4. Экспериментальная часть
4.1. Методы экспериментального исследования замедляющих систем
Теоретическая оценка электродинамических свойств волноводных систем сплошной конфигурации обычно является очень приближенной. Поэтому основным критерием пригодности новых замедляющих систем для исследования в приборах являются результаты экспериментального исследования.
Целью экспериментальных исследований является качественная и количественная оценка основных характеристик замедляющих систем, в первую очередь дисперсионных характеристик.
Дисперсионные характеристики замедляющих систем можно определить экспериментально в результате холодных измерений, производимых при отсутствии электронного пучка или иного тела, с которым взаимодействует электромагнитное поле. Существенным преимуществом «холодных» измерений является их относительная простота. При «холодных» измерениях параметров замедляющей системы не нужно собирать прибор в целом. Большинство «холодных» измерений можно проводить на макете отрезка замедляющей системы, длина его может быть значительно меньше длины реальной системы. Кроме того, макет отрезка замедляющей системы можно моделировать простым пересчетом геометрических размеров для исследования в наиболее удобном частотном диапазоне. В результате, исследования упрощаются и удешевляются. Поэтому «холодные» измерения являются основным методом исследования свойств замедляющих систем.
Однако, при «холодных» измерениях не всегда удается получить полную информацию о свойствах реального прибора. Характеристики замедляющей системы номинальной длины могут отличаться от характеристик макета, на котором проводились «холодные» измерения. Это обусловлено изменением условий возбуждения колебаний различных типов, качеством замедляющей системы, согласованной с внешними цепями.
Кроме того, определенные требования к конфигурации замедляющей системы связаны с условиями взаимодействия с объектом, теплоотвода и т.п.
Поэтому, конечно окончательное суждение о пригодности замедляющей системы можно вынести лишь после проведения «горячих» испытаний, то есть испытаний полностью собранного прибора.
4.2. методы измерения дисперсионных характеристик
Наибольшей простотой отличаются резонансные методы определения дисперсионных характеристик, при использовании которых не требуется согласование, а измерения можно проводить на достаточно коротком отрезке замедляющей системы.
При резонансных измерениях отрезок замедляющей системы закорачивается с двух сторон и превращается в объемный резонатор с достаточно высокой добротностью. Исследуя распределение полей вдоль оси такого резонатора на его резонансных частотах, можно определить фазовый сдвиг на период системы и построить дисперсионную характеристику. Допустимость резонансных методов основана на представлении стоячей волны в закороченной на краях линии передачи суммой двух одинаковых бегущих волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Края замедляющей системы ограничены металлическими плоскостями.
Для определения большого числа видов колебаний и правильного построения дисперсионной характеристики необходимо, чтобы возбуждение замедляющей системы осуществлялось на краю, где высокочастотное поле существует для всех видов колебаний. Для быстрого и достаточного нахождения всех резонансов, при измерениях на зондовой измерительной установке, необходимо предварительно произвести измерения спектра резонансной частоты в широкой полосе с помощью панорамного измерителя. Измерения производятся методом двухполюсника, при котором часть мощности поглощается в замедляющей системе, а часть - отражается. Отраженный сигнал детектируется, соответствующим образом обрабатывается и подается на экран электронно-лучевой трубки, где горизонтальная развертка является осью частот. На резонансных частотах появляются провалы (минимумы коэффициента стоячей волны (КСВ)), которые хорошо видны на рис.17. При увеличении связи генератора панорамного измерителя с замедляющей системой, глубина провалов на резонансах увеличивается.
Рисунок 17
Для уменьшения вносимых искажений в замедляющую систему величину связи необходимо делать минимальной. На каждом резонансе измеряется резонансная длина волны. В зависимости от ширины полосы пропускания замедляющей системы применяется один или два панорамных измерителя, имеющие разные диапазоны частот.
После измерения спектра резонансов на панорамном измерителе производится определение видов колебаний на измеренных резонансах с помощью измерительного стенда. Известно, что на резонансных частотах вдоль оси системы укладывается целое число полупериодов стоячей волны, по которому определяется фазовый сдвиг на период системы для данного вида колебаний:
Где g0- номер вида колебаний (число лепестков зондограммы его поля)
 - число ячеек в периоде замедляющей системы
 - число периодов структуры в резонансном пакете;
l - геометрическая длина системы;
d - шаг по пространству взаимодействия;
Для высших гармоник φ определяется соответственно:
Где  - число лепестков поля m-ой гармоники.
Знак m определяется дисперсией. Коэффициенты фазового замедления гармоники:
Где λ - длина волны в свободном пространстве
Наиболее легко можно измерить дисперсионные характеристики у простых замедляющих систем с помощью перемещающегося зонда с квадратичным детектором, исследуя нормальные к плоскости составляющие электрического поля. При этом устанавливается номер вида колебаний и длина замедленной волны (по номеру колебаний или непосредственным измерением).
Следует отметить, что для построения дисперсионной характеристики в простых замедляющих системах нет необходимости определять все виды колебаний. Достаточно расшифровать и измерить два соседних вида колебаний, номера остальных видов проставляются на спектре резонансов, измеренных в режиме «панорама» в порядке следования резонансов. Такая операция допустима, если в измеряемой полосе пропускания нет высших полос или, когда нет загиба основной дисперсионной характеристики. Однако, во-первых, в сложных замедляющих системах сделать это известным методом не представляется возможным. По осциллограмме практически невозможно установить номер вида колебаний. Во-вторых, замедляющие системы с большими потерями или невзаимными элементами (для развязки между входом и выходом) и резонансные замедляющие системы, не имеющие поперечных зеркальных плоскостей симметрии, традиционным методом также не могут быть измерены.
Наконец, во многих случаях требуется контроль дисперсии не на месте, а на согласованной (или несогласованной) замедляющей системе прибора, в том числе и с участком поглощения, где известные способы также не применимы.
Чтобы иметь возможность надежно исследовать и контролировать дисперсию во всех этих случаях, был предложен и реализован для этих целей метод смещения сигнала, снятого зондом с опорным когерентным сигналом и последующего их детектирования, то есть метод опорного сигнала.
4.3. технические данные прибора Х1-42
Прибор X1-42 предназначен для исследования амплитудно-частотных характеристик широкополосных устройств с динамическим диапазоном до 14дБ с воспроизведением амплитудно-частотной характеристики на экране электронно-лучевой трубки.
Диапазон частот прибора от 0.5 до 1250 МГц перекрывается двумя поддиапазонами:
I: 0.5 - 610 МГц
II: 610 - 1250 МГц
В приборе предусмотрены собственные кварцованные частотные метки 1; 10; 100 МГц.
Принцип работы прибора X1-42 основан на том, что на вход исследуемого четырехполюсника подается напряжение со стабильной амплитудой и изменяющейся частотой от генератора качающейся частоты, а огибающая высокочастотного напряжения, полученная с помощью широкополосной детекторной головки, на выходе исследуемого четырехполюсника, воспроизводится на экране ЭЛТ индикатора в виде амплитудно-частотной характеристики исследуемого объекта. Развертка по горизонтали в индикаторе осуществляется синхронно с качанием частоты генератора. Анализ частотных параметров четырехполюсника осуществляется с помощью частотных меток.
Ниже на рис. 18 приведена структурная схема соединения блоков прибора X1-42 для исследования амплитудно-частотных характеристик четырехполюсника.
Генератор качающейся частоты
Индикатор
Детекторная головка
Исследуемый прибор
Рисунок 18
|
Соединения блоков прибора X1-42 проводятся высокочастотным экранированным кабелем.
4.4. Снятие экспериментальных данных
В экспериментальной части данной работы ставились задачи:
- снятие данных для построения дисперсионных характеристик макета;
- исследование зависимости замедления от изменения геометрических параметров спиральной замедляющей системы.
Все измерения проводились на приборе для исследования амплитудно-частотных характеристик X1-42, основные технические данные которого описаны выше.
Снятие данных для построения дисперсионных характеристик проводились резонансным методом. При этом отрезок замедляющей системы подключался одним концом к прибору X1-42 по схеме двухполюсника. Другой же конец замедляющей системы либо закорачивался, либо там осуществлялся так называемый «холостой ход».
Если свободный конец замедляющей системы закорачивался, то в резонансном отрезке замедляющей системы возникал полуволновой резонанс (на определенных частотах), а если там осуществлялся «холостой ход», то -четвертьволновый резонанс.
На экране электронно-лучевой трубки при этом в любом случае возникала резонансная картина со множеством экстремумов. Известно, что на частоте резонанса радиотехнический объект имеет чисто активное сопротивление, и электромагнитная волна не отражается, а только поглощается в нем. Следовательно, частоты минимумов сигнала на экране электронно-лучевой трубки являются частотами резонансов, которых возникает множество из-за того, что на длине отрезка замедляющей системы укладывается кратное количество половинок или четвертей длин замедленных волн.
Номер резонанса легко установить методом возмущения поля вблизи поверхности замедляющей системы, то есть о том, сколько частей замедленной волны уложилось на нем.
Известно, что замедление электромагнитной волны определяется следующим образом:
где С - скорость света в вакууме;
νф - фазовая скорость электромагнитной волны в системе;
λзам - длина замедленной в системе волны;
λсв - длина волны в свободном пространстве.
Длина замедленной в системе волны λзам, определяется через длину отрезка замедляющей системы и номер резонанса:
Для полуволнового резонанса
|
Для четвертьволнового резонанса
|
|
|
тогда
|
|
|
где N - номер резонанса;
l - длина отрезка замедляющей системы в метрах;
f- частота резонанса в МГц; l = 0,183 м.
Таким образом будут получены дисперсионные характеристики для четырех возможных вариантов подключения спиралей, каждый из которых содержит по три случая ( а2/а1= 1,25; 1,5; 1,75) при различных значениях шага (d1 =12 мм; d2 = 16 мм; d3= 20 мм) спиралей.
Следует добавить, что при рассмотрении вариантов:
I (синфазное возбуждение и противоположное направление намотки спиралей) и II (синфазное возбуждение и одинаковые направления намотки спиралей) замедление рассчитывается по формуле для полуволнового резонанса;
III (противофазное возбуждение и одинаковое направление намотки спиралей) и IV (противофазное возбуждение и противоположное направление намотки спиралей) замедление рассчитывается по формуле для четвертьволнового резонанса.
|
