Линия с прорезями

Щелевые линии используются для микроволновых измерений и состоят из подвижного зонда, вставленного в щель в линии передачи . Они используются в сочетании с микроволновым источником питания и обычно, в соответствии с их недорогим применением, недорогим детектором на диоде Шоттки и измерителем КСВН вместо дорогого микроволнового измерителя мощности .

Щелевые линии могут измерять стоячие волны , длину волны и, с некоторыми расчетами или построением на диаграммах Смита , ряд других параметров, включая коэффициент отражения и электрический импеданс . Прецизионный переменный аттенюатор часто включается в испытательную установку для повышения точности. Он используется для выполнения измерений уровня, в то время как детектор и измеритель КСВ оставляются только для обозначения контрольной точки для настройки аттенюатора, тем самым полностью устраняя ошибки измерения детектора и измерителя. Параметр, наиболее часто измеряемый щелевой линией, — это КСВ. Он служит мерой точности соответствия импеданса испытываемому объекту. Это особенно важно для передающих антенн и их линий подачи; высокий 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.

Линии с прорезями больше не используются широко, но все еще могут быть найдены в бюджетных приложениях. Их главный недостаток заключается в том, что они трудоемки в использовании и требуют расчетов, таблиц или построения графиков для использования результатов. Они должны быть изготовлены с механической точностью, а зонд и его детектор должны быть настроены с осторожностью, но они могут давать очень точные результаты.

Щелевая линия является одним из основных инструментов, используемых в радиочастотных испытаниях и измерениях на микроволновых частотах. Она состоит из прецизионной линии передачи , обычно коаксиальной, но также используются волноводные реализации, с подвижным изолированным зондом, вставленным в продольную щель, прорезанную в линии. В коаксиальной щелевой линии щель прорезана во внешнем проводнике линии. Зонд вставляется за внешний проводник, но не настолько далеко, чтобы коснуться внутреннего проводника. В прямоугольном волноводе щель обычно прорезана вдоль центра широкой стенки волновода. Также возможны щелевые линии с круглым волноводом. ^[1]

Щелевые линии относительно дешевы ^{[примечание 1]} и могут выполнять многие измерения, выполняемые более дорогим оборудованием, таким как сетевые анализаторы . Однако методы измерения с помощью щелевых линий более трудоемки и часто не выводят желаемый параметр напрямую; часто требуются некоторые вычисления или построение графиков. В частности, они могут выполнять измерения только на одной частоте за раз, поэтому построение графика параметра в зависимости от частоты занимает очень много времени. Это можно сравнить с современными приборами, такими как сетевые и спектральные анализаторы , которые по своей сути являются частотными анализаторами и мгновенно выдают график. Щелевые линии в настоящее время в значительной степени вытеснены, но все еще встречаются там, где капитальные затраты являются проблемой. Их остаточное применение в основном в миллиметровом диапазоне , где современная испытательная аппаратура либо непомерно дорога, либо вообще недоступна, а также в академических лабораториях и у любителей. Они также полезны в качестве учебного пособия, поскольку пользователь более непосредственно сталкивается с основными явлениями линий, чем с более сложными приборами. ^[2]

Щелевая линия работает, отбирая электрическое поле внутри линии передачи с помощью зонда. Для точности важно, чтобы зонд как можно меньше нарушал поле. По этой причине диаметр зонда и ширина щели поддерживаются небольшими (обычно около 1 мм ), а зонд вставляется не глубже, чем необходимо. Также необходимо в волноводных щелевых линиях размещать щель в таком положении, где ток в стенках волновода параллелен щели. Тогда ток не будет нарушаться наличием щели, пока она не слишком широкая. Для доминирующего режима это находится на центральной линии широкой поверхности волновода, но для некоторых других режимов может потребоваться смещение от центра. Это не проблема для коаксиальной линии, поскольку она работает в режиме TEM (поперечный электромагнитный), и, следовательно, ток везде параллелен щели. Щель может быть сужена на концах, чтобы избежать разрывов, вызывающих отражения. ^[3]

Возмущение поля внутри линии, вызванное введением зонда, сводится к минимуму, насколько это возможно. Это возмущение состоит из двух частей. Первая часть обусловлена ​​мощностью, которую зонд извлекает из линии, и проявляется как сосредоточенная эквивалентная схема резистора . Это сводится к минимуму путем ограничения расстояния, на которое зонд вставлен в линию, так что извлекается только достаточная мощность для эффективной работы детектора . Вторая часть возмущения обусловлена ​​энергией, накопленной в поле вокруг зонда, и проявляется как сосредоточенный эквивалент конденсатора . Эту емкость можно компенсировать с помощью индуктивности равного и противоположного импеданса . Сосредоточенные индукторы непрактичны на микроволновых частотах; вместо этого для «отстройки» емкости зонда используется регулируемый шлейф с индуктивной эквивалентной схемой. Результатом является эквивалентная схема с высоким импедансом в шунте поперек линии, которая мало влияет на передаваемую мощность в линии. В результате такой настройки зонд становится более чувствительным, и в результате расстояние, на которое он вводится, может быть дополнительно ограничено. ^[4]

Типичная испытательная установка с волноводной щелевой линией показана на рисунке 2. Ссылаясь на этот рисунок, мощность от источника испытательного оборудования (не показан) поступает в установку через коаксиальный кабель слева и преобразуется в волноводный формат с помощью пусковой установки (1). Затем следует секция волновода (2), обеспечивающая переход к меньшему размеру направляющей. Важным компонентом в установке является изолятор (3 ) , который предотвращает отражение мощности обратно в источник. В зависимости от условий испытания такие отражения могут быть большими, и источник высокой мощности может быть поврежден возвращающейся волной. Мощность, поступающая в щелевую линию, контролируется вращающимся переменным аттенюатором (4). Затем следует сама щелевая линия (5), над которой находится зонд, установленный на подвижной каретке. Каретка также несет регулировки зонда: (6) - регулировка глубины зонда, (7) - длина коаксиальной секции с настройками, и (8) - детектор , который использует либо точечный контактный кристаллический выпрямитель , либо барьерный диод Шоттки. ^[5] Правый конец щелевой линии заканчивается согласованной нагрузкой (9), которая поглощает всю мощность, выходящую из конца волновода. Нагрузка может быть заменена компонентом или системой, которую требуется протестировать. Ее также можно заменить эталонным коротким замыканием (10), которое используется для калибровки щелевой линии. Каретка может перемещаться вдоль щелевой линии с помощью поворотной ручки (11), которая одновременно перемещает нониусный датчик (12) для точного измерения положения зондов вдоль линии. ^[6]

Зонд подключен к детектору и индикаторному измерителю (не показаны на рисунке 2). Это могут быть, соответственно, термистор и измеритель мощности, или детектор огибающей и измеритель КСВ . Детектор может быть кристаллическим детектором или барьерным диодом Шоттки . Детектор устанавливается на узле зонда, обычно на расстоянии λ/4 ^{[примечание 2]} от кончика зонда, как показано на рисунке 3. Это связано с тем, что детектор выглядит почти как короткое замыкание на линии передачи, и это расстояние преобразует его в разомкнутую цепь через эффект четвертьволнового трансформатора импеданса . Таким образом, детектор оказывает минимальное влияние на нагрузку линии. Настраиваемый штырь зонда можно увидеть на рисунке 3, ответвляющимся от линии, соединяющей зонд с детектором. Рисунок 2 имеет немного иное расположение; главный зонд в волноводе ведет к вертикальной коаксиальной настройке и регулировочной секции, но детектор находится на горизонтальной боковой секции со вторичным зондом в вертикальной коаксиальной секции. ^[7]

Измерения микроволновой мощности можно производить напрямую, обычно с помощью детектора и измерителя на основе термистора. Однако эти приборы дороги, и обычный измеритель, используемый при измерениях с помощью щелевой линии, вместо этого является более дешевым низкочастотным измерителем КСВН. Источник микроволновой мощности модулируется по амплитуде , как правило, сигналом частотой 1 кГц , который восстанавливается детектором огибающей в зонде и отправляется на измеритель КСВН. Эта схема предпочтительнее простого обнаружения немодулированной несущей напрямую, что приведет к выходу постоянного тока , поскольку для усиления сигнала частотой 1 кГц можно использовать стабильный, узкополосный, настроенный усилитель . В измерителе КСВН требуется большое усиление, поскольку предел диапазона квадратичного закона ^{[примечание 3]} диода детектора составляет не более 10 мкВт . ^[8]

Когда щелевая линия заканчивается прецизионной согласованной нагрузкой, то нет никаких изменений в обнаруженной мощности вдоль линии, за исключением очень небольшого уменьшения из-за потерь в линии. Однако, когда это заменяется тестируемым устройством (DUT), которое не идеально согласовано с линией, будет иметь место отражение обратно к источнику . Это приводит к тому, что на линии устанавливается стоячая волна с периодическими максимумами и минимумами (совместно называемыми экстремумами ) из-за чередующихся конструктивных и деструктивных помех . Эти экстремумы обнаруживаются путем перемещения зонда вперед и назад вдоль линии, и затем уровень в этой точке можно измерить на счетчике. ^[9]

Экстремумы сами по себе не представляют большого интереса, но используются при расчете нескольких более полезных параметров. Некоторые из этих параметров требуют измерения точного положения экстремума. С математической точки зрения можно в равной степени использовать как максимумы, так и минимумы, но минимумы предпочтительнее, поскольку они всегда намного острее максимумов, особенно для больших отражений, как показано на рисунке 4. Кроме того, зонд вызывает меньше возмущений поля вблизи минимума, чем вблизи максимума. ^[10]

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 (КСВ или КСВ) является основным параметром и наиболее часто измеряется на щелевой линии. Эта величина имеет особое значение для передающих антенн . Высокий КСВ указывает на плохое соответствие между линией питания и антенной, что увеличивает потери мощности, может привести к повреждению компонентов на пути передачи, возможно, включая передатчик, и вызвать искажение ТВ, FM стерео и цифровых сигналов. При входной мощности, установленной таким образом, что максимумы находятся на уровне 0 дБм , измерение минимума в децибелах напрямую даст КСВ (после отбрасывания знака минус). ^[12]

Коэффициент отражения , ρ, представляет собой отношение отраженной волны к падающей волне. В общем случае это комплексное число . Величину коэффициента отражения можно рассчитать из измерения КСВН по формуле,

${\displaystyle |\rho |={\frac {\mathrm {VSWR} -1}{\mathrm {VSWR} +1}}}$

где КСВН — коэффициент стоячей волны, выраженный как отношение напряжений (не в децибелах ). Однако для полной характеристики коэффициента отражения необходимо также найти фазу ρ. Это делается на щелевой линии путем измерения расстояния первого минимума от DUT. Перемещение зонда прямо к DUT нецелесообразно, поэтому обычно применяется другой подход. Отмечается положение первого минимума, когда эталонное короткое замыкание находится на месте. Расстояние назад по линии от этой опорной точки до следующего минимума, когда DUT находится на месте, будет таким же, как расстояние от DUT до первого минимума. Это так, потому что эталонное короткое замыкание гарантирует минимум в положении DUT. ^[13]

Фазовая часть ρ определяется выражением :

${\displaystyle \angle \rho ={\frac {4\pi }{\lambda }}x-\pi }$

где λ — длина волны, а x — расстояние до первого минимума, как описано ранее. Величина и фазовое представление ρ могут, если требуется, быть выражены как действительные и мнимые части вместо обычной манипуляции комплексными числами. ^[14]

Сопротивление Z тестируемого устройства можно рассчитать из коэффициента отражения по формуле:

${\displaystyle Z=Z_{0}{\frac {1+\rho }{1-\rho }}}$

где Z ₀ — характеристическое сопротивление линии. Альтернативный метод — нанести КСВН и расстояние до узла (в длинах волн) на диаграмму Смита . Эти величины напрямую измеряются щелевой линией. Из этого графика сопротивление тестируемого устройства (нормализованное по Z ₀ ) можно считать непосредственно с диаграммы Смита. ^[15]

Хорошие щелевые линии — это прецизионные инструменты. Они должны быть такими, потому что механические дефекты могут повлиять на точность. Некоторые из механических проблем, которые имеют к этому отношение, включают люфт нониуса, концентричность внутреннего и внешнего проводника, круглость внешнего проводника, центрированность и прямолинейность внутреннего проводника, изменения поперечного сечения и способность каретки поддерживать постоянную глубину зонда. Проблемы с настройкой зонда и помехи в поле уже обсуждались, но изолированные распорки, удерживающие центральный проводник на месте, также могут нарушать поле. Следовательно, они сделаны настолько дискретными, насколько это совместимо с механической прочностью. Однако наибольшим источником неточности обычно является не сама щелевая линия, а характеристики диода детектора. ^[16]

Выходной сигнал обнаруженного напряжения барьерных диодов Шоттки, обычно используемых в микроволновых детекторах, имеет квадратичную зависимость от измеряемой мощности, и счетчики калибруются соответствующим образом. Однако по мере увеличения мощности диод значительно отклоняется от квадратичного закона и остается точным до выходного напряжения всего около 5-10 мВ . Это можно немного улучшить, добавив нагрузочный резистор к выходу детектора, но это также имеет нежелательный эффект снижения чувствительности. Другой метод заключается в уменьшении диапазона измеряемой мощности (чтобы он попал в диапазон квадратичного закона детектора) путем измерения в точке, отличной от максимума. Затем максимум вычисляется из известной математической формы картины стоячей волны. Это имеет то возражение, что это значительно увеличивает трудозатраты, необходимые для проведения измерений, как и метод точной калибровки детектора и регулировки показаний на счетчике в соответствии с калибровочной таблицей. ^[17]

Можно полностью исключить ошибки в детекторе и измерителе, если в испытательной установке использовать прецизионный переменный аттенюатор. В этой методике сначала находится минимум, а аттенюатор регулируется так, чтобы измеритель показывал точно некоторую удобную отметку. Затем находится максимум, и затухание увеличивается до тех пор, пока измеритель не покажет ту же отметку. Величина, на которую должно было быть увеличено затухание, и есть КСВ стоячей волны. Точность здесь зависит от точности аттенюатора, а не от детектора. ^[18]

• Коннор, Ф. Р., Передача волн , Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN  0-7131-3278-7 .
• Дас, Аннапурна; Дас, Сисир К., Микроволновая техника, Tata McGraw-Hill Education, ISBN 2009 г. 0-07-066738-1 . 
• Гупта, К.С., Микроволны , New Age International, 1979 ISBN 0-85226-346-5 . 
• Ли, Томас Х. , Планарная микроволновая техника, Издательство Кембриджского университета, 2004 ISBN 0-521-83526-7 . 
• Вольтмер, Дэвид Рассел, Основы электромагнетизма 2: Квазистатика и волны, Морган и Клейпул, 2007 ISBN 1-59829-172-6 .