Глава пять. Составные части радиоизмерительных приборов.

5.1. Меры физических величин в радиоизмерительных приборах.

Во всяком радиоизмерительном приборе всегда обязательно имеется в явном, неявном, а иногда в скрытом виде, мера хотя бы одной физической величины, с которой сравнивается измеряемая величина. Благодаря возможности создавать приборы с алгоритмами сравнения 2, 3, 4, когда преобразуется и , и , набор мер физических величин, для которых создаются и включаются в состав РИП меры значительно меньше, чем номенклатура измеряемых величин.

Основные требования, предъявляемые к мерам физических величин, включаемых в состав радиоизмерительных приборов, вытекает из их назначения:

• стабильность во времени и устойчивость к изменению внешних условий (температуры, электромагнитных полей и т. д.);

• минимальная, необходимая для данного РИП, систематическая погрешность;

• диапазон значений воспроизводимой величины должен быть достаточным для приведения к мере, то есть сравнения с мерой всех значений величины, измеряемой прибором;

• возможность периодического контроля значений величины, воспроизводимой мерой, то есть возможность контроля ее стабильности.

Поскольку наименьшими относительными погрешностями обладают меры основных величин системы SI - частоты и интервала времени, а также основных электрических величин на постоянном и НЧ токах – напряжения и сопротивления, то чаще всего для приборов, работающих в диапазоне частот от до , используют меры перечисленных величин. С переходом к более высоким и сверхвысоким частотам сами величины напряжения и сопротивления теряют смысл. Поэтому в набор мер величин на ВЧ и СВЧ дополнительно необходимо включать меры мощности электромагнитного монохроматического (синусоидального) и шумового (теплового) излучения, меры волнового сопротивления для стандартизованных передающих линий.

Общее замечание. Изучив руководство по эксплуатации любого измерительного прибора, независимо от сложности его устройства, принципа действия, инженер должен уяснить, меры каких физических величин присутствуют в нем и каким образом (в каких устройствах) они материализованы. Если РИП измеряет n величин, то для каждой из них в приборе реализуется операция , так что должны быть меры n величин. При этом, значительная часть из этих n величин могут быть образованы преобразованием от одной меры при помощи преобразователей величин. Далее рассмотрим наиболее применяемые меры величин.

5.1.1. Меры частоты.

Меры частоты воспроизводят (материализуют) одно, несколько или бесконечный набор (шкалу) значений частот колебаний. Воспроизводимой физической величиной является частота f, определяемая как количество колебаний в единицу времени. Принцип воспроизведения – явление резонанса в устройствах, описываемых дифференциальным уравнением второго порядка, решением которого являются синусоидальные колебания. В качестве таких устройств используются колебательные контуры на сосредоточенных элементах или объемные резонаторы. Отметим, что в современных РИП контуры практически не используются. Для диапазонов частот от до , используют кварцевые резонаторы, в которых возбуждаются механические колебания, которые благодаря пьезоэффекту в кварце преобразуются в электрические. В диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн используют полые резонаторы для электромагнитных колебаний. Резонаторы создают для фиксированных частот и перестраиваемые. Кварцевые резонаторы изготовляют для фиксированных частот, так как невозможно изменять их геометрические размеры, от которых зависит резонансная частота. Объемные СВЧ резонаторы чаще делают перестраиваемыми для использования в автогенераторах и резонансных частотомерах.

Механизм работы кварцевого резонатора обусловлен совместным проявлением прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Если подключить кварцевый резонатор к источнику переменного напряжения (рис. 5.1,в), то обратный пьезоэффект вызывает механические колеба­ния пластины. Вследствие прямого пьезоэффекта при этой появляется электрическое поле, направленное вдоль оси х. Под действием по­ля во внешней цепи протекает электрический ток. Таким образом, кварцевую пластину можно рассматривать как некоторое зависящее от частоты сопротивление , называемое пьезоэлектрическим.

Рис. 5.1. Кристалл кварца (а), его поперечное сечение (б) и кварцевый резонатор (в).

Как и всякое упругое тело, кварцевая пластина обладает резо­нансными свойствами по отношению к механическим колебаниям. Резо­нансные частоты зависят от размеров пластин и скорости распростра­нения упругих возмущений (т.е. скорости звука) в кварце. Резонанс наступает, когда вдоль какого-либо размера кварцевой пластины (длины, толщины и др.) укладывается целое число полуволн механи­ческих колебаний. Рис. 5.2 поясняет образование резонансов в квар­цевой пластине при ее деформациях по толщине d . На этом рисунке Δ - амплитуда механических колебаний частиц кварца. Знаками + и - обозначена полярность зарядов, λ - длина волны механических коле­баний в кварце.

Рис. 5.2. Резонансные кварцевые частотные пластины:

а – основной резонанс; б, в – вторая и третья механические гармоники.

Вариант рис. 5.2,б практически неосуществим, так как в этом случае на обоих электродах резонатора должны быть заряды одного знака.

На практике могут осуществляться резонансы на нечетных гармо­никах. При колебаниях по толщине получаем следующее соотношение для резонансных частот:

, (5.1)

где .

Поскольку длина волны , где v- скорость звука, f – частота колебаний, то

. (5.2)

Скорость звука в кварце зависит от направления распространения и равна . При этом резонансные частоты

, (5.3)

где толщина d в миллиметрах.

Частотный диапазон кварцевых пластин, возбуждаемых на основном резонансе ( ), ограничен их механической прочностью, так как в для увеличения f нужно уменьшать размеры пластины. Как правило, основная частота кварцевых резонаторов не превышает . В то же время резонансные частоты современных кварцевых резонаторов, работающих на механических гармониках, достигают .

Рассмотрим, какими способами удовлетворяются основные требования, предъявляемые к мерам частоты с использованием кварцевых резонаторов.

1. Стабильность во времени достигается благодаря “чистой” структуре кристаллической решетки кварца с малым количеством ее нарушений, стойкости кварца к воздействиям большинства химических соединений и, как следствие, очень медленному старению, как самого кристалла, так и электрических контактов.

2. Минимальная систематическая погрешность значений резонансной частоты достигается благодаря точному изготовлению (шлифованию) в заданный размер.

3. Кварцевый резонатор воспроизводит реально только одно значение частоты. Для расширения диапазона частот создают синтезаторы частот, представляющие собой автогенераторы на основе генераторов, управляемых постоянным напряжением (ГУН), с системой фазовой автоподстройки частоты N-й субгармоники переменного напряжения на входе ГУНа , по n-й субгармонике автогенератора, опирающегося на частоту кварцевого резонатора. При этом реализуется уравнение . Очевидно, если , то диапазон частот меры может быть значительно расширен вверх. Таким способом благодаря преобразованию двух частот и удается создать многозначную меру частоты.

4. Периодический контроль многозначной меры частоты на основе синтезатора с кварцевым резонатором может осуществляться сравнением (сличением) частоты с частотой другого (эталонного) генератора, значения которой известно с меньшей погрешностью. Цепочкой таких последовательных сличений со все более точными генераторами любая мера на основе кварцевых резонаторов приводится к исходному эталону единиц времени и частоты.

Полые резонаторы для диапазона сантиметровых волн создаются на основе круглого волновода, в котором возбуждается волна типа , для которой потери минимальны, а добротность максимальна. Перестройка резонатора осуществляется перемещением короткозамкнутого поршня, выполняющего роль одной из торцевых стенок резонатора. В другой стенке располагают устройства связи для возбуждения резонатора и для возбуждения тока в цепи детектора. Максимум тока в детекторе наводится, когда длина резонатора равна половине длины волны в волноводе. В современных радиоизмерениях такие меры частоты применяются редко, так как они уступают автогенераторам на основе синтезаторов практически по всем основным критериям. Однако такие резонаторы широко применяют для измерений параметров материалов на сверхвысоких частотах, например, для измерений отношений диэлектрической проницаемости ε и потерь . При этом по изменению резонансной частоты резонатора, частично или полностью заполненного диэлектриком, определяют ε, а по изменению добротности определяют материала.

Наиболее распространены кварцевые резонаторы для стандартных частот в импортных приборах и в отечественных РИП. Для кварцевых резонаторов обычно нормируют следующие характеристики: