Семестровая работа по метрологии, стандартизации и сертификации на тему: "Измерение частоты электромагнитных волн"
Фрагменты из семестровой
- Введение
- Методы измерения частоты
- Общие сведения
- Резонансный метод
- Четвертьволновый резонансный частотомер
- Резонансный частотомер с нагруженной линией
- Резонансный частотомер с объемным резонатором
- Метод сравнения
Введение
Измерение частоты в общем случае осуществляется весьма разнообразными способами, так как колебания в природе имеют различный характер. Это может быть самый обыкновенный маятник, электрическая цепь, волна, или даже вибрации какого-либо тела. Колебательных процессы очень частое явление в современном мире техники, а частота является одной из самых основных их характеристик, чаще всего не зависящая от среды, поэтому её точное измерение очень важно. Рассмотрим основные способы измерения частоты колебаний электромагнитных волн.
Основные характеристики частотомеров
Одной из важнейших задач измерительной техники является - измерение частоты или длины волны колебаний. 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 и 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.
методы измерения частоты
Общие сведения
Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени: f = n / t
где t-время существования п колебаний.
Для гармонических колебаний частота f = 1/T, где Т - период колебаний.
Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины диктуется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В Международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свобод¬ном пространстве следующими соотношениями: ... ... , где с - скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.
Спектр частот электромагнитных колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр вначале разделяют на два диапазона - низких и высоких частот. К низким частотам относят и инфразвуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20- 20 000 Гц) и ультразвуковые (20-200 кГц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (20 кГц - 30 МГц), ультравысокие (30 - 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Верхняя граница сверхвысоких частот непрерывно повышается и в настоящее время достигла 80 ГГц (без учета оптического диапазона). Такое разделение объясняется разными способами получения электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на расстояние. Однако четкой границы между отдельными участками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.
Метод перезарядки конденсатора
Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источнику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем накопится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно при¬соединять к источнику напряжения для заряда и к измерителю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше: fq = fCU = I, где I -среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте переключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты.
Электромагнитное излучение существует ровно столько, сколько живет наша Вселенная. Оно сыграло ключевую роль в процессе эволюции жизни на Земле. По факту, это возмущение состояние электромагнитное поля, распространяемого в пространстве.
Характеристики электромагнитного излучения
Любую электромагнитную волну описывают с помощью трех характеристик.
1. Частота.
2. Поляризация.
Поляризация – одна из основных волновых атрибутов. Описывает поперечную анизотропию электромагнитных волн. Излучение считается поляризованным тогда, когда все волновые колебания происходят в одной плоскости.
Это явление активно используют на практике. Например, в кино при показе 3D фильмов.
С помощью поляризации очки IMAX разделяют изображение, которое предназначено для разных глаз. 
Частота – число гребней волны, которые проходят мимо наблюдателя (в данном случае – детектора) за одну секунду. Измеряется в герцах.
Длина волны – конкретное расстояние между ближайшими точками электромагнитного излучения, колебания которых происходят в одной фазе.
Электромагнитное излучение может распространяться практически в любой среде: от плотного вещества до вакуума.
Скорость распространения в вакууме равна 300 тыс. км за секунду.
Интересное видео о природе и свойствах ЭМ волн смотрите в видео ниже:
Виды электромагнитных волн
Все электромагнитное излучение делят по частоте. 
1. Радиоволны. Бывают короткими, ультракороткими, сверхдлинными, длинными, средними.
Длина радиоволн колеблется от 10 км до 1 мм, а от 30 кГц до 300 ГГц.
Их источниками может быть как деятельность человека, так и различные естественные атмосферные явления.
2. . Длина волны лежит в пределах 1мм — 780нм, а может доходить до 429 ТГц. Инфракрасное излучение еще называют тепловым. Основа всей жизни на нашей планете.
3. Видимый свет. Длина 400 — 760/780нм. Соответственно колеблется в пределах 790-385 ТГц. Сюда относят весь спектр излучения, которое можно увидеть человеческим глазом.
4. . Длина волны меньше, чем в инфракрасного излучения.
Может доходить до 10 нм. таких волн очень большая – порядка 3х10^16 Гц.
5. Рентгеновские лучи . волны 6х10^19 Гц, а длина порядка 10нм — 5пм.
6. Гамма волны. Сюда относят любое излучение, которого больше, чем в рентгеновских лучах, а длина – меньше. Источником таких электромагнитных волн являются космические, ядерные процессы.
Сфера применения
Где-то начиная с конца XIX столетия, весь человеческий прогресс был связан с практическим применением электромагнитных волн.
Первое о чем стоит упомянуть – радиосвязь. Она дала возможность людям общаться, даже если они находились далеко друг от друга.
Спутниковое вещание, телекоммуникации – являются дальнейшим развитием примитивной радиосвязи.
Именно эти технологии сформировали информационный облик современного общества.
Источниками электромагнитного излучения следует рассматривать как крупные промышленные объекты, так и различные линии электропередач.
Электромагнитные волны активно используются в военном деле (радары, сложные электрические устройства). Также без их применения не обошлась и медицина. Для лечения многих болезней могут использовать инфракрасное излучение.
Рентгеновские снимки помогают определить повреждения внутренних тканей человека.
С помощью лазеров проводят ряд операций, требующих ювелирной точности. 
Важность электромагнитного излучения в практической жизни человека сложно переоценить.
Советское видео о электромагнитном поле:
Возможное негативное влияние на человека
Несмотря на свою полезность, сильные источники электромагнитного излучения могут вызывать такие симптомы:
Усталость;
Головную боль;
Тошноту.
Чрезмерное воздействие некоторых видов волн вызывают повреждения внутренних органов, центральной нервной системы, мозга. Возможны изменения в психике человека.
Интересное виде о влиянии ЭМ волн на человека:
Чтобы избежать таких последствий практически во всех странах мира действуют стандарты, регулирующие электромагнитную безопасность. Для каждого типа излучений существуют свои регулирующие документы (гигиенические нормы, нормы радиационной безопасности). Влияние электромагнитных волн на человека до конца не изучено, поэтому ВОЗ рекомендует минимизировать их воздействие.
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.
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.
