книги из ГПНТБ / Генике, А. А. Геодезические фазовые дальномеры

присоединенной к фотоэлементу, возникает электрический ток («фо­

тоток») .

Чувствительность фотоэлемента измеряется отношением величины фототока к величине вызвавшего его светового потока.

Для того чтобы 'получить более чувствительный прибор, фото­ элемент сочетают с электронным умножителем. Последний основаи на использовании явления вторичной электронной эмиссии. Это яв­ ление заключается в том, что при ударе электронов с достаточной энергией о поверхность веществ из последнего выбиваются вторичные электроны,

%Cßem

1 $ .

Рис. 65

причем число их может быть в несколько раз больше, чем первич­ ных. В фотоумножителе электроны, эмиттированные фотокато­ дом, так же как и в фотоэлементе, разгоняются электрическим полем, но попадают не на анод, а на так называемый «динод» или «эмиттер». Это — электрод специальной формы, покрытый веществом с большим коэффициентом вторичной эмиссии. Электроны, выбитые из динода, направляются электрическим полем на следующий динод. Число динодов (а следовательно, и число каскадов умножения) может быть больше десяти. Например, в фотоумножителе ФЭУ-17 их три­ надцать. С последнего динода электроны попадают на анод. В ре­ зультате в цепи анода может быть получен фототок, в миллионы раз превышающий ток фотокатода. Чувствительность фотоумножителей достигает десятков и сотен ампер на люмен.

На рис. 65 изображена схема фотоумножителей ФЭУ-17 и ФЭУ-38. Форма динодов фотоумножителей обеспечивает лучшую фокусировку

•110

электронов электрическим полем, которое в большинстве случаев создается при помощи делителя напряжения, составленного из ре­ зисторов. Нагрузка, с которой снимается сигнал, включена в про­ межуток между анодом и входом делителя. Положительный полюс источника питания обычио заземляется (рис. 66).

Ввиду того что при светодальномерных измерениях приходящий в приемник световой поток чрезвычайно мал, нагрузочное сопроти­ вление иногда имеет величину до ста мегом.

Наиболее важными характеристиками фотоумножителей, с точки зрения использования их в светодальномерах, являются: интеграль­ ная чувствительность, спектральная чувствительность, темновой ток, порог чувствительности и частотпая характеристика.

Под интегральной чув­ ствительностью понимается чувствительность • к неразло­ женному «белому» свету опре­ деленного спектрального со­ става. Она определяется фототоком в анодной цепи фотоумножителя при осве­ щении его фотокатода еди­ ничным лучистым потоком. Как уже упоминалось, в ви­ димой области интегральная чувствительность измеряется в амперах на люмен.

Следует заметить, что ток, снимаемый с ФЭУ, не должен быть больше определенной величины, так как в противном случае прибор выйдет из строя. Например, для ФЭУ-17 при предельном токе, равном 100 мкА, и чувствительности 10 А/лм световой поток, падающий на фотокатод, не должен превышать 1-10-5 лм. Таким образом, фотоум­ ножитель, находящийся под напряжением, следует всячески обере­ гать от случайных, даже кратковременных засветок.

Интегральная чувствительность ФЭУ зависит от чувствитель­ ности фотокатода и от коэффициента усиления электронного умно­ жителя. Последний зависит от напряжения на динодах. Изменяя это напряжение, можно менять коэффициент усиления, а следова­ тельно, и чувствительность фотоумножителя.

Спектральная чувствительность — это чувствительность к излу­ чению в достаточно узкой спектральной области. Спектральную чув­ ствительность измеряют в микроамперах на ватт, относя ее к опре­ деленной длине волны. Иногда эту характеристику приводят в виде графика в зависимости от длины волны.

Для наиболее эффективного использования фотоумножителя (как, впрочем, и любого приемника излучения), необходимо, чтобы его спектральная характеристика была возможно лучше согласована со спектральной характеристикой источника излучения. На рис. 67

111

приведены три кривые. Кривая 1 дает спектральное распределение лучистой энергии вольфрама при температуре 2800° К. Кривая 2 характеризует спектральную чувствительность фотоумножителя с кислородно-цезиевым фотокатодом (например, ФЭУ-22). Кривая 3 получена перемножением ординат первых двух графиков и позволяет судить об эффективности совместной работы излучателя и приемника. Длина волны, соответствующая максимуму кривой 3, носит название «эффективной длины волны».

Темновой ток — это ток в анодной цепи находящегося под напря­ жением фотоумножителя при полном отсутствии света на фотокатоде. Он является следствием собственных шумов фотоумножителя, вы­ зываемых рядом внутренних источников электрических флюктуаций. Для снижения величины темнового тока можно принять ряд мер. Например, работать при пониженном напряжении на динодах. Надо

Тот наименьший поток лучистой энергии, который еще может быть зарегистрирован фотоумножителем, называется порогом чув­ ствительности. Из ранее сказанного ясно, что возможность регист­ рации слабых потоков ограничивается наличием темнового тока. Для ФЭУ-17 порог чувствительности в среднем равен 1-10-11лм. Мы говорим «в среднем», так как вообще разброс характеристик у фо­ тоумножителей одного типа очень велик.

Частотная характеристика позволяет судить о том диапазоне частот, в котором фотоумножитель усиливает сигналы без заметных искажений. Современные фотоумножители способны преобразовать модулированный свет в электрические сигналы при частоте модуля­ ции до нескольких десятков мегагерц. Следовательно, фотоумножи­ тель вполне может служить демодулятором в свѳтодальномерах. Для этого к одному из промежутков между электродами (например, фотокатод — 1-й динод) прикладывают не постоянное напряжение от делителя, а подают на него высокочастотное опорное напряжение. В результате взаимодействия переменного электрического поля, создаваемого опорным напряжением, и электронов, выбиваемых пришедшим измерительным световым сигналом, происходит «фазовое детектирование». При этом ток на выходе фотоумножителя будет определяться фазовыми соотношениями двух сигналов. Максималь­ ная величина тока наблюдается в том случае, если взаимодейству­ ющие сигналы имеют одинаковую фазу, т. е. опорное напряжение и модулированный световой поток достигают своих максимальных значений в один и тот же момент времени. И наоборот, ток будет минимальным, если сигналы оказались в противофазе.

Фотоумножитель может служить и смесителем. Для этого к од­ ному из его промежутков прикладывают переменное напряжение с частотой, отличной от частоты модуляции света. Тогда на выходе будет получен сигнал, частота которого равна разности этих двух частот.

112

Следует указать на то, что время пролета электронов от фотока­ тода до 1-го эмиттера неодинаково для разных участков фотокатода. Поэтому при смещении светового пятна по фотокатоду изменяется и время пролета, благодаря чему вносятся ошибки в измерения. Чтобы' избежать их, принимаются меры для стабилизации поло­ жения пятна. Размеры светового пятна также небезразличны. Если пятно будет большим, то в сигнале будет «размазана» фаза, так как время пролета с разных участков фотокатода будет различным. Если пятно будет очень мало, то малейшее его смещение вызовет ошибку, поскольку от соседнего участка фотокатода время пролета будет другим. Экспериментально найдено, что наиболее подходящим яв­ ляется пятно диаметром от 2 до 3 мм.

Приемники ультракоротких радиоволн

При радиодальномерных измерениях радиоволны, прошедшие ис­ комое расстояние, попадают в приемную антенну. С помощью такой антенны принимаемая электромагнитная энергия концентрируется в фокусе параболического зеркала, где располагается приемный ан­ тенный облучатель. От облучателя через фидерную линию эта энер­ гия поступает на вход приемного устройства.

Основное назначение приемного устройства состоит в том, чтобы усилить принятый сигнал (поскольку после прохождения расстояния -он очень сильно ослабляется), а затем выделить из него другой, более низкочастотный сигнал, несущий в себе информацию о величине' измеряемого расстояния.

Следует заметить, что при использовании колебаний сверхвысо­ ких частот возникают существенные трудности, связанные с усиле­ нием таких колебаний. В связи с этим в УКВ приемниках наиболь­ шее распространение получила супергетеродинная схема, когда на входе приемного устройства устанавливается смеситель, на который поступают колебания как от приемной антенны, так и от вспомога­ тельного генератора (гетеродина). В результате взаимодействия этих колебаний образуются колебания разностной частоты, которую в та­ ких схемах называют промежуточной частотой. Величина промежу­ точной частоты зависит как от частоты принимаемых сигналов, так и от частоты гетеродина. Изменяя частоту последнего, можно подо­ брать такое значение промежуточной частоты, на которой удобнее всего производить усиление.

Помимо устранения трудностей, связанных с усилением СВЧ колебаний, супергетеродинная схема позволяет также легко реали­ зовать применяемую в радиодальномерах низкочастотную методику измерения. С этой целью в радиодальномере в качестве гетеродина используется не отдельный вспомогательный генератор, а свой соб­ ственный передатчик.

На рис. 68 приведена упрощенная схема входной части суперге­ теродинного приемника, используемая в радиодальномерах трехсантиметрбвого диапазона. Как видно из рисунка, на смеситель

поступают одновременно колебания от приемной антенны и от клистронного генератора, который выполняет роль УКВ передатчика.

В качестве смесителя на сверхвысоких частотах обычно исполь­ зуется полупроводниковый диод специальной конструкции. Нагруз­ кой этого смесителя является колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту.

«э £ 6 $

ѵі

* §■

Рис. 68

4M колебания, поступающие на смеситель от приемной антенны и от клистронного генератора, могут быть выражены с помощью следующих формул:

Мчм, = Um, sin (шД + ß cos ЙД); мчмг = и тгsin (<o2t -f ß cos Q2t),

где Unu и Umi — амплитудные значения вышеуказанных колебаний; со х и со 2 — круговые несущие частоты принимаемых и пере­

даваемых колебаний;

й х и Qo — круговые частоты модулирующих колебаний веду­ щей и ведомой станций радиодальномера.

Для упрощения в этих формулах принято, что индекс частотной модуляции, ß на обеих станциях радиодальномера имеет одно и то же значение.

Поскольку эти колебания одновременно воздействуют на смеси­ тель, то результирующее напряжение на смесителе будет опреде­ ляться суммой двух напряжений.

Определим ток, который будет протекать в цепи смесителя под воздействием этого напряжения. Характерной особенностью смеси­ теля является нелинейная зависимость между током и напряжением. Для небольших напряжений (порядка десятых долей вольта) эта

114

зависимость может быть выражена следующей приближенной фор­ мулой:

і = b 0-f-Ь2и -)-Ь2и 2,

где Ьд, ~Ь1 и Ь2 — вспомогательные коэффициенты, определяемые экспериментально.

Если формулы для 4M колебаний записать в виде уравнений (81) и подставить их в уравнение (83), а затем выделить колебания только разностной частоты (эти функции выполняет колебательный контур), то формула для тока промежуточной частоты приобретает следующий вид:

іпр = /шпр (1 + т cos Qpi) cos conpf.

Данное выражение представляет собой уравнение амплитудно-мо- ' дулированных колебаний.. В этой формуле:

Іт — амплитудное значение тока промежуточной ча­ стоты;

т — коэффициент глубины модуляции; £2Р = Й* — й 2 — частота огибающейAM колебаний; шп = со, — со2 — промежуточная частота.

При протекании тока через колебательный контур на последнем создается падение напряжения, равное

ипр = Umnv (1 + т cos Qpt) cos мпрг,

где Um — амплитудное значение напряжения промежуточной ча­

стоты на выходе смесительного каскада.

Таким образом, при воздействии на смеситель двух частотно-мо- дулированных сигналов на его выходе с помощью колебательного контура удается выделить амплитудно-модулированный сигнал раз­ ностной частоты, причем амплитуда этих колебаний изменяется с ча­ стотой Qp, равной разности частот модулирующих колебаний веду­ щей и ведомой станции радиодальномера.

На рис. 69 показаны формы изменения несущих 4M колебаний, подаваемых на смеситель, а также форма изменения AM колебаний, снимаемых со смесительного каскада. Информацию о величине из­ меряемого расстояния несет в себе огибающая AM колебаний проме­ жуточной частоты. Поэтому дальнейшая задача приемного устрой­ ства состоит в том, чтобы выделить из AM колебаний низкочастотный сигнал, соответствующий огибающей этих колебаний.

Однако прежде чем выделить низкочастотный сигнал, необхо­ димо произвести усиление AM колебаний промежуточной частоты,

поскольку амплитуда напряжения на выходе смесительного каскада чрезвычайно мала (порядка нескольких десятков микровольт).

Для усиления колебаний промежуточной частоты применяется резонансный усилитель, настроенный на промежуточную частоту и

получивший поэтому название усилителя промежуточной частоты. В радиодальномерах используются, как правило, 5-каскадные уси­ лители с общим коэффициентом усиления 50 000—100 000.

Выше мы рассмотрели случай образования AM сигнала при по­ даче на вход смесительного каскада двух СВЧ сигналов, модулиро­

колебаниями своего собственного клистронного генератора. В ре­ зультате этого на выходе смесительного каскада образуются коле-, бания промежуточной частоты, которые оказываются модулирован­ ными по амплитуде синусоидальными, а но частоте — импульсными сигналами. Форма изменения такого сигнала показана на. рис. 70.

§ 1 9 . ДЕТЕКТОРЫ

Как уже отмечалось, под детектированием понимается процесс восстановления модулирующего (управляющего) сигнала из модули­ рованных колебаний того или иного вида. Другими словами, детек­

116

тирование представляет собой процесс, обратный модуляции. В свя­ зи с этим его часто называют также процессом демодуляции.

Взави&имости от вида модуляции (амплитудная, частотная или фазовая) различают три типа детекторов: амплитудные, частотные

ифазовые, причем амплитудные детекторы очень часто называют просто детекторами.

Всветодальномерах детекторы чаще всего называют демодулято­ рами. Основные особенности демодуляции принимаемых световых

сигналов были рассмотрены в предыдущем параграфе. Здесь же мы остановимся на вопросах, связанных с детектированиемэлектриче­ ских колебаний, модулированных или по амплитуде, или по частоте.

На рис. 71 приведена схема амплитудного детектора, применяе­ мого в радиодальномерах. В этой схеме в качестве детектора исполь­ зован полупроводниковый диод, а для устранения влияния высоко­ частотных составляющих применен низкочастотный фильтр, соста­ вленный из нескольких конденсаторов и резисторов.

Следует заметить, что форма напряжения на нагрузке детектор­ ного каскада зависит от формы вольтамперной характеристики ис­ пользуемого диода. Если на диод подается слитком малое AM на­ пряжение (порядка десятых долей вольта или меньше), то зависи­ мость между током и напряжением на диоде близка к квадратичной. В этом случае наблюдаются значительные цскажения формы выход­ ного напряжения. Для уменьшения искажений такого рода необ­ ходимо увеличить напряжение, подаваемое на детектор. Практически детектируемое напряжение доводят до величины порядка 1 В. Вследствие чего и возникает необходимость в усилении AM колеба­ ний, прежде чем осуществить их детектирование.

Остановимся теперь на вопросах, связанных с детектированием частотно-модулированных (4M) колебаний, которые применяются в геодезических радиодальномерах.

При прохождении 4M колебаний вдоль измеряемого расстояния,, а также по цепям радиодальномера на эти колебания накладываются как различного рода помехи, так и побочные AM колебания. В резуль­ тате этого амплитуда 4M колебаний, поступающих на частотный детектор, изменяется. Если не принять специальных мер, то эти из­ менения амплитуды могут привести к нежелательным искажениям формы сигнала на выходе частотного, детектора.

117

ная составляющая анодного тока і'а~ будет протекать через раздели­ тельный конденсатор Ср, высокочастотный дроссель Ндр и цепочку, состоящую из параллельно соединенных конденсатора С4 п резис­

тора R 2-

При прохождении этого тока через дроссель Ндр на последнем создается падение напряжения, равное U2. Это напряжение на резо­ нансной частоте оказывается сдвинутым по фазе на 90° относительно напряжений U\ и U\. Поскольку цепочки R \C 3 и Т?2С4 оказывают небольшое сопротивление токам высокой частоты, то можно считать, что к диоду Д і будут приложены напряжения U[ и Н2, а к диоду Д г — U\ п Н2.

Д, X

Так как напряжения U\, U\ и Н2 являются переменными и сдви­ нуты относительно друг друга по фазе, то сложение их производится геометрически.

Представим напряжение Н2 в виде вертикально расположенного вектора. Тогда напряжения U[ и U] на резонансной частоте изобра­ зятся в виде перпендикулярно расположенных векторов, как пока­

нают протекать токи, причем постоянные составляющие этих токов Іо и Д нрн прохождении соответственно через резисторы R 4 п R 2

Если напряжения U\ и U\ равны между собой и сдвинуты по фазе на 90° относительно Н2, то напряжения НЬ и НЬ также будут равны между собой.

119-