Slitsad linje
Slitsade ledningar används för mikrovågsmätningar och består av en rörlig sond som sätts in i en slits i en transmissionsledning . De används tillsammans med en mikrovågsströmkälla och vanligtvis, i linje med deras lågkostnadstillämpning, en billig Schottky-dioddetektor och VSWR-mätare snarare än en dyr mikrovågseffektmätare .
Slitsade linjer kan mäta stående vågor , våglängd och, med viss beräkning eller plottning på Smith-diagram , ett antal andra parametrar inklusive reflektionskoefficient och elektrisk impedans . En variabel precisionsdämpare är ofta inbyggd i testinställningarna för att förbättra noggrannheten. Detta används för att göra nivåmätningar, medan detektorn och VSWR-mätaren behålls endast för att markera en referenspunkt som dämparen ska ställas in på, vilket helt och hållet eliminerar detektorns och mätarens mätfel. Den parameter som oftast mäts med en slitsad linje är SWR. Detta fungerar som ett mått på noggrannheten hos impedansmatchningen till föremålet som testas. Detta är särskilt viktigt för sändande antenner och deras matningsledningar; högt stående vågförhållande på en radio- eller TV-antenn kan förvränga signalen, öka överföringsledningsförlusten och potentiellt skada komponenter i överföringsvägen, eventuellt till och med sändaren.
Slitsade linjer används inte längre i stor utsträckning, men kan fortfarande hittas i budgetansökningar. Deras största nackdel är att de är arbetsintensiva att använda och kräver beräkningar, tabeller eller plottning för att kunna använda resultaten. De måste göras med mekanisk precision och sonden och dess detektor måste justeras med försiktighet, men de kan ge mycket exakta resultat.
Beskrivning
Den slitsade linjen är ett av de grundläggande instrumenten som används vid radiofrekvenstest och mätning vid mikrovågsfrekvenser . Den består av en precisionsöverföringsledning , vanligtvis koaxiell men vågledarimplementationer används också, med en rörlig isolerad sond insatt i en längsgående slits som är skuren i linjen. I en koaxiell slitsad linje skärs slitsen in i ledningens yttre ledare. Sonden förs in förbi den yttre ledaren, men inte så långt att den nuddar den inre ledaren. I en rektangulär vågledare skärs slitsen vanligtvis längs mitten av vågledarens breda vägg. Cirkulära vågledarslitsade linjer är också möjliga.
Slitsade linjer är relativt billiga och kan utföra många av de mätningar som görs av dyrare utrustning som nätverksanalysatorer . Slitsade linjemätningstekniker är emellertid mer arbetsintensiva och ger ofta inte direkt ut den önskade parametern; vissa beräkningar eller plottning krävs ofta. I synnerhet kan de endast utföra en mätning vid en punktfrekvens åt gången, så att producera en plot av en parameter kontra frekvens är mycket tidskrävande. Detta ska jämföras med moderna instrument som nätverks- och spektrumanalysatorer som i sig är frekvenssvepta och producerar en plot direkt. Slitsade linjer har nu i stort sett ersatts, men finns fortfarande där kapitalkostnader är ett problem. Deras återstående användningsområden är mestadels i millimeterbandet , där moderna testapparater antingen är oöverkomligt dyra eller inte alls tillgängliga, och med akademiska laboratorier och hobbyister. De är också användbara som läromedel då användaren är mer direkt exponerad för grundläggande linjefenomen än med mer sofistikerade instrument.
Drift
Den slitsade ledningen fungerar genom att sampla det elektriska fältet inuti transmissionsledningen med sonden. För noggrannheten är det viktigt att sonden stör fältet så lite som möjligt. Av denna anledning hålls sondens diameter och slitsbredd små (vanligtvis runt 1 mm ) och sonden förs inte in längre än nödvändigt. Det är också nödvändigt i vågledarslitsade linjer att placera slitsen i en position där strömmen i vågledarväggarna är parallell med slitsen. Strömmen kommer då inte att störas av spårets närvaro så länge den inte är för bred. För det dominerande läget är detta på mittlinjen av vågledarens breda yta, men för vissa andra lägen kan det behöva vara off-center. Detta är inte ett problem för den koaxiala ledningen eftersom denna fungerar i TEM- läget (tvärgående elektromagnetisk) och därför är strömmen överallt parallell med spåret. Slitsen kan vara avsmalnande vid sina ändar för att undvika diskontinuiteter som orsakar reflektioner.
Störningen av fältet innanför linjen som orsakas av införandet av sonden minimeras så långt som möjligt. Det finns två delar av denna störning. Den första delen beror på kraften som sonden har extraherat från ledningen och visar sig som en klumpad ekvivalent krets av ett motstånd . Detta minimeras genom att begränsa avståndet som sonden förs in i ledningen så att endast tillräckligt med ström tas ut för att detektorn ska fungera effektivt. Den andra delen av störningen beror på energi som lagras i fältet runt sonden och visar sig som en klumpad motsvarighet till en kondensator . Denna kapacitans kan raderas ut med en induktans av lika och motsatt impedans . Klumpade induktorer är inte praktiska vid mikrovågsfrekvenser; istället används en justerbar stubb med en induktiv ekvivalent krets för att "stämma ut" sondkapacitansen. Resultatet är en ekvivalent krets med hög impedans i shunt över linjen som har liten effekt på den överförda effekten i linjen. Sonden är känsligare som ett resultat av denna inställning och avståndet som den sätts in kan begränsas ytterligare som ett resultat.
Testuppsättning
En typisk testuppsättning med en vågledarslitsad linje visas i figur 2. Med hänvisning till denna figur kommer ström från en testutrustningskälla (ej visad) in i apparaten genom koaxialkabeln till vänster och konverteras till vågledarformat med hjälp av av en bärraket (1). Detta följs av en sektion av vågledaren (2) som ger en övergång till en mindre storlek på ledaren. En viktig komponent i installationen är isolatorn (3) som förhindrar att ström reflekteras tillbaka till källan. Beroende på testförhållandena kan sådana reflektioner vara stora och en högeffektskälla kan skadas av den återkommande vågen. Effekten som kommer in i den slitsade ledningen styrs av en roterande variabel dämpare (4). Detta följs av själva den slitsade linjen (5) ovanför vilken sonden är monterad på en rörlig vagn. Vagnen bär också sondjusteringarna: (6) är sonddjupjusteringen, (7) är en längd av koaxial sektion med avstämningsjusteringar, och (8) är en detektor som använder antingen en punktkontaktkristalllikriktare eller en Schottky barriärdiod. Den högra änden av den slitsade ledningen avslutas i en anpassad last (9) som absorberar all kraft som kommer ut från änden av vågledaren. Lasten kan ersättas av den komponent eller system som man önskar testa. Den kan även ersättas med en referenskortslutning (10) som används för att kalibrera den slitsade ledningen. Vagnen kan förflyttas längs den slitsade linjen med hjälp av en vridknapp (11) som samtidigt förflyttar en nockmätare (12) för noggrann mätning av probernas position längs linjen.
Sonden är ansluten till en detektor och en displaymätare (visas inte i figur 2). Dessa kan vara en termistor respektive effektmätare, eller en envelopdetektor och VSWR-mätare . Detektorn kan vara en kristalldetektor eller en Schottky-barriärdiod . Detektorn är monterad på sondenheten, vanligtvis ett avstånd λ/4 från sondspetsen som visas i figur 3. Detta beror på att detektorn nästan ser ut som en kortslutning till transmissionsledningen, och detta avstånd kommer att omvandla den till en öppen krets genom kvartsvågsimpedanstransformatoreffekten . Således har detektorn minimal effekt på belastningen av ledningen. Sondavstämningsstubben kan ses på figur 3 som förgrenar sig från linjen som länkar sonden till detektorn. Fig. 2 har ett något annorlunda arrangemang; huvudsonden in i vågledaren leder till en vertikal koaxiell avstämnings- och justeringssektion men detektorn är på en horisontell sidosektion med en sekundär sond in i den upprättstående koaxiala sektionen.
Mått
Mätningar av mikrovågseffekt kan göras direkt, vanligtvis med en termistorbaserad detektor och mätare. Dessa instrument är dock dyra och en vanlig mätare som används vid mätningar med en slitsad linje är istället en billigare lågfrekvent VSWR-mätare. Mikrovågskraftkällan är amplitudmodulerad med, typiskt, en 1 kHz -signal som återvinns av enveloppdetektorn i sonden och skickas till VSWR-mätaren. Detta schema föredras framför att helt enkelt detektera den omodulerade bärvågen direkt, vilket skulle resultera i en DC- utgång, eftersom en stabil, smalbandig, avstämd förstärkare kan användas för att förstärka 1 kHz -signalen. En stor förstärkning krävs i VSWR-mätaren eftersom gränsen för detektordiodens kvadratiska lagområde inte är mer än 10 μW .
Maxima och minima
När den slitsade linjen avslutas med en precisionsanpassningsbelastning finns det ingen variation i den detekterade effekten längs linjen, annat än en mycket liten minskning på grund av förluster i ledningen. Men när detta ersätts av en enhet under test (DUT) som inte är perfekt anpassad till linjen kommer det att bli en reflektion tillbaka mot källan . Detta gör att en stående våg sätts upp på linjen med periodiska maxima och minima (kollektivt, extrema ) på grund av omväxlande konstruktiv och destruktiv interferens . Dessa ytterligheter hittas genom att röra sonden fram och tillbaka längs linjen och nivån vid den punkten kan sedan mätas på mätaren.
Extrema är inte av något större intresse i sig, utan används i beräkningen av flera mer användbara parametrar. Vissa av dessa parametrar kräver mätning av extremumets exakta position. Antingen maxima eller minima kan användas på samma sätt ur en matematisk synvinkel, men minima är att föredra eftersom de alltid är mycket skarpare än maxima, särskilt för stora reflektioner, som visas i figur 4. Dessutom orsakar sonden mindre störning av fältet nära ett minimum än det gör nära ett maximum.
Våglängd
Våglängden bestäms genom att mäta avståndet mellan två intilliggande minima. Detta avstånd kommer att vara λ/2. Det finns inget behov av en DUT, bättre resultat erhålls med referenskortslutningen i position.
Stående vågförhållande
Stående vågförhållande (SWR eller VSWR) är en grundläggande parameter och den som oftast mäts på en slitsad linje. Denna mängd är särskilt viktig för sändarantenner . En hög SWR indikerar en dålig matchning mellan matningsledningen och antennen, vilket ökar slöseri med ström, kan orsaka skador på komponenter i överföringsvägen, eventuellt inklusive sändaren, och orsaka distorsion av TV, FM stereo och digitala signaler. Med ingångseffekten inställd så att maxima är på 0 dBm , kommer en mätning av ett minimum i decibel direkt att ge SWR (efter att ha kasserat minustecknet).
Reflektionskoefficient
Reflektionskoefficienten , ρ , är förhållandet mellan den reflekterade vågen och den infallande vågen. I allmänhet är det ett komplext tal . Storleken på reflektionskoefficienten kan beräknas från VSWR-mätningen genom,
där VSWR är stående vågförhållande uttryckt som ett spänningsförhållande (inte i decibel ). Men för att helt karakterisera reflektionskoefficienten måste fasen för ρ också hittas. Detta görs på en slitsad linje genom att mäta avståndet för det första minimumet från DUT. Att flytta sonden ända fram till DUT är inte praktiskt genomförbart så ett annat tillvägagångssätt används vanligtvis. Läget för det första minimumet när referenskortslutningen är på plats noteras. Avståndet tillbaka längs linjen från denna referenspunkt till nästa minimum när DUT är på plats kommer att vara detsamma som avståndet från DUT till första minimum. Detta beror på att referenskorten garanterar ett minimum vid DUT-positionen.
Fasdelen av ρ ges av ,
där λ är våglängden och x är avståndet till det första minimum som beskrivits tidigare. Storleks- och fasrepresentationen av ρ kan vid behov uttryckas som reella och imaginära delar istället genom den vanliga manipuleringen av komplexa tal.
Impedans
Impedansen Z för DUT kan beräknas från reflektionskoefficienten genom,
00 där Z är den karakteristiska impedansen för linjen. En alternativ metod är att plotta VSWR och avståndet till noden (i våglängder) på ett Smith-diagram . Dessa kvantiteter mäts direkt av den slitsade linjen. Från denna plot kan DUT-impedansen (normaliserad till Z ) avläsas direkt från Smith-diagrammet.
Överväganden om noggrannhet
Bra slitsade linjer är precisionsgjorda instrument. De måste vara för att mekaniska defekter kan påverka noggrannheten. Några av de mekaniska frågorna som är relevanta för detta inkluderar glapp av vernier, koncentricitet hos den inre och yttre ledaren, cirkuläritet hos den yttre ledaren, centralitet och rakhet hos den inre ledaren, variationer i tvärsnitt och vagnens förmåga för att upprätthålla ett konstant sonddjup. Frågor med sondavstämning och störningar på fältet har redan diskuterats, men de isolerade distanserna som håller mittledaren på plats kan också störa fältet. Följaktligen är dessa gjorda så diskreta som är förenliga med mekanisk styrka. Den största källan till onoggrannhet är dock vanligtvis inte själva den slitsade linjen, utan detektordiodens egenskaper.
Den detekterade spänningssignalen från Schottky-barriärdioderna som vanligtvis används i mikrovågsdetektorer har ett kvadratiskt förhållande till den effekt som mäts och mätare kalibreras därefter. Men när effekten ökar avviker dioden avsevärt från en kvadratisk lag och förblir noggrann upp till en utspänning på endast runt 5-10 mV . Detta kan förbättras lite genom att lägga till ett belastningsmotstånd till detektorutgången, men detta har också den oönskade effekten att känsligheten minskar. En annan teknik är att minska det effektområde som mäts (så att det förs inom detektorns kvadratiska lagområde) genom att mäta vid en annan punkt än ett maximum. Maximum beräknas sedan från den kända matematiska formen av det stående vågmönstret. Detta har invändningen att det avsevärt tillför det arbete som krävs för att göra mätningarna, liksom tekniken att exakt kalibrera detektorn och justera avläsningarna på mätaren enligt ett kalibreringsschema.
Det är möjligt att helt eliminera fel i detektor och mätare om en precisionsvariabel dämpare används i testuppställningen. I denna teknik hittas först ett minimum och dämparen justeras så att mätaren anger exakt något lämpligt märke. Ett maximum hittas sedan och dämpningen ökas tills mätaren visar samma märke. Mängden dämpningen måste ökas är VSWR för den stående vågen. Noggrannheten beror här på dämparens noggrannhet och inte alls på detektorn.
Anteckningar
Bibliografi
- Connor, FR, Wave Transmission , Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN 0-7131-3278-7 .
- Das, Annapurna; Das, Sisir K, Microwave Engineering , Tata McGraw-Hill Education, 2009 ISBN 0-07-066738-1 .
- Gupta, KC, Microwaves , New Age International, 1979 ISBN 0-85226-346-5 .
- Lee, Thomas H. , Planar Microwave Engineering , Cambridge University Press, 2004 ISBN 0-521-83526-7 .
- Voltmer, David Russell, Fundamentals Of Electromagnetics 2: Quasistatics and Waves , Morgan & Claypool, 2007 ISBN 1-59829-172-6 .