Файл: Вальднер, О. А. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория учеб. пособие.pdf

группа Д — аттенюаторы и приборы для измерения ослаб­ лений;

группа Э — функциональные устройства коаксиальных и волноводных трактов;

группа Г — генераторы измерительные; группа Б — источники питания.

К каждой работе рекомендуется перечень необходимых при­ боров в соответствии с последними каталогами. Краткое описа­ ние этих приборов, а также инструкции по работе с ними даются в приложении. В некоторых работах используется и несколько нестандартных узлов. Описание и схемы этих узлов также при­ водятся в приложении, что, вероятно, может помочь их изготов­ лению. Частоты, указанные для каждой из работ, относятся к наиболее характерной части диапазона СВЧ, т. е. к его середи­ не, что соответствует волнам от 3 до 10 см. Использование аппаратуры с длиной волны колебаний в указанных пределах наиболее целесообразно и с организационной точки зрения, так как различные узлы и устройства не так громоздки и не очень миниатюрны.

Однако содержание работ и задания к ним сформулированы в достаточно общем виде, с тем чтобы при необходимости можно было их использовать для какой-либо иной части изучаемого диапазона. Схемы установок выполнены в соответствии

сГОСТ 2.721.68—2.748.68; 2.750.68, 2.751.68.

Взависимости от будущей специальности студента, а также от объема академических часов, выделенных для прохождения практикума СВЧ, из представленных работ выбираются наи­ более подходящие.

Время выполнения каждой лабораторной работы рассчитано на три учебных часа. При этом значительная часть выделенного времени предназначена для подробного ознакомления с прибо­ рами. Студенты должны четко представлять, что аппаратура, используемая в лаборатории, имеет весьма значительную стои­ мость и требует очень аккуратного отношения к ней.

Перед прохождением лаборатории каждый студент обязан сдать минимум по технике безопасности, который должен вклю­

чать правила работы с общеэлектротехнической аппаратурой и специфические вопросы, касающиеся высокочастотных прибо­ ров и трактов СВЧ в целом. Следует обращать особое внимание на электрогерметичность высокочастотных трактов и при

9

резонанса системы, т. е. в момент максимального показания выходного прибора. Связь шкалы подстроечного поршня с резо­ нансной частотой системы в таких приборах в общем случае нелинейна и находится непосредственной градуировкой по об­ разцовому частотомеру.

Основная погрешность измерения частотомеров резонансного типа складывается из неточности настройки в резонанс и темпе­ ратурного ухода резонансной частоты системы. Первая из по­ грешностей обусловлена конечным значением нагруженной

добротности резонатора Qu- Относительную погрешность опреде­ ления резонансной частоты Af/fa можно найти следующим образом:

где б — величина, связанная с погрешностью выходного прибора; Д /— относительная погрешность измерения частот.

Вторую погрешность, связанную с температурными измене­ ниями геометрических размеров резонансной системы, можно

где at — температурный коэффициент расширения материала ре­ зонатора (для меди со= 16,5-КП6 1/град)-, At — отклонение тем­ пературы от 20° С.

Некоторую погрешность в измерение частоты вносит также колебание в величинах давления и влажности воздуха, запол­ няющего резонатор, при изменении диэлектрической постоян­ ной е. В силу указанных причин резонансные частотомеры в диапазонах СВЧ, как правило, имеют общую относительную погрешность измерения частоты не менее 0,05%- Частотомеры

12

с более высокой точностью измерения конструируются или гете­ родинного, или электронно-счетного типа. В настоящее время электронно-счетные частотомеры — наиболее перспективные и удобные приборы для измерения частоты и интервалов времени.

Рассмотрим структурную схему такого частотомера, изобра­ женную на рис. 2. Принцип действия прибора заключается в определении числа периодов измеряемых колебаний за интервал времени, устанавливаемый очень точно. Электронно-счетный

.прибор работает следующим образом.

Рис. 2. Структурная схема электронно-счетного часто­ томера:

/ — входной усилитель; 2 — формирующее устройство; 3 — селек­ тор; 4, 5 — электронные счетчики; 6 — кварцевый генератор; 7 — блок формирования прямоугольных импульсов; 8 —быстро­

действующий триггер.

Сигнал измеряемой частоты через входной усилитель 1 по­ дается на формирующее устройство 2, преобразующее синусо­ идальное напряжение в последовательность импульсов с кру­ тыми фронтами. Эти импульсы подаются на селектор 3, время открытого состояния которого строго определено. Прошедшие за это время через селектор импульсы считаются электронным счетчиком 4, представляющим собой декадную пересчетную схему.

Конструкция электронного реле обеспечивает получение не­ скольких интервалов различной продолжительности времени счета. Такое реле состоит из высокостабильного кварцевого ге­ нератора 6, точных делителей частоты, блоков формирования прямоугольных импульсов 7 и быстродействующего триггера 8, управляющего работой селектора. Кроме того, в схему частото­ мера входит устройство сброса показаний электронного счет­ чика 5, обеспечивающее установку шкалы на нуль перед нача­ лом каждого цикла измерений и удерживающее показания индикатора результатов счета в течение нескольких секунд. В прибор могут включаться дополнительные блоки, расширяю­ щие диапазон измеряемых частот. Эти блоки работают по прин­ ципу точных делителей частоты и гетеродинных ее преобразо­

вателей.

Основная погрешность измерения частоты данным частото­ мером определяется нестабильностью кварцевого генератора и

13

погрешностью, обусловливаемой случайным соотношением фаз сигнала и напряжения опорной частоты:

томеры резонансного и электронно-счетного типов могут изме­ рять частоту колебаний как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Следует заметить, что в режиме импульсной модуляции коле­ бания генераторов уже не являются монохроматичными, а ха­ рактеризуются набором гармонических составляющих — спект­ ром частот. Измерения и анализ частотного спектра позволяют определить важнейшие параметры импульсно-модулированных колебаний, например значения частоты несущей и ее стабиль­ ность, как при сравнительно медленном изменении (от импульса к импульсу), так и при быстрых внутриимпульсных про­ цессах [7].

Спектральную характеристику измеряют с помощью анализа­ торов спектра. При этом для диапазона СВЧ обычно ограничи­ ваются спектральной характеристикой вблизи частоты несущей, так как составляющие, кратные основной гармонике, пренебре­ жимо малы. Форму огибающей спектра, изображающую закон изменения амплитуд гармонических составляющих, можно найти из соотношения [5, 11]

— со

где u(t) — высокочастотное напряжение радиоимпульса. Напри­ мер, для радиоимпульса постоянной частоты соо и прямоуголь­ ной формы огибающей имеем

приведен на рис. 3. Если несущая частота сигнала изменяется в течение импульса, вид огибающей спектра отклоняется от приведенной выше формы. Можно показать [7], что в случае изменения частоты несущей по гармоническому закону с часто­ той модуляции Q наиболее характерные изменения огибающей спектра будут на частотах а>о±£2 (рис. 4). Амплитуду искажен­ ных участков спектра можно оценить по следующему соот­ ношению:

14

Таким образом, сравнивая реальную форму спектра с идеаль­ ной (см. рис. 3), можно установить наличие частотной моду­ ляции несущей радиоимпульса. Следует также отметить, что при амплитудной модуляции сигнала искажения спектра имеют тот же характер, но проявляются значительно (на 2—3 порядка) слабее.

Рис. 3. Спектр амплитуд гармоник радиоим­ пульса с прямоугольной огибающей и постоян­ ной несущей частотой.

Принцип действия анализатора спектра достаточно прост. Приборы, используемые в диапазонах СВЧ, обычно представ­ ляют собой супергетеродинный приемник с узкополосным уси­ лителем промежуточной частоты (УПЧ) и частотно-модулиро- ванным гетеродином. В качестве гетеродина применяют отража­ тельный клистрон, модуляция частоты которого достигается подачей пилообразного напряжения на его отражатель. Одно­ временно это же напряжение подается на горизонтально-откло- няющие пластины осциллографической трубки и осуществляет развертку изображения. На вертикально-отклоняющие пласти­ ны трубки через детектор подается сигнал с УПЧ. В этом

15

случае на экране электронно-лучевой трубки за каждый период развертки появляется узкий импульс с амплитудой, которая пропорциональна мощности сигнала на частоте гетеродина, соответствующей данному моменту времени. Таким образом,

тоте. За несколько периодов развертки на экране трубки за­ писывается огибающая спектра исследуемого сигнала. Количе­ ство импульсов, входящих в огибающую, зависит от соотноше­

Структурная схема прибора приведена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема анализатора спектра:

Прочие блоки прибора, представляющие гетеродинные пре­ образователи частоты, сильно расширяют диапазон рабочих частот и повышают его разрешение. Однако принципиальной роли они не играют.

Предварительное задание

Построить график спектра амплитуд для идеального и час- тотно-модулированного радиоимпульсов с прямоугольной огибающей по следующим данным:

coo — частота несущей 3000 Мгц;

U — амплитуда несущей постоянна; т — длительность импульса 3 мксек;

f — частота повторения импульсов 400 гц; Дсо — девиация частоты 1 Мгц;

Q — частота модуляции 3 Мгц.

Графики построить в крупном масштабе, приняв ампли­ туду ЛИо =1.

16