Пристрій для вимірювання падаючої потужності в прямокутному хвилеводі

Устройство для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе, содержащее отрезок прямоугольного волновода, две поглощающие пластины с термодатчиками, подключенными к блоку индикации, установленные в плоскостях внутренних поверхностей двух стенок волновода, одна из которых широкая стенка, отличающееся тем, что одна из поглощающих пластин установлена в торцевую стенку отрезка прямоугольного волновода, подсоединенного к плечу Y-циркулятора, неразвязанному со входным плечом, а размер по узкой стенке термодатчика, расположенного на этой пластине, находится по формуле l h ш (L н / l н ) 2 hy = (1 + jн jш - A н ) , 2 h x 1 - jm где l - длина термодатчика, расположенного на широкой стенке, определяемая как наименьшее значение из ряда значений, рассчитанных на различных частотах полосы рабочих частот из выражения 1 + j н j ш - K(1 + jj ш ) = A н - KA ; онных станций, связных передатчиков, ускорителей, испытательных стендов. Известно устройство для измерения мощности сверхвысоких частот, в основу работы которого положен эффект поглощения электромагнитных 28356 волн в боковых стенках волновода (см. статью: Мартыненко Л.Г., Волков В.М., Кукуш В.Д., Зеленский А.М. Измеритель проходящей мощности на основе поглощающей стенки // ПТЭ. - 1974, - № 1. - С. 145-146). В этом устройстве в стенку прямоугольного волновода встроена поглощающая пластина, снабженная термопреобразователем, соединенным с индикатором. В известном устройстве коэффициент преобразования сильно зависит от частоты из-за расположения одного термопреобразователя в узкой стенке. По этой же причине переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении падающей или проходящей мощности достигает больших значений в полосе рабочих частот. Наиболее близким к предлагаемому устройству для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе по совокупности признаков является устройство для измерения проходящей мощности СВЧ по а.с. СССР 462140, МКИ G01R21/06. - "ОИПОТЗ". - 1975. - Бюл. № 8. С. 88, содержащее отрезок прямоугольного волновода, две поглощающие пластины с установленными на них термодатчиками, подключенными к индикатору, расположенные на середине узкой и на середине широкой стенок волновода в одной плоскости поперечного сечения. В указанном устройстве коэффициент преобразования сильно зависит от частоты, особенно в коротковолновой области диапазона СВЧ и в диапазоне КВЧ, где размеры термодатчиков сравнимы с длиной волны и с размерами стенок волновода. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на узкой стенке, пропорционален продольной составляющей магнитного поля. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на середине широкой стенки, при поперечном размере термодатчика, сравнимом с размером широкой стенки, пропорционален поперечной составляющей магнитного поля и продольной составляющей магнитного поля. При сложении сигналов с двух термодатчиков результирующий сигнал определяется двойным воздействием продольной составляющей магнитного поля, которая с увеличением частоты уменьшается, и одиночным воздействием поперечной составляющей магнитного поля, которая с увеличением частоты увеличивается. Кроме этого, при прочих равных условиях, потеря мощности в узкой стенке и в широкой стенке разные. Вследствие этого сигналы с термодатчиков, установленных на смежных стенках, не компенсируют противоположные частотные зависимости. Например, неравномерность характеристики коэффициента преобразования в максимальной полосе рабочих, частот стандартного прямоугольного волновода ±20% составляет ±6,2%, ±8,1%, ±11,3% для термодатчиков с поперечными размерами h/a=0,01; 0,30; 0,50, соответственно (а - размер широкой стенки волновода). По этой же причине переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей или падающей мощности достигает в полосе рабочих частот больших значений. Например, в максимальной полосе рабочих частот ±20% предел указанной погрешности достигает ±8,9% при коэффициенте стоячей волны нагрузки не более 1,2. В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе, в котором новое расположение двух термодатчиков на стенках волновода, определяемое новым математическим выражением, позволяет уменьшить зависимость коэффициента преобразования от частоты, устранить погрешность рассогласования и использовать одно устройство для измерения мощности вместо нескольких (двух-трех), предназначенных для эксплуатации в более узких полосах рабочих частот и обеспечивающих одинаковые или худшие характеристики. Такой технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе, содержащем отрезок прямоугольного волновода, две поглощающие пластины с термодатчиками, подключенными к блоку индикации, установленные в плоскостях внутренних поверхностей двух стенок волновода, одна из которых широкая стенка, согласно изобретению, одна из поглощающих пластин установлена в торцевую стенку отрезка прямоугольного волновода, подсоединенного к плечу Y-циркулятора, неразвязанному со входным плечом, а размер по узкой стенке термодатчика, расположенного на этой пластине, находится по формуле l h ш (L н / l н ) 2 hy = (1 + jн jш - A н ) , 2 h x 1 - jm где l - длина термодатчика, расположенного на широкой стенке, определяемая как наименьшее значение из ряда значений, рассчитанных на различных частотах полосы рабочих частот из выражения 1 + j н j ш - K(1 + jj ш ) = A н - KA jн, jш, К, j, Ан, А - коэффициенты, введенные для краткости записи; l2 j н = 2 2н - 1 ; l Kp lн - длина волны на нижней частоте полосы рабочих частот; lКр - критическая длина волны; h ö sin ph ш / a æ x jш = cos pç 2 ш + ш ÷ ; ç a ph ш / a a ÷ è ø hш - ширина термодатчика, расположенного на широкой стенке; а - размер широкой стенки волновода; хш - расстояние от ребра волновода до края термодатчика, расположенного на широкой стенке; 0£хш£а-hш; ( L / L н ) 2 (l н / l ) 2 ; K= 2( L / L н ) l н / l - 1 L - длина волны в волноводе; Lн - длина волны в волноводе на нижней частоте полосы рабочих частот; l - длина волны; j=2 2 l2 l2 Kp -1; 28356 установленным на ее внешней поверхности на расстоянии хm от узкой стенки термодатчиком 5, имеющим размеры hу´hx, блок индикации 6, к которому подключены выходы обоих термодатчиков, а также Y-циркулятор 7, в плечо которого, неразвязанное со входным плечом 8, подсоединен отрезок 1 прямоугольного волновода. Плечо 9 Y-циркулятора 7 является выходным. Термодатчик представляет собой термопару или батарею пленочных дифференциальных термопар, например, на основе соединения сурьмы и висмута. В блоке индикации предусмотрены схемы начальной регулировки, суммирования и усиления сигналов термодатчиков, а также индикаторный прибор. Поглощающие пластины 2, 4 выполнены толщиной в несколько скин-слоев, то есть достаточно тонкими для измерения температуры нагрева на внешних поверхностях, и достаточно толстыми для предотвращения излучения электромагнитной энергии, а материалом могут служить никель, константан, нихром и др. Устройство для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе работает следующим образом. При подаче мощности в передающий тракт со входного плеча 8 Y-циркулятора 7 мощность поступает в неразвязанное со входным плечом плечо, то есть в отрезок 1 прямоугольного волновода. Отразившись от торцевой стенки мощность поступает в выходное плечо 9 Yциркулятора 7, подключенное к нагрузке. Отраженная от нагрузки мощность, в соответствии с принципом действия Y-циркулятора, приходит в сторону генератора (в обратном направлении) из плеча 9 в плечо 8, минуя плечо с отрезком 1 прямоугольного волновода. Падающая мощность частично рассеивается в стенках, нагревая поглощающие пластины 2, 4. Термодатчики 3, 5 преобразуют тепловую энергию в электрическую. Сигналы от термодатчиков 3, 5 подаются на вход блока 6 индикации, где суммируются, обрабатываются и индицируются. Суммарный сигнал от двух термодатчиков пропорционален падающей мощности. Сигнал от термодатчика 5 пропорционален поперечной составляющей магнитного поля и увеличивается с ростом частоты, так как потери мощности в торцевой стенке определяются только поперечной составляющей (см. фиг. 3, кривую Рm). Сигнал от термодатчика 3 пропорционален продольной составляющей магнитного поля и поперечной составляющей магнитного поля, причем при малых расстояниях хш преобладает влияние продольной составляющей, которая с ростом частоты уменьшается (см. кривую Рш). Зависимость от частоты суммарного результата Рmш= Рm +Рш, как видно из фиг. 3, 4, значительно меньше аналогичных зависимостей Рm и Рш. Выбором геометрических размеров термодатчиков и их положения обеспечивается равенство Рm = Рш на нижней граничной частоте полосы рабочих частот, причем выбор длины l термодатчика 3 на широкой стенке обеспечивает примерно одинаковое отклонение Рm и Рш в полосе частот от значения Рm на нижней частоте. В результате реализуется минимальное отклонение значений Рmш от среднего значения в полосе рабочих частот. Зависимость Рmш от частоты идентична по характеру зависимости коэффициента преобразования от частоты, поскольку æ z sin 2pl / L н l ö ÷ cos 2pç 2 ç L + L ÷; 2pl / L н н н ø è l£Lн; z - расстояние от торцевой стенки до края термодатчика, расположенного на широкой стенке; 0£z£Lн/2; sin 2pl / L l ö æ z A = (j + j ш ) cos 2pç 2 + ÷ ; 2pl / L L Lø è hx - размер по широкой стенке термодатчика, расположенного на торцевой стенке; jm - функция, характеризующая положение термодатчика, расположенного на торцевой стенке; h ö sin ph x / a æ x jm = cos pç 2 m + x ÷ ; ç a ph x / a a ÷ è ø хm - расстояние от ребра волновода до края термодатчика, расположенного на торцевой стенке; 0£Хm £а-hх. Представленные соотношения позволяют выбором геометрических размеров термодатчиков и размеров, определяющих их положение на стенках, обеспечить на нижней граничной частоте полосы рабочих частот равенство Рm = Рш, где Рm мощность потерь на площади, занимаемой термодатчиком на торцевой стенке; Рш - мощность потерь на площади, занимаемой термодатчиком на широкой стенке, и в результате реализовать минимальный перепад зависимости коэффициента преобразования от частоты в полосе рабочих частот вплоть до 40%. На фиг. 1 приведен чертеж устройства для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе. На фиг. 2 изображен отрезок прямоугольного волновода с поглощающими пластинами и термодатчиками, а также указаны основные геометрические размеры. На фиг. 3 и на фиг. 4 построены графики зависимости мощности потерь Р, нормированной на значение падающей мощности Рпад, с указанием относительной полосы частот Df/fср=(f-fср)/fср в процентах. Здесь и далее fср средняя частота максимальной полосы рабочих частот стандартного прямоугольного волновода ±20%; Рmш=Рm +Рш. Кривые построены для волновода сечением 10´23 мм2 с поглощающими стенками из константана (s=0,2083´107 см/м) и с размерами hш/а=0,05, хш=0, z=0, hx/а=0,1, хm/а=0,45, l/Lср=0,4319 (Lср - длина волны в волноводе на частоте fср), hу/в=0,741 (в - размер узкой стенки волновода). Зависимости Рmш/Рпад на фиг. 3, 4 идентичны, но на фиг. 4 график построен в увеличенном масштабе с указанием минимального и максимального значений, среднего значения и отклонения от среднего в максимальной полосе рабочих частот ±20%. Устройство для измерения падающей мощности в прямоугольном волноводе содержит отрезок прямоугольного волновода 1, расположенную в плоскости внутренней поверхности его широкой стенки поглощающую пластину 2 с установленным на ее внешней поверхности на расстоянии хш от ребра волновода и на расстоянии z от торцевой стенки термодатчиком 3, имеющим размеры hш´l, расположенную в плоскости внутренней поверхности торцевой стенки поглощающую пластину 4 с A н = (j н + j ш ) 3 28356 распределение температуры на внешней поверхности поглощающей стенки идентично распределению поглощенной мощности на участках, удаленных от мест сочленения поглощающих пластин с массивными стенками (см., например, статью: Волков B.М., Мартыненко Л.Г., Кукуш B.Д. Исследование теплового режима поглощающей стенки в прямоугольном рассогласованном волноводе с волной Н10. // Радиотехника. Респ. междувед. науч.-техн. сб. - Харьков: Изд-во XГУ. - 1974. Вып. 28. - C. 120-127). Например, для кривых на фиг. 3, 4 отклонение Рmш от среднего значения 2,408, полученного с учетом минимального значения 2,380 и максимального значения 2,436, составляет ±1,16% в максимальной полосе рабочих частот прямоугольного волновода ±20%. Для устройства прототипа с шириной термодатчиков h/a=0,05 отклонение коэффициента преобразования в той же полосе частот составляет ±6,6%, то есть в 5,7 раз больше. Отклонение коэффициента преобразования от среднего значения зависит от полосы рабочих частот и от поперечного смещения термодатчика на широкой стенке (см. табл. 1), практически не меняется при изменении hш для hш