Резонансный метод

Основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне, преимущественно в области СВЧ.

Прибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером (вид Ч2). Колебательная система через элемент связи возбуждается сигналом источника, частоту колебании которого необходимо измерить. С помощью органа настройки изменяется частота собственных колебании колебательной системы до наступления резонанса. В момент резонанса, фиксируемого по индикатору, производят отсчет по шкале настройки колебательной системы.

Основным узлом резонансного частотомера является колебательная система. В приборах высокочастотного диапазона она образуется одной из сменных катушек индуктивности и прецизионным конденсатором переменной емкости, снабженным шкалой настройки. Индикатор резонанса – полупроводниковый детектор или термоэлемент с микроамперметром. В качестве примера резонансных частотомеров можно привести прибор Ч2-1, работающий в диапазоне от 50 кГц до 50 МГц, или частотомер, входящий в гетеродинный переносчик к электронно-счетному частотомеру Ч3-30.

Характерной особенностью резонансных частотомеров СВЧ являются перестраиваемые резонаторы: коаксиальные и объемные. Коаксиальные резонаторы бывают двух видов: полуволновой отрезок линии, коротко-замкнутый с двух сторон, и четвертьволновый отрезок, замкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой. Преимущественно применяют резонаторы второго вида, т. к. они конструктивно проще и позволяют получить более высокую добротность.

Коаксиальный частотомер (рис. 8.7, а) представляет собой резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии регулируемой длины, замкнутой на одном конце и разомкнутой на другом (короткое замыкание осуществляется с помощью четвертьволнового бесконтактного устройства). Резонанс наступает при длине отрезка

, (8.15)

где – измеряемая длина волны; р – 0, 1, 2, 3...

Длина l отрезка линии регулируется перемещением центрального стержня при помощи микрометрического механизма, снабженного отсчетным устройством. Положение стержня, соответствующее резонансу, отмечается по отсчетному устройству. Частота, на которую настроен резонатор, определяется обычно по таблице или графику градуировки, прилагаемым к частотомеру. Имеются и приборы с непосредственным отсчетом в единицах измеряемой частоты.

Рис. 8.7. Резонансные измерители СВЧ

Для связи резонатора с источником измеряемой частоты и индикатором предусмотрены две петли, которые помещают в области максимального магнитного поля (магнитная связь), т.е. у короткозамкнутого конца линии. Одна петля представляет собой окончание коаксиального кабеля, соединяющего резонатор с источником. Вторая петля (индикаторная) связана с детектором, к которому подключен микроамперметр. Непосредственная связь петель ничтожно мала, и напряжение на детекторной петле наводится лишь тогда, когда резонатор настроен в резонанс с возбуждающими его колебаниями. Связи выбираются так, чтобы частотомер обладал требуемой чувствительностью при высоком значении нагруженной добротности. При измерении частоты радиоимпульсов чувствительность может оказаться недостаточной. Поэтому в частотомерах для измерения частоты заполнения импульсных сигналов применяют усилитель. Так, например, в приборе Ч2-9А имеется трехкаскадный усилитель на транзисторах.

Коаксиальные частотомеры применяются в сантиметровом диапазоне волн и нижней части дециметрового диапазона.

В нижней части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне применяют частотомеры с объемными резонаторами, главным образом круглыми цилиндрическими.

Подобный резонатор можно рассматривать как отрезок круглого волновода, коротко замкнутый с двух сторон. На одном конце отрезка – неподвижная торцевая стенка, на другом – перемещающийся короткозамыкающий поршень (см. рис. 8.7, б и в). При перемещении поршня изменяется длина L резонатора, вследствие чего изменяется частота его собственных колебаний.

Резонанс наступает при ( – длина волны в круглом волноводе). Все частотомеры с объемными резонаторами – градуированные приборы.

В качестве примеров частотомеров с объемным резонатором могут быть названы приборы Ч2-31 и Ч2-36, применяемые соответственно в диапазонах частот 12 – 16,6 и 52,6 – 79 ГГц.

Погрешности измерений. Мерой в данном случае является резонатор. Погрешности обусловлены рядом причин: низкой нагруженной добротностью резонатора , т. е. тупой резонансной кривой; погрешностями, вносимыми при получении градуировочной характеристики прибора; изменением окружающей температуры, вызывающим изменения размеров резонаторов; изменением влажности окружающей среды.

Погрешность сравнения складывается из таких составляющих:

а) погрешность настройки в резонанс. Она чаще всего обусловлена недостаточной тщательностью выполнения правил настройки и наличием люфта в механизме перемещения поршня в резонаторе;

б) погрешность, связанная с недостаточной энергетической чувствительностью. Для уменьшения погрешности применяют чувствительные индикаторы, а при импульсном режиме – усилители.

Погрешность фиксации результата измерения может появиться из-за нетщательного снятия отсчета по шкале микрометра, а также при неумелом (невнимательном) пользовании градуировочными графиками или таблицами.

Согласно ГОСТ 9772-97 на резонансные измерители частоты установлены восемь классов точности, соответствующих допускаемым основным погрешностям, выраженным в процентах: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Краткие сведения по технике измерений. Резонансные частотомеры характеризуются следующими основными параметрами: класс точности, допускаемые дополнительные погрешности, диапазон измеряемых частот, запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами, чувствительность, максимальный размер мощности измеряемого сигнала, среднее время безотказной работы.

	При включении резонансного частотомера в СВЧ тракт возможны два вида схем включения: проходная (рис. 8.8, а) и реактивная (рис. 8.8, б). При настройке частотомера рекомендуется подходить к положению резонанса плавно с одной стороны, так как при этом уменьшаются погрешности, связанные с люфтом в механизме перемещения поршня резонатора. С целью повышения точности измерение частоты проводят ме-
Рис. 8.8. Схемы включения частотомера в тракт

тодом «вилки», который заключается в том, что для определения резонансной частоты берут два отсчета частоты и , соответствующие одинаковым показаниям стрелочного индикатора по обе стороны от положения резонанса. За резонансную частоту принимают среднее арифметическое.