4.2. Некоторые особенности радиоизмерений.
В
технике уже используются излучения во
всех областях частот. Имеется потребность
в измерениях при любых частотах в
диапазоне от единиц Герц до
и выше. Поэтому для радиоизмерений
характерны значительные величины
перекрытия по диапазону частот, то есть
отношения верхних частот к нижним. Так,
например, создаются частотомеры,
вольтметры, измерители мощности, у
которых отношение верхней граничной
частоты измеряемого сигнала к нижней
составляет до
,
а иногда и более.
Характерной особенностью РИП является необходимость установления зависимости показаний многих приборов от частоты сигнала - определения частотных характеристик или частотных коэффициентов. Операцию определения частотных коэффициентов называют градуировкой. Периодическую проверку сохранности значений частотных коэффициентов РИП осуществляют при их поверке одновременно с определением основной погрешности.
Поскольку
интенсивности сигналов на передающей
и приемной стороне радиосистемы
отличаются на много порядков, то к
особенностям радиоизмерений можно
отнести предельно широкие диапазоны
измеряемых величин. Так, например,
измерения мощности до
Вт
в импульсе на передающей стороне и до
на приемной стороне являются обычными.
Таким образом, отношение измеряемых
мощностей составляет 220 дБ
и более. В измерениях таких величин как
длина, время или масса диапазон 220 дБ
(то есть
)
трудно себе представить. Например,
расстояние от Земли до Солнца составляет
около
атомов, плотно уложенных в цепь, литр
воды содержит около
атомов, возраст Вселенной всего около
.
Значительная часть радиоизмерений относится к высоким и сверхвысоким частотам. При таких частотах длины волн становятся соизмеримыми с характерными размерами объектов. Поэтому при выполнении радиотехнических измерений приходится учитывать волновой характер распространения сигналов, явления дифракции, интерференции, возбуждения, отражения волн как при измерениях в открытом пространстве, так и в закрытых трактах. Для измерений при очень высоких частотах или коротких интервалах времени приходится иногда учитывать и конечные времена релаксации носителей, конечные скорости движения электронов в электрических и полупроводниковых приборах.
4.3. Классификация радиоизмерительных приборов по измеряемым величинам.
В целом параметры интенсивности сигналов, информационные параметры, параметры трактов и антенн, параметры материалов характеризуются приблизительно более чем тридцатью физическими величинами, к которым относятся:
частота;
разность фаз;
длительность импульса (период), время задержки, время нарастания;
коэффициент амплитудной модуляции;
коэффициент частотной модуляции;
коэффициент нелинейных искажений;
мощность;
напряжение;
ток;
напряженность переменного электрического поля;
напряженность переменного магнитного поля;
плотность потока энергии;
спектральная плотность мощности шумов;
коэффициент шума;
ток радиопомех;
напряжение радиопомех;
мощность радиопомех;
сопротивление;
емкость;
индуктивность;
добротность;
модуль коэффициента отражения (коэффициент стоячей волны);
фаза коэффициента отражения;
ослабление (затухание), модуль коэффициента передачи;
фаза коэффициента передачи;
групповое время запаздывания;
коэффициент усиления антенны;
эффективная площадь (действующая высота) антенны;
действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости;
действительная и мнимая части комплексной магнитной проницаемости.
Для измерения перечисленных величин разрабатываются, серийно выпускаются и находятся в обращении миллионы радиоизмерительных приборов. В обращении находятся до 4000 различных типов РИП (с учетом наличия уже снятых с производства, но еще находящихся в обращении).
Классификация и обозначения типов РИП отечественного производства устанавливаются специальным государственным стандартом ГОСТ 15094 “Приборы электронные радиоизмерительные. Классификация. Наименования и обозначения”. В соответствии с этим стандартом все РИП подразделяются на группы, обозначаемые первой буквой, подгруппы в группе, обозначаемые цифрой, следующей за первой буквой, и номером типа в подгруппе, обозначаемым цифрой через дефис после цифры подгруппы.
Группа приборов для измерения частоты и времени, которые обозначаются буквой "Ч", включает следующие подгруппы:
Ч1 - стандарты (эталоны) частоты и времени (до Ч1-73);
Ч2 - частотомеры резонансные (резонансные волномеры):
Ч3 - частотомеры электронносчетные (до Ч3-85);
Ч5 - преобразователи частоты сигнала (до Ч5-13);
Ч6 - синтезаторы частот и умножители частоты (до Ч6-72);
Ч7 - приемники сигналов эталонных частот и сигналов времени (компараторы частот, синхрометры (до Ч7-39).
Группа приборов для измерения разности фаз и группового времени запаздывания, которые обозначаются буквой “Ф”, включает следующие подгруппы:
Ф1 - установки или приборы для поверки измерителей разности фаз и группового времени запаздывания;
Ф2, ФК2 - измерители разности фаз;
Ф4, ФК4 - измерители группового времени запаздывания;
Группа приборов для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра, которые обозначаются буквой “С”, включает следующие подгруппы:
С1 - осциллографы универсальные;
С7, СК7 - осциллографы стробоскопические;
С8 - осциллографы запоминающие;
С9, СК9 - осциллографы специальные;
С2, СК2 - измерители коэффициента амплитудной модуляции (модулометры);
С3, СКЗ - измерители девиации частоты (девиометры) и измерители коэффициента амплитудной модуляции;
С4, СК4 - анализаторы спектра;
С6, СК6 - измерители нелинейных искажений.
Приборы для импульсных измерений выделяются в особую группу (“И”) ввиду широкого распространения таких измерений. Они предназначены для измерения таких параметров как амплитуда и длительность импульсов, длительность временных интервалов между импульсами, длительность фронтов и срезов импульсов, мгновенные значения в заданный период времени, неравномерность плоской вершины импульсов. Группа “И” включает следующие подгруппы:
И1 - приборы для поверки, градуировки, калибровки приборов для импульсных измерений;
И2 - измерители временных интервалов;
И4 - измерители параметров импульсов;
И9 - преобразователи импульсных сигналов.
Приборы для измерения напряжения (группа “В”) обеспечивают измерение напряжений переменного и постоянного тока, измерение отношений напряжений, преобразование одного вида напряжения в другой, усиление малых напряжений, градуировку, калибровку, поверку измерителей напряжений и других электрических приборов. Приборы группы “В” подразделяются на девять подгрупп:
В1 - установки или приборы для поверки вольтметров. Они применяются также как источники калиброванных напряжений для градуировки вольтметров, усилителей, генераторов, осциллографов и т.д.;
В2 - вольтметры постоянного тока. Они имеют наиболее высокую чувствительность и цифровую индикацию;
В3
- вольтметры переменного тока, как
аналоговые, так и цифровые. Это наиболее
распространенные в радиоизмерительной
технике приборы для измерения переменных
напряжений (различной формы в диапазоне
частот от единиц до
);
В4 - вольтметры для измерения амплитудных значений уровней одиночных, редкоповторяющихся импульсов и импульсно-модулированных напряжений с длительностью от наносекунд до десятков миллисекунд;
В6 - селективные (избирательные) вольтметры, позволяющие раздельно измерять уровни каждой спектральной составляющей сигнала сложного спектра, что важно при выделении сигналов, разнесенных по частоте и различающихся по уровню. Селективные вольтметры часто входят в состав измерителей тока, напряжения и поля радиопомех;
В7 - комбинированные приборы, позволяющие измерять кроме напряжения, отношения напряжений, силу тока, сопротивление, частоту;
В8 - отдельная подгруппа, в которую входят измерители отношений переменных и импульсных напряжений, применяемые при измерениях нестабильности уровней, при регулировании радиоаппаратуры по коэффициенту передачи;
В9 - преобразователи напряжений. Эти приборы не имеют средств визуализации и применяются в совокупности с другими СИ.
В области сверхвысоких частот основными приборами для измерений интенсивности являются измерители мощности группы “М” - ваттметры СВЧ. Они применяются при экспериментальных исследованиях, регулировке, проверке, испытаниях источников СВЧ сигналов, усилителей СВЧ, передатчиков РЛС и других радиосистем. Группа “М” включает следующие подгруппы:
М1 - ваттметры СВЧ, предназначенные специально для градуировки других измерителей мощности, которые применяются в качестве рабочих эталонов;
М2 - ваттметры СВЧ проходного типа (ваттметры проходящей мощности);
МЗ - ваттметры СВЧ поглощающего типа. Это наиболее многочисленная подгруппа. Эти приборы выпускаются для всех типов коаксиальных трактов, разрешенных к применению в радиоаппаратуре, для всех типов прямоугольных волноводов и на диапазон мощности от десятых долей микроватта до десятков киловатт средней мощности и до мегаватта в импульсе;
М5 - первичные преобразователи ваттметров СВЧ.
Для измерений интенсивности излучений в открытом пространстве применяют приборы группы “П”. Группа “П” включает следующие подгруппы:
П1 - установки, формирующие поля с известной напряженностью Е и Н компонентов или поля с известной плотностью потока энергии;
ПЗ - измерители напряженности поля и плотности потока энергии;
П7, ПК7 - измерители слабых шумовых сигналов в открытом пространстве;
П5 - приемники для измерения слабых синусоидальных сигналов, применяемые в совокупности с измерительными антеннами подгруппы П6.
Приборы для измерений параметров цепей с распределенными и сосредоточенными постоянными образуют группы “Р”, “Е”, “X”, ”Д”. В области сравнительно низких частот для измерений параметров эквивалентной схемы пассивных двухполюсников применяют приборы:
Е1 - приборы и установки для поверки измерителей параметров цепей группы “Е”;
ЕЗ - измерители индуктивности;
Е4 - измерители добротности;
Е8 - измерители емкости;
Е6 - измерители сопротивления, в том числе и на постоянном токе;
Е7 - универсальные измерители L, C, R параметров;
X1 - измерители амплитудно-частотных характеристик радиоустройств;
Х5 - измерители коэффициента шума и коэффициента усиления.
Отношение амплитуд сигналов в цепях с распределенными постоянными наиболее точно измеряется приборами группы “Д”:
Д1 - высокоточные поверочные установки для ослабления, применяемые в качестве рабочих эталонов;
ДК1 - комбинированные установки для измерений одновременно ослаблений и разности фаз;
Д2 - коаксиальные аттенюаторы с известным ослаблением, используемые в качестве мер,
Д3 - волноводные переменные аттенюаторы высокой точности, используемые в качестве мер ослабления;
Наиболее широко распространены приборы для измерений параметров трактов и элементов с распределенными постоянными, которые относятся к группе “Р”:
Р1 - измерительные линии для измерений коэффициента отражения или коэффициента стоячей волны (КСВН);
Р2 - панорамные (автоматизированные) измерители КСВН и ослаблений;
Р3 - измерители полных сопротивлений;
Р4 - измерители комплексных коэффициентов передачи и отражения;
Р5 - измерители неоднородностей линий передачи.
В радиоизмерительной технике широкое применение находят многофункциональные комбинированные приборы, формирующие измерительные сигналы с заранее известными характеристиками и параметрами, притом известными с определенной погрешностью - измерительные генераторы группы “Г”. Все генераторы подразделяются на следующие подгруппы:
Г1 - генераторы ВЧ и СВЧ;
Г2 - генераторы шумов;
Г3 - генераторы низких частот;
Г4 - генераторы радиовещательного диапазона, метрового, дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазонов;
Г5 - генераторы импульсов;
Г6 - генераторы специальной формы импульсов (пилообразной, треугольной, с фазовой и частотной модуляцией и т.п.).
К универсальным радиоизмерительным приборам относят также измерительные усилители, то есть усилители с известным коэффициентом усиления:
У2 - селективные усилители;
У3 - высокочастотные усилители;
У4 - низкочастотные усилители;
У5 - усилители напряжения постоянного тока;
У7 - универсальные (широкополосные) усилители.
Кроме того в качестве вспомогательного оборудования при проведений испытаний, настройки, регулировки аппаратуры используются источники питания постоянного тока типа Б5.
Радиоизмерительные приборы производства заграничных фирм классифицируются приблизительно также. Основная разница в классификации - за границей не подразделяют группы на подгруппы.