно, поэтому обычно применяют другой подход. Положение первого минимума, когда опорный короткий находится в месте отмечается. Расстояние назад по линии от этой контрольной точки до следующего минимума, когда ИУ находится на месте, будет таким же, как расстояние от ИУ до первого минимума. Это так, потому что эталонное короткое замыкание гарантирует минимум в позиции DUT.[13]

В фаза часть ρ определяется выражением

где λ - длина волны, а Икс - это расстояние до первого минимума, как описано ранее. Величина и фаза ρ могут, при необходимости, быть выражены как действительные и мнимые части, вместо обычных манипуляций с комплексными числами.[14]

Импеданс

Импеданс, Z, ИУ можно рассчитать по коэффициенту отражения:

куда Z0 - характеристическое сопротивление линии. Альтернативный метод - построить график КСВН и расстояние до узла (в длинах волн) на Диаграмма Смита. Эти количества напрямую измеряются щелевой линией. На этом графике импеданс ИУ (нормированный на Z0) можно прочитать прямо с диаграммы Смита.[15]

Соображения точности

Хорошие линии с прорезями - это точные инструменты. Это необходимо, потому что механические дефекты могут повлиять на точность. Некоторые из механических проблем, которые имеют отношение к этому, включают: люфт верньера, соосность внутреннего и внешнего проводника, округлость внешнего проводника, центральность и прямолинейность внутреннего проводника, вариации поперечного сечения и способность каретки поддерживать постоянную глубину зонда. Проблемы с настройкой зонда и возмущениями поля уже обсуждались, но изолированные прокладки, удерживающие центральный проводник на месте, также могут нарушать поле. Следовательно, они делаются настолько дискретными, насколько это совместимо с механической прочностью. Однако наибольшим источником погрешности обычно является не сама линия с прорезями, а характеристики детекторного диода.[16]

Детектируемый выходной сигнал напряжения диодов с барьером Шоттки, обычно используемых в микроволновых детекторах, имеет квадратичную зависимость от измеряемой мощности, и измерители калибруются соответствующим образом. Однако по мере увеличения мощности диод значительно отклоняется от квадратичного закона и остается точным вплоть до выходного напряжения около 5-10 мВ. Это можно немного улучшить, добавив нагрузочный резистор к выходу детектора, но это также имеет нежелательный эффект снижения чувствительности. Другой способ - уменьшить диапазон измеряемой мощности (так, чтобы она находилась в пределах квадратный закон дальность действия детектора) путем измерения в точке, отличной от максимальной. Затем рассчитывается максимум по известной математической форме диаграммы стоячей волны. У этого есть возражение, что это значительно увеличивает трудозатраты, необходимые для проведения измерений, равно как и метод точной калибровки детектора и корректировки показаний измерителя в соответствии с калибровочной таблицей.[17]

Можно полностью устранить ошибки в детекторе и измерителе, если в испытательной установке использовать прецизионный регулируемый аттенюатор. В этом методе сначала определяется минимум, а аттенюатор регулируется так, чтобы измеритель точно показывал какую-то удобную отметку. Затем определяется максимум и затухание увеличивается до тех пор, пока измеритель не покажет ту же отметку. Величина ослабления, которая должна была быть увеличена, и есть КСВ стоячей волны. Точность здесь зависит от точности аттенюатора, а не от детектора.[18]

Примечания

  1. ^ Томас Х. Ли даже описывает микрополоска линия с прорезями для использования до 5 ГГц что, как он утверждает, можно сделать менее чем за 10 долларов. Он называет это "40 дБ снижение стоимости »по сравнению с ценой на анализатор цепей. То есть его стоимость в 10 000 раз меньше, чем стоимость анализатора стоимостью 100 000 долларов (Ли, страницы xv, 268-271).
  2. ^ λ, обычный символ для длина волны. Обычно удобнее всего указывать расстояния на линиях передачи в виде длин волн передаваемой волны, а иногда, когда это расстояние невелико или не является точным кратным четверти длины волны. радианы где θ = 2πλ радиан.
  3. ^ квадратный закон, детекторного диода, диапазон, в котором демодулированное выходное напряжение пропорционально квадрату несущего напряжения на линии.

Рекомендации

  1. ^ Несколько источников:
    • Гупта, стр.113
    • Вольтмер, страницы 146–147
  2. ^ Несколько источников:
    • Дас и Дас, стр. 496
    • Ли, страницы 246, 251, 268
    • Вольтмер, стр.146
  3. ^ Несколько источников:
    • Дас и Дас, страницы 497–498
    • Гупта, стр.113
  4. ^ Вольтмер, стр.148
  5. ^ Х. К. Торри, К. А. Уитмер, Кристаллические выпрямители, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 1948 г.
  6. ^ Дас и Дас, страницы 496–498
  7. ^ Дас и Дас, страницы 496–497
  8. ^ Несколько источников:
    • Дас и Дас, стр. 496
    • Вольтмер, стр.147
  9. ^ Гупта, страницы 113–114
  10. ^ Вольтмер, страницы 147–148
  11. ^ Несколько источников:
    • Дас и Дас, стр. 498
    • Вольтмер, стр.148
  12. ^ Гупта, страницы 112–113
  13. ^ Несколько источников:
    • Гупта, страницы 112–113
    • Ли, страницы 248–249
  14. ^ Несколько источников:
    • Коннор, страницы 29–32.
    • Дас и Дас, стр. 498, 514-515
    • Ли, страницы 248–249
  15. ^ Несколько источников:
    • Коннор, страницы 34–38
    • Дас и Дас, страницы 514–515
    • Гупта, стр.112, 114
  16. ^ Ли, страницы 251–252
  17. ^ Ли, страницы 252–254
  18. ^ Ли, стр. 253

Библиография

  • Коннор, Ф. Р., Передача волн, Эдвард Арнольд Лтд., 1972 г. ISBN  0-7131-3278-7.
  • Дас, Аннапурна; Дас, Сисир К., СВЧ-техника, Tata McGraw-Hill Education, 2009 г. ISBN  0-07-066738-1.
  • Гупта, К. С., Микроволны, New Age International, 1979 г. ISBN  0-85226-346-5.
  • Ли, Томас Х., Планарная микроволновая техника, Cambridge University Press, 2004 г. ISBN  0-521-83526-7.
  • Вольтмер, Дэвид Рассел, Основы электромагнетизма 2: квазистатика и волны, Морган и Клейпул, 2007 г. ISBN  1-59829-172-6.