Файл: Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека.pdf

В обычных схемах измерителей ноля детекторного ти­ па, если они не предназначены для измерения только импульсных излучений, применяются усилители постоян­ ного тока (УПТ). Применяются они и в интенсиметрах с использованием инерционных детекторов * (например, на термопарах). Эти усилители обычно капризны в рабо­ те и зависят от температуры. Для измерения импульсномодулированных излучений и при использовании интенсиметров с предварительной манипуляцией сигнала могут быть использованы относительно простые высокочувст­ вительные схемы усилителей видеоимпульсов, позволяю­ щие реализовать необходимые требования к интенсиметрической аппаратуре. При одинаковых геометрических размерах коэффициент усиления видеоусилителей, как правило, на 2 0 ... 30 дБ выше коэффициента усиления УПТ и составляет 50 ... 70 дБ.

В самопоказывающих интенсиметрах с наводкой по цепи постоянного тока чувствительность устанавливают в процессе производства, или это делает оператор перед работой с определенными излучателями (по расчетным данным или в поле путем сравнения с более точными приборами) Устройства предустановки чувствительности обычно выполняются в виде полупеременных СВЧ атте­ нюаторов с небольшими пределами затухания, их регу­ лировка выводится «под шлиц». В приборах с наводкой по цепи СВЧ имеется, как правило, орган подстройки чувствительности по собственному генератору стабиль­ ного уровня.

Применение высокочувствительных схем усиления и регистрации (по сравнению с обычными мостами постоянного тока и тепловыми датчиками) позволяет по-новому рассмотреть вопрос о необходимых и достаточных параметрах антенны-зонда. До сих пор к наиболее важным параметрам антенн относили величину эффективной поверх­ ности, которая из-за ограниченной чувствительности должна быть достаточно высокой и стабильной в заданном диапазоне частот. Сей­ час требования к зонду в значительной степени меняются. Вот наи­ более важные из параметров, которые приходится нормировать при конструировании зонда для работы в составе детекторных интенсиметров: стабильность направления максимума и гладкость диа­ граммы по диапазону, удобство механического, электрического и эстетического сопряжения с блоком усилителя. Требуемая широкополосность антенн-зондов составляет 3 ... 4 октавы, геометрические размеры антенны не должны превышать нескольких сантиметров, от­ клонение оси диаграммы от нормали к плоскости апертуры не должны превышать 10 ... 20’ во всем диапазоне частот.

* Такие интенсиметры необходимы при нормировании ППМ, усредненной за определенное время (порядка секунд или минут).

2\7

Особо следует упомянуть здесь необходимость ограничивать гео­ метрические размеры зонда. Геометрически большие антенны инте­ грируют уровень поля по всей приемной поверхности. В условиях очень высокой неравномерности внутренних полей это приводит к значительному занижению результатов, иногда в десятки раз. Для повышения точности измерений внутренних полей в измерителях поля применяют геометрически малые зонды. При этом не ставится специально цель учесть реактивный характер поля: ведь реактив­ ность поля проявляется начиная с расстояний порядка Х/2я, т. е. на расстояниях очень малых во всем диапазоне СВЧ. По этой же при­ чине, несмотря на то, что малые зонды имеют, как правило, индук­ тивный (реже емкостной) характер, можно считать, что с их по­ мощью измеряется именно величина ППМ. Рекомендации по учету реактивного характера поля на очень малых расстояниях от щелей приведены ниже, в п. 6.2.6.

6.1.5. Основные элементы схем интенсиметров. Перей­ дем к рассмотрению основных элементов схем интенсиметров. В связи с тем, что элементы серийной аппарату­ ры рассмотрены достаточно подробно в литературе, наи­ большее внимание нам придется здесь уделить принци­ пам работы и конструированию элементов новой интенсиметрической аппаратуры, многие из которых описаны в литературе недостаточно полно или вообще имеются только в виде патентных материалов.

В соответствии с принципом работы детекторных интенсиметров, рассмотреных выше, в интенсиметр долж­ ны входить следующие каскадпо соединенные элементы: антенна—-как правило, малогабаритная, малочувстви­ тельная, но достаточно широкополосная и удобная в кон­ структивном отношении; аттенюатор СВЧ — обычно плав­ нопеременный, обладающий заданными пределами регу­ лировки; прерыватель (манипулятор)— экономичный и достаточно широкополосный; детектор — элемент со ста­ бильными характеристиками, пригодный для детектиро­ вания относительно высоких уровней мощности; усили­ тель, обеспечивающий высокий коэффициент усиления при малом дрейфе, и регистратор, позволяющий произ­ водить отсчет результатов измерений или фиксировать заданый уровень сигнала для отсчета по шкале аттеню­ атора.

Антенна. Как правило, для измерения применяются либо антенны с размерами, близкими или большими длины волны («большие» антенны), либо антенны-зонды с размерами, не превышающими десятых долей длины волны. Измерительные антенны первой группы доста­ точно разработаны и широко применяются в самых различных областях измерительной техники. К ним ОТ-

216

носятся различные рупорные, вибраторные полу- и Чет­ вертьволновые антенны и т. д. Сюда же входят и так называемые логопериодические антенны — большой класс широкополосных антенн, появившихся в 50-х годах [5, 127, 178]. В них на каждой рабочей частоте из всего набора диполей различной длины, включенных парал­ лельно, «работает» один или небольшая группа диполей с длиной около половины длины волны. Передние виб­ раторы (более короткие) играют роль директоров, зад­ ние (более длинные)—роль рефлекторов [14]. Общий вид одной из таких антенн (ГІ6-22) см. на рис. 1.2.4,в. Анало­ гично работают и круглополяризованные антенны.

На основе квазипериодических структур, используе­ мых в логопериодических антеннах (в простейшем слу­ чае— набор линейных вибраторов различной длины), мо­ гут быть разработаны малогабаритные антенны-зонды, пригодные для применения в детекторной интенсиметрической аппаратуре (об этих антеннах более подробно будет сказано ниже).

«Большие» антенны имеют достаточно большую эф­ фективную поверхность и поэтому применяются с тер­ мисторными измерителями мощности относительно невы­ сокой чувствительности (например, в ПО-1). Однако в некоторых случаях их применение ограничено. Дейст­ вительно, исходя из формулы для дальней зоны антенн (4.3.3) и электрического размера антенны (0 .5 ...1) X, минимальное расстояние между антенной и исследуемым излучателем не должно быть меньше (1... 2) X. На меньших расстояних погрешность измерения быстро рас­ тет. Зависимость ошибки от расстояния до радиоотра­ жающей плоскости носит квазипериодический характер с выбросами в положительную и отрицательную обла­ сти; на малых расстояниях ошибки всегда отрицатель­ ные и достигают 50% и более. Это является существен­ ным ограничением в применении больших антенн на от­ носительно низких частотах (можно считать, от 500 ...

...1 000 МГц и ниже). Вторым ограничением примене­ ния таких антенн в интенсиметрической аппаратуре яв­ ляется их относительная узкополосность. Исключение составляют логопериодические антенны [112, 127, 177]. Наконец, важным ограничением применения в интенсиметрах СВЧ больших антенн является значительная масса и габариты, затрудняющие работу с аппаратурой.

Максимальный размер логопериодических антенн, вы­

219

резко изменяются параметры излучаемого поля из-за увеличений отражений от концов спирали. Это приводит к увеличению реактив­ ной составляющей входного имле :анса, и эффективность антенны быстро снижается. Кроме того, несколько раньше начинает прояв­ ляться осевая асимметрия внешних витков спирали и появляется явно выраженная эллиптичность излученія (до трех и более).

Для уменьшения габаритов антенн с квазипериодической струк­ турой используется известный принцип увеличения электрической длины вибраторов путем включения в их ветви укорачивающих эле­ ментов в виде сосредоточенных реактивностей или замедляющих структур. В обычных вибраторных антеннах применить укорочение более чем в 1,25 ... 1,4 раза обычно не удается из-за заметного ухудшения электрических характеристик антенны (снижения к. п. д. и др.), но применение замедляющих цепей в квазипериодических структурах с самоустапавливающимся режимом излучения оказалось весьма эффективным. Здесь имеет смысл хотя бы вкратце описать принципы работы и конструирования КПА, в активных цепях кото­ рых применяются замедляющие структуры. Обычно нас интересуют не только малые габариты, по и достаточно широкие пределы работы в высокочастотном участке диапазона, поэтому в КПА центральные витки конструируют без замедления, а внешние выполняются в виде спиралей или плоского зигзага с переменным монотонно убывающим по длине шагом. Внешний вид печатных антенн с замедлением при­ веден на рис. 6.1.4,а, б.

При исследовании антенн с замедлением применяется противо­ фазное питание плечей, что соответствует осевому режиму излучения. Обычно ширина диаграммы таких антенн находится в пределах 40 ... 70°, неперпендикулярность оси диаграммы к плоскости антен­ ны зависит от частоты, но не превосходит 10 .., 20° (обычная вели­ чина для логопериодических антенн); коэффициент эллиптичности печатных антенн выше намотанных, эффективная площадь в боль­ шой степени зависит от коэффициента замедления и составляет единицы квадратных сантиметров. Эллиптически поляризованные антенны были использованы в одной из первых экспериментальных моделей измерителя поля *.

В конструкциях интенсиметров с достаточно чувстви­ тельной схемой усиления применяются электрически ма­ лые вибраторы, чаще всего магнитные. Это обусловлено простотой согласования таких зондов с фидером, отсут­ ствием необходимости в симметрировании, а также ма­ лым влиянием тела оператора на его основные характе-

* Недавно удалось использовать двухспиральпые квазипериодические структуры в акустических излучателях, работающих в зву­

ковом диапазоне частот. Такой излучатель представляет собой уло­ женные в виде периодической структуры полые звукопроводы в виде многозаходноіі спирали с четным количеством ветвей. К центру структуры подключен дифференциальный звуковозбудитель. Для уменьшения габаритов периодическая структура снабжена элемента­ ми замедления, коэффициент замедления которых увеличивается к периферии структуры [100]. Подобный излучатель, дополненный устройством формирования продольной волны, работает как громко­ говоритель с очень гладкой частотной характеристикой.

221