6.2.4 Еталон напруженості магнітного поля в діапазоні до 30 мГц

При побудові даного еталона використовується метод еталонного поля. В еталоні Росії [23] квазістатичне еталонне магнітне поле створюється за допомогою випромінюючої рамкової плоскої кільцевої симетричної антени з радіусом . Периметр антени значно менше довжини хвилі, тому можна знехтувати хвильовим характером струму і вважати його амплітуду і фазу постійними у всіх точках кільця. Провід, що утворює кільцеву рамку, вважається нескінченно тонким. Структурну схему еталона наведено на рис. 6.16.

Значення нормальної складової напруженості магнітного поля (в А/м) у точці розташування індикаторної антени розраховується за формулою

, (6.6)

де – діюче значення струму в передавальній антені;– площа еталонної антени;– відстань між еталонною й індикаторною антенами.

При відтворенні одиниці встановлюється рівень вихідної напруги генератора ВЧ, що відповідає номінальному струму термоперетворювача (ТП) еталонної антени. За допомогою потенціометричної установки вимірюється сила струму ВЧ в еталонній антені і за формулою (6.6) розраховується .

При передачі розміру одиниці (повірці) реєструються покази індикаторної антени, після чого генератор ВЧ перемикається на антену вимірювача, що повіряється. Остання розташовується співвісно з еталонною й індикаторною антенами на відстані від індикаторної. При рівності показань індикаторного приладу при його почерговому збудженні полем еталонної антени і антени, що повіряється, напруженості магнітних полів обох антен рівні. Різниця показань, очевидно, є похибкою приладу, що повіряється.

Складовими систематичної похибки еталона є:

• похибки вимірювання радіусу еталонної антени (~ 1·10^-3 ) і відстані ;

• похибки, пов’язані з неоднорідністю поля в робочій зоні (1·10^-3) і нерівномірністю розподілу струму в еталонній антені (1·10^-3 );

• відбиття від стін, конструктивних елементів і т.і. (2·10^-3 );

• “антенний ефект” еталонної рамкової антени (~ 2·10^-3 );

• похибка вимірювання струму (2·10^-3 );

• струми витоку між витками (2·10^-3).

Державний еталон одиниці напруженості магнітного поля в діапазоні 0,01 – 30 МГц Росії (рис. 6.17) має такі характеристики:

діапазон відтворених значень напруженості складає 2·10^-3 – 5·10^-6 А/м;

сумарна НСП оцінюється значенням 1·10^-2;

СКВ складає (0,4 – 0,5)·10^-2.

Рис. 6.17. Державний спеціальний еталон одиниці напруженості магнітного поля в діапазоні 0,01 – 30 МГц

При передачі розміру одиниці виникають похибки, пов’язані з неточністю вимірювань струму в антені, що повіряється, неспіввісністю антен і неточністю визначення , “антенним ефектом” антени, що повіряється. СКВ передачі оцінюється значенням(8 – 10)·10^-3.

6.3 Еталон одиниці спектральної густини потужності шумового

радіовипромінювання

Одним із основних параметрів радіоприймальних пристроїв ВЧ і НВЧ, що використовуються в далекому зв’язку, радіолокації і радіонавігації, телебаченні і радіомовленні, є чутливість. Чутливість приймальних пристроїв (і його вузлів – підсилювачів, перетворювачів і т.д.) обмежується, головним чином, рівнем електромагнітних флуктуацій, тобто внутрішніми шумами цих пристроїв. Найбільш просто і достовірно чутливість може бути проконтрольована за допомогою вимірювальних генераторів шуму (ГШ), що служать мірами спектральної густини потужності шумового радіовипромінювання (СГПШ).

СГПШ () − це межа відношення потужності шумового радіовипромінюванняу визначеному частотному інтервалі, до значення цього частотного інтервалу за умови, що інтервалнаближається до нуля. СГПШ чисельно дорівнює потужності шумового радіовипромінювання в частотному інтервалі 1 Гц, її одиницею є Вт/Гц.

Відтворення одиниці СГПШ чи еквівалентної одиниці шумової температури – кельвіна ґрунтується на властивості абсолютно чорного тіла випромінювати електромагнітні хвилі у відповідності до закону Планка:

, (6.7)

де – абсолютна температура, К; – частота радіовипромінювання, Гц; – стала Планка, Дж/с; – стала Больцмана, Дж·К^-1.

При (неквантова область випромінювання) можна вважати. На практиці використовується номінальна надлишкова СГПШ, тобто різниця номінальних СГПШ двох тіл, нагрітих до температурі, відповідно. Тоді

,

де =293 К (нормальна температура, 20⁰С).

Генератори шуму різних конструкцій і принципів дії градуюють шляхом порівняння їх СГПШ із шумами еталонних теплових ГШ за допомогою приймача-радіометра.

В СРСР було створено державний еталон СГПШ, у його склад входять: набір еталонних теплових ГШ, компаратори (приймачі-радіометри), а також пристрої для контролю умов вимірювання і незмінності відтвореного розміру одиниці СГПШ (рис. 6.18, 6.19) [23].

Діапазон частот 0,002 – 178,3 ГГц перекривається дев’ятьма низькотемпературними ГШ, що працюють з коаксіальними (до 12 ГГц) і хвильоводними трактами. Кожен еталонний ГШ являє собою одномірну модель абсолютно чорного тіла з термодинамічною температурою поблизу точки кипіння азоту. Основним вузлом низькотемпературних ГШ є занурене в азотний кріостат погоджене навантаження (випромінювач), теплове електромагнітне випромінювання якого виводиться з кріостата через теплоізолюючу лінію передачі до вихідного з'єднувача, що має температуру, близьку до кімнатної.

Рис. 6.18. Структурна схема ДЕ СГПШ

Рис. 6.19. Державний первинний еталон одиниці спектральної

густини потужності шумового радіовипромінювання

Значення СГПШ ГШ, що повіряється, визначається за допомогою еталонного ГШ шляхом почергового підключення їх до входу компаратора (радіометра). Останній являє собою модуляційний супергетеродинний приймач радіометричного типу, який функціонально і конструктивно розділяється на ВЧ- (НВЧ) тракт і систему індикації. Для того щоб послабити вплив власних шумів радіометра на похибки вимірювання, шуми джерела модулюються (“офарблюються”), підсилюються в приймачі і потім синхронно детектуються. Змінна складова сигналу на виході радіометра характеризує рівень шуму джерела, що досліджується, постійна складова – власні шуми радіометра. Спрощену схему модуляційного радіометра наведено на рис. 6.20.

Генератор

імпульсів

Пристрій

синхронізації

Приймач

Синхронний двигун

Індикаторний прилад

Рис. 6.20. Схема модуляційного радіометра

При обертанні диска, частково покритого поглинаючим матеріалом, у хвилевод періодично вводиться поглинач. Таким чином, відкритий стан входу радіометра чергується з закритим, коли до його входу підключене погоджене навантаження з кімнатною температурою. Генератор імпульсів виробляє сигнали синхронно з обертанням диска і за допомогою пристрою синхронізації керує процесом детектування в приймачі, у результаті чого показання індикатора пропорційні рівню шуму, що надходить на вхід радіометра. Відзначимо, що існує багато різновидів схем модуляційних радіометрів, але всі вони призначені для модуляції вимірюваних шумів.

Центральна задача дослідження еталона СГПШ – метрологічна атестація еталонних ГШ, що включає в себе виконання таких процедур, як вимірювання ослаблення, внесеного лінією передачі, вимірювання температури випромінювача, визначення розподілу температури вздовж лінії передачі, розрахунок еквівалентної шумової температури на виході ГШ, розрахунок СГПШ на виході ГШ і аналіз похибок.

Еталон Росії (рис. 6.19) має такі метрологічні характеристики [23]:

- діапазон частот, ГГц 0,002 – 37,5 37,5 – 178,3

- діапазон вимірювань СГПШ, Вт/Гц 1,07·10^-21 – 1,1·10^-21 1,17·10^-21 – 2,12·10^-21 (шумової температури, К) (77,4 – 153,5) (85,0 – 153,5)

- СКВ, К 0,1 0,5 – 0,7

- НСП, К 0,2 – 0,4 0,6 – 1,0.