RU2073874C1 - Устройство для измерения мощности в волноводных трактах - Google Patents

Устройство для измерения мощности в волноводных трактах Download PDF

Info

Publication number
RU2073874C1
RU2073874C1 RU94024368A RU94024368A RU2073874C1 RU 2073874 C1 RU2073874 C1 RU 2073874C1 RU 94024368 A RU94024368 A RU 94024368A RU 94024368 A RU94024368 A RU 94024368A RU 2073874 C1 RU2073874 C1 RU 2073874C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
temperature sensors
rectangular waveguide
segment
edge
Prior art date
Application number
RU94024368A
Other languages
English (en)
Other versions
RU94024368A (ru
Inventor
Вадим Борисович Белявцев
Владимир Михайлович Волков
Сергей Александрович Жуков
Original Assignee
Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники
Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи filed Critical Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники
Priority to RU94024368A priority Critical patent/RU2073874C1/ru
Publication of RU94024368A publication Critical patent/RU94024368A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2073874C1 publication Critical patent/RU2073874C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Waveguides (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиоизмерительной технике сверхвысоких и крайневысоких частот и предназначено для измерения проходящей и падающей мощности большого уровня в передающих трактах радиопередающих, радиолокационных и навигационных станций, ускорителей заряженных частиц, испытательных стендов. Для уменьшения переменной составляющей погрешности рассогласования в устройстве для измерения мощности в волноводных трактах, содержащем отрезок прямоугольного волновода, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина с размещенными на ней двумя термодатчиками одинаковой длины, соединенными с блоком индикации, согласно изобретению термодатчики смещены друг относительно друга в поперечном и в продольном направлениях, при этом в продольном направлении расстояние между термодатчиками не превышает четверти длины волны в волноводе, а в поперечном направлении расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края удаленного термодатчика выбирается из математического соотношения. 6 ил, 3 табл.

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике сверхвысоких и крайневысоких частот и предназначено для измерения проходящей и падающей мощности большого уровня основного типа волны в передающих трактах радиопередающих, радиолокационных и навигационных станций, ускорителей заряженных частиц, испытательных стендов.
Известно устройство для измерения проходящей мощности сверхвысоких частот, в основу работы которого положен эффект поглощения энергии электромагнитных волн в стенках волновода [1] В этом устройстве в узкую стенку прямоугольного волновода встроена поглощающая пластина, снабженная термопреобразователем, соединенным с индикатором. Длина ее выбрана кратной половине длины волны в волноводе.
В известном устройстве переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей мощности достигает больших значений в полосе частот, во-первых, из-за изменения коэффициента преобразования датчика в диапазоне частот, и во-вторых, из-за рассогласования нагрузки, когда нарушается кратность длины датчика половине длины волны в волноводе и возникает фазочастотная погрешность.
Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является устройство для изменения проходящей мощности СВЧ [2] содержащее отрезок прямоугольного волновода, две поглощающие пластины с установленными на них термодатчиками, подключенными к индикатору (блоку индикации), расположенные на середине узкой и середине широкой стенок волновода в одной плоскости поперечного сечения.
В указанном устройстве переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей мощности достигает больших значений в полосе частот из-за расположения поглощающих пластин с установленными на них термодатчиками, во-первых, на узкой и на широкой стенках волновода, а во-вторых, одной из пластин на середине широкой стенки. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на узкой стенке, пропорционален продольной составляющей магнитного поля. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на середине широкой стенки, пропорционален поперечной составляющей магнитного поля, так как на середине широкой стенки продольная составляющая магнитного поля равна нулю. Узлы или пучности стоячей волны продольной и поперечной составляющих магнитного поля сдвинуты относительно друг друга на Λ/4, где Λ длина волны в волноводе. При сложении сигналов с двух термодатчиков влияние стоячей волны, то есть сдвига фазы комплексного коэффициента отражения, уменьшается по сравнению с сигналом от любого одного термодатчика, но не устраняется полностью. Полное устранение влияния сдвига фазы в полосе частот, в общем случае, невозможно потому, что амплитуда поперечной и продольной составляющих магнитного поля разные, по разным законам изменяются в плоскости поперечного сечения волновода. Соответственно коэффициенты преобразования мощности СВЧ и КВЧ в тепло и на узкой стенке, и на середине широкой стенки будут разными. Например, в максимальной рабочей полосе частот прямоугольного волновода ±20% переменная составляющая погрешности рассогласования достигает D= ± 8,9 % при коэффициенте стоячей волны не более 1,2.
Кроме этого, расположение двух поглощающих пластин на смежных стенках прямоугольного волновода уменьшает жесткость конструкции, усложняет конструкцию и особенно технологию изготовления отрезка волновода. Объясняется это тем, что поглощающие пластины, как правило, выполняются из тонкой металлической фольги толщиной в несколько скин-слоев. Равномерное натяжение фольги, обеспечение надежного электрического контакта со стенкой по периметру окна, расположение фольги в плоскости внутренней поверхности стенки представляют собой сложные конструкторско-технологические задачи, особенно для двух смежных стенок.
В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения мощности в волноводных трактах, в котором новое расположение термодатчиков на одной поглощающей пластине, встроенной в широкую стенку, позволяет устранить из конструкции вторую поглощающую пластину и тем самым упростить конструкцию устройства, увеличить жесткость конструкции и упростить технологию изготовления волноводного узла, а новое положение двух термодатчиков на широкой стенке, определяемое новым математическим выражением, позволяет уменьшить переменную составляющую погрешности рассогласования в полосе частот и использовать один широкополосный ваттметр вместо нескольких (двух-трех), предназначенных для эксплуатации в более узких рабочих полосах частот и обеспечивающих одинаковый предел погрешности рассогласования.
Такой технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения мощности в волноводных трактах, содержащем отрезок прямоугольного волновода, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина с размещенными на ней двумя термодатчиками одинаковой длины, соединенными с блоком индикации, согласно изобретению термодатчики смещены друг относительно друга в поперечном и в продольном направлениях, при этом в продольном направлении расстояние между термодатчиками не превышает четверти длины волны в волноводе, а в поперечном направлении расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края удаленного термодатчика выбирается из соотношения:
Figure 00000002

при
Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006

где a размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода в поперечном направлении;
h1 поперечный размер ближайшего к ребру отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
h2 поперечный размер удаленного от ребра отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
l расстояние между термодатчиками в продольном направлении;
Λ длина волны в волноводе;
fкр критическая частота;
f частота;
x1 расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края ближайшего термодатчика.
Расположение двух термодатчиков на одной поглощающей пластине, встроенной в широкую стенку отрезка прямоугольного волновода, позволило увеличить жесткость конструкции (три стенки из четырех являются массивными), упростить конструкцию устройства и технологию его изготовления, а смещение термодатчиков относительно друг друга в продольном и в поперечном направлениях с выбором расстояния от ребра волновода до края одного из термодатчиков по приведенной формуле уменьшить в полосе частот переменную составляющую погрешности рассогласования D. Последнее объясняется тем, что каждый термодатчик реагирует в рассогласованном волноводе и на продольную, и на поперечную составляющую магнитного поля. Расположение термодатчиков на разных расстояниях x1, x2 от ребра волновода эквивалентно реализации неравномерного амплитудного распределения, причем выбором расстояния x2 обеспечивается равенство нулю погрешности D на одной из расчетных частот f и равенство двух максимальных значений погрешности в полосе частот, одно из которых достигается на частоте, меньшей f, а другое на частоте, большей f.
Равенство двух максимальных значений погрешности в полосе частот является оптимальным вариантом: уменьшение f приводит к увеличению значения погрешности в максимуме на частоте, большей f, а увеличение f на частоте, меньшей f. В обоих случаях предел погрешности D в полосе частот будет возрастать. То есть минимальное предельное значение переменной составляющей погрешности рассогласования в полосе частот соответствует равенству двух максимальных значений погрешности, достигаемых на двух частотах, одна из которых меньше f, а другая больше f. На частоте f достигается равенство D нулю, причем продольное расстояние между термодатчиками l, в зависимости от выбора x1, может быть выбрано от 0 до 0,25 Λ или больше. Например, для x1 0,25а при f fкр/0,65 (примерно средняя частота максимальной рабочей полосы стандартного прямоугольного волновода) получаем x2 0,25a для l = 0,25 Λ и x 2 0,195a для l 0 или x2 0,3а для l = 0,1 Λ..
На фиг. 1, 2 приведены чертежи устройства для измерения мощности в волноводных трактах. На фиг. 3 6 изображены графики зависимости эффективного коэффициента отражения от частоты с указанием относительной полосы частот Δf/fср= (f-fср)/fср в процентах. Здесь и далее fср средняя частота максимальной рабочей полосы частот стандартного прямоугольного волновода ±20%
Figure 00000007
модуль так называемого эффективного коэффициента отражения, функции, определяющей зависимость выходного сигнала термодатчика от фазы стоячей волны и используемой для расчета переменной составляющей погрешности рассогласования
Figure 00000008
;
Figure 00000009
параметр, определяющий зависимость
Figure 00000010
от продольного размера термодатчика lo (для сосредоточенного термодатчика lo≃ 0 и
Figure 00000011
;
Figure 00000012
- параметр, определяющий зависимость
Figure 00000013
от поперечных размеров термодатчиков и их положения на широкой стенке волновода;
Figure 00000014
максимальное значение модуля комплексного коэффициента отражения нагрузки в рабочей полосе частот.
Графики на фиг. 3 6 скомпонованы для удобства сравнительного анализа: на фиг. 3, 5 графики для устройства [2] (при x a/2); на фиг. 4, 6 для заявляемого устройства при x1 0,145а, x2 0,48а и расстояниях между термодатчиками l, обеспечивающих минимальное значение эффективного коэффициента отражения в полосе частот (l = 0,0967 Λср для фиг. 4 и l = 0,0912 Λср для фиг. 6, Λср - длина волны в волноводе на частоте fср); на фиг. 3, 4 для случая сосредоточенных термодатчиков, у которых размеры h и lo гораздо меньше длины волны и h≃ 0, lo≃ 0, то есть,
Figure 00000015
; на фиг. 5, 6 для термодатчиков с продольным размером lo, равным половине длине волны в волноводе: lo= Λср/2 для фиг. 5 и lo=Λmax/2 на фиг. 6 (Λmax- длина волны в волноводе на нижней граничной частоте fср 20%). Указаны максимальные значения эффективного коэффициента отражения в полосе частот ±20% для сосредоточенных термодатчиков
Figure 00000016
(фиг. 3, 4) и для распределенных термодатчиков
Figure 00000017
(фиг. 5, 6).
Устройство содержит отрезок прямоугольного волновода 1, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина 2 с размещенными на ее внешней поверхности термодатчиками 3, 4, и блок индикации 5, к которому подключены выходы обоих термодатчиков. В блоке 5 индикации предусмотрены схемы начальной регулировки, суммирования и усиления сигналов термодатчиков, а также индикаторный прибор. Термодатчики 3, 4 расположены на расстояниях x1 и x2 от ребра волновода и имеют поперечные размеры h1, h2 соответственно (см. фиг. 1). Продольные размеры термодатчиков выполнены одинаковыми и обозначены lo. На фиг. 2 указано расстояние между термодатчиками в продольном направлении l. В качестве термодатчиков используются пленочные батареи термопар сурьма-висмут, напыленных на полиимидную пленку. Поглощающая пластина 2 выполнена толщиной в несколько скин-слоев, то есть достаточно тонкими для измерения температуры нагрева на внешних поверхностях и достаточно толстыми для предотвращения излучения электромагнитной энергии, а материалом могут служить никель, константах, нихром и др.
Устройство работает следующим образом. При подаче мощности в передающий тракт стенки отрезка волновода 1, в том числе поглощающая пластина 2, нагреваются. Термодатчики 3, 4 преобразуют тепловую энергию в электрическую. Сигналы от термодатчиков 3, 4 подаются на вход блока 5 индикации, где обрабатываются (суммируются, усиливаются и т.п.) и индицируются. Сигнал на выходе каждого термодатчика пропорционален продольной и поперечной составляющим магнитного поля. Обе составляющие магнитного поля зависят от фазы стоячей волны, а также от частоты. Выходные сигналы термодатчиков также зависят от фазы стоячей волны и от частоты, при этом в суммарном сигнале доминирующее влияние одной из составляющих магнитного поля для одного из термодатчиков (например, доминирующее влияние продольной составляющей магнитного поля для термодатчика 3) компенсируется доминирующим влиянием другой составляющей магнитного поля для второго термодатчика (например, доминирующим влиянием поперечной составляющей магнитного поля для термодатчика 4).
Выбор расстояний от ребра волновода до края соответствующего термодатчика х1, x2 и расстояния между термодатчиками в продольном направлении l обеспечивает наиболее эффективную компенсацию составляющих магнитного поля в полосе частот.
Например, для сосредоточенных термодатчиков, выбрав x1 0,145a, l = 0,0967 Λср, x2 0,48a, что соответствует условию
Figure 00000018
на частоте fср, на граничных частотах максимальной рабочей полосы стандартного прямоугольного волновода ±20% получим
Figure 00000019
, а в полосе частот ±20%
Figure 00000020
(см. фиг. 4). Любое изменение x1, x2, l приведет в данном случае к увеличению
Figure 00000021
в полосе частот ±20%
Аналогично для протяженных (распределенных непрерывно) термодатчиков, выбрав продольный размер термодатчика lo= Λmax/2 и x1 0,145а, l = 0,0912 Λср, x2 0,48a (значение l обеспечивает равенство нулю
Figure 00000022
и
Figure 00000023
на частоте fср 8,97%), получим
Figure 00000024
0,0168 в полосе частот 1±20% (см. фиг. 6). Любое изменение размеров x1, x2, l приводят в данном случае к увеличению значения
Figure 00000025
в одном из двух максимумов и, соответственно, к увеличению
Figure 00000026
в полосе частот ±20%
На фиг. 6 первый минимум (равенство
Figure 00000027
нулю) на частоте fср 20% обеспечен выбором продольного размера термодатчика lo= Λmax/2, так как
Figure 00000028
равен нулю при продольном размере термодатчика, кратном половине длины волны в волноводе; второй минимум выбором размеров x1, x2, l.
Анализ кривых и значений
Figure 00000029
на фиг. 3, 4, а также кривых и значений
Figure 00000030
на фиг. 5, 6 показывает уменьшение переменной составляющей погрешности рассогласования в максимальной рабочей полосе частот стандартного прямоугольного волновода ±20% для заявляемого устройства по сравнению с известным устройством [2] для сосредоточенных термодатчиков в 1,52 раза, а для протяженных термодатчиков в 6,65 раз.
В табл. 1 приведены результаты расчета значений
Figure 00000031
в полосе частот ±20% для сосредоточенных термодатчиков. Выделено явно выраженное минимальное значение
Figure 00000032
при x1 0,14a. Изменение x1 приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения.
В табл. 2 приведены результаты расчета
Figure 00000033
для разных значений рабочей полосы частот с сохранением центральной частоты fср. Видно, что с уменьшением рабочей полосы частот происходит значительное уменьшение переменной составляющей погрешности рассогласования в предлагаемом устройстве по сравнению с известным (см. например, первую и предпоследнюю строки в табл. 2 уменьшение Δ на порядок).
В отличие от известного устройства, для которого
Figure 00000034
равно нулю только на одной частоте fср 11% (см. фиг. 3), в предлагаемом устройстве выбором x1, x2, l обеспечивается равенство нулю
Figure 00000035
на любой фиксированной частоте (например, на частоте fср на фиг. 4 и на частоте fср 9% на фиг. 6).
Расстояние между термодатчиками в продольном направлении изменяется в пределах от 0 до 0,25 Λ. Частный случай l = 0,25 Λ широко известен в технике измерения мощности как вариант расположения двух одинаковых квадратичных преобразователей вдоль одной оси (x1 x2). Когда l меньше 0,25 Λ,, расстояния от ребра волновода до краев термодатчиков не равны между собой x1≠x2. В случае расположения термодатчиков без взаимного смещения в продольном направлении, пределы изменения x1, x2 определяются рабочей полосой частот. Для максимальной рабочей полосы частот прямоугольного волновода ±20% нижняя граничная частота примерно равна 1,25 fср, а верхняя граничная частота 2fср. На нижней частоте условие равенства
Figure 00000036
нулю при l 0 обеспечивается для x1 (0,2 0,5)a, при этом x2 (0,42 0,18)a, а на верхней граничной частоте x1 (0 0,24)a при х2 (0,25 0)a. В табл. 3 для примера приведены размеры, при которых
Figure 00000037
равен нулю.
В приложении кратко изложена методика расчета переменной составляющей погрешности рассогласования и вывод формулы, приведенной в описании.

Claims (1)

  1. Устройство для измерения мощности в волноводных трактах, содержащее отрезок прямоугольного волновода, в плоскости внутренней поверхности широкой стенки которого установлена поглощающая пластина с размещенными на ней двумя термодатчиками одинаковой длины, соединенными с блоком индикации, отличающееся тем, что термодатчики смещены друг относительно друга в поперечном и в продольном направлениях, при этом в продольном направлении расстояние между термодатчиками не превышает четверти длины волны в волноводе, а в поперечном направлении расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края удаленного термодатчика выбирается из соотношения
    Figure 00000038

    Figure 00000039

    Figure 00000040

    Figure 00000041

    Figure 00000042

    где a размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода в поперечном направлении;
    h1 поперечный размер ближайшего к ребру отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
    h2 поперечный размер удаленного от ребра отрезка прямоугольного волновода термодатчика;
    l расстояние между термодатчиками в продольном направлении,
    Λ - длина волны в волноводе;
    fкр критическая частота;
    f частота;
    х1 расстояние от ребра отрезка прямоугольного волновода до края ближайшего термодатчика.
RU94024368A 1994-06-29 1994-06-29 Устройство для измерения мощности в волноводных трактах RU2073874C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94024368A RU2073874C1 (ru) 1994-06-29 1994-06-29 Устройство для измерения мощности в волноводных трактах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94024368A RU2073874C1 (ru) 1994-06-29 1994-06-29 Устройство для измерения мощности в волноводных трактах

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94024368A RU94024368A (ru) 1996-03-20
RU2073874C1 true RU2073874C1 (ru) 1997-02-20

Family

ID=20157860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94024368A RU2073874C1 (ru) 1994-06-29 1994-06-29 Устройство для измерения мощности в волноводных трактах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2073874C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106771559A (zh) * 2017-03-14 2017-05-31 成都中电锦江信息产业有限公司 一种发射机大功率在线监测装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПТЭ, 1974, N 1, с. 145 - 146. 2. Авторское свидетельство N 462140, кл. G 01 R 21/06, 1972. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106771559A (zh) * 2017-03-14 2017-05-31 成都中电锦江信息产业有限公司 一种发射机大功率在线监测装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Moldovan et al. A new 94-GHz six-port collision-avoidance radar sensor
US11437729B2 (en) Terahertz leaky-wave antenna measuring system
CA1204190A (en) Microwave sensor for checking the level of the molten metal in continuous casting processes
US4211911A (en) Microwave directional coupler and detector module
Horestani et al. High dynamic range microwave displacement and rotation sensors based on the phase of transmission in groove gap waveguide technology
Mann et al. High-precision interferometric radar for sheet thickness monitoring
US5573339A (en) Active radiometer for self-calibrated furnace temperature measurements
US4359683A (en) Microwave interferometer
JP2008064653A (ja) スペクトロメータ
US4048580A (en) Apparatus for detecting a stable microwave discrete frequency
RU2073874C1 (ru) Устройство для измерения мощности в волноводных трактах
Nagelberg et al. Mode conversion in circular waveguides
US2580679A (en) High-frequency directional coupler apparatus
US3252325A (en) Fluid pressure gauge
US2660706A (en) Apparatus for measuring power and standing waves in wave guides
DE102017127883A1 (de) Drucksensor
US3622874A (en) System for measuring the thickness of sheet material included in an rf energy loop path
RU2332658C1 (ru) Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия
RU2084877C1 (ru) Способ измерения влажности на свч (варианты)
RU2650430C1 (ru) Приемник ИК- и ТГц-излучений
Goldsmith et al. Microwave radiometer blackbody calibration standard for use at millimeter wavelengths
JPS61145472A (ja) マイクロ波距離測定装置
Baskakova et al. Novel waveguide sensors for contactless ultrashort-distance measurements
Thansandote et al. Microwave interferometer for measurements of small displacements
Mekhannikov et al. Microwave multimeter and its operating algorithms