РЕФЛЕКТОМЕТР
REFLECTOMETRE

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающих материалов в дециметровом и метровом диапазонах длин радиоволн.
10
11
11
10
Известно «Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте» и способ измерения (RU, пат. №2079144, G01R 27/06, Бюл. №13 от 10.05.97). Устройство включает генератор СВЧ, направленный ответвитель (НО), первый и второй преобразователи рабочей моды в виде плавного пирамидального рупора с двумя прилегающими к большому основанию металлическими пластинами, размещенными параллельно оси и имеющими гальванический контакт с широкими стенками рупора. Четырехплечное прямоугольное разветвление волноводов квадратного сечения с направленным делителем мощности (НДМ) в виде диэлектрических пластин. Генератор СВЧ подключен через НО и первый преобразователь рабочей моды (ППРМ) к первому плечу разветвления волноводов. Второе плечо разветвления, противоположное первому, снабжено средством подсоединения измеряемого образца. Третье боковое плечо, смежное с первым и размещенное по одну сторону от НДМ, подключено к первой согласованной нагрузке (ПСН), а четвертое - через второй преобразователь рабочей моды (ВПРМ) к первой детекторной секции, вход которой подключен к первому входу индикаторного блока, к его второму входу подключен выход второй детекторной секции. Вход этой секции подсоединен к выходу второго НО. Диэлектрическая пластина размещена в плоскости, которая параллельна диагональной плоскости разветвления, и смещена в сторону от плоскости разветвления на величину (0,15-0,35)λ, где λ - рабочая длина излучения. Это устройство работает следующим образом. Падающая мощность от СВЧ свип-генератора через НО и ППРМ, волну TE преобразуют в моду LM, поступает на волновод разветвителя. Падающая мощность делится пластиной на две части: одна часть поглощается частично в согласованной нагрузке, другая падает на измеряемый образец. Часть отраженной от образца СВЧ мощности через направленный делитель с пластиной поступает на преобразователь мод, который осуществляет обратное преобразование моды LM в моду TE. Далее сигнал поступает на детекторную секцию, где детектируется, а затем на индикаторный блок, где сравнивается с сигналом от другой детекторной секции, который пропорционален мощности, поступающей от генератора на вход преобразователя. Результат сравнения амплитуд и фаз двух отраженных сигналов от калибровочной пластины и измеряемого образца позволяет рассчитать искомый параметр.
К недостаткам этого устройства следует отнести большие габариты, сложность измерения коэффициента отражения и малые размеры измеряемых образцов, что не позволяет применить это устройство для контроля коэффициента отражения радиопоглощающих материалов при их промышленном выпуске.
Известен способ измерения коэффициента отражения и устройство для его осуществления (RU, пат. №2362176, G01R 27/06). Устройство для измерения коэффициента отражения (прототип) содержит: измерительный прибор 01, СВЧ кабель 02, рупорную измерительную антенну 03, эталонный образец радиопоглощающего материала 04 и устройство перемещения антенны 03 по вертикали (фиг.1 и 2).
Измерительный прибор 01 содержит широкополосный СВЧ генератор, фазовращатель и коэсвиметр с индикатором (устройство для измерения коэффициента стоячей волны напряжения - КСВН). Выход СВЧ генератора соединен с входом фазовращателя, выход которого соединен с входом коэсвиметра. Выход зонда коэсвиметра через детектор соединен с индикатором, а его СВЧ выход через кабель 02 соединен с входом антенны 03. Антенна 03 плоскостью раскрыва установлена вплотную на плоском эталонном образце РПП 04 с возможностью ее перемещения вдоль электрической оси антенны по вертикали (фиг.2).
Устройство перемещения антенны содержит: станину 05; подвес 06 антенны; направляющую 07 перемещения антенны; измерительную линейку 08; втулку 09; ходовой винт 010, червячный редуктор 011; вал 012 привода редуктора; рукоятку 013 вала привода (фиг.2).
Станина 05 выполнена в виде арки П-образной формы с горизонтальной верхней перекладиной и прямоугольным основанием и служит для крепления и перемещения антенны 03 по вертикали. В середине перекладины выполнено сквозное отверстие для жесткого крепления втулки 09. Станина может быть изготовлена из профильного железа или деревянных брусьев.
Подвес 06 предназначен для жесткого крепления антенны 03 к ходовому винту 010, выполнен в форме прямоугольного короба и может быть изготовлен из металла. В верхней перекладине подвеса 06 выполнено сквозное отверстие, в котором жестко закреплен нижний конец ходового винта 010.
Направляющая 07 служит для обеспечения перемещения антенны по вертикали, без возможности ее поворота в горизонтальной плоскости, и имеет форму прямоугольной рамки, которая верхним концом закреплена жестко и вертикально на перекладине станины 05. Направляющая 07 может быть изготовлена из профильного металла.
Измерительная линейка 8 служит для отсчета высоты подъема антенны от эталонного 04 или измеряемого образца РПП, прикреплена к боковой стороне направляющей и изготавливается из металла.
Втулка 09 с фланцем и сквозным внутренним отверстием, которое служит направляющей для ходового винта 010, жестко закреплена на середине перекладины станины 05 в сквозном отверстии перекладины. Втулка изготавливается из металла.
Ходовой винт 010 одним (верхним) концом закреплен во втулке 09 и в резьбовом отверстии червячного колеса редуктора 011 с возможностью вращения и продольного перемещения, а другим концом жестко закреплен на верхней перекладине подвеса 06 и служит для перемещения антенны 03 по вертикали. Винт 010 изготавливается из стального прутка.
Червячный редуктор 011 содержит червячное колесо и червяк с хвостовиком. Редуктор 011 жестко закреплен на фланце втулки 09 и изготавливается из металла. Червячное колесо редуктора 011 имеет центральное отверстие с резьбой ходового винта 010 и служит для его продольного перемещения.
Вал 012 привода редуктора одним концом жестко соединен с хвостовиком червяка редуктора 011 и служит для вращения червяка, а свободный конец закреплен на конце перекладины станины 05 с возможностью вращения.
Рукоятка 013 вала привода редуктора 011 жестко закреплена на свободном конце вала 012 и служит для вращения привода редуктора и изготовлена из металлического прутка.
Прототип работает следующим образом (фиг.2). Антенну 03 закрепляют на подвесе 06 и ставят раскрывом вниз вплотную на плоский эталонный образец РПП 04 с известным значением коэффициента отражения. Размеры эталонного образца должны быть больше соответствующих размеров раскрыва антенны 03.
Включают измерительный прибор 01, к выходу которого через кабель 02 подключена антенна 03, и производят измерение коэффициента отражения измерительной антенны 03. Для чего вращают рукоятку 013, и с помощью ходового винта 011 антенна 03 перемещается вверх вдоль ее электрической оси на расстояние больше четверти длины радиоволны СВЧ генератора измерительного прибора 01.
Одновременно на индикаторе измерительного прибора 01 регистрируют максимальное U1max и минимальное U1min значения суммы амплитуд интерферирующих радиоволн, отраженных от эталонного образца 04 и измерительной антенны 03. Возможные значение коэффициента отражения измерительной антенны Г1 и Г2 рассчитывают по формулам:
,
где U1max и U1min - измеренные максимальное и минимальное значения суммы амплитуд интерферирующих радиоволн, отраженных от эталонного образца и измерительной антенны;
Г1 и Г2 - измеренные значения коэффициента отражения, каждый из которых может принадлежать либо антенне, либо эталону.
Сравнивают измеренные значения коэффициента отражения Г1 и Г2 с коэффициентом отражения эталонного образца Гэ, значение коэффициента отражения, отличное от значения коэффициента отражения эталона Гэ, будет являться значением коэффициента отражения антенны Га.
Для уменьшения погрешности измерения коэффициента отражения Га измерительной антенны 3 ее калибровку производят неоднократно (3-5 раз).
Откалиброванную антенну 03 закрепляют на подвесе 06 и ставят раскрывом вниз вплотную на плоский измеряемый образец РПП с неизвестным коэффициентом отражения. Размеры образца РПП должны быть больше соответствующих размеров раскрыва антенны 03.
Включают измерительный прибор 01, к выходу которого через кабель 02 подключена антенна 03, и производят измерение коэффициента отражения образца РПП. Для чего вращают рукоятку 013, и с помощью ходового винта 011 антенна 03 перемещается вверх вдоль ее электрической оси на расстояние больше четверти длины радиоволны СВЧ генератора измерительного прибора 01.
Одновременно на индикаторе измерительного прибора 01 регистрируют максимальное U2max и минимальное U2min значения суммы амплитуд интерферирующих радиоволн, отраженных от измеряемого образца РПП и измерительной антенны 03. Возможные значение коэффициента отражения измеряемого образца РПП Г3 и Г4 рассчитывают по формулам:
,
где U2max и U2min - измеренные максимальное и минимальное значения суммы амплитуд интерферирующих радиоволн, отраженных от измеряемого образца РПП и измерительной антенны;
Г3 и Г4 - измеренные значения коэффициента отражения, каждый из которых может принадлежать либо антенне, либо измеряемому образцу РПП.
Сравнивают измеренные значения коэффициента отражения Г3 и Г4 с коэффициентом отражения измерительной антенны Га, значение коэффициента отражения, отличное от коэффициента отражения Га, будет являться значением коэффициента отражения Го измеряемого образца РПП.
Калибровку измерительной антенны 03 и измерение образца РПП с неизвестным коэффициентом отражения происходят в одинаковых условиях, поэтому исключается систематическая погрешность, вызванная утечкой радиоволн при подъеме измерительной антенны 03.
Для калибровки измерительной антенны 03 используют эталонный образец РПП 04, который получают двумя способами. В диапазоне 200-1000 МГц эталоном служит слой феррита, приклеенный к диэлектрической панели, например, из древесноволокнистых плит (ДВП). Если полученные значения коэффициента отражения совпадают с расчетными значениями, такой образец РПП считается эталонным. В диапазоне частот 1-18 ГГц эталонный образец РПП измеряют в безэховой камере, путем сравнения с отражением от металлического листа с размерами, равными размерам эталонного образца, например, способом, описанным в аналоге изобретения (RU, пат. №2234101, G01R 27/06, Бюл. №22 от 10.08.04).
Целесообразно измеренное значение коэффициента отражения антенны 03 с помощью эталонного образца РПП сравнить с результатом измерения ее коэффициента отражения в свободном пространстве. Для чего антенну 03 направляют в открытое окно и измеряют коэффициент отражения с помощью прибора 01. Небольшие расхождения значений коэффициента отражения антенны 03 могут быть вызваны разными условиями измерения в свободном пространстве и в условиях, тождественных с условиями измерения коэффициента отражения образца РПП с неизвестным коэффициентом отражения.
Коэффициент отражения, измеренный в относительных единицах, может быть пересчитан в значения отрицательных дБ по формуле -Гх, дБ=20lgГ, где коэффициент отражения Г, измеренный в относительных единицах.
Основными недостатками прототипа являются большие габариты и сложный косвенный метод измерения коэффициента отражения.
Технический результат изобретения - уменьшение габаритов и веса рефлектометра, что обеспечивает его мобильность и возможность измерения коэффициента отражения прямым способом в условиях производства радиопоглощающих материалов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема соединения измерительного прибора с антенной (прототип).
На фиг.2 представлена конструкция перемещения антенны по вертикали (прототип).
На фиг.3 представлена схема соединения измерительного прибора с полосковой линией по изобретению.
На фиг.4 представлена структурная схема измерительного прибора по изобретению.
На фиг.5 представлена конструкция полосковой линии (вид сбоку).
На фиг.6 представлена конструкция полосковой линии (вид с торца).
На фиг.7 в декартовой системе координат представлен график зависимости коэффициента отражения от частоты одного образца плоского набора ферритовых плиток. На оси абсцисс отложены значения частоты F СВЧ сигнала генератора в МГц, а на оси ординат - значения коэффициента отражения Г в дБ.
На чертежах введены обозначения узлов и блоков: 1 - измерительный прибор (ИП); 2 - полосковая линия (ПЛ); 3 - плоский набор ферритовых плиток (НФП); 4 - рабочий стол (PC); 5 - индикатор (Ин); 6 - перестраиваемый СВЧ генератор (Г); 7 - направленный ответвитель (НО); 8 - входной разъем (BP); 9 - центральный проводник (ЦП) полосковой линии; 10 - пенопластовые распорки; 11 - внешние проводники (ВП) полосковой линии; 12 - короткозамыкатель (КЗ) полосковой линии.
Кроме того, на чертежах введены обозначения геометрических размеров рефлектометра:
- длина полосковой линии Lпл;
- ширина основания центрального проводника Wo;
- размеры оснований внешних проводников в начале полосковой линии Vн и в конце Vк;
- расстояние между внешними проводниками в конце полосковой линии b, которое равно ширине плоского набора ферритовых плиток.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что рефлектометр содержит: измерительный прибор ИП 1 и полосковую линию ПЛ 2 (фиг.3, 4), соединенные электрически.
Измерительный прибор ИП 1 предназначен для создания в полосковой линии 2 электромагнитного поля СВЧ диапазона, приема и индикации амплитуды отраженных электромагнитных волн от плоского набора ферритовых плиток 3. ИП 1 содержит индикатор 5, СВЧ генератор 6 и направленный ответвитель 7. ИП 1 снабжен памятью и программой, обеспечивающей его работу (фиг.4).
Индикатор 5 имеет экран, на котором отображаются результаты измерения в диапазоне частот в реальном масштабе времени (фиг.7). На оси абсцисс приведена частота СВЧ сигналов в МГц, на которых происходит измерение коэффициента отражения, а на оси ординат значения коэффициента отражения в дБ.
Структурная схема измерительного прибора 1 представлена на фиг.4. Выход генератора 6 соединен с входом направленного ответвителя 7 и входом опорного сигнала индикатора 5. Выход-вход направленного ответвителя 7, который является входом выходом измерительного прибора 1, соединен через СВЧ кабель и СВЧ разъем 8 с входом-выходом полосковой линии 2. Развязанный выход бокового плеча НО 7 соединен со входом Ин 5.
В качестве измерительного прибора может быть использован, например, серийный СВИП-генератор Agilent 8757D.
Полосковая линия ПЛ 2 выполнена воздушной, конической, симметричной и предназначена для создания квазиплоского фронта поля электромагнитных волн с требуемыми размерами, необходимыми для измерения коэффициента отражения плоского набора ферритовых плиток 3 (фиг.3, 6).
Полосковая линия 2 содержит входной СВЧ разъем 8, центральный 9 и два внешних 11 проводника, две пенопластовые распорки 10 и короткозамыкатель 12.
В качестве СВЧ разъема 8 может быть использован, например, СВЧ разъем типа «Экспертиза».
Центральный проводник 9 полосковой линии 2 выполнен из металла, например из латунной фольги, в форме плоского равнобедренного треугольника высотой, равной длиной полосковой линии Lцп и шириной W, как функция длины полосковой линии. Ширина основания ЦП 9 равна Wo и меньше ширины больших оснований внешних проводников 11 не менее чем в 1,6 раза. Острый угол ЦП 9 электрически соединен с внутренним проводником СВЧ разъема 8. Основание ЦП 9 жестко и электрически соединено с короткозамыкателем 12 вдоль его продольной оси.
Пенопластовые распорки 10 предназначены для центрирования центрального проводника 9 между внешними проводниками 11 полосковой линии 2 и могут быть изготовлены, например, из пенопласта с малой относительной диэлектрической проницаемостью, равной 1,05-1,1.
Внешние проводники 11 полосковой линии 2 выполнены из металла, например алюминия, в форме равнобедренной трапеции, длина большего основания равна длине плоского набора ферритовых плиток 3, а меньшего основания - не менее чем в 1,2 раза шире ширины основания ЦП 9. Внешние проводники 11 центрами меньших оснований жестко и электрически присоединены к внешнему проводнику СВЧ разъема 8 с боков с диаметрально противоположных сторон. Внешние проводники 11 полосковой линии 2 большими основаниями механически и электрически соединены с двух больших боковых сторон прямоугольного короткозамыкателя 12.
Короткозамыкатель 12 служит для создания в его плоскости пучности магнитного поля электромагнитных волн и размещения на нем плоского набора ферритовых плиток для измерения коэффициента отражения. Короткозамыкатель 12 выполнен плоским, прямоугольной формы из металла, например алюминия. Большие стороны короткозамыкателя равны большим размерам плоского набора ферритовых плиток, а меньшие - меньшим сторонам этого набора.
Определение геометрических размеров полосковой линии
По изобретению волновое сопротивление полосковой линии выбрано 50 Ом, равное волновому сопротивлению выхода-входа измерительного прибора 1.
Волновое сопротивление 50 Ом конусной полосковой линии по всей ее длине обеспечивается при значениях ее параметров, удовлетворяющих формуле:
Zo√ε=29,976ln2(1+√k)/(1-√k)
k=sech(πW/2b), где:
Zo - волновое сопротивление полосковой линии;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха равна 1);
W - ширина центрального проводника, как функция длины полосковой линии;
b - расстояние между внешними проводниками полосковой линии в конце ее длины, равное ширине плоского набора ферритовых плиток.
Длина и ширина полосковой линии на ее конце должны соответствовать требованию формирования квазиплоского фронта падающих на измеряемый образец сферических электромагнитных волн. Критерием квазиплоского фронта сферических электромагнитных волн является требование, чтобы набег фазы в конце полосковой линии на ее краях по сравнению с ее осью не превышал 45 электрических градусов или 1/8 рабочей наиболее короткой длины волны рефлектометра, которая равна 30 см (Е.Н.Майзельс, и др. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. радио», 1972). В нашем случае разность длины внешнего проводника и длины полосковой линии не должна превышать 17,5 мм. При длине полосковой линии 300 мм и полуширине больших сторон короткозамыкателя 120 мм это условие выполняется достаточно точно, так как разность длины внешнего проводника и длины полосковой линии составляет 22,5 мм.
Для исключения краевых эффектов (выпучивания электромагнитного поля за пределы полосковой линии) размеры нижнего и верхнего основания трапеций внешних проводников должны быть больше 0,6 расстояния между внешними проводниками полосковой линии по все ее длине (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под редакцией В.И.Вольмана, М., «Радио и связь», 1982). Следовательно, ширина внешних проводников полосковой линии по всей ее длине должна быть не менее значения ширины центрального проводника W+1,2 Wo.
Размеры короткозамыкателя должны обеспечивать площадку, на которой может быть помещен набор ферритовых плиток, для измерения его коэффициента отражения.
Работа рефлектометра
Перед началом работы производят настройку измерительного прибора 1, для чего на него подают электропитание и производят калибровку. Перед калибровкой на выход-вход ИП 1 подключают приданный ему СВЧ кабель. Включают встроенную в него программу работы прибора, с помощью которой перестраивается частота генератора в требуемой полосе частот от 10 МГц до 1000 МГц и измеряют отражение от конца приданого СВЧ кабеля. Во всей рабочей полосе частот отражение от конца приданого кабеля по программе компенсируют до нуля прибора 1. На экране индикатора 5 отображается прямая линия на уровне нуля дБ.
После чего полосковую линию 2 основанием (короткозамыкателем) устанавливают на ровную поверхность, например на поверхность стола. Соединяют СВЧ кабель ИП 1 с СВЧ разъемом 8 полосковой линии 2. Отражения от короткозамкнутой полосковой линии 2 по программе компенсируют до нуля, во всей рабочей полосе частот. На экране индикатора 5 отображается прямая линия на уровне нуля дБ.
Затем на внутреннюю поверхность плоского короткозамыкателя 12, с двух сторон центрального проводника 9 вплотную друг к другу, укладывают ферритовые плитки, так, чтобы они закрывали внутреннюю поверхность короткозамыкателя полностью. Включают продолжение программы. На экране индикатора 5 отображаются значения коэффициента отражения в отрицательных дБ в зависимости от частоты сигнала генератора (фиг.7) относительно нулевого уровня шкалы индикатора 5.
Реализация рефлектометра
В реализованном устройстве в качестве измерительного прибора 1 применен прибор Agilent Technologies Е 8362, его рабочий диапазон частот от 10 МГц до 1 ГГц, диапазон измерения коэффициента отражения: 0 - минус 40 дБ, среднеквадратичная погрешность измерения коэффициента отражения в диапазоне его изменения минус 40-30 дБ не превышает 2 дБ. В меньшем диапазоне изменений коэффициента отражения эта погрешность меньше 2 дБ. Среднеквадратичная погрешность измерения коэффициента определялась по общеизвестной методике, путем измерения одних и тех же образцов ферритовых плиток 7-10 раз во всем динамическом диапазоне изменения коэффициента отражения и частоты сигнала.
В качестве СВЧ разъема 8 применен СВЧ разъем типа «Экспертиза».
Внутренний проводник 9 полосковой линии 2 выполнен из латунной фольги в форме равностороннего треугольника с размерами: высота × ширина основания = 300 мм × 172 мм.
Внешние проводники 11 полосковой линии 2 выполнены из алюминия в форме равнобедренной трапеции с размерами: высота × ширина меньшего основания × ширина большего основания = 300 мм × 100 мм × 420 мм.
Короткозамыкатель выполнен плоским из алюминия прямоугольной формы с размерами: ширина × длина × толщина = 120 мм × 420 мм × 4 мм.
Ферритовые плитки имеют форму квадрата со стороной 59 мм и толщину 5 мм. Допуск на изготовление ферритовых плиток составляет ±0,5 мм. Размеры плоского набора ферритовых плиток равны длина × ширина = 420 мм × 120 мм. Набор содержит 10 ферритовых плиток.
На фиг.7 в декартовой системе координат представлен график зависимости коэффициента отражения от частоты одного образца набора ферритовых плиток, измеренный на заявляемом рефлектометре. На оси ординат отложены значения частоты СВЧ сигнала в МГц, на оси ординат значения коэффициента отражения в отрицательных дБ.
Отличительные признаки изобретения
Рефлектометр снабжен конической, симметричной, воздушной полосковой линией 2, которая состоит из входного коаксиального разъема 8, соединенного через СВЧ кабель с выходом-входом измерительного прибора 1, центрального проводника 9, двух внешних проводников 11 и короткозамыкателя 12.
Центральный проводник выполнен в форме плоского равнобедренного треугольника, высота которого равна длине полосковой линии, а ширина его основания, как минимум, в 1,6 раза уже ширины большего основания внешних проводников.
Внешние проводники выполнены в форме равнобедренной трапеции, длина большего основания которых равна длине плоского набора ферритовых плиток.
Острый угол центрального проводника электрически соединен с внутренним проводником СВЧ разъема, а его основание жестко и электрически соединено с короткозамыкателем вдоль его продольной оси, середины меньших оснований внешних проводников жестко и электрически соединены с диаметрально противоположных сторон внешнего проводника коаксиального СВЧ разъема, а их большие основания жестко и электрически соединены с большими боковыми сторонами короткозамыкателя.