Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии 


Особенности измерений на СВЧ




Измерения на СВЧ, по сравнению с традиционными измерениями на более низких частотах, имеют свои особенности. В первую очередь, они являются следствиями свойств СВЧ волн, их распространения и преобразования.

В диапазоне СВЧ квантовые эффекты еще пренебрежимы, поэтому закономерности протекания электромагнитных явлений в различных средах составляют предмет изучения классической электродинамики. Ее технические аспекты составляют область науки и техники, иногда называемую технической электродинамикой. В этой области в основном изучается и разрабатывается техника СВЧ, которая объединяет разделы радиотехники и радиоэлектроники, касающиеся вопросов анализа, синтеза и практической реализации устройств СВЧ.

Устройства СВЧ, соединенные отрезками линий передачи, составляют тракт СВЧ. Тракт СВЧ любой радиотехнической системы, в том числе анализатора сигналов, анализатора цепей или анализируемого устройства, состоит из большого числа различных устройств СВЧ. К их числу относятся отрезки линий передачи, разъемы, изгибы и скрутки, согласующие устройства, фазовращатели, фильтры, делители мощности, направленные ответвители, переключатели и многие другие. Общим для этих и им подобных устройств является то, что они относятся к устройствам с распределенными параметрами. Геометрические размеры этих устройств сравнимы с длиной волны электромагнитных колебаний. Это определяет всю специфику расчета и проектирования устройств СВЧ, т.к. происходящие в них процессы имеют волновой характер.

Теория устройств СВЧ тесно связана с электродинамикой и включает в себя два больших раздела: анализ устройств СВЧ и синтез устройств СВЧ. Задача анализа состоит в изучении внешних характеристик устройств СВЧ, а также в определении этих внешних характеристик из решения соответствующей внутренней задачи методами прикладной электродинамики или из эксперимента. Задача синтеза устройств СВЧ состоит в определении структуры и геометрических размеров элементов устройства СВЧ по заданным его характеристикам.

Изучение внешних характеристик устройств СВЧ может производиться без конкретизации их внутренней структуры, что позволяет рассматривать устройство СВЧ как некий «черный ящик», имеющий определенное число выходящих из него линий передачи СВЧ. Каждая из этих линий передачи также является устройством с распределенными параметрами, для которого непременным является волновой характер электромагнитных процессов. Это приводит к необходимости фиксировать продольные координаты поперечных сечений линий передачи или, как говорят, фиксировать опорные плоскости. Относительно этих опорных плоскостей проводится отсчет фаз, а в некоторых случаях и амплитуд падающих и отраженных волн. Смещение опорных плоскостей вдоль входных линий передачи приводит к изменению внешних характеристик устройств СВЧ. В большинстве случаев во входных линиях передачи таких устройств единственной распространяющейся волной является волна основного типа. Остальные типы волн находятся в закритическом режиме, то есть быстро затухают при отдалении от неоднородности, где они могут возникнуть. Опорные плоскости устройства СВЧ стремятся расположить таким образом, чтобы амплитудами закритических волн в них можно было пренебречь.

Основой теоретического и расчетного анализа и проектирования СВЧ-устройств является теория цепей СВЧ. В силу упомянутого выше представления цепи в виде «черного ящика», эта теория основана на матричном представлении описания внешних параметров устройств, использует метод декомпозиции анализа сложных объектов и компьютерные методы их моделирования. Для расчета параметров базовых блоков декомпозиционных схем привлекаются методы прикладной электродинамики и численные модели систем автоматического проектирования (САПР) СВЧ-устройств. При практической реализации ключевую роль играют экспериментальные методы исследования, настройки и контроля характеристик и параметров спроектированных устройств. Измерения используют также в случаях, когда для моделирования отдельных узлов и блоков нет достоверных расчетных данных.

Свойства электромагнитного поля существенно зависят от характера его изменения во времени; для модели монохроматических волн – от частоты волны. Особенности техники измерений на СВЧ можно условно разделить на особенности излучения, распространения, отражения и поглощения СВЧ-волн и особенности СВЧ-техники применительно к измерениям.

Фундаментальные особенности СВЧ волн это, во-первых, соизмеримость длины волны и характерного размера приборов и неоднородностей тракта, что делает малоэффективным применение обычных линий передачи и колебательных контуров; во-вторых, соизмеримость периода колебаний и времени пролета носителей заряда в активной области прибора; проявляющаяся в этих условиях инерция носителей заряда нарушает нормальную работу активных приборов, эффективно функционирующих в радиодиапазоне.

Измерения на СВЧ сталкиваются с рядом проблем. «Вечная» проблема не только измерений, но и техники СВЧ в целом – качественное, надежное, устойчивое подключение измерительной аппаратуры к исследуемому устройству и элементам калибровки. В историческом развитии пришлось разработать элементы подключения измерительных датчиков и преобразователей к соединительным линиям, вообще, в большой мере заново создавать измерительный тракт.

Излучение электромагнитных волн из отверстий и щелей в измерительной аппаратуре приводит к потерям и искажениям сигналов. Требуется тщательное экранирование измерительных элементов и датчиков, что, однако осложняет введение измерительных элементов в исследуемые объекты.

Отражения на соединениях, неоднородностях, сгибах, концах линий и т.д. (несогласованность) вызывают искажение сигналов, ухудшают точность измерений, требуют изощренной калибровки измерительного средства. Вообще, проблема согласования «нагрузок» в диапазоне СВЧ настолько всеобъемлюща, что иногда высказывается мнение, что «проблема оптимального конструирования тракта СВЧ сводится к проблеме согласования» [0.1].

Неоднозначность отсчета напряжений и токов на СВЧ заставляет переходить к мощности как характеристике уровня сигналов.

В технике СВЧ необходимо измерять новые параметры – КСВ, коэффициент отражения и т.д. Вообще, в рамках матричной характеризации цепей приходится переходить от матриц, связанных с импедансами, токами и напряжениями, к матрицам рассеяния; появляются также новые виды графов – потоковые графы, и т.д.

Измерениям на СВЧ свойственны ограничения технического порядка, связанные с несовершенством аппаратуры на этих частотах. В частности, трудно или невозможно добиться достаточно высоких добротностей резонаторов, трудно создавать измерительные генераторы достаточной мощности со сверхширокополосной перестройкой, трудно обеспечить высокую частотную стабильность генераторов, трудно создавать измерительные усилители со стабильными метрологическими характеристиками и т.д.

В диапазоне СВЧ ограничен выбор невзаимных устройств, позволяющих разделять волны разных направлений и улучшать согласование трактов. На малых частотах построение невзаимных устройств облегчается возможностями различных соединений в цепях, в диапазоне СВЧ, с его полевой структурой волн, приходится применять специальные волновые среды (например, ферриты) или комбинации линий передачи с полевой связью.

В силу перечисленных особенностей измерений на СВЧ, для решения каждой конкретной измерительной задачи в этом диапазоне часто приходится индивидуально подбирать или заново разрабатывать свою собственную методику, а в ряде случаев и уникальную измерительную аппаратуру. Всегда требуется предварительный теоретический и расчетный анализ измерительной схемы, особенно в отношении калибровки и оценки погрешностей измерения.

В диапазоне СВЧ углубляется различие между двумя сторонами измерений на СВЧ – анализом сигналов и анализом устройств.





Рекомендуемые страницы:


Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 1165; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2019 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.008 с.) Главная | Обратная связь