Широкосмужні малогабаритні мікрохвильові перетворювачі для вимірювання параметрів антенно-хвильовідних трактів

(Jмстl) – момент стороннього магнітного струму випромінювача;

Vм – магнітна поляризуємiсть отвору;

Рн – одинична потужність нормованої хвилі, що розповсюджується в хвилеводі А;

НВ – усереднене значення напруженності магнітного поля щілини для хвилевода В

 

 , (2)

 

НА – усереднене значення напруженності магнітного поля щілини для хвилевода А

 

  =  e-inrdr + i  e-inr dr, (3)

K1 = (Vм1 sin2a+Vм2cos2a) 2a1/lвA; K2 = sin a cos a (Vм2 – Vм1) ;

m = (p sin a) /a1; n = (2p/lвА) cosa. ;

 

lвА – довжина хвилі в хвилеводі А;

Vм1 і Vм2 – подовжня і поперечна магнітні поляризуємiстi щілин.

Підставляя (2) i (3) в рівняння (1) і вирішуючи його, отримаєм значення нормованої комплексної амплітуди хвилi  . Аналогічно визначається амплітуда хвилі, що збуджується другою щілиною, розташованою дзеркально першiй і виддаленiй вздовж хвилевода на відстань Z0.

Фазовий зсув між сигналами, що відгалужуються двома похилими щілинами, визначається наступною аналітичною залежністю

 , (4)

де   – нормована довжина хвилi;

 

а – розмір широкої стінки первинного хвилевода А;

Y- коефіцієнт, що враховує відношення ширини щілини до її довжини

 

 ; (5)

 

М – коефіцієнт, що враховує довжину щілини

 

  (6)

 ;

 

LН=L/2a – нормована довжина щілини.

При підстановці (6) і (5) в (4) видно, що фазовий зсув двох сигналів є функцією шести змінних

 

Ф = f (вН, b, ZoH, хоН, LH, S/L). (7)

 

Тут   – нормованi значення зміщення центрiв щілин і поперечна координата центрiв щілин, відповідно.

Метою проведеної багатопараметричної оптимізації функції Ф було визначення таких значень геометричних параметрів щілин (b, ZoH, хоН, LH, S/L), при яких відхилення фазового зсуву від номінального значення (наприклад, Фном=90О, або Фном =45О) було б мінімальним при зміні довжини хвилі lв в діапазоні частот хвилевода.

Функція, що характеризує відхилення залежності фазового зсуву від довжини хвилі від прямої, запишеться вираженням:

 

lвдлН

F =  {p/2-[pZ0Н/lвН + 2arctg (lвНYМ) ]}2dlвН.

lвкН

 

Тут lвкН, lвдлН – задані кордони діапазону оптимізації характеристики, lвН – поточна координата, ZoH и b, хоН, LH, S/L – параметри, що оптимізуються. Максимальне число параметрів, що визначаються – п'ять, але воно може бути зменшене у разі задання певного значення деяких параметрів з конструктивних або інших міркувань, для параметрів, що залишилися, конструкцією визначаються межі зміни. Відповідно, розроблені декілька варіантів процедури оптимізації.

Програма оптимізації розроблена на основі методу Хука-Джівса. Пошук мінімуму функції складається з послідовності кроків досліджуючого пошуку навколо базисної точки, за якою, у разі успіху, слідує пошук за зразком. При пошуку за зразком використовується інформація, отримана в процесі дослідження і що визначає оптимальний напрям мінімізації функції.

Внаслідок оптимізації функції в 37% -нiй смузі частот при Фном=90О отримані наступні значення нормованих геометричних параметрів:

opt=28. 8393О, ZHopt=0. 2189, хН=0. 25, LH=0. 2, SH=0. 02.

 

Залежність Ф=fopt (вН) зоображена на мал. 2. Максимальні відхилення фазовий зсуву max від Фном=90О не перевищують 1. 6О, аналогічні розрахунки для Фном=45О дозволяють досягнути значення max, що не перевищує 0. 8О. Така стабілізація фазового зсуву в смузі частот сприяє зменшенню частотної погрішності вимірника.

 

Малюнок 2. Залежність Ф=fopt (вН)

 

У третьому розділі розроблена математична модель первинного мiкрохвильового перетворювача з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами і вимірювально-обчислювальний комплекс для визначення параметрів мiкрохвильових пристроїв; проаналізована погрішність вимірювання і запропоновані способи корекції домінуючих складових цієї погрішності.

Аналіз розподілу електромагнітного поля вздовж лінії і визначення комплексного коефіцієнта віддзеркалення (ККВ) здійснюється за допомогою трохсигнального первинного перетворювача, для якого послідовні фазовi зсуви між сигналами рівні 45О. У цьому випадку для НВЧ ланцюга, що складається з первинного перетворювача, НВЧ генератора і навантаження, що досліджується, сигнали, отримані з детекторів, мають вигляд

 

де U – амплітуда падаючої хвилі на виході генератора НВЧ;

Гх, fх – відповідно модуль і фаза комплексного коефіцієнта віддзеркалення пристрою, що досліджується;

Ãã, fã – ìîäóëü ³ ôàçà êîìïëåêñíîãî êîåô³ö³ºíòà â³ääçåðêàëåííÿ âèõîäó ãåíåðàòîðà;

k1, k2, k3 – коефіцієнти передачі відповідних елементів перетворювача, що залежать від перехідних послаблень щілин, амплiтудно-частотних характеристик (АЧХ) хвилеводів детекторних головок і коефіцієнтів перетворення НВЧ діодів.

При відмінності фазових зсувів між сигналами від 45О при зміні частоти вираження дещо ускладнюються. Обробка напружень з детекторів (8-10) дозволяє виділити інформацію про комплексний коефіцієнт віддзеркалення (ККВ) пристрою, що досліджується. Погрішність вимірювання модуля і фази коефіцієнта віддзеркалення можна знизити, якщо добитися ідентичності коефіцієнтів передачі ki (k1k2k3), зменшити коефіцієнт віддзеркалення від виходу генератора Гг, стабілізувати фазовий зсув між сигналами в діапазоні частот.

Як видно з виражень (8) і (10), фазовий зсув між сигналами з першого і третього елементів перетворювача становить 90О. У другому розділі показано, що в діапазоні частот відхилення від цього номінального значення не