Измерение параметров фидерных линий (Лабораторная работа № 4)

Лабораторная работа 4

Измерение параметров фидерных линий

Введение

Целью работы является:

- усвоение физического смысла вторичных параметров фидерных линий и их взаимосвязи первичными (погонными) параметрами;

- изучение некоторых методов расчета и экспериментального определения вторичных параметров.

1. Параметры фидерных линий и методы их измерения.

Вторичными параметрами фидерных линий, в отличие от первичных (R₁, G₁, L₁, C₁), называют параметры, характеризующие процесс распространения электромагнитных волн в этих линиях. К ним относятся: коэффициент укорочения длины волны, волновое сопротивление, коэффициент затухания. Ниже кратко описаны некоторые методы экспериментального определения указанных величин.

1.1.Измерение коэффициента укорочения длины волны в коаксиальном кабеле.

В связи с наличием изоляторов, применяемых в коаксиальных линиях для крепления внутреннего проводника, фазовая скорость распространения волн в фидере отличается от скорости в вакууме. (С=3*10⁸м/с)

Пропорционально измерению фазовой скорости изменяется и фазовая длина волны. Отношение длины волны в вакууме λ₀ к длине волны λ_В называют коэффициентом укорочения.

                                                (2.1.)

Знать n необходимо для правильного определения длины отрезков фидера сложной антенной системы, обеспечивающих требуемую фазировку ее элементов, служащих четвертьволновыми трансформаторами в  согласующих устройствах, служащих симметрирующими элементами и т.п.

Кроме того, для вычисления других параметров фидера по данным измерений также требуется знать величину коэффициента укорочения.

Во многих случаях величина n может быть рассчитана. Например, при сплошном заполнении пространства между проводниками коаксиального фидера изоляционным материалом с относительной диэлектрической проницаемостью  фазовая скорость электромагнитной волны равна

                                                                                                  (2.2.)

Следовательно, для этого случая

                                                                                                    (2.3.)

Расчет величины n кабеля с частичным заполнением изоляционным материалом (например, гибкого кабеля с изоляцией в виде пластмассовых лент, навитых на жилу кабеля спиралью с большим шагом), приближенно может быть выполнен по степени заполнения.

Более того, величина коэффициента укорочения n может быть определена путем измерений.

В установке рис.2. к выходу выносной головки подсоединяется тройниковая коаксиальная секция с параллельно включенным короткозамкнутым отрезком исследуемого кабеля известной длины  . При перестройке частоты свип-генератора в полосе частот на экране индикатора по каналу отраженной волны при согласованном выходе тройниковой секции будет наблюдаться кривая (рис.3). При этом максимальные значения КСВ соответствуют частотам, на которых имеет место соотношение

                                        N=1, 2, 3…                                            (2.4.)

Для двух соседних частот с максимальным значением КСВ можно записать

                                                                                    (2.5.)

Поскольку , то тогда получим уравнение

                                                                                            (2.6.)

Из (2.6.) следует, что . Тогда величина фазовой скорости в исследуемом фидере может быть определена по длине кабеля  и соседним частотам, которым отвечают максимумы КСВ, по соотношению

                                                                                            (2.7.)

Значит, величина искомого коэффициента укорочения n равна

                                                                               (2.8.)

Для двух соседних частот, которым отвечают минимальные значения КСВ, можно аналогично записать

                                                                             (2.9.)

Тогда получим, что 

                                                                              (2.10.)

1.2. Измерение волнового сопротивления

Волновое сопротивление воздушных линий является функцией размеров и формы поперечного сечения фидера. При наличии диэлектрика величина волнового сопротивления W уменьшается в n раз (где n - коэффициент укорочения) по сравнению с воздушным фидером:

                                                                              (2.11.)

Из сказанного следует, что, зная коэффициент укорочения фидера и размеры поперечного сечения, можно найти W и, наоборот, зная W и размеры поперечного сечения, можно вычислить n из этой же формулы.

В формуле (2.11.) обозначено:

       - внутренний диаметр внешнего проводника;

        - диаметр внутреннего проводника.

 Таким образом, описанный ранее метод измерения коэффициента укорочения позволяет измерять и W линии.

Существуют и другие методы измерения волнового сопротивления. Одним из них является измерение электростатической емкости отрезка кабеля на постоянном токе или на низких частотах. Зная емкость, длину и размеры поперечного сечения  и d, можно вычислить волновое сопротивление по формуле

                                                                                            (2.12.)

где     - измеренная емкость в пФ;

        - волновое сопротивление коаксиального фидера при воздушном заполнении в Ом;

         - длина отрезка кабеля в м.

Вторым методом, позволяющим измерить волновое сопротивление фидера, является метод, построенный на экспериментальном исследовании частотной зависимости активной составляющей входного сопротивления отрезка фидера, нагруженного на произвольную комплексную нагрузку.