Устройства РВК (стр. 5 из 13)

3 – фазовращатель;

4 – направленный ответвитель (НО);

5 – фазовый дискриминатор;

6 – индикатор нуля;

7 – эллипсоидный отражатель;

8 – облучатель приемопередающей антенны;

9 – приемопередающая антенна;

10 – диэлектрический образец;

11 – модулирующий отражатель;

12 – модулирующий диод;

13 – поглотитель согласованной нагрузки.

14 – импульсный генератор;

Рисунок 6.1 – Структурная схема устройства микроволнового фазометрического контроля радиопрозрачных изделий

Устройство для контроля электрической толщины радиопрозрачных диэлектрических стенок (рисунок 6.1) работает следующим образом. Непрерывный СВЧ сигнал от СВЧ генератора 1 проходит через направленный ответвитель (НО) 2, где разветвляется на опорный и исследуемый сигналы.

Опорный СВЧ сигнал через образцовый фазовращатель 3 поступает на первый (опорный) вход фазового дискриминатора 5.

Исследуемый сигнал поступает к приемопередающей антенне 9, а именно на ее облучатель 8, излучается в виде электромагнитной волны в свободное пространство, которая падает и отражается эллипсоидным отражателем 7, затем собирается в узкий волновой пучок луч в районе второго фокуса эллипсоидного отражателя 7. Волновой пучок проходит через контролируемый диэлектрический образец 10 и отражается модулирующим отражателем 11. Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется с помощью металлической диафрагмы и модулирующего диода 12, встроенных в волновод, и поглотителя (согласованной нагрузки) 13. Модулирующий диод питается от импульсного генератора 14.

Отраженные волны проходят через диэлектрическую стенку, изменяя свою фазу, принимаются приемопередающей антенной 9 и в виде электромагнитного сигнала, содержащего информацию о параметрах контролируемого образца 10, ответвляются направленным ответвителем 4 и поступают на второй (измерительный) вход фазового дискриминатора 5. Эти два сигнала (отраженный модулированный и опорный от СВЧ генератора) сравниваются в фазовом дискриминаторе по фазе, в результате чего выделяется необходимая информация о модуле (Т) и фазе фи коэффициента прохождения диэлектрической стенки. Электромагнитная волна, отражаемая от наружной поверхности диэлектрической стенки, является не модулированной и не создает погрешности измерения. Поглотитель 13 служит для повышения точности измерений путем поглощения паразитных отражений волны от элементов конструкции модулированного отражателя 11, а также для поглощения волн, прошедших за металлическую диафрагму с модулирующим диодом.

7 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК

Принципиальная схема устройства РВК диэлектрических образцов представлена на рисунке 7.1. На этой схеме функциональные устройства образуют измерительную СВЧ схему, предназначенную для контроля электрической толщины стенки диэлектрического образца, расположенного в свободном пространстве между фокусирующей приемопередающей антенной и модулирующим отражателем.

Рисунок 7.1 – Принципиальная схема устройства микроволнового фазометрического контроля радиопрозрачных изделий

СВЧ генератор (Г1) представляет собой стандартный генератор лабораторного типа миллиметрового или сантиметрового диапазона волн, мощностью 5-10 мВт и с относительной нестабильностью частоты 10-3-10-4. Нужный уровень выходной мощности генератора определяется необходимой суммарной мощностью, подаваемой к фазовому дискриминатору по опорному и измерительному каналам с учетом затухания мощности в элементах схемы. Допустимая нестабильность частоты генератора определяется степенью согласования и широкополосностью элементов СВЧ тракта, а также отличием электрических длин опорного и измерительного канала. Чтобы нестабильность частоты оказывала пренебрежимо малое влияние на точность контроля кроме конструктивного выравнивания длин каналов, имеет смысл стабилизировать частоту СВЧ генератора до 10-4-10-5. Такая стабилизация может быть достигнута различными способами, предпочтительным (при условии работы на фиксированной частоте) является стабилизация клистронного генератора внешним резонатором с высокой добротностью. По дипломному проекту, генератор настраивается на рабочую частоту 9,38 ГГц, генератор работает в режиме амплитудной модуляции.

Непрерывный СВЧ сигнал разветвляется в опорный и измерительный каналы при помощи направленного ответвителя (НО). Основными параметрами НО являются направленность (D), переходное ослабление (С), входной КСВ и широкополосность ответвителя, которая определяется рабочим диапазоном частот Δf = f2 - f1, в пределах которого параметры НО не выходят за допустимые значения. Вторичная линии передачи НО нагружена на встроенную согласованную нагрузку.

При измерении модуля и фазы коэффициента прохождения применяется образцовый фазовращатель. Фазовращатель состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого параллельно вектору Е электромагнитного поля помещена тонкая пластина из высококачественного диэлектрика. При ее перемещении от узкой стенки к центру волновода происходит концентрация поля в месте расположения пластины, что эквивалентно увеличению фазового сдвига.

Выходные НЧ сигналы фазового дискриминатора, значения которых пропорциональны синусу и косинусу измеряемой разности фаз φ, могут регистрироваться каждый в отдельности, при этом для нахождения φ необходимо вычислить величину tg φ, взяв отношение этих сигналов. Отношение сигналов можно получить автоматически с помощью специального устройства – измерителя отношения напряжений, выход которого может быть соединен с записывающим либо цифровым отсчетным устройством, проградуированным непосредственно в единицах измеряемой разности фаз.

8 ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ ТРАКТА

8.1 Выбор и расчет характеристик волновода

Для передачи энергии источника к приемнику излучения применяют волноводные линии.

Волновод, по которому распространяется электромагнитная волна, представляет собой металлическую трубу прямоугольного или круглого сечения. Волноводы характеризуются поперечными размерами (а – ширина, b – высота для прямоугольного волновода; а – радиус, φ – угол поворота для круглого волновода), критической длиной волны λкр , длиннее которой волны не распространяются в данном волноводе, и длиной волны в волноводе λв. Волна, распространяющаяся по волноводу, определяется видом колебаний и обозначается с помощью индексов (Еmn и Нmn), соответствующих числу полуволновых изменений напряженностей Е и Н вдоль широкой (индекс m) и узкой (индекс n) стенок волновода.

В данном дипломном проекте выбран прямоугольный тип волновода с поперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм), и соответствующий тип волны H10. Критическая длина волны типа H10 рассчитывается по формуле:

λкрН10=2а, (8.1)

где а – размер широкой стенки волновода.

Известна длина электромагнитной волны λ0=3,2 см. Соответственно можно найти длину волны в волноводе, которая рассчитывается по формуле:

. (8.2)

Рабочее значение частоты рассчитывается по формуле:

, (8.3)

где с=3·108 – скорость света.

Таблица 8.1 – Характеристики прямоугольных волноводов

Сечение волновода, мм		Предельные значения		Рабочие значения		Затухание дБ/м
Ширина	Высота	Частота, ГГц	Длина волны, см	Частота, ГГц	Длина волны, см
23,0	10,0	6,56	4,57	8,2 – 12,4	3,66– 2,42	1,38
19,0	9,5	7,87	3,81	10,0 – 15,0	3,0 – 2,0	1,67
16,0	8,0	9,5	3,16	12,4 – 18,0	2,42 – 1,67	2,2
13,0	6,5	11,57	2,59	15,0 – 22,0	2,0 – 1,36	2,9
9,0	4,5	17,4	1,73	22,0 – 33,0	1,36 – 0,91	5,5
7,2	3,4	21,1	1,43	26,5 – 40,0	1,13 – 0,75	7,4

Таким образом, был произведен расчет необходимых данных: критическая длина волны типа H10 λкрН10=46 мм; длина волны в волноводе λв=44 мм; рабочее значение частоты f=9,38 ГГц.

8.2 Элементы и устройства волноводных трактов

8.2.1 Изгибы и скрутки волноводов

Изгибы и скрутки волноводов используются в качестве вспомогательных соединительных элементов при монтаже тракта. Изгибы прямоугольных волноводов выполняются по широкой (Е-изгиб) и узкой (Н-изгиб) стенкам и делятся на плавные или радиусные (рисунок 8.1) и уголковые с одним поворотом и многоступенчатые. При резком изгибе тракта возникают отражения, для уменьшения которых изгиб выполняется на участках длиной в несколько длин волн в волноводе.

Рисунок 8.1 – Изгибы волноводов

Плавные изгибы обладают минимальными отражениями при длине L ≈ 0,5nλв (n = 1,3,5, …), что обусловлено взаимной компенсацией отражённых волн от концов изгиба. Высокие значения КБВ достигаются при величине внутреннего радиуса изгиба R > λв . Основные размеры и параметры плавных изгибов стандартных прямоугольных волноводов в плоскостях Е и Н приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2. – Параметры радиусных изгибов прямоугольных волноводов в плоскостях Е и Н.

Номинальные размеры волновода, мм	Номинальный радиус изгиба и допустимые отклонения, мм		Номинальный (А, Б) угол изгиба и допустимые отклонения, град.	КСВН в плоскости изгиба, не более
	Е	Н	Е	Н
11 × 5,5	5 ± 0,37 ± 0,311 ± 0,520 ± 0,5	–7 ± 0,312 ± 0,520 ± 0,5	А ± 1Б ± 0,5	1,11,071,05	1,1–1,05
23 × 10	9 ± 0,315 ± 0,323 ± 0,540 ± 0,5	–15 ± 0,325 ± 0,540 ± 0,5	А ± 1Б ± 0,5	1,11,071,05–	1,1–1,05–
П р и м е ч а н и е . А соответствует значениям угла изгиба 15, 30,45, 60, 75, 90°, б – значениям 15, 30, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150, 165, 180°. Допустимые отклонения сечения в зоне изгиба +0,3…–0,2 мм.

Отражения от изгибов в сильной степени зависят от тщательности изготовления и деформации стенок волновода при изгибе; по всей длине изгиба необходимо обеспечить постоянство внутренней полости волновода и высокую чистоту токонесущих поверхностей; в многократно изогнутых волноводах малого сечения рекомендуется серебрить присоединительные поверхности фланцев, внутренние поверхности покрывать лаком УР-231 или ВЛ-831.