Электромагнитные волны. Реферат: Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах Мгновенная частота и частоты спектральных составляющих

ЧТО ТАКОЕ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати, свет это тоже электромагнитные волны, обладающие схожими с радиоволнами свойствами (отражение, преломление, затухание и т.п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны в метрах рассчитывается по формуле:

Или примерно ,
где f – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что длина волны напрямую влияет на длину антенны для радиосвязи.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волн встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить. Вспомните военную технологию снижения заметности «Stealth», в рамках которой разработаны соответствующие геометрические формы, радиопоглощающие материалы и покрытия для уменьшения заметности объектов для локаторов.

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРА

Радиоволны, используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.

Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Диапазон частот	Наименование диапазона частот	Наименование диапазона волн	Длина волны
	Очень низкие частоты (ОНЧ)	Мириаметровые
	Низкие частоты (НЧ)	Километровые
300–3000 кГц	Средние частоты (СЧ)	Гектометровые
	Высокие частоты (ВЧ)	Декаметровые
	Очень высокие частоты (ОВЧ)	Метровые
300–3000 МГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)	Дециметровые
	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	Сантиметровые
	Крайневысокие частоты (КВЧ)	Миллиметровые
300–3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	Децимиллиметровые

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Распределение спектра между различными службами.

Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:

	Диапазон частот	Пояснения
		Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи.
	25.6–30.1 МГц	Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов).
		Диапазон подвижной наземной связи. Непонятно почему, но в русском языке не нашлось термина, определяющего данный диапазон.
	136–174 МГц	Наиболее распространенный диапазон подвижной наземной связи.
	400–512 МГц	Диапазон подвижной наземной связи. Иногда не выделяют этот участок в отдельный диапазон, а говорят УКВ, подразумевая полосу частот от 136 до 512 МГц.
	806–825 и 851–870 МГц	Традиционный «американский» диапазон; широко используется подвижной связью в США. У нас не получил особого распространения.

Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.

В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.

КАК РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.

Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

Распространение длинных и коротких волн.

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.

Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.

Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.

Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток.

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.

Распространение коротких и ультракоротких волн.

Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).

Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.

При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.

Параболическая направленная спутниковая антенна (фото с сайта ru.wikipedia.org).

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает затухание и поглощение энергии в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, ограничивающей дальность связи.

Мы выяснили, что радиоволны обладают различными свойствами распространения в зависимости от длины волны и каждый участок радиоспектра применяется там, где лучше всего используются его преимущества.

Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации.

Орский Гуманитарно-Технологический Институт

Кафедра общей физики.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах.

Выполнил: студентка физико-математического факультета группы 4Б

Бессонов Павел Александрович .

Научный руководитель: к. ф.-м. н. доцент Абрамов Сергей Михайлович .

Орск. 1998г.

1. Основные понятия 3

2. §1. Измерение мощности 3

3. 1. Общие сведения 3

4. 2. Калориметрические измерители мощности 3

5. §2. Измерение частот 8

6. 1. Основные характеристики частотомеров 8

7. 2. Резонансные частотомеры 8

8. 3. Гетероидные частотомеры 13

9. §3. Измерение полного сопротивления 15

10. 1. Общие сведения 15

11. 2. Поляризационные измерители полных сопротивлений 51

12. 3. Панорамные измерители КСВ и полного сопротивления 17

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В диапазоне СВЧ, как правило, измеряют мощность, частоту и полное сопротивление устройств. Важными также являются измерения фазового сдвига, напряженности поля, добротности, ослабления мощности волны, амплитудно-частотного спектра и др. Чтобы определить указанные величины в широких интервалах их изменения, требуется использовать различные методы и радиоизмерительные приборы.

Различают прямые и косвенные измерения. Прямые измерения применяют в тех случаях, когда измеряемая величина доступна непосредственному сравнению с мерой или может быть измерена приборами, проградуированными в выбранных единицах. Прямые измерения выполняют либо методом непосредственной оценки, когда измеряемую величину определяют по показаниям проградуированного прибора, либо методом сравнения, когда измеряемую величину определяют сравнением ее с мерой данной величины. Косвенные измерения состоят в замене измерений данной величины другими, связанными с искомой известной зависимостью.

Основными характеристиками радиоизмерительных приборов являются: диапазон измеряемых величин; диапазон частот, в котором прибор может применяться; чувствительность по измеряемому параметру, представляющая собой отношение приращения показаний прибора к вызвавшему его приращению измеряемой величины; разрешающая способность, определяемая как минимальная разность двух значений измеряемых величин, которую может различить прибор; погрешность; потребляемая мощность.

§1. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ.

1. Общие сведения

Уровни мощностей, подлежащие измерениям, различаются более чем на двадцать порядков. Естественно, что методы и приборы, используемые при таких измерениях, весьма разнообразны. Принцип действия подавляющего большинства измерителей мощности СВЧ, называемых ваттметрами, основан на измерении изменений температуры или сопротивления элементов, в которых рассеивается энергия исследуемых электромагнитных колебаний. К приборам, основанным на этом явлении, относятся калориметрические и терморезисторные измерители мощности. Получили распространение ваттметры, использующие пондеромоторные явления (электромеханические силы), и ваттметры, работающие на эффекте Холла. Особенность первых из них - возможность абсолютных измерений мощности, а вторых - измерение мощности независимо от согласования ВЧ-тракта.

По способу включения в передающий тракт различают ваттметры проходящего типа и поглощающего типа. Ваттметр проходящего типа представляет собой четырехполюсник, в котором поглощается лишь небольшая часть общей мощности. Ваттметр поглощающего типа, представляющий собой двухполюсник, подключается на конце передающей линии, и в идеальном случае в нем поглощается вся мощность падающей волны. Ваттметр проходящего типа часто выполняется на основе измерителя поглощающего типа, включенного в тракт через направленный ответвитель.

2. Калориметрические измерители мощности

Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (не адиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные - средние и большие значения мощности.

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид

где P-мощность СВЧ, рассеиваемая в нагрузке; Т и Т 0 -температура нагрузки и окружающей среды соответственно; с , m - удельная теплоемкость и масса калориметрического тела; k -коэффициент теплового рассеяния. Решение уравнения представляется в виде

(2)

где τ =с m / k - тепловая постоянная времени.

В случае статического калориметра время измерения много меньше постоянной τ и мощность СВЧ в соответствии с формулой 1 будет:

(3,а)

Здесь скорость изменения температуры в нагрузке измерена в град с -1 ,m -в г, c - в Дж (г град) -1 , Р - в Вт.

Если с имеет размерность кал (г град) -1 , то

(3,б)

Основными элементами статических калориметров являются термоизолированная нагрузка и прибор для измерения температуры. Нетрудно рассчитать поглощаемую мощность СВЧ по измеренной скорости повышения температуры и известной теплоемкости нагрузки.

В приборах используются различные высокочастотные оконечные нагрузки из твердого или жидкого диэлектрического материала с потерями, а также в виде пластинки или пленки высокого сопротивления. Для определения изменения температуры применяют термопары и различные термометры.

Рассмотрим статический калориметр, в котором снижены требования к термоизоляции и отпадает необходимость в определении теплоемкости т c калориметрической насадки (рис. 1 ). В этой схеме используется метод замещения. В ней для калибровки прибора 4 , измеряющего повышение температуры при рассеянии измеряемой мощности, подводимой к плечу 1 , используется известная мощность постоянного тока или тока низкой частоты, подводимая к плечу 2. Предполагается, что температура насадки 3 изменяется одинаково при рассеянии равных значений мощности СВЧ и постоянного тока. Статические калориметры позволяют измерять мощность несколько милливатт с погрешностью менее ±1%.

Рис.1

Основными элементами поточного калориметра являются: нагрузка, где энергия электромагнитных колебаний превращается в тепло, система циркуляции жидкости и средства для измерения разности температур входящей и выходящей жидкости, протекающей через нагрузку. Измеряя эту разность температур в установившемся режиме, можно рассчитать среднюю мощность по формуле

(4)

где υ - расход калориметрической жидкости, см 3 с -1 ; d -плотность жидкости, г см -3 ; Δ T - разность температур, К; с, кал (г град) -1 .

Поточные калориметры различают по типу циркуляционной системы (открытые и замкнутые), по типу нагрева (прямой и косвенный) и по методу измерения (истинно калориметрические и замещения).

В калориметрах открытого типа обычно применяют воду, которая из водопроводной сети поступает сначала в бак для стабилизации давления, а далее в калориметр. В калориметрах замкнутого типа калориметрическая жидкость циркулирует в замкнутой системе. Она постоянно накачивается насосом и охлаждается до температуры окружающей среды перед очередным поступлением в калориметр, В этой системе используются в качестве охлаждающих жидкостей кроме дистиллированной воды раствор хлористого натрия, смесь воды с этиленгликолем или глицерином.

При прямом нагреве ВЧ-мощность поглощается непосредственно циркулирующей жидкостью. При косвенном нагреве циркулирующая жидкость используется только для отбора тепла от нагрузки. Косвенный нагрев позволяет работать в более широком диапазоне частот и мощностей, поскольку функции переноса тепла отделены в нем от функции поглощения ВЧ-энергии и согласования нагрузки.

Рис. 2 .

Схема истинно калориметрического метода представлена на (рис. 2 .). Измеряемая ВЧ-мощность рассеивается в нагрузке 1 и прямо или косвенно передает энергию протекающей жидкости. Разность температур входящей в нагрузку и выходящей из нее жидкости измеряют с помощью термоблоков 2. Количество жидкости, протекающее в системе в единицу времени, измеряют расходомером 3. Естественно, что поток жидкости при таких измерениях должен быть постоянным.

Погрешности измерений ВЧ-мощности в рассмотренной схеме связаны с рядом факторов. Прежде всего формула 4 не учитывает передачу тепла, существующего между различными частями калориметра, и потерю тепла в ВЧ-нагрузке и трубопроводах. Различными конструктивными приемами можно уменьшить влияние этих факторов. Неравномерность скорости течения калориметрической жидкости, появление пузырьков воздуха приводят к погрешности при определении скорости потока жидкости и изменению ее эффективной теплоемкости. Для уменьшения этой погрешности применяют уловители пузырьков воздуха и добиваются равномерности течения жидкости с помощью регулятора потока и других средств.

Схема измерений, реализующая метод замещения, отличается от рассмотренной тем, что в ней последовательно с СВЧ-нагрузкой вводится дополнительный нагревательный элемент, рассеивающий мощность низкочастотного источника тока. Заметим, что при косвенном нагреве мощность СВЧ-сигнала и мощность низкочастотного тока вводятся в одну и ту же нагрузку и потребность в дополнительном нагревательном элементе отпадает.

Возможны два способа измерений по методу замещений - калибровки и баланса. Первый из них состоит в измерении такой мощности низкой частоты, поданной в нагревательный элемент, при которой разность температур жидкости на входе и выходе такая же, как и при подаче СВЧ-мощности. При балансном способе сначала устанавливается какая-либо разность температур жидкости при подаче мощности низкой частоты Р 1 , затем подается измеряемая ВЧ-мощность Р, а мощность низкой частоты уменьшается до такого значения Р 2 , чтобы разность температур осталась прежней. При этом Р=P 1 -Р 2 .

Рис. 3 .

Погрешности измерений, связанные с непостоянством скорости потока жидкости в течение цикла измерений, можно избежать, если на входе и выходе нагрузки 1 (рис. 3 ) и нагревательного элемента 2 предусмотреть термочувствительные резисторы R 1 , R 2, R 3, R 4 , соединенные по мостовой схеме. При условии идентичности термочувствительных элементов баланс моста будет наблюдаться для любой скорости потока жидкости. Измерения ведутся балансным способом.

Рассмотренные поточные калориметры применяют для абсолютных измерений прежде всего больших уровней мощностей. В сочетании с калиброванными направленными ответвителями они служат для градуировки измерителей средней и малой мощности. Имеются конструкции поточных калориметров и для непосредственных измерений средних и малых мощностей. Время измерений не превышает нескольких минут, а погрешность измерений может быть доведена до 1-2%

Среди калориметрических ваттметров для измерения мощности непрерывных колебаний, а также среднего значения мощности импульсно-модулированных колебаний отметим приборы МЗ-11А, МЗ-13 и МЗ-13/1, которые перекрывают диапазон измеряемых мощностей от 2 кВт до 3 МВт на частотах до 37,5 ГГц.

§2. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

1. Основные характеристики частотомеров

Одной из важнейших задач измерительной техники является - измерение частоты или длины волны колебаний. Частота связана с длиной волны соотношением: (5)

Измерения частоты и длины волны по своей природе различны: первое основано на измерении времени, а второе - на измерении: длины. Обычно в качестве основной величины выбирают частоту, поскольку значение ее не зависит от условий распространения и, что не менее важно, существуют эталоны частоты высокой точности, с которыми можно сравнивать измеряемые частоты.

Основными характеристиками приборов, используемых для измерения частоты я длины волны, являются: относительная погрешность, чувствительность, диапазон измеряемых частот и надежность работы.

Под относительной погрешностью прибора понимают отношение разности измеренной и образцовой частот к значению образцовой частоты. По точности все приборы разбиваются на три группы: малой точности с относительной погрешностью более 0,1%, средней точности с погрешностью (0,01-0,1)% и высокой точности с погрешностью менее 0,01%. Чувствительность прибора характеризуется минимальной мощностью сигнала, подводимого к частотомеру, при которой возможен отсчет частоты.

2. Резонансные частотомеры

Рис. 4 . Рис. 5 .

Резонансные частотомеры обычно содержат следующие Элементы (рис. 4 ): объемный резонатор 2, элементы связи 1, элемент настройки 3, индикатор 5 с усилителем 4 или без него. Связь входной линии и индикаторного устройства с резонатором выбирают на основе компромисса между величиной нагруженной добротности резонатора и чувствительностью прибора. Настройку частотомера на определенную частоту измеряемых колебаний проводят путем измерения геометрических размеров резонатора. При этом размеры резонансной длинны волны или частоты определяют по положению настроечных органов в момент резонанса, который определяют по индикаторному устройству. В качестве индикаторов чаще всего применяют микропараметр постоянного тока, а при изменении частоты модулированных колебаний – осциллограф или измерительный усилитель. Различают два способа включения частотомера – с индикацией настройки по максимуму тока прибора (проходная схема) и минимуму тока (поглотительная или абсорбционная, схема). Первая схема, получившая наибольшее распространение, изображена на (рис. 5) . Резонатор с элементами связи и устройством перестройки по частоте показан на (рис. 5.а ), эквивалентная схема его – на (рис. 5,б ). При расстроенном резонансе частотомера показание индикаторного прибора равно нулю. В момент резонанса через прибор протекает максимальный ток (см. рис. 5.в ).

В некоторых случаях полезна вторая схема включения резонансного частотомера - с индикацией по минимуму тока при. резонансе. Устройство такого резонатора изображено на (рис. 6а ), эквивалентная схема - на (рис. 6б ). На частотах отличных от резонансной входное сопротивление параллельно включенного контура мало и, будучи трансформированным в цепь. детектора через отрезок длиной λ/4, не вносит заметных изменений в основную цепь. Вследствие этого через индикаторный прибор частотомера на соответствующую частоту измеряемых колебаний проводят путем изменения геометрических размеров резонатора. При этом значение резонансной длины волны или частоты определяют по положению настроечных органов в момент резонанса, который отмечают по индикаторному устройству. В качестве индикаторов чаще всего применяют микроамперметр постоянного тока, а при измерении частоты модулированных колебаний - осциллограф или измерительный усилитель. Различают два способа включения частотомера - с индикацией настройки по максимуму тока прибора (проходная схема) и минимуму тока (поглотительная, или абсорбционная, схема). Первая схема, получившая наибольшее распространение, изображена на (рис. 2 ). Резонатор с элементами связи и устройством перенастройки по частоте показан на (рис. 2а ), эквивалентная схема его - на (рис. 26 ). При расстроенном резонаторе частотомера показание индикаторного прибора равно нулю. В момент резонанса через прибор протекает максимальный ток (см. рис. 2в ).

Рис. 6 .

Рассмотрим конструктивные особенности резонансных частотомеров, Они в основном различаются по типу колебательных систем.

На (рис. 7 ) показаны устройства резонаторов с элементами связи и настройки, наиболее часто применяемые в резонансных частотомерах. На (рис. 7а ) приведена конструкция резонатора в виде четвертьволнового отрезка коаксиальной линии. Связь резонатора с ВЧ-генератором и измерительным прибором осуществляется посредством петель, расположенных в боковой стенке. Резонатор настраивается при изменении длины центрального проводника. Шкала микрометра, связанного с центральным проводником, градуируется в длинах волн или снабжается градуировочной кривой. ВЧ-контакт между внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора образуется при помощи емкости. Противоположный конец резонатора закрыт металлической крышкой. Из-за емкостного краевого эффекта у свободного конца центрального проводника резонансная длина получается несколько меньше λ/4.

Частотомеры коаксиального типа применяют преимущественно в диапазоне длин волн 3-300 см. Диапазон настройки частотомеров с подвижным центральным проводником составляет 2:1. Погрешность частотомеров коаксиальной конструкции составляет (0,05-0,1)% и зависит от конструктивных особенностей прибора и точности калибровки.

Рис. 7 .

На более высоких частотах СВЧ-диапазона используют резонансные частотомеры в виде цилиндрических объемных резонаторов. Большую широкополосность и высокую добротность имеют резонаторы, возбуждаемые на колебаниях вида Н О 011 и Н О 111 .

В случае резонаторов на колебаниях вида Н О 011 для изменения длины цилиндра можно применить бесконтактную торцевую пластину (см. рис. 7,б ), так как линии токов колебания этого вида имеют вид окружностей в поперечном сечении цилиндра. Наличие зазора необходимо для устранения других видов колебаний, линии токов которых проходят через зазор. Поле этих колебаний, возбуждаемое в пространстве за пластиной, поглощается в специальном поглощающем слое. Наиболее опасными являются колебания вида Е О 111 , имеющие ту же резонансную частоту, что и Н О 011 . Для ее подавления кроме перечисленных выше мер большое значение имеют выбор и расположение элементов связи учитывающие различие в конфигурации полей колебаний вида Н О 011 и Е О 111 ,. В рассматриваемом случае элемент связи представляет собой узкую щель, прорезанную по образующей цилиндра и вдоль узкой стенки подводящего волновода. Повышенные требования предъявляются к тщательности изготовления резонатора, поскольку даже небольшая асимметрия может привести к возбуждению колебаний вида Е О 111 и к снижению добротности резонатора, достигающей в 10-см диапазоне волн 50000.

Погрешность измерения частоты резонансным частотомером зависит от точности настройки его в резонанс, от совершенства механической системы и градуировки, а также от влияния влажности и температуры окружающей среды.

Точность настройки в резонанс зависит от нагруженной добротности резонатора Q н погрешности индикаторного устройства:

(6)

где Δ f -расстройка частоты, при которой амплитуда тока в А раз меньше, чем амплитуда тока при резонансе. Чтобы уменьшить Δ f / f 0 , нужно выбирать А возможно более близкой к единице, т. е. необходимо иметь точный индикаторный прибор, отмечающий малые изменения тока. Так, если А= 1,02, то Δ f / f 0 = 1/ 10 Q н и при Q н =5000 получается Δ f / f 0 =2·10 -5 .

В резонансных частотомерах с высокой добротностью определенную погрешность вносит механическая неточность настройки вследствие люфтов в приводе, ненадежности контактов между подвижными частями резонатора и т. п.

Чем на больший частотный диапазон рассчитаны частотомеры, тем больше погрешность измерений, связанная с неточностью считывания показаний. Эту погрешность можно рассчитать по формуле

где Δl -погрешность определения положения элемента настройки, обычно соответствующая цене одного деления и равная 0,5-10 мкм. Для того чтобы эта погрешность была одной и той же во всем рабочем диапазоне частот, необходимо иметь df / dl пропорциональное f 0 .

Резонансные частотомеры обычно градуируют путем сравнения их показаний с показаниями образцового прибора при различных частотах. Приемлемая точность получается в случае, если погрешность образцового частотомера совместно с погрешностью метода раз в пять меньше погрешности градуируемого прибора.

Изменение диэлектрической проницаемости воздуха, вызванное непостоянством его температуры и влажности, приводит к изменению резонансной частоты частотомера, а следовательно, и к погрешности измерений. В нормальных условиях эта погрешность достигает 5 10 -5 .

При изменении температуры окружающей среды меняются геометрические размеры резонатора, и это, в свою очередь, приводит к погрешности в измерении частоты. Погрешность от этой причины вычисляется по формуле

Δ f / f 0 =- αkΔT (8)

где α-линейный температурный коэффициент расширения материала резонатора; k -коэффициент, зависящий от конструкции резонатора. Для цилиндрических резонаторов (k =1), изготовленных из меди, изменение температуры на 1°С дает погрешность в частоте 2 10 -5 .

В таблице указаны основные параметры некоторых резонансных частотомеров в режиме непрерывной генерации (НГ) и импульсной модуляции (ИМ). Погрешность измерений у всех приведенных приборов 0,05%. В последней колонке дано сопротивление коаксиального входного элемента или сечение прямоугольного волновода.

Рассмотренные в таблице приборы состоят из резонатора, переменного аттенюатора на 10 дБ, усилителя и индикатора. В частотомерах Ч2-31-Ч2-33 в качестве резонансной системы используются цилиндрические резонаторы, возбуждаемые на колебаниях вида Н О 112 а в других частотомерах - резонаторы коаксиального типа. Резонаторы включены по проходной схеме.

Параметры резонансных частотомеров

3. Гетеродинные частотомеры.

Наиболее точными измерителями частоты являются приборы, основанные на сравнении частоты исследуемого сигнала с частотой высокостабильного источника. Различают методы сравнения частот: нулевые биения, интерполяционный генератор и последовательное уменьшение частоты.

Рис. 8 . Рис. 9 .

На линейный элемент-смеситель (рис. 8 ) подаются ВЧ-сигнал с неизвестной частотой f x и сигнал с частотой f оп от опорного источника. На выходе смесителя получаются сигналы с этими же частотами, а также их гармоники и сигналы с частотами биений. Так как амплитуды гармонических составляющих невелики, а следовательно, невелики и сигналы их разностной частоты, то для индикации удобно использовать сигнал с частотой биений f б = f х – f оп =0 . Отсюда и название метода-метод нулевых биений. На выходе нелинейного элемента включается индикатор, например телефон, пропускающий только сигналы звуковой частоты. Если плавно изменять частоту опорного генератора, то при f х - f оп <15000 Гц в телефоне появляется тон разностной частоты, который понижается три сближении f х и f оп .

На (рис. 9 ) показан характер изменения f б при фиксированной неизвестной частоте f х и перестраиваемой частоте f оп . При f б <16 Гц человеческое ухо перестает воспринимать низкие частоты, и погрешность вследствие этого может достичь 32 Гц. Для уменьшения погрешности следует воспользоваться «вилочным» отсчетом: запоминают на слух некоторый тон биений, например соответствующий частоте f оп1 . Затем отмечают частоту f оп2 , при которой в телефоне прослушивается тот же тон биений. Искомая частота f х есть среднее арифметическое отмеченных частот.

В реальных условиях в смесителе вырабатываются одновременно и гармонические составляющие основных сигналов, поэтому нулевые биения отмечают при равенстве частот гармоник nf х =m f оп , где n , т=1,2,3 ... Чтобы исключить в этом случае погрешность в выборе гармоники, нужно предварительно каким-либо способом, например резонансным, ориентировочно измерить неизвестную частоту.

Если измеряемая частота лежит за пределами диапазона частот опорного генератора, то ее измеряют методом биений между гармоническими составляющими и сигналом основной частоты. Так, если f х << f оп , то поочередно настраивают опорный генератор на нулевые биения с любыми двумя соседними гармоническими составляющими измеряемой частоты: f оп1 =п f х и f оп2 =(п±1) f х .

. (9)

Если f x 1 >>f оа, то настраивают опорный генератор на такие две частоты f оп1 и f оп2 , чтобы f x =m f оп1 и f x =(m±1)f оп2 . Тогда

( 10 )

Поскольку трудно сделать опорный генератор с плавной перестройкой и высокой стабильностью частоты, то прибегают к интерполяционному методу. В этом случае в схему 1 наряду с интертюляционным генератором, частоту которого можно плавно менять, вводят образцовый генератор с фиксированной сеткой частот. Процедура измерений состоит в следующем. Последовательно настраивают интерполяционный генератор на нулевые биения с измеряемым сигналом частоты f x и с соседними гармоническими составляющими опорной частоты образцового генератора т f x и (m+1)f оп по обе стороны от частоты f x . Отсчеты по шкале интерполяционного генератора будут соответственно α х, α 1 , α 2. В этом случае

(11)

Точность измерений тем выше, чем меньше разность частот между соседними гармониками образцового генератора, линейнее шкала настройки интерполяционного генератора и выше его разрешающая способность.

Когда разность частот f х - f оп больше предельной частоты измерителя звуковой частоты, можно применять двойное гетеродинирование, используя схему 2 . Измерения по такой схеме более точны, поскольку проще создать измеритель частоты с высокой стабильностью и повышенной точностью измерений, используя интерполяционный генератор с небольшим диапазоном перестройки частоты.

Погрешности гетеродинных частотомеров определяются, прежде всего, погрешностями кварцевого и интерполяционного генераторов. Так, кварцевые генераторы имеют относительную частотную погрешность ±10 -8 –10 -9 . Интерполяционный генератор вносит дополнительную погрешность, обусловленную изменением частоты генератора за время измерений, неточностью градуировки шкалы и погрешностью отсчета. В результате погрешность таких частотомеров составляет ±5 10 -6 . Следует заметить, что указанное значение погрешности получается лишь после продолжительного прогрева прибора (до 1–1,5 ч).

§3. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

1. Общие сведения

Вопросы измерения полного сопротивления узлов или элементов ВЧ-тракта возникают всякий раз, когда приходится решать. задачи согласования, находить параметры эквивалентных схем или рассчитывать частотные характеристики устройств СВЧ.

Рис. 10 .

В основе определения полного сопротивления нагрузки лежит связь его с коэффициентом стоячей.волны и положением минимума напряжения в линии. Наибольшее распространение получило определение полного сопротивления по данным измерения КСВ и положения минимума стоячей волны с помощью измерительной линии. Соответствующая функциональная схема представлена на (рис. 10 ). Устройство, полное сопротивление которого необходимо измерить, подсоединяют к генератору СВЧ через измерительную линию. Промышленностью выпускаются измерительные линии, перекрывающие частотный диапазон от 0,5 до 37,5 ГГц.

Портативными приборами для определения полных сопротивлений на основе измерения КСВ и фазы являются измерители поляризационного типа. Эти приборы отличаются широкополосностью и высокой точностью. Перекрываемый ими частотный диапазон простирается от 0,02 до 16,67 ГГц.

Существуют приборы, обеспечивающие полуавтоматическое панорамное измерение КСВ в функции частоты. Эти приборы позволяют значительно сократить время на согласование устройств, а также наблюдать и измерять амплитудно-частотные характеристики четырехполюсников. Они перекрывают диапазон частот от 0,02 до 16,67 ГГц.

В этой главе рассмотрен принцип действия прибора, позволяющего определять значения полного сопротивления исследуемых устройств как функции частоты непосредственно по круговой диаграмме полных сопротивлений, нанесенной на экран электроннолучевые трубки. Приборы этого вида перекрывают диапазон частот от 0,11 до 7ГЦ.

2. Поляризационные измерители полных сопротивлений

Поляризационный измеритель полных сопротивлений состоит из отрезков прямоугольного 7 и цилиндрического 6 волноводов, причем цилиндрический волновод расположен под прямым углом к широкой стенке прямоугольного волновода (рис. 11 ). Связь между волноводами осуществляется через три щели 8 одинаковых размеров, расположенные на равном расстоянии от центра цилиндрического волновода.

Принцип работы поляризационного измерителя состоит в следующем. Электромагнитная Н □ 10 - волна, распространяющаяся от генератора в сторону нагрузки, возбуждает в цилиндрическом волноводе H O 11 -волну с круговой поляризацией. Достигается это выбором расположения и размеров щелей: две щели, расположенные поперек широкой стенки волновода, находятся в максимуме составляющей поля Н х , а третья щель - в максимуме составляющей поля Н z . Эти щели возбуждают в цилиндрическом волноводе две H O 11 -волны, взаимно перпендикулярные в пространстве и сдвинутые по фазе на угол π/2. Последнее является следствием сдвига во времени на π/2 компонент поля X х и Н z в прямоугольном волноводе. Поскольку выбором размеров щелей можно добиться равенства амплитуд возбуждаемых волн, то волна в цилиндрическом волноводе будет обладать круговой поляризацией.

Рис. 11 .

Если изменять направление распространения волны в прямоугольном волноводе, то в цилиндрическом волноводе возбуждается волна со встречным направлением вращения поля. Очевидно, при наличии в прямоугольном волноводе отраженной волны в цилиндрическом будут две H O 11 -волны с противоположными направлениями круговой поляризации. В результате суперпозиции этих волн образуется волна с эллиптической поляризацией, которая несет необходимую информацию о величине КСВ и положении минимума стоячей волны в прямоугольном волноводе. КСВ равен отношению главных осей эллипса, величины которых соответствуют сумме и разности амплитуд падающей и отраженной волн.

Таблица 1

Параметры измерительных линий

3начит, вращающаяся вокруг волновода диодная камера 2 с зондом 1 воспроизводит распределение напряженности поля в прямоугольном волноводе, причем полный оборот камеры соответствует перемещению зонда в прямоугольном волноводе на длине волны λ в. Положение меньшей из осей эллипса однозначно связано с положением минимума поля в прямоугольном волноводе, т. е. с фазой коэффициента отражения.

Измерение фазы коэффициента отражения заключается в отсчете по лимбу 5 положения диодной камеры, при котором индикаторный прибор показывает минимальное значение. Поворот диодной камеры осуществляется с помощью вращающегося сочленения 3. Отсчетная шкала “фаза” представляет собой полуокружность, разбитую рисками на 180 равных частей, так что цена каждого деления шкалы соответствует 2° измеряемого фазового угла. Точность отсчета фазы коэффициента отражения с использованием нониуса составляет ±20.

Для начальной калибровки прибора по фазе относительно измерительного фланца нет необходимости пользоваться короткозамыкателем, а достаточно воспользоваться шкалой “частота” 4, жестко связанной с диодной камерой и способной поворачиваться относительно шкалы “фаза”. Шкала “частота” рассчитана так,. что при установке рабочей частоты диодная камера поворачиваются на угол, равный соответствующему изменению фазы волны между измерительным фланцем и плоскостью симметрии прибора.

Таблица 2

Параметры поляризационных измерителей

Тип прибора	Диапазон частот, ГГц	Пределы измерения		Погрешность измерения		Размеры сечения ВЧ-тракта, мм
			Фазы, град	КСВ. % (КСВ=1,05÷2)	фазы, рад (КСВ=2)
	0,15-1 8,24-2,05				4,1 (при КСВ=1,2) 4,1
Диаметры наружного и внутреннего проводников коаксиальной * 2 Широкая и узкая стенки волновода,

Поляризационный измеритель позволяет определять полное сопротивление и при высоком уровне мощности СВЧ. Для этого в приборе предусмотрена замена диода диодной заглушкой, которая имеет такие же размеры. Между поляризационным измерителем и внешней диодной камерой размещают переменный аттенюатор, регулировкой которого добиваются на диоде уровня мощности в пределах, соответствующих квадратичному участку характеристики.

В качестве индикаторного устройства при работе с поляризационными измерителями предпочтительно пользоваться измерительными усилителями. Параметры поляризационных измерителей даны в табл. 2 .

3. Панорамные измерители КСВ и полного сопротивления

Панорамный измеритель КСВ состоит из генератора качающейся частоты (свип-генератора), измерителя отношения напряжений с направленным ответвителем и осциллографического прибора (рис. 12 ). Принцип работы прибора заключается в выделении сигнала, пропорционального мощности отраженной волны и в последующем измерении отношения мощностей отраженной и падающей волн, которое равно квадрату модуля коэффициента отражения.

После усиления это напряжение поступает в канал вертикального отклонения осциллографа. К горизонтальным пластинам осциллографа подводится напряжение от генератора, выполняющего функцию модулятора частоты генератора СВЧ. В результате на экране трубки наблюдается кривая зависимости квадрата коэффициента отражения от частоты (кривая 1 на рис. 13 ).

Для калибровки КСВ на некоторых частотах используют электронный коммутатор, который попеременно подает в канал вертикального отклонения либо усиленное выходное напряжение измерителя отношений, либо образцовое напряжение. В результате на экране на фоне кривой 1 видна светящаяся визирная линия 2. Меняя образцовое напряжение, добиваются совмещения визирной линии с интересующей точкой кривой 1. Значение КСВ в этой точке отсчитывают по шкале прибора, проградуированного в величинах КСВ, а частоту определяют с помощью встроенного частотомера.

Сложности в практической реализации схемы связаны с необходимостью применения свип-генератора с линейным изменением частоты в диапазоне свипирования, а также одинаковых или подобных переходных характеристик обоих направленных ответвителей и одинаковых или подобных характеристик диодных камер во всем рабочем диапазоне частот. Обычно в качестве свип-генератора применяют ЛОВ. Линейное изменение частоты в диапазоне свипирования достигается подачей на замедляющую систему лампы периодических импульсов экспоненциальной формы.

В другом варианте панорамного измерителя КСВ сигнал с диодной камеры ответвителя, пропорциональный амплитуде отраженной волны в тракте, подается непосредственно на вертикальные пластины осциллографа. Точность измерений теперь уже зависит от постоянства мощности свип-генератора во всем диапазоне свипирования. Для стабилизации изменений мощности сигнала, неизбежно имеющих место при частотной модуляции, в генераторе предусмотрен автоматический регулятор мощности. Часть ответвленной падающей мощности подается на вход схемы автоматического регулирования, где происходит ее сравнение с опорным напряжением. Вырабатываемый схемой сигнал ошибки поступает на первый анод ЛОВ (стабилизация с внутренним управлением) или на электрически управляемый аттенюатор (внешняя стабилизация), благодаря чему обеспечивается постоянный уровень мощности в полосе частот.

Таблица 3.

Параметры автоматических панорамных измерителей КСВ и ослабления.

Панорамные измерители могут работать в режиме амплитудной модуляции импульсным напряжением прямоугольной формы с частотой 100 КГц. Наряду с периодической перестройкой частоты с разными периодами и с остановкой свипирования на выбранной частоте с автоматическим отсчетом возможна и ручная перестройка частоты при помощи частотомера со следящей установкой измеряемой величины.

Панорамные измерители КСВ позволяют измерять и ослабления, вносимые четырехполюсниками. Измерение ослабления сводится к определению отношения мощностей выходного и входного сигналов четырехполюсника.

Автоматические панорамные измерители КСВ и ослаблений, выпускаемые промышленностью, перекрывают частотный диапазон от 0,02 до 16,66 ГГц. Основные параметры некоторых из них приведены в табл. 3. В таблице А-ослабление, установленное по шкале аттенюаторов. Вход ВЧ-мощности у первых трех приборов коаксиальный, а у остальных - волноводный.

Другим типом автоматических измерителей являются панорамные измерителя полных сопротивлений и измерители комплексных коэффициентов передачи. Результаты измерений представляют в полярных или прямоугольных координатах на экране осциллографа 1В виде зависимости полного сопротивления исследуемого объекта в функции частоты.

Прибор состоит из трех блоков: свип-генератора, датчика полных сопротивлении и индикатора (рис. 14 ). Датчик полных сопротивлений представляет собой ВЧ-узел с четырьмя измерительными головками, с выхода которых снимаются НЧ-напряжения. Головки располагаются на расстоянии λ в /8 друг от друга.

Рис. 14 .

Установим связь между сигналом на выходе квадратичного детектора измерительной головки и коэффициентом отражения в линии. Запишем напряжение на первом зонде в виде

(13)

где ψ=2k z z-ψ н; z - расстояние между зондами и нагрузкой; ψ н и |Г| -фаза и модуль коэффициента отражения от нагрузки. Представим напряжение на первом зонде так:

Тогда ток, проходящий через детектор с квадратичной характеристикой:

(15)

где b - постоянная величина. Ток через детектор, связанный с третьим зондом и отстоящий от первого на расстояние λ в /2, равен

(16)

Соответственно токи через второй и четвертый детекторы

(17)

(18)

Измерительные головки должны быть настроены так, чтобы . Тогда на выходе вычитателя, связанного с первой и третьей измерительными головками, будет сигнал, определяемый выражением

(19)

а на выходе другого вычитателя, связанного.со второй и четвертой; измерительными головками, сигнал представится в виде

(20)

где k и k ’- постоянные.

После усиления в соответствующих усилителях постоянного тока эти сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, подаются на горизонтальные и вертикальные пластины осциллографа. Амплитуды их регулируются так, чтобы обеспечить равное отклонение луча в обоях направлениях. Значит, при изменении фазы коэффициента отражения на 360°, луч вычертит на экране окружность радиуса,. соответствующего модулю коэффициента отражения.

Если частота генератора меняется по линейному закону во времени, то меняется и комплексный коэффициент отражения от измеряемого объекта, т.е. меняются |Г|=F(f) и ψ н =F(f). Луч вычерчивает кривую, радиальное отклонение которой пропорционально |Г|, а азимутальное положение соответствует ψ н.

Точность измерения полного сопротивления в диапазоне частот зависит от идентичности четырех индикаторных устройств и стабильности выходной мощности частотно-модулированного генератора при изменении частоты.

Автоматический измеритель полных сопротивлений РК.4-10 рассчитан на диапазон частот 0,11-7 ГГц с пределами измерений фазового сдвига 0-360°, модуля коэффициента передачи 60 дБ и КСВ 1,02-2. Погрешность измерения фазового сдвига 3°, фазы коэффициента отражения 10°, КСВ 10% (при КСВ ≤2)

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М., Высшая школа, т. I, 1970, т, II, 1972.

2. Советов Н.М. Техника сверхвысоких частот. М., Высшая школа, 1976.

3. Коваленко В.Ф. Введение в технику сверхвысоких частот. М., Сов. радио, 1955.

4. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Справочник по элементам волноводной техники. М. –Л., Госэнергоиздат,1963.

5. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. электродинамика и распространение радиоволн. М., Высшая школа, 1947.

6. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М., Сов. радио, 19557

7. Маттей Д.Л., Янг Л.Е., Джонс М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: Пер. с англ. М., Связь, 1971.

), описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников - зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458±1, 2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.

В 1888 году теория электромагнитных волн получила экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца . Используя источник высокого напряжения и вибраторы (см. Герца вибратор), Герцу удалось выполнить тонкие эксперименты по определению скорости распространения электромагнитной волны и ее длины. Экспериментально подтвердилось, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света, что доказывало электромагнитную природу света.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380...780 нм (рис. 1.1). В области видимого спектра глаз ощушает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн - провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Электромагнитные волны имеют следующие основные характеристики.

1. Длина волны lв, - кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза - это состояние (стадия) периодического процесса (рис. 1.2).

В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом - сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

2. Период колебания волны Т- время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны lв.

3. Частота колебаний электромагнитного поля F (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле

Единицей измерения частоты является герц (Гц) - частота, при которой совершается одно колебание в секунд. В спутниковом вещании приходится иметь дело с очень высокими частотами электромагнитных колебаний измеряемых в гигагерцах.

Для спутникового непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) по линии Космос - Земля используются диапазон C-band low и часть диапазона Кu (10,7...12,75 ГГи). Верхняя часть этих диапазонов применяется для передачи информации по линии Земля - Космос (табл. 1.1).

4. Скорость распространения волны С- скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля - Космос - Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.

Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны л связаны соотношением

lв=C/F, а так как F=1/T , то lв=С*T.

Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем

lв(м)=3*10^8/F(м/c*1/Гц)

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле lв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли (рис. 1.2).

Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V (рис. 1.3).

Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным - вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н (см. рис. 1.2) находится в горизонтальной плоскости.

Если передающая антенна установлена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в гори-

Рис 1.4. Круговая поляризация радиоволн:

LZ- левая; RZ- правая

зонтально расположенной приемной антенне. Следовательно, при Н поляризации радиоволн приемную антенну необходимо ориентировать горизонтально. При этом приема радиоволн на вертикально расположенную антенну теоретически не будет, так как наведенная в антенне ЭДС равна нулю. И наоборот, при вертикальном положении передающей антенны приемную антенну также необходимо расположить вертикально, что позволит получить в ней наибольшую ЭДС.

При телевизионном вещании с искусственных спутников Земли (ИСЗ) кроме линейных поляризаций широко используется круговая поляризация. Связано это, как ни странно, с теснотой в эфире, так как на орбитах находится большое количество спутников связи и ИСЗ непосредственного (прямого) телевизионного вещания.

Часто в таблицах параметров спутников дают сокращенное обозначение вида круговой поляризации - L и R. Круговую поляризацию радиоволн создает, например, коническая спираль на облучателе передающей антенны. В зависимости от направления намотки спирали круговая поляризация оказывается левой или правой (рис. 1.4).

Соответственно в облучателе наземной антенны спутникового телевидения должен быть установлен поляризатор, который реагирует на круговую поляризацию радиоволн, излучаемых передающей антенной ИСЗ.

Рассмотрим вопросы модуляции высокочастотных колебаний и их спектр при передаче с ИСЗ. Целесообразно это сделать в сравнении с наземными вещательными системами.

Разнос между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения составляет 6,5 МГц, остаток нижней боковой полосы (слева от несущей изображения) - 1,25 МГц, а ширина канала звукового сопровождения - 0,5 МГц

(рис. 1.5). С учетом этого суммарная ширина телевизионного канала принята равной 8,0 МГц (по стандартам D и К, принятым в странах СНГ).

Передающая телевизионная станция имеет в своем составе два передатчика. Один из них передает электрические сигналы изображения, а другой - звуковое сопровождение соответственно на разных несущих частотах. Изменение какого-то параметра несущего высокочастотного колебания (мощности, частоты, фазы и др.) под воздействием колебаний низкой частоты называется модуляцией. Используются два основных вида модуляции: амплитудная (AM) и частотная (ЧМ). В телевидении сигналы изображения передаются с AM, а звуковое сопровождение - с ЧМ. После модуляции электрические колебания усиливаются по мощности, затем поступают в передающую антенну и излучаются ею в пространство (эфир) в виде радиоволн.

8 наземном телевизионном вещании по ряду причин невозможно применить ЧМ для передачи сигналов изображения. На СМ места в эфире значительно больше и такая возможность существует. В результате спутниковый канал (транспондер) занимает полосу частот в 27 МГц.

Преимущества частотной модуляции сигнала поднесущей:

меньшая по сравнению с AM чувствительность к помехам и шумам, низкая чувствительность к нелинейности динамических характеристик каналов передачи сигналов, а также стабильность передачи на далекие расстояния. Данные характеристики объясняются постоянством уровня сигнала в каналах передачи, возможностью проведения частотной коррекции предыскажений, благоприятно влияющих на отношение сигнал/шум, благодаря чему ЧМ можно значительно снизить мощность передатчика при передаче информации на одно и то же расстояние. Например, в наземных вещательных системах для передачи сигналов изображения на одной и той же телевизионной станции используются передатчики в 5 раз большей мощности, чем для передачи сигналов звукового сопровождения.

Комфорт жизни обеспечивается различными приборами и установками, излучающими волны, в высоких концентрациях влияющими на здоровье. Поэтому каждый человек должен знать, как померить электромагнитное излучение, чтобы обезопасить себя от негативного воздействия.

Определение понятия

Электромагнитное излучение определяется как изменённое состояние электромагнитного поля. Оно порождается движением электрических зарядов и способно воздействовать на человека вдали от источника, уменьшая своё воздействие с увеличением расстояния.

Излучение представляет собой волны, которые подразделяются на следующие виды:

• радиоизлучение;
• инфракрасное;
• терагерцовое;
• ультрафиолет;
• видимый свет;
• рентген.

Любое пространство подвергается воздействию разной частоты, длины волн и поляризации. При этом излучение может оказывать негативное воздействие на работу электроприборов живые организмы.

Первым признаком повышения нормы электромагнитного излучения в квартире или производственном помещении являются неправильная работа бытовых приборов (их поломка и сбои), помехи при воспроизведении изображения и звука на телевизоре, неправильная работа персональных компьютеров, помехи в радиосвязи.

Чем вредно электромагнитное излучение

Организм человека и домашних животных зависит от условий среды обитания. Ежедневно человек сталкивается с работой многочисленных приборов, способных влиять на электромагнитный фон. При повышенных нормах этого фона надо применять защитные меры.

На человека в помещении могут отрицательно влиять электропроводка и электроприборы, находящиеся рядом линии электропередач, трансформаторные подстанции, передающие теле-, радиостанции. Большее воздействие может оказывать то ЭМИ, которое имеет высокие показатели при условии расположения на близком расстоянии.

Воздействие источников, генерирующих излучение, оказывает губительное действие на:

• сердце и сосуды;
• иммунную систему;
• женское и мужское половое здоровье;
• нервную и эндокринную систему.

Повышенный электромагнитный фон становится причиной утомляемости организма, вызывает заболевания крови и злокачественные опухоли. Поэтому каждый человек должен знать, как измерить электромагнитное излучение.

Пример электромагнитного фона

Наглядно представить уровень электромагнитного излучения можно на следующем примере. Для этого подойдёт внутреннее пространство офиса, в котором имеются такие приборы: персональный компьютер с WI-FI, сотовый телефон, WI-FI роутер, устройство Yota WiMax, СВЧ-печь, бытовой вентилятор.

Каждый из приборов генерирует электромагнитное излучение. При изменении состояния устройства оно также изменяется. Максимальные цифры измеритель АТТ-2592 покажет у работающего прибора и находящегося радом с измерителем. Соответственно минимальные будут у выключенного устройства, находящегося на отдалённом расстоянии и излучающего радиацию в сторону от измерителя.

Например, наибольшее напряжение электрического излучения, расположенного рядом с измерителем сотового телефона с датчиком, направленным на антенну, будет 24,52 В/м, с ненаправленным – 11,44 В/м. Если передающее устройство удалено на 0,3 м от датчика, и антенна повёрнута в сторону, наивысшее значение напряжения будет 10,65 В/м. Пример наглядно показывает, как можно снизить электромагнитный фон.

Инструкция по измерению излучения вручную

Для того чтобы измерить электромагнитное излучение в квартире, сначала надо приготовить необходимые инструменты и приборы. Для работы понадобится отвёртка с индикатором, простой радиоприёмник, ручной анализатор для измерения излучения.

Процесс измерения излучения с помощью приёмника включает следующие этапы:

• Выдвинуть антенну из приёмника и прикрутить к ней проволочную петлю диаметром 40 см.
• Настроить радио на пустую частоту.
• Медленно обойти помещение, прислушиваясь к звукам приёмника.
• Сделать вывод: место, где слышатся отчётливые звуки, является источником радиации.

Измерение электромагнитного излучения можно наглядно провести при помощи индикаторной отвёртки со светодиодом. Её можно купить в магазине. Если поднести устройство к включенному прибору, индикатор загорится красным цветом, интенсивность которого скажет о силе излучения. Данные способы не позволят определить излучение в цифрах.

Диагностика специальным прибором

Замерить электромагнитное излучение в цифрах поможет специальный прибор – ручной анализатор. Он работает на разных частотах и позволяет улавливать уровень напряжённости электромагнитного поля. Прибор доступен работникам служб Госсанэпиднадзора, организациям по охране труда и сертификации.

Данный измеритель электромагнитного излучения настраивается на нужный режим частот. Затем выбираются единицы измерения. Это могут быть вольт/метр или микроватт/см². Прибор отслеживает выбранную частоту, результаты выводятся на компьютер.

Описание устройства

Приборов, при помощи которых измеряется электромагнитное излучение, много. Оптимальным является измеритель уровней электромагнитных излучений АТТ-2592. Устройство портативное, имеет 3-х канальный датчик, дисплей ЖК с подсветкой, объём памяти в 99 измерений, питание от батареи «Крона» (9 В), габариты 60/60/237, весит 200 гр.

Измерения выполняются изотропным методом в диапазоне частот от 50 МГц до 3,5 ГГц, частота дискретизации – 2 раза в секунду, отключается автоматически через 15 минут. Прибор позволяет замерять напряжение в следующих единицах: мВ/м, В/м, мкА/м, мА/м, мкВт/м², мВт/м², мкВт/см².

Процедура измерения ЭМИ

В любом помещении есть опасность превышения электромагнитного фона. Если это производство, то там ведётся строгий контроль за показателями. В жилых помещениях сам владелец должен позаботиться о том, как измерить электромагнитное излучение и минимизировать его вредное влияние.

Дать точную картину ЭМИ в частном доме могут только специалисты. Они действуют в рамках закона по следующей схеме. При поступлении в службу СЭС соответствующего заявления работники выезжают на объект со специальным оборудованием для оценки состояния электромагнитного фона в помещении.

Приборы позволяют получить точные данные, которые потом обрабатываются. В случае нормального фона никаких мер не принимается. Если показатели завышены, то разрабатывается комплекс мер, способных привести к снижению фона. Прежде всего, выясняется причина данной ситуации. Это могут быть ошибки в проектировании и строительстве, нарушение правил эксплуатации объекта.

Экспертиза электромагнитного излучения

Электромагнитное поле образуется путём взаимодействия разноимённых зарядов физических тел между собою, образуется рядом с источником генерации и делится на три вида (дальний, промежуточный, ближний).

Величина электромагнитного излучения высчитывается по двум компонентам: электрическому (вольт/метр) и магнитному (тесла). Оба они делятся на волны низкой и высокой частоты, которые имеют разное происхождение и условия появления. На живые существа вредное влияние оказывает второй компонент.

Электрическое поле выше нормы характерно для мест, где установлены факсы, телевизоры, принтеры, плиты, копиры, излучающие электромагнитные волны, которые двигаются в пространстве. Уровень магнитного поля бывает повышен вблизи электропроводов, трансформаторов, антенн, так как оно возникает из-за движения тока по проводам.

В рамках работы санитарно-эпидемиологической службы РФ принят Федеральный закон, на основании которого представителями службы специальной аппаратурой проводится экспертиза помещений. Объектом обследования становятся бытовые электроприборы, системы радиосвязи, трансформаторные подстанции, радиолокационные установки, линии электропередач.

Санитарные нормы

Законом закреплены нормы электромагнитного излучения. Предельно допустимая норма излучаемой магнитной составляющей от 0,2 до 10 мкТл. Повышенный уровень магнитного поля фиксируется при достижении частотой излучения цифры 50 Гц. Не допускать превышения нормы магнитного излучения поможет правильно смонтированная система электроснабжения.

Нормы для электрического поля содержат следующие показатели, закреплённые в законе:

• жилое помещение (до 0,5 кВ/м);
• зона жилой застройки (до 1 кВ/м);
• вне зоны жилой застройки (до 5 кВ/м);
• в местах пересечения высоковольтных линий электропередач с автомагистралями I-IV класса (до 10 кВ/м);
• в незаселённой местности (до 20 кВ/м).

При нарушении должностными лицами данных норм предусмотрена административная ответственность. Важными эти показатели являются для дачников, так как участки часто располагаются в зоне прохождения высоковольтных линий электропередач.

Очень важно помнить, что человек часто бессознательно подвергается воздействию ЭМИ, так как просто не имеет возможности самостоятельно замерить уровень излучаемых волн. Кроме того, нормы носят условный характер, так как ещё необходимо принимать во внимание индивидуальные особенности организма.

Способы защиты от воздействия

В случае, когда установлено превышение нормы воздействия электрического тока на человека, надо сократить до минимума пребывание в опасной зоне. Увеличение возможного расстояния от вредного источника во многих случаях позволяет добиться снижения нежелательного воздействия на организм.

Ещё один способ защиты – это установка специальных конструкций, которые будут препятствовать распространению опасных волн. Не надо пренебрегать и личными защитными средствами (обувь, одежда, очки, маски и т.д.). Эти предметы используются специалистами во время работы и способны снизить вредные показатели.

Существуют так называемые организационные средства защиты. Их время от времени применяют в отношении всего коллектива (работающих, проживающих в местах возможного повышенного фона). К таким средствам относятся плановые медицинские осмотры, отпуска, что позволяет уберечь здоровье человека.

Электроэнергия является значительным изобретением человечества. Без неё сегодня невозможно представить нашу жизнь. Но в то же время ЭМИ, образующееся при использовании электроэнергии для нужд человека, может оказывать негативное влияние на жизнь и здоровье.

Врач-пульмонолог, Терапевт, Кардиолог, Врач функциональной диагностики. Врач высшей категории. Опыт работы: 9 лет. Закончила Хабаровский государственный мединститут, клиническая ординатура по специальности «терапия». Занимаюсь диагностикой, лечением и профилактикой заболеваний внутренних органов, также провожу профосмотры. Лечу заболевания органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы.