Kako se mjeri frekvencija elektromagnetnih valova? Opća svojstva elektromagnetnih valova (EMW). Polarizacijski mjerači impedanse

Poglavlje 1

OSNOVNI PARAMETRI ELEKTROMAGNETNIH TALASA

Šta je elektromagnetski talas može se lako ilustrovati sledećim primerom. Ako bacite kamenčić na površinu vode, na površini će se formirati valovi koji se šire u krug. Oni se kreću od izvora svog nastanka (poremećaja) određenom brzinom širenja. Za elektromagnetne talase, smetnje su električna i magnetska polja koja se kreću u prostoru. Elektromagnetno polje koje se mijenja tokom vremena nužno uzrokuje pojavu naizmjeničnog magnetsko polje, i obrnuto. Ova polja su međusobno povezana.

Glavni izvor spektra elektromagnetnih talasa je Sunčeva zvezda. Dio spektra elektromagnetnih valova vidljiv je ljudskom oku. Ovaj spektar se nalazi u opsegu od 380...780 nm (slika 1.1). U vidljivom spektru, oko različito osjeća svjetlost. Elektromagnetne vibracije različitih talasnih dužina izazivaju osećaj svetlosti različitih boja.

Dio spektra elektromagnetnih valova koristi se za radiotelevizijske i komunikacijske svrhe. Izvor elektromagnetnih valova je žica (antena) u kojoj osciliraju električni naboji. Proces formiranja polja, koji je započeo u blizini žice, postepeno, tačku po tačku, pokriva čitav prostor. Što je veća frekvencija naizmjenične struje koja prolazi kroz žicu i stvara električno ili magnetsko polje, to su radio valovi određene dužine koje stvara žica intenzivniji.

Elektromagnetski talasi imaju sledeće glavne karakteristike.

1. Talasna dužina lv, je najkraća udaljenost između dvije tačke u prostoru na kojoj se faza harmonijskog elektromagnetnog talasa mijenja za 360°. Faza je stanje (faza) periodičnog procesa (slika 1.2).


Zemaljsko televizijsko emitovanje koristi metarske (MB) i decimetarske talase (UHF), dok satelitsko emitovanje koristi centimetrske talase (CM). Kako se SM frekvencijski opseg popuni, milimetarski talasni opseg (Ka-opseg) će se savladati.

2. Period oscilacije talasa T- vrijeme tokom kojeg dolazi do jedne potpune promjene jačine polja, tj. vrijeme tokom kojeg tačka radio talasa, koja ima neku fiksnu fazu, putuje putanjom jednaku talasnoj dužini lv.

3. Frekvencija oscilacija elektromagnetnog polja F(broj oscilacija polja u sekundi) određuje se formulom

Jedinica mjerenja frekvencije je herc (Hz), frekvencija na kojoj se javlja jedna oscilacija u sekundi. U satelitskom emitovanju treba se suočiti sa vrlo visokim frekvencijama elektromagnetnih oscilacija mjerenih u gigahercima.

Za satelitsko direktno televizijsko emitovanje (SNTV) preko veze Svemir-Zemlja koriste se niski opseg C-pojasa i dio Ku opsega (10,7...12,75 GGi). Gornji dio ovih opsega se koristi za prijenos informacija duž linije Zemlja – Svemir (Tabela 1.1).


4. Brzina talasa WITH - brzina uzastopnog širenja talasa iz izvora energije (antene).

Brzina širenja radio talasa u slobodnom prostoru (vakumu) je konstantna i jednaka je brzini svetlosti C = 300.000 km/s. Uprkos tako velikoj brzini, elektromagnetski talas putuje duž linije Zemlja - Svemir - Zemlja u vremenu od 0,24 s. Na Zemlji, radio i televizijski programi mogu se primati gotovo trenutno bilo gdje. Kada se širi u stvarnom prostoru, na primjer u zraku, brzina radio valova ovisi o svojstvima medija; obično je manja WITH na vrijednost indeksa prelamanja medija.

Frekvencija elektromagnetnih talasa F, brzina njihovog širenja C i talasna dužina l povezani su relacijom

lv=C/F, i od tada F=1/T tada je lv=S*T.

Zamjenom vrijednosti brzine C = 300 000 km/s u posljednju formulu, dobijamo

lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)

Za visoke frekvencije, talasna dužina elektromagnetne oscilacije može se odrediti formulom lv(m)=300/F(MHz) Poznavajući talasnu dužinu elektromagnetne oscilacije, frekvencija se određuje po formuli F(MHz)=300/lv (m)

5. Polarizacija radio talasa. Električna i magnetska komponenta elektromagnetnog polja su respektivno okarakterisane vektorima E i N, koji pokazuju vrijednost jačine polja i njihov smjer. Polarizacija je orijentacija vektora električno polje E talasi u odnosu na površinu zemlje (slika 1.2).

Vrsta polarizacije radio talasa određena je orijentacijom (pozicijom) predajne antene u odnosu na površinu zemlje. I zemaljska i satelitska televizija koriste linearnu polarizaciju, odnosno horizontalnu N i vertikalni V (slika 1.3).

Radio valovi s horizontalnim vektorom električnog polja nazivaju se horizontalno polariziranim, a oni s vertikalnim električnim poljem vertikalno polariziranim. Ravan polarizacije ovih talasa je vertikalna, a vektor N(vidi sliku 1.2) je u horizontalnoj ravni.

Ako je odašiljačka antena postavljena vodoravno iznad tla, onda električna dalekovodi polja će također biti pozicionirana horizontalno. U ovom slučaju, polje će inducirati najveću elektromotornu silu (EMF) u horizontali



Slika 1.4. Kružna polarizacija radio talasa:

LZ- lijevo; RZ- u pravu

zonski locirana prijemna antena. Stoga, kada N polarizacije radio talasa, prijemna antena mora biti orijentisana horizontalno. U ovom slučaju, teoretski neće biti prijema radio talasa na vertikalno postavljenoj anteni, jer je emf indukovana u anteni nula. Suprotno tome, kada je predajna antena u vertikalnom položaju, prijemna antena također mora biti postavljena okomito, što će joj omogućiti da dobije najveći EMF.

Prilikom emitovanja na televiziji umjetni sateliti Zemlja (AES), pored linearnih polarizacija, široko se koristi i kružna polarizacija. To je, začudo, zbog pretrpanog prostora u eteru, jer postoji veliki broj komunikacijskih satelita i satelita za direktno (uživo) televizijsko emitiranje u orbiti.

Često u tablicama satelitskih parametara daju skraćenu oznaku za vrstu kružne polarizacije - L i R. Kružna polarizacija radio talasa je stvorena, na primjer, konusnom spiralom na dovodu odašiljačke antene. U zavisnosti od smera namotavanja spirale, kružna polarizacija je leva ili desna (slika 1.4).

U skladu s tim, polarizator mora biti instaliran u feed antene zemaljske satelitske televizije, koja reagira na kružnu polarizaciju radio valova koje emituje antena za odašiljanje satelita.

Razmotrimo pitanja modulacije visokofrekventnih oscilacija i njihovog spektra kada se prenose sa satelita. Preporučljivo je to učiniti u poređenju sa zemaljskim radiodifuznim sistemima.

Razmak između frekvencija nosioca slike i zvuka je 6,5 MHz, ostatak donjeg bočnog pojasa (lijevo od nosača slike) je 1,25 MHz, a širina audio kanala je 0,5 MHz

(Sl. 1.5). Uzimajući ovo u obzir, pretpostavlja se da je ukupna širina televizijskog kanala 8,0 MHz (prema D i K standardima usvojenim u zemljama ZND).

Predajna televizijska stanica ima dva predajnika. Jedan od njih prenosi električne signale slike, a drugi prenosi zvuk na različitim frekvencijama nosioca. Promjena nekog parametra visokofrekventne oscilacije nosioca (snaga, frekvencija, faza itd.) pod utjecajem niskofrekventnih oscilacija naziva se modulacija. Koriste se dvije glavne vrste modulacije: amplitudna modulacija (AM) i frekvencijska modulacija (FM). Na televiziji se signali slike prenose iz AM, a zvuk sa FM. Nakon modulacije, električne vibracije se pojačavaju u snazi, zatim ulaze u predajnu antenu i ona se emituju u svemir (eter) u obliku radio talasa.

U zemaljskom televizijskom emitiranju, iz više razloga, nemoguće je koristiti FM za prijenos signala slike. Na SM-u ima mnogo više prostora u zraku i takva prilika postoji. Kao rezultat toga, satelitski kanal (transponder) zauzima frekvencijski opseg od 27 MHz.

Prednosti frekvencijske modulacije signala podnosača:

manja osjetljivost na smetnje i šum u odnosu na AM, niska osjetljivost na nelinearnost dinamičkih karakteristika kanala za prijenos signala, kao i stabilnost prijenosa na velikim udaljenostima. Ove karakteristike se objašnjavaju konstantnošću nivoa signala u kanalima prenosa, mogućnošću sprovođenja frekvencijske korekcije prednaglaska, što povoljno utiče na odnos signal-šum, zahvaljujući čemu FM može značajno da smanji snaga predajnika pri prijenosu informacija na istoj udaljenosti. Na primjer, zemaljski sistemi emitiranja koriste predajnike koji su 5 puta snažniji za prijenos slikovnih signala na istoj televizijskoj stanici nego za prijenos audio signala.

Kvantno mehaničko stanje ima fizičko značenje energije ovog stanja, pa se stoga sistem jedinica često bira na način da se frekvencija i energija izražavaju u istim jedinicama (drugim riječima, faktor konverzije između frekvencije i energije je Plankova konstanta u formuli E = hν - bira se jednako 1).

Ljudsko oko je osetljivo na elektromagnetne talase sa frekvencijama od 4⋅10 14 do 8⋅10 14 Hz (vidljiva svetlost); Frekvencija vibracije određuje boju posmatranog svetla. Ljudski slušni analizator percipira akustične talase sa frekvencijama od 20 Hz do 20 kHz. Različite životinje imaju različite frekvencijske opsege osjetljivosti na optičke i akustične vibracije.

Odnosi frekvencija zvučnih vibracija izražavaju se pomoću muzičkih intervala, kao što su oktava, kvinta, terca itd. Interval od jedne oktave između frekvencija zvukova znači da se te frekvencije razlikuju 2 puta, interval savršene kvinte znači odnos frekvencija 3 ⁄ 2 . Osim toga, za opisivanje frekvencijskih intervala koristi se dekada - interval između frekvencija koje se razlikuju za faktor 10. Dakle, opseg ljudske osetljivosti na zvuk iznosi 3 decenije (20 Hz - 20.000 Hz). Za mjerenje omjera vrlo bliskih audio frekvencija koriste se jedinice kao što su cent (omjer frekvencija 2 1/1200) i milioktava (omjer frekvencija 2 1/1000).

Enciklopedijski YouTube

    1 / 5

    ✪ Koja je razlika između NAPONA i STRUJE

    ✪ Legenda o 20 Hz i 20 kHz. Zašto toliki raspon?

    ✪ 432 Hz popravka DNK, čišćenje čakri i aure. Izohronični ritmovi.

    ✪ ENERGIJA I FREKVENCIJA VIBRACIJA - NOVO IGRALIŠTE ZA UM.

    ✪ Kako povećati frekvenciju vibracija vašeg tijela za 10 minuta Liječenje vibracijama Theta healing, med

    Titlovi

Trenutna frekvencija i frekvencije spektralnih komponenti

Periodični signal karakterizira trenutna frekvencija, koja je (do koeficijenta) brzina promjene faze, ali isti signal se može predstaviti kao zbir harmonijskih spektralnih komponenti koje imaju svoje (konstantne) frekvencije. Osobine trenutne frekvencije i frekvencije spektralne komponente su različite.

Ciklična frekvencija

Ako se jedinica ugaone frekvencije koristi kao stepeni u sekundi, odnos sa običnom frekvencijom će biti sledeći: ω = 360°ν.

Numerički, ciklička frekvencija je jednaka broju ciklusa (oscilacija, okretaja) u 2π sekundi. Uvođenje ciklične frekvencije (u njenoj glavnoj dimenziji - radijanima u sekundi) omogućava nam da pojednostavimo mnoge formule u teorijskoj fizici i elektronici. Dakle, rezonantna ciklička frekvencija oscilatornog LC kola je jednaka ω L C = 1 / L C , (\displaystyle \omega _(LC)=1/(\sqrt (LC)),) dok je uobičajena rezonantna frekvencija ν L C = 1 / (2 π L C) . (\displaystyle \nu _(LC)=1/(2\pi (\sqrt (LC))).) Istovremeno, brojne druge formule postaju složenije. Odlučujuće razmatranje u korist ciklične frekvencije bilo je da faktori 2π i 1/(2π), koji se pojavljuju u mnogim formulama kada se koriste radijani za mjerenje uglova i faza, nestaju kada se uvede ciklička frekvencija.

U mehanici kada se razmatra rotaciono kretanje analog ciklične frekvencije je ugaona brzina.

Stopa diskretnih događaja

Učestalost diskretnih događaja (frekvencija impulsa) je fizička veličina, jednak broju diskretni događaji koji se dešavaju u jedinici vremena. Jedinica frekvencije diskretnih događaja je sekunda na minus prvi stepen (ruska oznaka: s −1; međunarodni: s−1). Frekvencija 1 s −1 jednaka je učestalosti diskretnih događaja na kojima se jedan događaj javlja u 1 s.

Frekvencija rotacije

Frekvencija rotacije je fizička veličina jednaka broju punih okretaja u jedinici vremena. Jedinica brzine rotacije je druga minus prva snaga ( s −1, s−1), okretaja u sekundi. Jedinice koje se često koriste su obrtaji u minuti, obrtaji po satu, itd.

Druge količine koje se odnose na frekvenciju

Jedinice

SI jedinica mjerenja je herc. Jedinica je prvobitno uvedena 1930. od strane Međunarodne elektrotehničke komisije, a 1960. usvojena je za opću upotrebu na 11. Generalnoj konferenciji za utege i mjere kao SI jedinica. Ranije se koristila jedinica frekvencije ciklusa u sekundi(1 ciklus u sekundi = 1 Hz) i derivati ​​(kilociklus u sekundi, megaciklus u sekundi, kilomegaciklus u sekundi, jednak kilohercu, megahercu i gigahercu, respektivno).

Metrološki aspekti

Za mjerenje frekvencije koriste se mjerači frekvencije različite vrste, uključujući: za mjerenje frekvencije impulsa - elektronski brojači i kondenzatori, za određivanje frekvencija spektralnih komponenti - rezonantni i heterodinski frekventni mjerači, kao i analizatori spektra. Za reprodukciju frekvencije sa zadatom preciznošću koriste se različite mjere - standardi frekvencije (visoke tačnosti), sintetizatori frekvencije, generatori signala, itd. Frekvencije se upoređuju pomoću komparatora frekvencije ili pomoću osciloskopa koristeći Lissajousove figure.

Standardi

Nacionalni standardi frekvencije koriste se za verifikaciju instrumenata za mjerenje frekvencije. U Rusiji nacionalni standardi frekvencije uključuju:

  • Državni primarni standard jedinica vremena, frekvencije i nacionalne vremenske skale GET 1-98 nalazi se u VNIIFTRI.
  • Sekundarni standard jedinice vremena i frekvencije VET 1-10-82- nalazi se u SNIIM (Novosibirsk).

Računanja

Izračunavanje učestalosti ponavljajućeg događaja se vrši uzimajući u obzir broj pojavljivanja tog događaja u datom vremenskom periodu. Dobiveni iznos se dijeli sa trajanjem odgovarajućeg vremenskog perioda. Na primjer, ako se 71 homogeni događaj dogodio u roku od 15 sekundi, tada će frekvencija biti

ν = 71 15 s ≈ 4,7 Hz (\displaystyle \nu =(\frac (71)(15\,(\mbox(s))))\približno 4,7\,(\mbox(Hz)))

Ako je broj dobijenih uzoraka mali, tada je preciznija tehnika mjerenje vremenskog intervala za dati broj pojavljivanja dotičnog događaja, umjesto da se pronađe broj događaja unutar dati interval vrijeme Korištenje posljednje metode uvodi slučajnu grešku između nule i prvog očitanja, u prosjeku pola očitanja; ovo može dovesti do prosječne greške u izračunatoj frekvenciji Δν = 1/(2 Tm) , ili relativna greška Δ ν /ν = 1/(2v Tm ) , Gdje Tm je vremenski interval, a ν je izmjerena frekvencija. Greška se smanjuje kako frekvencija raste, pa je ovaj problem najznačajniji na niskim frekvencijama, gdje se broj uzoraka N malo.

Metode mjerenja

Stroboskopska metoda

Upotreba posebnog uređaja - stroboskopa - jedna je od povijesno ranih metoda mjerenja brzine rotacije ili vibracija različitih objekata. Proces mjerenja koristi stroboskopski izvor svjetlosti (obično blistavu lampu koja periodično proizvodi kratke bljeskove svjetlosti), čija se frekvencija podešava pomoću unaprijed kalibriranog vremenskog kruga. Izvor svjetlosti usmjerava se na rotirajući objekt, a zatim se frekvencija bljeskova postepeno mijenja. Kada se frekvencija bljeskova izjednači sa frekvencijom rotacije ili vibracije objekta, potonji ima vremena da završi potpuni oscilatorni ciklus i vrati se u prvobitni položaj u intervalu između dva bljeska, tako da kada je osvijetljen stroboskopom , ovaj objekt će izgledati nepomično. Ova metoda, međutim, ima nedostatak: ako brzina rotacije objekta ( x) nije jednak frekvenciji stroboskopa ( y), ali je proporcionalan njemu sa cjelobrojnim koeficijentom (2 x , 3x itd.), tada će objekt i dalje izgledati nepomično kada je osvijetljen.

Stroboskopska metoda se također koristi za fino podešavanje brzine rotacije (oscilacije). U ovom slučaju, frekvencija bljeskova je fiksna, a učestalost periodičnog kretanja objekta se mijenja sve dok ne počne izgledati nepomično.

Beat method

Svi ovi talasi, od najnižih frekvencija radio talasa do najviših frekvencija gama zraka, u osnovi su isti, i svi se nazivaju elektromagnetno zračenje. Svi se šire u vakuumu brzinom svjetlosti.

Još jedna karakteristika elektromagnetnih talasa je talasna dužina. Talasna dužina je obrnuto proporcionalna frekvenciji, tako da elektromagnetski talasi sa višom frekvencijom imaju kraću talasnu dužinu, i obrnuto. U vakuumu talasna dužina

λ = c / ν , (\displaystyle \lambda =c/\nu ,)

Gdje With- brzina svjetlosti u vakuumu. U okruženju u kojem je fazna brzina prostiranja elektromagnetnog talasa c′ se razlikuje od brzine svjetlosti u vakuumu ( c′ = c/n, Gdje n- indeks loma), odnos između talasne dužine i frekvencije će biti sledeći:

λ = c n ν . (\displaystyle \lambda =(\frac (c)(n\nu)).)

Druga često korišćena karakteristika talasa je talasni broj (prostorna frekvencija), jednak broju talasa po jedinici dužine: k= 1/λ . Ponekad se ova veličina koristi sa koeficijentom od 2π, po analogiji sa običnom i kružnom frekvencijom k s = 2π/λ. U slučaju elektromagnetnog talasa u mediju

k = 1 / λ = n ν c . (\displaystyle k=1/\lambda =(\frac (n\nu)(c)).) k s = 2 π / λ = 2 π n ν c = n ω c . (\displaystyle k_(s)=2\pi /\lambda =(\frac (2\pi n\nu )(c))=(\frac (n\omega )(c)).)

Zvuk

Svojstva zvuka (mehaničke elastične vibracije medija) zavise od frekvencije. Osoba može čuti vibracije sa frekvencijama u rasponu od 20 Hz spada u opseg note 50 Hz. U Sjevernoj Americi (SAD, Kanada, Meksiko), Centralnoj i nekim zemljama u sjevernom dijelu južna amerika(Brazil, Venecuela, Kolumbija, Peru), kao i u nekim azijskim zemljama (u jugozapadnom dijelu Japana, u sjeverna koreja, Saudijska Arabija, Filipini i Tajvan) koristi frekvenciju od 60 Hz. Pogledajte Standarde za konektore, napone i frekvencije u različitim zemljama. Gotovo svi električni aparati za kućanstvo rade podjednako dobro u mrežama frekvencije od 50 i 60 Hz, pod uslovom da je napon mreže isti. IN kasno XIX- u prvoj polovini 20. veka, pre standardizacije, frekvencije od 16 su korišćene u različitim izolovanim mrežama , iako povećava gubitke pri prijenosu na velike udaljenosti - zbog kapacitivnih gubitaka, povećanja induktivne reaktancije linije i gubitaka na

Karakteristika periodičnog procesa, jednaka broju završenih ciklusa procesa u jedinici vremena. Standardne oznake u formulama su , , ili . Jedinica frekvencije u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) je općenito herc ( Hz, Hz). Recipročna vrijednost frekvencije naziva se period. Frekvencija je, kao i vrijeme, jedna od najpreciznije mjerenih fizičkih veličina: do relativne tačnosti od 10 −17.

U prirodi su poznati periodični procesi sa frekvencijama od ~10 −16 Hz (frekvencija Sunčeve revolucije oko centra Galaksije) do ~10 35 Hz (frekvencija oscilacija polja karakteristična za najvisokoenergetske kosmičke zrake).

Ciklična frekvencija

Stopa diskretnih događaja

Učestalost diskretnih događaja (frekvencija impulsa) je fizička veličina jednaka broju diskretnih događaja koji se dešavaju u jedinici vremena. Jedinica frekvencije diskretnih događaja je druga na minus prvi stepen ( s −1, s−1), međutim u praksi se herc obično koristi za izražavanje frekvencije pulsa.

Frekvencija rotacije

Frekvencija rotacije je fizička veličina jednaka broju punih okretaja u jedinici vremena. Jedinica brzine rotacije je druga minus prva snaga ( s −1, s−1), okretaja u sekundi. Jedinice koje se često koriste su obrtaji u minuti, obrtaji po satu, itd.

Druge količine koje se odnose na frekvenciju

Metrološki aspekti

Mjerenja

  • Za mjerenje frekvencije koriste se različiti tipovi mjerača frekvencije i to: za mjerenje frekvencije impulsa - elektronski brojeći i kondenzatorski, za određivanje frekvencija spektralnih komponenti - rezonantni i heterodinski mjerači frekvencije, kao i analizatori spektra.
  • Za reprodukciju frekvencije sa zadatom preciznošću koriste se različite mjere - standardi frekvencije (visoka tačnost), sintetizatori frekvencije, generatori signala itd.
  • Uporedite frekvencije pomoću komparatora frekvencije ili pomoću osciloskopa koristeći Lissajousove obrasce.

Standardi

  • Državni primarni standard jedinica vremena, frekvencije i nacionalne vremenske skale GET 1-98 - nalazi se u VNIIFTRI
  • Sekundarni standard jedinice vremena i frekvencije VET 1-10-82- nalazi se u SNIIM (Novosibirsk)

vidi takođe

Bilješke

Književnost

  • Fink L. M. Signali, smetnje, greške... - M.: Radio i komunikacije, 1984.
  • Jedinice fizičkih veličina. Burdun G. D., Bazakutsa V. A. - Harkov: škola Vishcha,
  • Physics Handbook. Yavorsky B. M., Detlaf A. A. - M.: Nauka,

Linkovi


Wikimedia fondacija. 2010.

Sinonimi:
  • Autorizacija
  • Hemijska fizika

Pogledajte šta je "Frekvencija" u drugim rječnicima:

    FREQUENCY- (1) broj ponavljanja periodične pojave u jedinici vremena; (2) bočna frekvencija Ch, veća ili manja od frekvencije nosioca visokofrekventnog generatora, koja se javlja kada (vidi); (3) Broj okretaja je vrijednost jednaka omjeru broja okretaja...... Velika politehnička enciklopedija

    Frekvencija- frekvencija jonske plazme - frekvencija elektrostatičkih oscilacija koje se mogu uočiti u plazmi čija temperatura elektrona značajno premašuje temperaturu jona; ova frekvencija zavisi od koncentracije, naboja i mase jona plazme..... Termini nuklearne energije

    FREQUENCY- FREKVENCIJA, frekvencije, množina. (posebne) frekvencije, frekvencije, žene. (knjiga). 1. samo jedinice rasejan imenica često. Učestalost slučajeva. Frekvencija ritma. Povećan broj otkucaja srca. Trenutna frekvencija. 2. Količina koja izražava jedan ili drugi stepen nekog učestalog kretanja... Ushakov's Explantatory Dictionary

    frekvencija- s; frekvencije; i. 1. do Često (1 cifra). Pratite učestalost ponavljanja poteza. Neophodan deo sadnje krompira. Obratite pažnju na svoj puls. 2. Broj ponavljanja identičnih pokreta, oscilacije u kom pravcu. jedinica vremena. Sati rotacije točkova. H... enciklopedijski rječnik

    FREQUENCY- (Učestalost) broj perioda u sekundi. Frekvencija je recipročna vrednost perioda oscilovanja; npr ako je frekvencija naizmjenične struje f = 50 oscilacija u sekundi. (50 N), tada period T = 1/50 sek. Frekvencija se mjeri u hercima. Prilikom karakterizacije zračenja... ... Morski rječnik

    frekvencija- harmonika, vibracija Rječnik ruskih sinonima. frekvencija imenica density density (o vegetaciji)) Rječnik ruskih sinonima. Kontekst 5.0 Informatika. 2012… Rečnik sinonima

    frekvencija- izgled slučajni događaj je omjer m/n broja m pojavljivanja ovog događaja u datom nizu pokušaja (njegovog pojavljivanja) prema ukupnom broju n pokušaja. Termin frekvencija se također koristi za označavanje pojavljivanja. U staroj knjizi..... Rječnik sociološke statistike

    Frekvencija- oscilacije, broj kompletnih perioda (ciklusa) oscilatornog procesa koji se dešavaju u jedinici vremena. Jedinica frekvencije je herc (Hz), što odgovara jedinici puni ciklus za 1 s. Frekvencija f=1/T, gde je T period oscilovanja, koliko god često... ... Ilustrovani enciklopedijski rječnik

Semestarski rad iz mjeriteljstva, standardizacije i sertifikacije na temu: "Mjerenje frekvencije elektromagnetnih talasa"

Fragmenti iz semestra

  • Uvod
  • Metode mjerenja frekvencije
  • Opće informacije
  • Rezonantna metoda
  • Četvrtvalalni mjerač rezonantne frekvencije
  • Mrežni merač rezonantne frekvencije
  • Merač rezonantne frekvencije sa šupljinskim rezonatorom
  • Metoda poređenja

Uvod

Mjerenja frekvencije se općenito provode na vrlo različite načine. Različiti putevi, budući da fluktuacije u prirodi imaju drugačiji karakter. Ovo bi moglo biti najobičnije klatno, električno kolo, talas ili čak vibracija tijela. Oscilatorni procesi su vrlo česta pojava u savremeni svet tehnologije, a frekvencija je jedna od njihovih najosnovnijih karakteristika, najčešće neovisna o okruženju, pa je njeno precizno mjerenje vrlo važno. Razmotrimo glavne načine mjerenja frekvencije oscilacija elektromagnetnih valova.

Glavne karakteristike frekventnih mjerača

Jedan od najvažnijih zadataka mjerne tehnologije je mjerenje frekvencije ili talasne dužine vibracija. Mjerenja frekvencije i talasne dužine različita su po prirodi: prvo se zasniva na mjerenju vremena, a drugo na mjerenju dužine. Obično se frekvencija bira kao glavna veličina, jer njena vrijednost ne ovisi o uvjetima širenja i, što je jednako važno, postoje visokoprecizni standardi frekvencije sa kojima se izmjerene frekvencije mogu uporediti. Glavne karakteristike instrumenata koji se koriste za merenje frekvencije i talasne dužine su: relativna greška, osetljivost, opseg merenih frekvencija i operativna pouzdanost. Relativna greška uređaja podrazumijeva se kao omjer razlike između izmjerene i referentne frekvencije i vrijednosti referentne frekvencije. Prema preciznosti, svi uređaji su podijeljeni u tri grupe: niska tačnost sa relativnom greškom većom od 0,1%, srednja tačnost sa greškom od (0,01-0,1)% i visoka tačnost sa greškom manjom od 0,01%. Osjetljivost uređaja karakterizira minimalna snaga signala dostavljenog frekvencijskom mjeraču na kojoj je moguće očitavanje frekvencije.

metode mjerenja frekvencije

Opće informacije

Frekvencija oscilovanja je broj kompletnih oscilacija u jedinici vremena: f = n / t
gdje je t vijek trajanja n oscilacija.
Za harmonijske vibracije frekvencija f = 1/T, gdje je T period oscilovanja.

Jedinica frekvencije, herc, definira se kao jedna oscilacija u sekundi. Učestalost i vrijeme su neraskidivo povezani, pa je mjerenje jedne ili druge veličine diktirano praktičnošću eksperimenta i potrebnom greškom mjerenja. U Međunarodnom sistemu jedinica SI, vrijeme je jedna od sedam osnovnih fizičkih veličina. Frekvencija elektromagnetnih oscilacija povezana je sa periodom oscilovanja T i dužinom homogenog ravnog talasa u slobodnom prostoru sledećim relacijama: ... ... , gde je c brzina svetlosti jednaka 299.792,5 ± 0,3 km/s .

Frekvencijski spektar elektromagnetnih oscilacija koji se koriste u radiotehnici proteže se od djelića herca do hiljada gigaherca. Ovaj spektar se prvo deli na dva opsega - niske i visoke frekvencije. Niske frekvencije takođe uključuju infrazvuk (ispod 20 Hz), zvuk (20-20.000 Hz) i ultrazvučni (20-200 kHz). Visokofrekventni opseg je zauzvrat podijeljen na visoke frekvencije (20 kHz - 30 MHz), ultra visoke (30 - 300 MHz) i ultra visoke (iznad 300 MHz). Gornja granica ultra-visokih frekvencija se kontinuirano povećava i trenutno je dostigla 80 GHz (ne računajući optički opseg). Ovo razdvajanje se objašnjava različitim načinima proizvodnje električnih vibracija i razlikama između njih fizička svojstva, kao i karakteristike širenja preko udaljenosti. Međutim, nemoguće je povući jasnu granicu između pojedinih dijelova spektra, pa je ova podjela uglavnom proizvoljna.

Način punjenja kondenzatora

Povežimo kondenzator, čiji je kapacitet C, na izvor napona U. Kondenzator će se napuniti i akumulirati količinu električne energije q = CU. Ako se kondenzator prebaci na magnetoelektrični mjerač struje, tada će količina električne energije q proći kroz njega, uzrokujući skretanje pokazivača. Ako je kondenzator naizmjenično priključen na izvor napona za punjenje i na mjerač struje za pražnjenje sa frekvencijom uključivanja od f puta u sekundi, tada će količina električne energije koja prolazi kroz ampermetar tijekom pražnjenja biti f puta veća: fq = fCU = I, gdje je I - prosječna vrijednost struje pražnjenja. Iz toga slijedi da je struja u takvom kolu direktno proporcionalna frekvenciji uključivanja, a uz konstantan proizvod CU, skala ampermetra se može kalibrirati u frekvencijskim jedinicama.

Ministarstvo za opšte i stručne poslove

obrazovanje Ruske Federacije.

Orsk humanitarno-tehnološki institut

Katedra za opštu fiziku.

KURSNI RAD

Mjerenja parametara elektromagnetnih talasa na ultravisokim frekvencijama.

Izvršio: student Fizičko-matematičkog fakulteta, grupa 4B

Bessonov Pavel Aleksandrovič .

Naučni rukovodilac: dr. n. docent Abramov Sergej Mihajlovič .

Orsk. 1998


1. Osnovni koncepti 3

2. §1. Merenje snage 3

3. 1. Opće informacije 3

4. 2. Kalorimetrijski mjerači snage 3

5. §2. Merenje frekvencije 8

6. 1. Glavne karakteristike frekventnih mjerača 8

7. 2. Merači rezonantne frekvencije 8

8. 3. Heteroidni frekventni mjerači 13

9. §3. Merenje impedanse 15

10. 1. Opće informacije 15

11. 2. Merači polarizacione impedanse 51

12. 3. Panoramski SWR i mjerači impedanse 17


OSNOVNI KONCEPTI

U mikrovalnom opsegu, u pravilu se mjere snaga, frekvencija i impedansa uređaja. Važna su i mjerenja faznog pomaka, jačine polja, faktora kvaliteta, slabljenja snage talasa, amplitudno-frekventnog spektra itd. Za određivanje ovih veličina u širokim rasponima njihovog variranja potrebno je koristiti različite metode i radio mjerne instrumente.

Postoje direktna i indirektna mjerenja. Direktna mjerenja se koriste u slučajevima kada se izmjerena veličina može direktno uporediti sa mjerom ili se može mjeriti instrumentima kalibriranim u odabranim jedinicama. Direktna mjerenja se vrše ili metodom direktne procjene, kada se izmjerena vrijednost utvrđuje očitanjima baždarenog instrumenta, ili metodom poređenja, kada se izmjerena vrijednost utvrđuje upoređivanjem sa mjerom date vrijednosti. Indirektna mjerenja sastoje se u zamjeni mjerenja date veličine sa drugim u vezi sa željenim poznatim odnosom.

Glavne karakteristike radio mernih instrumenata su: opseg mernih vrednosti; frekvencijski opseg u kojem se uređaj može koristiti; osjetljivost za mjereni parametar, što je omjer povećanja očitavanja instrumenta i priraštaja mjerene vrijednosti koja ga je uzrokovala; rezolucija, definirana kao minimalna razlika između dvije izmjerene vrijednosti koje uređaj može razlikovati; greška; Potrošnja energije.

§1. MERENJE SNAGE.

1. Opće informacije

Nivoi snage koji se mjere variraju za više od dvadeset redova veličine. Naravno, metode i instrumenti koji se koriste za takva mjerenja su veoma raznoliki. Princip rada velike većine mikrovalnih mjerača snage, nazvanih vatmetri, zasniva se na mjerenju promjena temperature ili otpora elemenata u kojima se rasipa energija elektromagnetnih oscilacija koje se proučavaju. Instrumenti zasnovani na ovom fenomenu uključuju kalorimetrijska i termistorska mjerača snage. Vatmetri koji koriste ponderomotivne fenomene (elektromehaničke sile) i vatmetri koji rade na Holovom efektu postali su široko rasprostranjeni. Posebnost prvog od njih je mogućnost mjerenja apsolutne snage, a drugog - mjerenja snage bez obzira na koordinaciju RF puta.

Na osnovu načina uključivanja u predajni put, vatmetri se dijele na predajne i apsorbirajuće. Vatmetar prenosnog tipa je uređaj sa četiri terminala u kojem se apsorbuje samo mali dio ukupne snage. Vatmetar apsorpcionog tipa, koji je mreža sa dva terminala, povezan je na kraju dalekovoda i idealno je da se sva snaga upadnog talasa apsorbuje u njemu. Vatmetar prenosnog tipa se često zasniva na mjeraču apsorpcionog tipa koji je povezan na putanju kroz usmjerenu spojnicu.

2. Kalorimetrijski mjerači snage

Kalorimetrijske metode za mjerenje snage zasnivaju se na pretvaranju elektromagnetske energije u toplotnu energiju u otporu tereta, koji je sastavni dio brojila. Količina proizvedene topline određena je promjenama temperature u opterećenju ili u okolini na koju se toplina prenosi. Postoje statički (adijabatski) i protočni (neadijabatski) kalorimetri. U prvom se snaga mikrovalne pećnice raspršuje u toplinski izoliranom opterećenju, a u drugom je osiguran kontinuirani protok kalorimetrijske tekućine. Kalorimetrijski mjerači vam omogućavaju mjerenje snage od nekoliko milivata do stotina kilovata. Statički kalorimetri mjere male i prosječni nivoi snage, a inline - srednje i velike vrijednosti snage.

Uvjet ravnoteže topline u kalorimetrijskom opterećenju ima oblik

gdje je P mikrovalna snaga raspršena u opterećenju; T I T 0- opterećenje i temperatura okoline; With , m- specifični toplotni kapacitet i masa kalorimetrijskog tijela; k-koeficijent toplotne disipacije. Rješenje jednačine je predstavljeno u obliku

(2)

Gdje τ =c m / k- termička vremenska konstanta.

U slučaju statičkog kalorimetra, vrijeme mjerenja je mnogo manje od konstantnog τ i snagu mikrovalne pećnice u skladu s formulom 1 će:

(3,a)

Ovdje se brzina promjene temperature u opterećenju mjeri u stepenima s -1, m-u g, c- u J (g stepeni) -1, R- u W.

Ako With tada ima dimenziju cal (g deg) -1

(3,b)

Glavni elementi statičkih kalorimetara su toplinski izolirano opterećenje i uređaj za mjerenje temperature. Lako je izračunati apsorbiranu mikrovalnu snagu iz izmjerene brzine porasta temperature i poznatog toplotnog kapaciteta opterećenja.

Instrumenti koriste različite visokofrekventne završnice napravljene od čvrstog ili tekućeg dielektričnog materijala sa gubitkom, ili u obliku ploče ili filma visokog otpora. Za određivanje promjena temperature koriste se termoparovi i različiti termometri.

Razmotrimo statički kalorimetar u kojem su zahtjevi za toplinskom izolacijom smanjeni i nema potrebe za određivanjem toplinskog kapaciteta T c kalorimetrijski dodatak (sl. 1 ). Ovo kolo koristi metodu zamjene. U njemu za kalibraciju uređaja 4 , mjerenje povećanja temperature kako se izmjerena snaga dovedena u ruku rasipa 1 , koristi se poznata jednosmjerna ili niskofrekventna struja koja se dovodi do ruke 2. Pretpostavlja se da je temperatura mlaznice 3 jednako se mijenja kada se rasipaju jednake vrijednosti mikrovalne snage i istosmjerne struje. Statički kalorimetri mogu mjeriti snagu od nekoliko milivata sa greškom manjom od ±1%.

Rice. 1

Glavni elementi protočnog kalorimetra su: opterećenje, gdje se energija elektromagnetnih vibracija pretvara u toplinu, sistem za cirkulaciju fluida i sredstvo za mjerenje temperaturne razlike između ulaznog i izlaznog fluida koji teče kroz teret. Mjerenjem ove temperaturne razlike u stacionarnom stanju, prosječna snaga se može izračunati pomoću formule

(4)

Gdje υ - protok kalorimetrijske tečnosti, cm 3 s -1; d- gustina tečnosti, g cm -3; Δ T - temperaturna razlika, K; sa, kal (g stepeni) -1 .

Protočni kalorimetri se razlikuju po vrsti cirkulacijskog sistema (otvoreni i zatvoreni), po vrsti grijanja (direktno i indirektno) i po načinu mjerenja (pravo kalorimetrijski i zamjenski).

U kalorimetrima otvorenog tipa obično se koristi voda, koja iz vodovodne mreže prvo ulazi u rezervoar za stabilizaciju pritiska, a zatim u kalorimetar. U kalorimetrima zatvorenog tipa, kalorimetrijska tečnost cirkuliše u zatvorenom sistemu. Stalno se pumpom naduvava i hladi na temperaturu okoline pre nego što ponovo uđe u kalorimetar.U ovom sistemu se, pored destilovane vode, kao rashladna sredstva koriste rastvor natrijum hlorida, mešavina vode sa etilen glikolom ili glicerinom.

Kod direktnog grijanja, RF snaga se apsorbira direktno od strane tekućine koja kruži. Kod indirektnog grijanja, cirkulirajući fluid se koristi samo za odvođenje topline iz tereta. Indirektno grijanje omogućava rad u širem rasponu frekvencija i snaga, budući da su funkcije prijenosa topline odvojene od funkcija apsorpcije RF energije i usklađivanja opterećenja.

Rice. 2 .

Dijagram prave kalorimetrijske metode prikazan je na (sl. 2 .). Izmjerena RF snaga se raspršuje u opterećenju 1 i direktno ili indirektno prenosi energiju fluidu koji teče. Temperaturna razlika između tečnosti koja ulazi i izlazi iz tereta se meri pomoću termoblokova 2. Količina tečnosti koja teče u sistemu u jedinici vremena se meri pomoću merača protoka 3. Naravno, protok tečnosti tokom ovakvih merenja mora biti konstantan.

Greške mjerenja RF snage u razmatranom kolu su povezane s brojnim faktorima. Prije svega formula 4 ne uzima u obzir prenos toplote između različitih delova kalorimetra i gubitak toplote u RF opterećenju i cevima. Različite tehnike dizajna mogu smanjiti utjecaj ovih faktora. Neravnomjernost protoka kalorimetrijske tekućine i pojava mjehurića zraka dovode do greške u određivanju brzine protoka tečnosti i promjene njenog efektivnog toplotnog kapaciteta. Da bi se ova greška smanjila, koriste se hvatači zračnih mjehurića i ravnomjeran protok fluida se postiže pomoću regulatora protoka i drugih sredstava.

Mjerni krug koji implementira metodu zamjene razlikuje se od razmatranog po tome što se dodatni grijaći element uvodi u seriju s mikrovalnim opterećenjem, rasipajući snagu niskofrekventnog izvora struje. Imajte na umu da se kod indirektnog grijanja snaga mikrovalnog signala i snaga niskofrekventne struje unose u isto opterećenje i nestaje potreba za dodatnim grijaćim elementom.

Postoje dvije moguće metode mjerenja korištenjem metode zamjene - kalibracija i ravnoteža. Prvi od njih je mjerenje snage niske frekvencije koja se dovodi do grijaćeg elementa pri kojoj je razlika u temperaturi tekućine na ulazu i izlazu ista kao kod primjene mikrovalne snage. Kod balansirane metode, određena temperaturna razlika u tečnosti se prvo utvrđuje kada se napaja niskofrekventna snaga P 1, zatim se napaja izmerena RF snaga P, a niskofrekventna snaga se smanjuje na toliku vrednost P 2 da se temperaturna razlika ostaje ista. U ovom slučaju, P=P 1 -P 2.

Rice. 3 .

Greške u mjerenju povezane s varijabilnošću protoka fluida tokom ciklusa mjerenja mogu se izbjeći ako postoji opterećenje 1 na ulazu i izlazu (Sl. 3 ) i grijaći element 2, daju otpornike osjetljive na temperaturu R 1, R 2, R 3, R 4 povezane preko mostnog kola. Pod uslovom da su elementi osetljivi na temperaturu identični, ravnoteža mosta će se posmatrati za bilo koju brzinu protoka fluida. Mjerenja se vrše na uravnotežen način.

Razmatrani kalorimetri protoka se koriste za apsolutna mjerenja, prvenstveno pri visokim nivoima snage. U kombinaciji sa kalibriranim usmjerenim spojnicama služe za kalibraciju mjerača srednje i male snage. Postoje dizajni kalorimetara protoka za direktna mjerenja srednjih i malih snaga. Vrijeme mjerenja ne prelazi nekoliko minuta, a greška mjerenja se može smanjiti na 1-2%

Među kalorimetrijskim vatmetrima za mjerenje snage kontinuiranih oscilacija, kao i prosječne snage impulsno moduliranih oscilacija, izdvajamo uređaje MZ-11A, MZ-13 i MZ-13/1, koji pokrivaju opseg mjerenih snaga od 2 kW do 3 MW na frekvencijama do 37,5 GHz.


§2. MERENJE FREKVENCIJE

1. Glavne karakteristike frekventnih mjerača

Jedan od najvažnijih zadataka mjerne tehnologije je mjerenje frekvencije ili talasne dužine vibracija. Frekvencija je povezana sa talasnom dužinom na sledeći način: (5)

Mjerenja frekvencije i talasne dužine različita su po prirodi: prvo se zasniva na mjerenju vremena, a drugo na mjerenju dužine. Obično se frekvencija bira kao glavna veličina, jer njena vrijednost ne ovisi o uvjetima širenja i, što je jednako važno, postoje visokoprecizni standardi frekvencije sa kojima se izmjerene frekvencije mogu uporediti.

Glavne karakteristike instrumenata koji se koriste za merenje frekvencije i talasne dužine su: relativna greška, osetljivost, opseg merenih frekvencija i operativna pouzdanost.

Relativna greška uređaja podrazumijeva se kao omjer razlike između izmjerene i referentne frekvencije i vrijednosti referentne frekvencije. Prema preciznosti, svi uređaji su podijeljeni u tri grupe: niska tačnost sa relativnom greškom većom od 0,1%, srednja tačnost sa greškom od (0,01-0,1)% i visoka tačnost sa greškom manjom od 0,01%. Osjetljivost uređaja karakterizira minimalna snaga signala dostavljenog frekvencijskom mjeraču na kojoj je moguće očitavanje frekvencije.

2. Merači rezonantne frekvencije

Rice. 4 .

Rice. 5 .

Mjerači rezonantne frekvencije obično sadrže sljedeće elemente (Sl. 4 ): volumetrijski rezonator 2, komunikacioni elementi 1, element za podešavanje 3, indikator 5 sa ili bez pojačala 4. Veza između ulazne linije i indikatorskog uređaja sa rezonatorom se bira na osnovu kompromisa između vrednosti opterećenog faktora kvaliteta rezonatora i osetljivosti uređaja. Merač frekvencije se podešava na određenu frekvenciju izmerenih oscilacija merenjem geometrijskih dimenzija rezonatora. U ovom slučaju, dimenzije rezonantne talasne dužine ili frekvencije određuju se položajem elemenata za podešavanje u trenutku rezonancije, koji određuje indikatorski uređaj. Kao indikatori najčešće se koristi jednosmjerni mikroparametar, a kada se promijeni frekvencija moduliranih oscilacija koristi se osciloskop ili mjerno pojačalo. Postoje dva načina uključivanja mjerača frekvencije - sa indikacijom podešavanja prema maksimalnoj struji uređaja (prolazni krug) i minimalnoj struji (apsorpcioni ili apsorpcioni krug). Prva shema, koja je postala najraširenija, prikazana je na (sl. 5) . Rezonator sa spojnim elementima i uređajem za podešavanje frekvencije prikazan je na (sl. 5.a), njegovo ekvivalentno kolo je prikazano na (sl. 5 B). Kada je rezonancija frekventnog merača podešena, očitavanje indikatorskog uređaja je nula. U trenutku rezonancije, maksimalna struja teče kroz uređaj (vidi Sl. 5.c).

U nekim slučajevima je koristan drugi krug za uključivanje mjerača rezonantne frekvencije - s naznakom minimalne struje na. rezonancija. Struktura takvog rezonatora prikazana je na (sl. 6a), ekvivalentno kolo je prikazano na (sl. 6b). Na frekvencijama koje nisu rezonantne, ulazna impedancija paralelno spojenog kola je mala i pretvara se u kolo. detektor kroz segment dužine λ/4, ne unosi primetne promene u glavno kolo. Kao rezultat toga, preko indikatorskog uređaja frekvencijskog mjerača, odgovarajuća frekvencija izmjerenih oscilacija se provodi promjenom geometrijskih dimenzija rezonatora. U ovom slučaju, vrijednost rezonantne valne dužine ili frekvencije određena je položajem elemenata za podešavanje u trenutku rezonancije, što bilježi indikatorski uređaj. Kao indikatori najčešće se koristi DC mikroampermetar, a pri mjerenju frekvencije moduliranih oscilacija koristi se osciloskop ili mjerno pojačalo. Postoje dva načina uključivanja mjerača frekvencije - sa indikacijom postavke prema maksimalnoj struji uređaja (prolazni krug) i minimalnoj struji (apsorpcioni, odnosno apsorpcijski, krug). Prva shema, koja je postala najraširenija, prikazana je na (sl. 2 ). Rezonator sa spojnim elementima i uređajem za podešavanje frekvencije prikazan je na (sl. 2a), njegovo ekvivalentno kolo je prikazano na (sl. 26 ). Kada je rezonator frekventnog mjerača depodešen, očitavanje indikatorskog uređaja je nula. U trenutku rezonancije, maksimalna struja teče kroz uređaj (vidi Sl. 2v).

Rice. 6 .

Razmotrimo karakteristike dizajna mjerača rezonantne frekvencije koji se uglavnom razlikuju po vrsti oscilatornih sistema.

Uključeno (sl. 7 ) prikazuje rezonatorske uređaje sa elementima za komunikaciju i podešavanje, koji se najčešće koriste u mjeračima rezonantne frekvencije. Uključeno (sl. 7a) prikazan je dizajn rezonatora u obliku četvrttalasnog preseka koaksijalne linije. Rezonator je povezan sa RF generatorom i mjernim uređajem preko petlji smještenih u bočnom zidu. Rezonator se podešava promjenom dužine središnjeg provodnika. Skala mikrometra spojenog na centralni provodnik je graduisana u talasnim dužinama ili opremljena kalibracionom krivom. RF kontakt između unutrašnjeg provodnika i krajnjeg zida rezonatora formira se pomoću kondenzatora. Suprotni kraj rezonatora zatvoren je metalnim poklopcem. Zbog efekta kapacitivnog ruba, rezonantna dužina na slobodnom kraju centralnog provodnika je nešto manja od λ/4.

Frekventni mjerači koaksijalnog tipa koriste se prvenstveno u opsegu talasnih dužina 3-300 cm.Raspon podešavanja frekvencija sa pomičnim centralnim provodnikom je 2:1. Greška frekventnih mjerača koaksijalnog dizajna je (0,05-0,1)% i ovisi o konstrukcijskim karakteristikama uređaja i tačnosti kalibracije.

Rice. 7 .

Na višim frekvencijama u mikrovalnom opsegu koriste se mjerači rezonantne frekvencije u obliku cilindričnih volumetrijskih rezonatora. Rezonatori pobuđeni vibracijama tipa H O 011 i H O 111 imaju veći širokopojasni i visok faktor kvaliteta.

U slučaju rezonatora baziranih na vibracijama tipa H O 011, može se koristiti beskontaktna završna ploča za promjenu dužine cilindra (vidi sl. 7, b), budući da trenutne linije vibracija ovog tipa imaju oblik kružnica u poprečnom presjeku cilindra. Prisustvo praznine je neophodno da bi se eliminisale druge vrste vibracija čije strujne linije prolaze kroz jaz. Polje ovih vibracija, pobuđeno u prostoru iza ploče, apsorbuje se u posebnom apsorbujućem sloju. Najopasnije su vibracije tipa E O 111, koje imaju istu rezonantnu frekvenciju kao i H O 011. Za njegovo suzbijanje, pored gore navedenih mjera veliki značaj imaju izbor i raspored komunikacijskih elemenata koji uzimaju u obzir razliku u konfiguraciji vibracionih polja oblika H O 011 i E O 111. U slučaju koji se razmatra, spojni element je uski prorez izrezan duž generatrise cilindra i duž uskog zida dovodnog talasovoda. Povećani su zahtjevi za pažljivom proizvodnjom rezonatora, jer čak i mala asimetrija može dovesti do pobuđivanja vibracija tipa E O 111 i do smanjenja faktora kvalitete rezonatora, dostižući 50.000 u rasponu valnih dužina od 10 cm. .

Greška u merenju frekvencije rezonantnim frekventometrom zavisi od tačnosti njegovog prilagođavanja na rezonanciju, od savršenstva mehaničkog sistema i kalibracije, kao i od uticaja vlažnosti i temperature okoline.

Preciznost podešavanja na rezonanciju ovisi o opterećenom faktoru kvalitete rezonatora Q i grešci indikatorskog uređaja:

(6)

Gdje Δ f-depodešavanje frekvencije na kojoj je amplituda struje u A puta manje od amplitude struje u rezonanciji. Smanjiti Δ f / f 0 , morate izabrati Ašto je moguće bliže jedinici, tj. potrebno je imati tačan indikatorski uređaj koji označava male promjene struje. Sta ako A= 1.02, dakle Δ f / f 0 = 1/ 10 Q n i na Q n=5000 ispada Δ f / f 0 =2·10 -5.

Kod mjerača rezonantne frekvencije sa visokim faktorom kvalitete, određena greška se unosi mehaničkom nepreciznošću podešavanja zbog zazora u pogonu, nepouzdanim kontaktima između pokretnih dijelova rezonatora itd.

Što je veći frekventni opseg za koji su frekventni mjerači dizajnirani, veća je greška mjerenja povezana s nepreciznošću očitavanja očitavanja. Ova greška se može izračunati pomoću formule

Gdje Δl- greška u određivanju položaja elementa za podešavanje, obično odgovara cijeni jedne podjele i jednaka je 0,5-10 mikrona. Da bi ova greška bila ista u cijelom radnom frekventnom opsegu, potrebno je imati df / dl proporcionalan f 0 .

Rezonantni frekventni mjerači se obično kalibriraju poređenjem njihovih očitanja sa očitanjima referentnog uređaja na različitim frekvencijama. Prihvatljiva tačnost se postiže ako je greška standardnog frekventnog merača, zajedno sa greškom metode, pet puta manja od greške kalibriranog uređaja.

Promjena dielektrične konstante zraka, uzrokovana promjenljivošću njegove temperature i vlažnosti, dovodi do promjene rezonantne frekvencije frekventnog mjerača, a posljedično i do greške u mjerenju. U normalnim uslovima ova greška dostiže 5 10 -5.

Kada se temperatura okoline promijeni, mijenjaju se geometrijske dimenzije rezonatora, a to, zauzvrat, dovodi do greške u mjerenju frekvencije. Greška iz ovog uzroka se izračunava pomoću formule

Δ f / f 0 =- αkΔT (8)

gdje je α linearni temperaturni koeficijent ekspanzije materijala rezonatora; k-koeficijent u zavisnosti od dizajna rezonatora. Za cilindrične rezonatore ( k=1), napravljen od bakra, promena temperature od 1°C daje grešku u frekvenciji od 2 10 -5.

U tabeli su prikazani glavni parametri nekih mjerača rezonantne frekvencije u modovima kontinuirane proizvodnje (CW) i impulsne modulacije (PM). Greška mjerenja za sve date uređaje je 0,05%. Posljednji stupac daje otpor koaksijalnog ulaznog elementa ili poprečni presjek pravokutnog valovoda.

Uređaji o kojima se govori u tabeli sastoje se od rezonatora, 10 dB varijabilnog atenuatora, pojačala i indikatora. U frekventnim brojačima Ch2-31-Ch2-33 kao rezonantni sistem se koriste cilindrični rezonatori koji se pobuđuju vibracijama tipa H O 112, au ostalim frekventnim brojačima koriste se rezonatori koaksijalnog tipa. Rezonatori su povezani u prolazno kolo.

Parametri mjerača rezonantne frekvencije

3. Heterodinski frekventni mjerači.

Najprecizniji mjerači frekvencije su uređaji zasnovani na upoređivanju frekvencije signala koji se proučava sa frekvencijom visoko stabilnog izvora. Postoje različite metode za poređenje frekvencija: nula otkucaja, generator interpolacije i sekvencijalna redukcija frekvencije.

Rice. 8 . Rice. 9 .

Na linearnom elementu za miješanje (sl. 8 ) isporučuje se RF signal nepoznate frekvencije f x i signal sa frekvencijom f op iz referentnog izvora. Izlaz miksera proizvodi signale sa istim frekvencijama, kao i njihove harmonike i signale sa frekvencijama otkucaja. Budući da su amplitude harmonijskih komponenti male, pa su stoga i signali njihove razlike frekvencije mali, pogodno je koristiti signal sa frekvencijom otkucaja za indikaciju f b = f X – f op =0 . Otuda i naziv metode - nulta metoda. Na izlazu nelinearnog elementa uključuje se indikator, na primjer telefon, koji prenosi samo signale audio frekvencije. Ako glatko promijenite frekvenciju referentnog oscilatora, kada f X - f op <15000 Гц в телефоне появляется тон разностной частоты, который понижается три сближении f X I f op .

Uključeno (sl. 9 ) pokazuje prirodu promjene f b na fiksnoj nepoznatoj frekvenciji f X i podesivu frekvenciju f op. At f b <16 Hz ljudsko uho prestaje da percipira niske frekvencije, a kao rezultat toga greška može doseći 32 Hz. Da biste smanjili grešku, trebali biste upotrijebiti "rač" brojanje: zapamtite na uho određeni ton otkucaja, na primjer, koji odgovara frekvenciji f op1. Zatim zabilježite frekvenciju f op2, u kojem se na telefonu čuje isti ton udaranja. Učestalost pretraživanja f X je aritmetička sredina označenih frekvencija.

U realnim uslovima, harmonijske komponente glavnih signala se istovremeno generišu u mikseru, pa se bilježe nula otkucaja kada su frekvencije harmonika jednake nf X=m f op, Gdje n , t=1,2,3... Da biste eliminirali grešku u odabiru harmonika u ovom slučaju, prvo morate približno izmjeriti nepoznatu frekvenciju nekom metodom, na primjer, rezonantnom.

Ako je izmjerena frekvencija izvan frekvencijskog opsega referentnog oscilatora, tada se mjeri metodom otkucaja između harmonijskih komponenti i signala osnovne frekvencije. Sta ako f X << f op, zatim naizmjenično podesite referentni oscilator na nula otkucaja s bilo koje dvije susjedne harmonijske komponente izmjerene frekvencije: f op1 =p f X i f op2 =(n±1) f X .

. (9)

Ako je f x 1 >>f oa, onda podesite referentni oscilator na takve dvije frekvencije f op1 i f op2 tako da je f x =m f op1 i f x =(m±1)f op2. Onda

( 10 )

Budući da je teško napraviti referentni oscilator sa glatkim podešavanjem i visokom stabilnošću frekvencije, pribjegavaju metodi interpolacije. U ovom slučaju, na dijagramu 1 Uz intertulacijski generator, čija se frekvencija može glatko mijenjati, uvodi se standardni generator sa fiksnom frekvencijskom mrežom. Postupak mjerenja je sljedeći. Interpolacijski generator se sekvencijalno podešava na nula otkucaja sa izmjerenim frekvencijskim signalom f x i sa susjednim harmonijskim komponentama referentne frekvencije referentnog generatora T f x i (m+1)f op na obje strane frekvencije f x . Očitavanja na skali generatora interpolacije će biti α X,α 1, α 2. U ovom slučaju

(11)

Točnost mjerenja je veća što je manja frekvencijska razlika između susjednih harmonika referentnog generatora, što je linearna skala podešavanja interpolacionog generatora i veća je njegova rezolucija.

Kada je razlika u frekvenciji f X - f op veća od granične frekvencije audio frekventnog merača, dvostruko heterodiniranje se može primeniti pomoću kola 2 . Mjerenja pomoću ove sheme su preciznija, jer je lakše kreirati frekventni mjerač visoke stabilnosti i povećane preciznosti mjerenja koristeći interpolacijski generator s malim rasponom podešavanja frekvencije.

Greške heterodinskih frekventnih mjerača određene su prvenstveno greškama kvarcnih i interpolacijskih oscilatora. Dakle, kvarcni oscilatori imaju relativnu grešku frekvencije od ±10 -8 –10 -9. Interpolacijski generator unosi dodatnu grešku zbog promjene frekvencije generatora tokom mjerenja, nepreciznosti kalibracije skale i greške očitavanja. Kao rezultat, greška takvih frekventnih mjerača iznosi ±5 10 -6. Treba napomenuti da se navedena vrijednost greške dobiva tek nakon dužeg zagrijavanja uređaja (do 1-1,5 sati).

§3. Merenje impedanse

1. Opće informacije

Problemi mjerenja impedanse čvorova ili elemenata RF puta nastaju kad god ih treba riješiti. problemi usklađivanja, pronalaženje parametara ekvivalentnih kola ili izračunavanje frekvencijskih karakteristika mikrotalasnih uređaja.

Rice. 10 .

Osnova za određivanje impedanse opterećenja je njegova povezanost sa koeficijentom stojećeg talasa i položajem minimalnog napona u liniji. Najrasprostranjenije je određivanje impedanse na osnovu SWR mjerenja i položaja minimuma stojećeg vala pomoću mjerne linije. Odgovarajući funkcionalni dijagram prikazan je na (sl. 10 ). Uređaj čiju impedanciju treba izmjeriti je spojen na mikrovalni generator preko mjerne linije. Industrija proizvodi mjerne linije koje pokrivaju frekvencijski opseg od 0,5 do 37,5 GHz.

Prijenosni instrumenti za određivanje impedansi na osnovu mjerenja SWR i faze su mjerači polarizacionog tipa. Ovi uređaji se odlikuju širokopojasnim pristupom i visokom preciznošću. Frekvencijski opseg koji pokrivaju se proteže od 0,02 do 16,67 GHz.

Postoje uređaji koji pružaju poluautomatsko panoramsko mjerenje SWR-a u funkciji frekvencije. Ovi uređaji mogu značajno smanjiti vrijeme za usklađivanje uređaja, kao i promatrati i mjeriti amplitudno-frekventne karakteristike kvadripola. Pokrivaju frekvencijski opseg od 0,02 do 16,67 GHz.

Ovo poglavlje govori o principu rada uređaja, koji omogućava da se vrijednosti impedanse ispitivanih uređaja određuju u funkciji frekvencije direktno iz kružnog dijagrama impedancija ucrtanog na ekranu katodne cijevi. Uređaji ovog tipa pokrivaju frekvencijski opseg od 0,11 do 7 Hz.

2. Merači polarizacione impedance

Merač polarizacione impedanse sastoji se od pravougaonih 7 i cilindričnih segmenata 6 talasovoda, a cilindrični talasovod se nalazi pod pravim uglom u odnosu na široki zid pravougaonog talasovoda (sl. 11 ). Komunikacija između talasovoda se odvija kroz tri proreza 8 iste veličine, koji se nalazi na jednakoj udaljenosti od centra cilindričnog talasovoda.

Princip rada polarizacionog merača je sledeći. Elektromagnetski N □ 10 - talas koji se širi od generatora prema opterećenju pobuđuje kružno polarizovani HO 11 talas u cilindričnom talasovodu. To se postiže odabirom lokacije i veličine proreza: dva proreza smještena preko širokog zida valovoda nalaze se na maksimumu komponente polja H x , a treći razmak je na maksimumu komponente polja H z. Ovi prorezi pobuđuju dva H O 11 talasa u cilindričnom talasovodu, međusobno okomitih u prostoru i pomerenih u fazi za ugao π/2. Ovo posljednje je posljedica vremenskog pomaka za π/2 komponenti polja X x i H z u pravougaonom talasovodu. Pošto je izborom veličine proreza moguće postići jednakost amplituda pobuđenih talasa, talas u cilindričnom talasovodu će imati kružnu polarizaciju.

Rice. 11 .

Ako promijenite smjer širenja valova u pravokutnom valovodu, tada se val sa suprotnim smjerom rotacije polja pobuđuje u cilindričnom valovodu. Očigledno, ako postoji reflektovani talas u pravougaonom talasovodu, u cilindričnom talasovodu će postojati dva H O 11 talasa sa suprotnim smerovima kružne polarizacije. Kao rezultat superpozicije ovih valova nastaje val sa eliptičnom polarizacijom, koji nosi potrebnu informaciju o veličini SWR-a i položaju minimuma stojećeg vala u pravokutnom valovodu. SWR je jednak omjeru glavnih osi elipse, čije vrijednosti odgovaraju zbroju i razlici amplituda upadnih i reflektiranih valova.

Tabela 1

Mjerni parametri linije

3 počinje, diodna komora koja rotira oko talasovoda 2 sa sondom 1 reprodukuje raspodelu jačine polja u pravougaonom talasovodu, a puna revolucija kamere odgovara kretanju sonde u pravougaonom talasovodu na talasnoj dužini λv. Položaj manjih osa elipse je jedinstveno povezan sa položajem minimuma polja u pravougaonom talasovodu, odnosno sa fazom koeficijenta refleksije.

Mjerenje faze koeficijenta refleksije sastoji se od očitavanja duž brojčanika 5 položaj diodne komore na kojoj indikatorski uređaj pokazuje minimalnu vrijednost. Diodna komora se rotira pomoću rotacionog zgloba 3. Skala očitavanja “faze” je polukrug podijeljen oznakama na 180 jednakih dijelova, tako da vrijednost svake podjele skale odgovara 2° izmjerenog faznog ugla. Tačnost očitavanja faze koeficijenta refleksije pomoću noniusa je ±20.

Za početnu kalibraciju uređaja u fazi u odnosu na mjernu prirubnicu nema potrebe za kratkim spojem, već se koristi „frekvencijska“ skala 4, koja je čvrsto povezana s diodnom komorom i može se rotirati u odnosu na „ faza” skala. Skala „učestalosti“ se izračunava na sledeći način. da se pri postavljanju radne frekvencije diodna komora zakreće za ugao jednak odgovarajućoj promjeni faze vala između mjerne prirubnice i ravnine simetrije uređaja.

tabela 2

Parametri polarizacionih merača

Vrsta uređaja

Frekvencijski opseg, GHz

Granice mjerenja

Greška mjerenja

Dimenzije RF presjeka, mm

Faze, stepeni

SWR. % (SWR=1,05÷2)

faza, rad (SWR=2)

0,15-1 8,24-2,05

4.1 (kod SWR=1,2) 4.1

Promjeri vanjskih i unutrašnjih provodnika koaksijalnog

* 2 široka i uska valovoda,

Merač polarizacije vam omogućava da odredite impedanciju čak i pri visokim nivoima snage mikrotalasa. Da biste to učinili, uređaj predviđa zamjenu diode diodnim utikačem, koji ima iste dimenzije. Između polarizacionog merača i eksterne diodne komore postavlja se promenljivi atenuator, čijim se podešavanjem nivo snage na diodi postiže u granicama koje odgovaraju kvadratnom delu karakteristike.

Poželjno je koristiti mjerna pojačala kao indikatorski uređaj pri radu sa polarizacijskim mjeračima. Parametri polarizacionih merača dati su u tabeli. 2 .

3. Panoramski SWR i mjerači impedanse

Panoramski merač SWR-a sastoji se od sweep generatora, merača omjera napona sa usmerenom spojnicom i instrumenta osciloskopa (Sl. 12 ). Princip rada uređaja je da izoluje signal proporcionalan snazi ​​reflektovanog talasa i potom meri omjer snaga reflektovanog i upadnog talasa, koji je jednak kvadratu modula koeficijenta refleksije.

Nakon pojačanja, ovaj napon ulazi u kanal vertikalnog otklona osciloskopa. Horizontalne ploče osciloskopa se napajaju naponom iz generatora koji djeluje kao frekvencijski modulator mikrovalnog generatora. Kao rezultat, kriva kvadrata koeficijenta refleksije u odnosu na frekvenciju se uočava na ekranu cijevi (kriva 1 na sl. 13 ).

Za kalibraciju SWR-a na nekim frekvencijama koristi se elektronski komutator, koji naizmjenično dovodi ili pojačani izlazni napon mjerača omjera ili referentni napon u kanal za vertikalno otklon. Kao rezultat, na ekranu na pozadini krivulje 1 vidljiva je svjetleća linija kose 2. Promjenom referentnog napona postižemo poravnanje nišanske linije sa tačkom interesa na krivulji 1. Vrijednost SWR-a u ovoj tački se računa na skali uređaja, kalibrira se u vrijednostima SWR-a, a frekvencija se određuje pomoću ugrađenog frekventnog mjerača.

Poteškoće u praktičnoj implementaciji sklopa povezane su s potrebom korištenja sweep generatora s linearnom promjenom frekvencije u rasponu sweep, kao i istim ili sličnim prijelaznim karakteristikama oba usmjerena sprežnika i istim ili sličnim karakteristikama diode. komore u cijelom opsegu radnih frekvencija. Tipično, VOC se koristi kao sweep generator. Linearna promjena frekvencije u opsegu sweep-a postiže se primjenom periodičnih eksponencijalnih impulsa na sporotalasni sistem lampe.

U drugoj verziji panoramskog SWR merača, signal iz komore diode sprežnika, proporcionalan amplitudi reflektovanog talasa na putu, dovodi se direktno do vertikalnih ploča osciloskopa. Preciznost mjerenja sada ovisi o konstantnosti snage sweep generatora u cijelom rasponu sweep. Da bi se stabilizirale promjene u snazi ​​signala koje se neizbježno javljaju tokom frekvencijske modulacije, generator je opremljen automatskim regulatorom snage. Dio razgranate upadne snage se dovodi na ulaz automatskog upravljačkog kola, gdje se upoređuje sa referentnim naponom. Signal greške generiran od strane kola se primjenjuje na prvu anodu BWO (interno kontrolirana stabilizacija) ili na električni kontrolirani atenuator (vanjska stabilizacija), čime se osigurava konstantan nivo snage u frekventnom opsegu.

Tabela 3.

Parametri automatskih panoramskih mjerača SWR-a i prigušenja.

Panoramski mjerači mogu raditi u modusu amplitudne modulacije sa pravokutnim impulsnim naponom frekvencije od 100 KHz. Uz periodično podešavanje frekvencije sa različitim periodima i zaustavljanje sweep-a na odabranoj frekvenciji sa automatskim brojanjem, moguće je i ručno podešavanje frekvencije pomoću frekventnog merača sa podešavanjem praćenja izmerene vrednosti.

Panoramski SWR metri vam omogućavaju da izmjerite slabljenje koje unose kvadripolovi. Mjerenje slabljenja svodi se na određivanje omjera snaga izlaznog i ulaznog signala kvadripolne mreže.

Automatski panoramski SWR i mjerači slabljenja proizvedeni u industriji pokrivaju frekvencijski opseg od 0,02 do 16,66 GHz. Glavni parametri nekih od njih dati su u tabeli. 3. U tabeli, A je prigušenje postavljeno na skali atenuatora. RF ulazna snaga prva tri uređaja je koaksijalna, dok su ostali talasovodni.

Druga vrsta automatskih mjerača su panoramski mjerači impedanse i složeni mjerači pojačanja. Rezultati mjerenja se prikazuju u polarnim ili pravokutnim koordinatama na ekranu osciloskopa 1B u obliku ovisnosti ukupnog otpora objekta koji se proučava u funkciji frekvencije.

Uređaj se sastoji od tri bloka: sweep generatora, senzora impedancije i indikatora (sl. 14 ). Impedansni senzor je VF jedinica sa četiri mjerne glave sa čijeg se izlaza uklanjaju NF naponi. Glave se nalaze na udaljenosti od λ in /8 jedna od druge.

Rice. 14 .

Uspostavimo vezu između signala na izlazu kvadratnog detektora mjerne glave i koeficijenta refleksije u liniji. Zapišimo napon na prvoj sondi u obliku

(13)

gdje je ψ=2k z z-ψ n; z - udaljenost između sondi i opterećenja; ψ n i |G| -faza i modul koeficijenta refleksije od opterećenja. Zamislimo napon na prvoj sondi ovako:

Tada struja koja prolazi kroz detektor sa kvadratnom karakteristikom:

(15)

Gdje b - konstantan. Struja kroz detektor povezan na treću sondu i odvojen od prve razdaljinom λ u /2 jednaka je

(16)

Shodno tome, struje kroz drugi i četvrti detektor

(17)

(18)

Merne glave moraju biti tako podešene . Tada će se na izlazu oduzimača povezanog s prvom i trećom mjernom glavom pojaviti signal definiran izrazom

(19)

i na izlazu drugog oduzimača spojenog na drugi i četvrti; mjernih glava, signal će biti predstavljen u obliku

(20)

Gdje k I k ’- trajno.

Nakon pojačanja u odgovarajućim DC pojačavačima, ovi signali, fazno pomaknuti za 90°, ulaze u horizontalnu i vertikalnu ploču osciloskopa. Njihove amplitude su prilagođene kako bi se osigurala jednaka otklon zraka u oba smjera. To znači da kada se faza koeficijenta refleksije promijeni za 360°, snop će nacrtati krug radijusa na ekranu. koji odgovara modulu koeficijenta refleksije.

Ako se frekvencija generatora mijenja linearno u vremenu, tada se mijenja i kompleksni koeficijent refleksije od mjerenog objekta, tj. promijeniti |G|=F(f) i ψ n =F(f) . Zraka crta krivu, čije je radijalno odstupanje proporcionalno |G|, a azimutalni položaj odgovara ψ n.

Preciznost merenja impedanse u frekventnom opsegu zavisi od identiteta četiri indikatorska uređaja i stabilnosti izlazne snage frekvencijsko modulisanog generatora kako se frekvencija menja.

Automatski merač impedanse RK.4-10 je projektovan za frekvencijski opseg 0,11-7 GHz sa granicama merenja za fazni pomak 0-360°, modul pojačanja 60 dB i SWR 1,02-2. Greška mjerenja: fazni pomak 3°, koeficijent refleksije faze 10°, SWR 10% (pri SWR ≤2)


LITERATURA:

1. Lebedev I.V. Mikrotalasna oprema i uređaji. M., Viša škola, tom I, 1970, tom II, 1972.

2. Sovetov N.M. Ultravisokofrekventna tehnologija. M., Viša škola, 1976.

3. Kovalenko V.F. Uvod u mikrotalasnu tehnologiju. M., Sov. radio, 1955.

4. Feldshtein A.L., Yavich L.R. Priručnik o elementima tehnologije talasovoda. M.–L., Gosenergoizdat, 1963.

5. Krasyuk N.P., Dymovich N.D. elektrodinamika i širenje radio talasa. M., Viša škola, 1947.

6. Weinstein L.A. Elektromagnetski talasi. M., Sov. radio, 19557

7. Mattei D.L., Young L.E., Jones M.T. Mikrovalni filteri, kola za usklađivanje i komunikacijska kola: Per. sa engleskog M., Komunikacija, 1971.

mob_info