СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR REFLECTION COEFFICIENT MEASUREMENT AND DEVICE FOR METHOD APPLICATION

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающего покрытия (РПП) в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн.
Известно изобретение «Способ измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающего покрытия» (RU, пат. №2234101, G01R 27/06, Бюл. №22 от 10.08.04). Способ состоит в последовательном облучении сверхширокополосным сигналом радиопоглощающего покрытия и металлической пластины одинаковых размеров, приеме отраженных от них сигналов и вычислении коэффициента отражения РПП по отношению мощностей отраженных сигналов от образца РПП и металлической платины.
К недостаткам этого способа следует отнести сложность, большую стоимость измерительной аппаратуры и большие габариты устройства для его размещения. Для создания синфазного волнового фронта с равномерным амплитудным распределением, в условиях которых должен измеряться коэффициент отражения, требуются большие расстояния, а следовательно, и большие производственные площади и материальные затраты на изготовление устройства и его эксплуатацию, что не позволяет применить это устройство для контроля коэффициента отражения РПП при его промышленном выпуске.
10
11
11
10
Известно изобретение «Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте» и способ измерения (RU, пат. №2079144, G01R 27/06, Бюл. №13 от 10.05.97), которое принято за прототип изобретения. 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 ТЕ 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 ТЕ. 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 и способа его работы следует отнести сложность измерения коэффициента отражения и малые размеры измеряемых образцов, что не позволяет применить это устройство для контроля коэффициента отражения радиопоглощающих покрытий (РПП) при их промышленном выпуске.
Технический результат изобретения - упрощение способа измерения коэффициента отражения образцов РПП в широкой полосе частот, уменьшение погрешности измерения и обеспечение возможности его применения для контроля коэффициента отражения в условиях серийного производства.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена электрическая схема устройства для измерения коэффициента отражения образцов РПП.
На фиг.2 представлена конструкция устройства для перемещения рупорной измерительной антенны.
Устройство для измерения коэффициента отражения содержит: измерительный прибор 1, СВЧ-кабель 2, рупорную измерительную антенну 3, эталонный образец РПП 4 и устройство перемещения антенны 3 по вертикали (фиг.1 и 2).
Измерительный прибор 1 содержит широкополосный СВЧ-генератор, фазовращатель и коэсвиметр с индикатором (устройство для измерения коэффициента стоячей волны напряжения - КСВН). Выход СВЧ-генератора соединен с входом фазовращаетля, выход которого соединен с входом коэсвиметра. Выход зонда коэсвиметра через детектор соединен с индикатором, а его СВЧ-выход через кабель 2 соединен с входом антенны 3. Антенна 3 плоскостью раскрыва установлена вплотную на плоском эталонном образце РПП 4 с возможностью ее перемещения вдоль электрической оси антенны по вертикали (фиг.2).
Устройство перемещения антенны содержит: станину 5; подвес 6 антенны; направляющую 7 перемещения антенны; измерительную линейку 8; втулку 9; ходовой винт 10, червячный редуктор 11; вал 12 привода редуктора; рукоятку 13 вала привода (фиг.2).
Станина 5 выполнена в виде арки П-образной формы с горизонтальной верхней перекладиной и прямоугольным основанием и служит для крепления и перемещения антенны 3 по вертикали. В середине перекладины выполнено сквозное отверстие для жесткого крепления втулки 9. Станина может быть изготовлена из профильного железа или деревянных брусьев.
Подвес 6 предназначен для жесткого крепления антенны 3 к ходовому винту 10, выполнен в форме прямоугольного короба и может быть изготовлен из металла. В верхней перекладине подвеса 6 выполнено сквозное отверстие, в котором жестко закреплен нижний конец ходового винта 10.
Направляющая 7 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 5. Направляющая 7 может быть изготовлена из профильного металла.
Измерительная линейка 8 служит для отсчета высоты подъема антенны от эталонного 4 или измеряемого образца РПП, прикреплена к боковой стороне направляющей и изготавливается из металла.
Втулка 9 с фланцем и сквозным внутренним отверстием, которое служит направляющей для ходового винта 10, жестко закреплена на середине перекладины станины 5 в сквозном отверстии перекладины. Втулка изготавливается из металла.
Ходовой винт 10 одним (верхним) концом закреплен во втулке 9 и в резьбовом отверстии червячного колеса редуктора 11 с возможностью вращения и продольного перемещения, а другим концом жестко закреплен на верхней перекладине подвеса 6, и служит для перемещения антенны 3 по вертикали. Винт 10 изготавливается из стального прутка.
Червячный редуктор 11 содержит червячное колесо и червяк с хвостовиком. Редуктор 11 жестко закреплен на фланце втулки 9 и изготавливается из металла. Червячное колесо редуктора 11 имеет центральное отверстие с резьбой ходового винта 10 и служит для его продольного перемещения.
Вал 12 привода редуктора одним концом жестко соединен с хвостовиком червяка редуктора 11 и служит для вращения червяка, а свободный конец закреплен на конце перекладины станины 5 с возможностью вращения.
Рукоятка 13 вала привода редуктора 11 жестко закреплена на свободном конце вала 12 и служит для вращения привода редуктора и изготовлена из металлического прутка.
Работа устройства перемещения антенны.
Антенна 3 перемещается вертикально вдоль ее электрической оси следующим образом (фиг.2). При вращении рукоятки 13 вращается червяк и червячное колесо редуктора 11. Ходовой винт 10 начинает вворачиваться в червячное колесо редуктора 11 и поднимать жестко связанную с ним антенну 3. Отсчет высоты перемещения антенны 3 производят по измерительной линейке 8.
Способ измерения коэффициента отражения.
Способ измерения состоит в следующем (фиг.1, 2).
Антенну 3 закрепляют на подвесе 6 и ставят раскрывом вниз вплотную на плоский эталонный образец РПП 4 с известным значением коэффициента отражения. Размеры эталонного образца должны быть больше соответствующих размеров раскрыва антенны 3.
Включают измерительный прибор 1, к выходу которого через кабель 2 подключена антенна 3, и производят измерение коэффициента отражения измерительной антенны 3. Для чего вращают рукоятку 13, и с помощью ходового винта 11 антенна 3 перемещается вверх вдоль ее электрической оси на расстояние больше четверти длины радиоволны СВЧ генератора измерительного прибора 1.
Одновременно на индикаторе измерительного прибора 1 регистрируют максимальное U1max и минимальное U1min значения суммы амплитуд интерферирующих радиоволн, отраженных от эталонного образца 4 и измерительной антенны 3. 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 3 закрепляют на подвесе 6 и ставят раскрывом вниз вплотную на плоский измеряемый образец РПП с неизвестным коэффициентом отражения. Размеры образца РПП должны быть больше соответствующих размеров раскрыва антенны 3.
Включают измерительный прибор 1, к выходу которого через кабель 2 подключена антенна 3, и производят измерение коэффициента отражения образца РПП. Для чего вращают рукоятку 13, и с помощью ходового винта 11 антенна 3 перемещается вверх вдоль ее электрической оси на расстояние больше четверти длины радиоволны СВЧ генератора измерительного прибора 1.
Одновременно на индикаторе измерительного прибора 1 регистрируют максимальное U2max и минимальное U2min значения суммы амплитуд интерферирующих радиоволн, отраженных от измеряемого образца РПП и измерительной антенны 3. 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 3 и измерение образца РПП с неизвестным коэффициента отражения происходят в одинаковых условиях, поэтому исключается систематическая погрешность, вызванная утечкой радиоволн при подъеме измерительной антенны 3.
Для калибровки измерительной антенны 3 используют эталонный образец РПП 4, который получают двумя способами. В диапазоне 200-1000 МГц эталоном служит слой феррита, приклеенный к диэлектрической панели, например, из древесноволокнистых плит (ДВП). Образец феррита измеряют в короткозамкнутой коаксиальной линии и в устройстве, состоящем из короткозамкнутой симметрично расширяющейся полосковой линии. 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 3 с помощью эталонного образца РПП, сравнить с результатом измерения ее коэффициента отражения в свободном пространстве. Для чего антенну 3 направляют в открытое окно и измеряют коэффициент отражения с помощью прибора 1. Небольшие расхождения значений коэффициента отражения антенны 3 могут быть вызваны разными условиями измерения в свободном пространстве и в условиях тождественных с условиями измерения коэффициент 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.
Реализация устройства и способа измерения коэффициента отражения.
Заявляемый способ реализован в устройстве.
В реализованном устройстве в качестве измерительного прибора 1 применен прибор Agilent Technolodies E 8362, диапазон частот от 10 МГц до 20 ГГц.
В качестве СВЧ-кабеля 2 применен 50-омный СВЧ-кабель, согласованный с выходным сопротивлением прибора 1 и входным сопротивлением антенны 3.
В качестве измерительной антенны 3 применены рупорные антенны типа П6-48 (диапазон 200-1000 МГц) и П6-59 (диапазон 1-18 ГГц).
В качестве эталонного образца 4 применен образец РПП, выполненный из феррита. Значение коэффициента отражения эталонного образца 4 получено путем его измерения в безэховой камере (БЭК) в дальней зоне антенны измерительной установки с погрешностью 1,5%, способом сравнения с отражениями от металлического листа с размерами эталонного образца.
Станина 5 устройства перемещения антенны 3 выполнена из деревянных брусьев. Размеры устройства: ширина основания 1500 мм, длина основания 2000 мм, высота - 1500 мм.
Подвес 6 выполнен в форме прямоугольного короба из алюминиевых прямоугольных пластин.
Направляющая 7 имеет форму прямоугольной рамки и изготовлена из алюминиевого уголка.
В качестве линейки 8 применена стандартная металлическая измерительная линейка.
Втулка 9 с фланцем изготовлена из латуни.
Ходовой винт 10 изготовлен из стального прутка диаметром 15 мм.
Червячный редуктор 11 имеет двадцати кратное замедление и изготовлен из стали Ст3.
Вал 12 привода редуктора и рукоятка 13 вала изготовлены из стального прутка диаметром 10 мм.
С помощью устройства был реализован способ измерения коэффициента отражения рупорной измерительной антенны 3 и образцов РПП с неизвестными значениями коэффициентом отражения.
Антенну калибровали с помощью эталонного образца РПП 4, размеры которого в 1,5 раза превышали соответствующие размеры раскрыва измерительной антенны 3. Погрешность измерения коэффициента отражения измерительной антенны 3 при пяти кратном измерении составила 3%.
При трех кратном измерение образца РПП с неизвестным коэффициентом отражения, размеры которого превышали в 1,5 раза соответствующие размеры раскрыва измерительной антенны, погрешность измерения его коэффициента отражения составила те же 3%.
Способ измерения коэффициента отражения и устройство для их осуществления обеспечивают достижение технического результата изобретения - уменьшение погрешности измерения, упрощение способа измерения коэффициента отражения РПП в широкой полосе частот, возможность их применения для контроля коэффициента отражения РПП в условиях серийного производства.