книги из ГПНТБ / Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека

успешно используются в волноводной технике для измерения боль­ ших мощностей. Между тем, минимум две особенности ограничивают возможность широкого использования болометрических пленок и пленочных термопар в радиометрии СВЧ полей: необходимость вы­ сокой теплорадиацпонной защиты от внешних тепловых воздействий и относительно высокая постоянная времени пленок, которая нахо­ дится в пределах долей миллисекунды и более. Кроме того, как уже говорилось, изотропные свойства исследованных датчиков недоста­ точны (даже в пределах полусферы).

Таким образом, пока единственным видимым путем реализации современных требований к иитенсиметрической аппаратуре остается конструирование антенных систем с разделением функций приема, детектирования, усиления и регистрации сигналов.

Примером такого интенсиметра, как мы видели, яв­ ляется измеритель поля ПО-1 и другие приборы (см. табл. 6.1 .1 ), применяемые в интенсиметрии полей био­ логически опасных уровней. Основные недостатки этих приборов, обусловленные инерционностью и малой чув­ ствительностью использованных детекторов (термисторов и болометров) мы рассмотрели выше. Следует отметить, что аппаратура, как правило, сконструирована весьма тщательно, с максимальным использованием всех техни­ ческих возможностей своего времени (например, коэф­ фициент стоячей волны в тракте высокой частоты интен­ симетра ПО-1 допускается не выше 1,5 ... 2), поэтому отмеченные недостатки можно считать следствием при­ мененного принципа измерения.

Единственным чувствительным элементом, пригод­ ным для использования в малоинерционной радиомет­ рической аппаратуре, оказались полупроводниковые де­ текторы, осуществляющие непосредственное преобразо­ вание СВЧ энергии в постоянный ток, однако и они не­ пригодны там, где принципиально необходимо усредне­ ние сигналов в большом динамическом диапазоне; в этом случае целесообразно применять термопары, луч­

давно [172, 174]. Полупроводниковые диоды обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью, в нашем случае, как правило, даже полностью не реали­ зуемыми. Коэффициент передачи современных диодных детекторов составляет (по мощности) 10 4... 10 2, ча­ стотный диапазон диодов часто определяется только

212

213

конструкцией патрона-держателя и в необходимых слу­ чаях может составить несколько октав.

Большим недостатком полупроводниковых диодов, ограничивающим применение их в измерительной техни­ ке, является температурная и временная нестабильность. В интенсиметрической аппаратуре, рассматриваемой ни­ же, их удалось применить только после того, как были найдены способы нейтрализации указанных недостат­ ков.

Применение диодного детектирования позволяет вы­ полнить как самопоказывающие измерители, если требуе­ мый динамический диапазон уровней относительно не­ велик, так и измерители с наводкой [93], т. е. с отсчетом уровня по шкале ручного регулятора.

6.1.4.Варианты функциональных схем интенсиметров.

Внастоящее время разработаны схемы радиоинтепсиметров с применением преобразователя СВЧ на полу­

проводниковых диодах и термопарах. В обоих случаях чаще применяются схемы с наводкой, хотя в одном из последних вариантов измерителя поля удалось выпол­ нить прибор с прямым дискретным отсчетом (самопоказывающий) в диапазоне интенсивностей порядка 20 дБ

(см. п. 6.1.6).

В измерителях с наводкой процесс измерения вклю­ чает в себя три фазы: наводку, отсчет по шкале уров­ ней и отсчет отклонений от калиброванного уровня для внесения поправки к основному отсчету. Наводка (и от­ счет) может осуществляться как до, так и после детек­ тирования. В первом случае общий ДД прибора, кото­

вышает 50 . . . 60 дБ). Детектор же работает в пределах небольшого участка амплитудной характеристики. При

ним амплитудным пределом работы диода. Реализуе­ мый практически диапазон уровней не превышает 2 0 ...

. . . 25 дБ, однако стоимость прибора оказывается зна­ чительно ниже, уменьшаются его вес и габариты.

В приборах обоих типов (самопоказывающего и с наводкой) при неавтоматизированном съеме данных отсчет абсолютного или относительного уровня произво­ дится отсчетом показаний индикатора, находящихся

214

в определенной зависимости от входного сигнала. Эта зависимость и определяет характер регистрации сигна­

Действительно, при уровне пиковой мощности на входе детектора порядка ІО-4 Вт, допуская к. п. д. детектора порядка ІО-3, скважность сигнала ІО3, постоянное напря­ жение на выходе детектора, нагруженного на сопротив­ ление ІО3 Ом, составляет около ІО-5 В. С помощью таких устройств нельзя измерить амплитуду отдельных импуль­ сов при приеме импульсных сигналов высокой скважно­ сти; появляется перегрузка диодов. Для сужения динами­ ческого диапазона работы диода-детектора сейчас исполь­ зуется регистрация сигнала по пиковому уровню и уси­ ление сигнала широкополосными видеоусилителями. Как будет показано ниже, это позволяет упростить защиту кристалла от выгорания, повышает надежность работы детектора ів условиях воздействия полей с высокой скважностью, упрощает калибровку индикатора и детек­ тора.

Для измерения сигналов СВЧ с разнообразными ви­ дами модуляции (от импульсно-модулированных с вы­ сокой скважностью до «смодулированных) на входе усилителя включается сверхвысокочастотный переключа­ тель-манипулятор для импульсной модуляции сигнала с глубиной, близкой к единице, и регистратор пикового уровня [93].

среднему уровню. Применение регистрации по среднему уровню при поддержании на входе постоянной средней ППМ приводит к вариациям пиковой мощности на входе детектора в Аq раз (Äq — изменение скважности импуль­ сов входного сигнала). Это также приводит к перегруз­ кам диода и в некоторых случаях (при воздействии им­ пульсов с высокой скважностью) к зыходу его из строя. Кроме того, вследствие появления «мертвых зон» вблизи частоты манипуляции (или кратной ей) приходится пре­ дусматривать дополнительный орган регулировки часто­ ты манипуляции.

215

Пиковая 'регистрация совместно с предварительной манипуляцией сигнала со скважностью, близкой к еди­ нице (большую часть времени канал усиления остается открытым), позволяет до минимума снизить требование к стабильности параметров манипуляции, по крайней мере в [2 (1 —^гЛО]”1 раз* снижает вероятность появле­ ния мертвых зон и повышает устойчивость работы дио­ да-детектора. Применение пиковой регистрации автома­ тически решает задачу снижения инерционности прибо­ ра до необходимого уровня 10”6.. .10 5 с. Относительно высокий коэффициент передачи диода-детектора позво­ ляет выполнить измерительные приемники для диапазо­ на уровней ІО'6 Вт/см2 и выше по схеме прямого усиле­ ния. Задача создания высокочувствительных измерите­ лей поля облегчается возможностью применения в них видеоусилителей.

мени, когда вход усилителя оказывается закрытым. Между тем, ве­ роятность рм фактически оказывается еще меньше (в Кум раз), если ѵчесть, что при попадании какого-либо входного импульса в момент, когда вход усилителя оказался закрытым, даже при незначительной

прикрытия», и пиковый детектор зафиксирует максимальную ампли­ туду измеряемых импульсов. Если эта возможность будет хотя бы раз за время іа (время памяти пикового детектора), то режим рабо­ ты индикатора не будет, нарушаться. Для Кум можно записать:

где <7м = 1 / т м Е м ; т м — время, соответствующее открытому входу уси­ лителя за период манипуляции 1/Е„.

Таким образом, за счет памяти пикового детектора вероятность рм снижается до величины

2 1 6

В обычных схемах измерителей ноля детекторного ти­ па, если они не предназначены для измерения только импульсных излучений, применяются усилители постоян­ ного тока (УПТ). Применяются они и в интенсиметрах с использованием инерционных детекторов * (например, на термопарах). Эти усилители обычно капризны в рабо­ те и зависят от температуры. Для измерения импульсномодулированных излучений и при использовании интенсиметров с предварительной манипуляцией сигнала могут быть использованы относительно простые высокочувст­ вительные схемы усилителей видеоимпульсов, позволяю­ щие реализовать необходимые требования к интенсиметрической аппаратуре. При одинаковых геометрических размерах коэффициент усиления видеоусилителей, как правило, на 2 0 ... 30 дБ выше коэффициента усиления УПТ и составляет 50 ... 70 дБ.

В самопоказывающих интенсиметрах с наводкой по цепи постоянного тока чувствительность устанавливают в процессе производства, или это делает оператор перед работой с определенными излучателями (по расчетным данным или в поле путем сравнения с более точными приборами) Устройства предустановки чувствительности обычно выполняются в виде полупеременных СВЧ атте­ нюаторов с небольшими пределами затухания, их регу­ лировка выводится «под шлиц». В приборах с наводкой по цепи СВЧ имеется, как правило, орган подстройки чувствительности по собственному генератору стабиль­ ного уровня.

Применение высокочувствительных схем усиления и регистрации (по сравнению с обычными мостами постоянного тока и тепловыми датчиками) позволяет по-новому рассмотреть вопрос о необходимых и достаточных параметрах антенны-зонда. До сих пор к наиболее важным параметрам антенн относили величину эффективной поверх­ ности, которая из-за ограниченной чувствительности должна быть достаточно высокой и стабильной в заданном диапазоне частот. Сей­ час требования к зонду в значительной степени меняются. Вот наи­ более важные из параметров, которые приходится нормировать при конструировании зонда для работы в составе детекторных интенсиметров: стабильность направления максимума и гладкость диа­ граммы по диапазону, удобство механического, электрического и эстетического сопряжения с блоком усилителя. Требуемая широкополосность антенн-зондов составляет 3 ... 4 октавы, геометрические размеры антенны не должны превышать нескольких сантиметров, от­ клонение оси диаграммы от нормали к плоскости апертуры не должны превышать 10 ... 20’ во всем диапазоне частот.

* Такие интенсиметры необходимы при нормировании ППМ, усредненной за определенное время (порядка секунд или минут).

2\7

Особо следует упомянуть здесь необходимость ограничивать гео­ метрические размеры зонда. Геометрически большие антенны инте­ грируют уровень поля по всей приемной поверхности. В условиях очень высокой неравномерности внутренних полей это приводит к значительному занижению результатов, иногда в десятки раз. Для повышения точности измерений внутренних полей в измерителях поля применяют геометрически малые зонды. При этом не ставится специально цель учесть реактивный характер поля: ведь реактив­ ность поля проявляется начиная с расстояний порядка Х/2я, т. е. на расстояниях очень малых во всем диапазоне СВЧ. По этой же при­ чине, несмотря на то, что малые зонды имеют, как правило, индук­ тивный (реже емкостной) характер, можно считать, что с их по­ мощью измеряется именно величина ППМ. Рекомендации по учету реактивного характера поля на очень малых расстояниях от щелей приведены ниже, в п. 6.2.6.

6.1.5. Основные элементы схем интенсиметров. Перей­ дем к рассмотрению основных элементов схем интенсиметров. В связи с тем, что элементы серийной аппарату­ ры рассмотрены достаточно подробно в литературе, наи­ большее внимание нам придется здесь уделить принци­ пам работы и конструированию элементов новой интенсиметрической аппаратуры, многие из которых описаны в литературе недостаточно полно или вообще имеются только в виде патентных материалов.

В соответствии с принципом работы детекторных интенсиметров, рассмотреных выше, в интенсиметр долж­ ны входить следующие каскадпо соединенные элементы: антенна—-как правило, малогабаритная, малочувстви­ тельная, но достаточно широкополосная и удобная в кон­ структивном отношении; аттенюатор СВЧ — обычно плав­ нопеременный, обладающий заданными пределами регу­ лировки; прерыватель (манипулятор)— экономичный и достаточно широкополосный; детектор — элемент со ста­ бильными характеристиками, пригодный для детектиро­ вания относительно высоких уровней мощности; усили­ тель, обеспечивающий высокий коэффициент усиления при малом дрейфе, и регистратор, позволяющий произ­ водить отсчет результатов измерений или фиксировать заданый уровень сигнала для отсчета по шкале аттеню­ атора.

Антенна. Как правило, для измерения применяются либо антенны с размерами, близкими или большими длины волны («большие» антенны), либо антенны-зонды с размерами, не превышающими десятых долей длины волны. Измерительные антенны первой группы доста­ точно разработаны и широко применяются в самых различных областях измерительной техники. К ним ОТ-

216

носятся различные рупорные, вибраторные полу- и Чет­ вертьволновые антенны и т. д. Сюда же входят и так называемые логопериодические антенны — большой класс широкополосных антенн, появившихся в 50-х годах [5, 127, 178]. В них на каждой рабочей частоте из всего набора диполей различной длины, включенных парал­ лельно, «работает» один или небольшая группа диполей с длиной около половины длины волны. Передние виб­ раторы (более короткие) играют роль директоров, зад­ ние (более длинные)—роль рефлекторов [14]. Общий вид одной из таких антенн (ГІ6-22) см. на рис. 1.2.4,в. Анало­ гично работают и круглополяризованные антенны.

На основе квазипериодических структур, используе­ мых в логопериодических антеннах (в простейшем слу­ чае— набор линейных вибраторов различной длины), мо­ гут быть разработаны малогабаритные антенны-зонды, пригодные для применения в детекторной интенсиметрической аппаратуре (об этих антеннах более подробно будет сказано ниже).

«Большие» антенны имеют достаточно большую эф­ фективную поверхность и поэтому применяются с тер­ мисторными измерителями мощности относительно невы­ сокой чувствительности (например, в ПО-1). Однако в некоторых случаях их применение ограничено. Дейст­ вительно, исходя из формулы для дальней зоны антенн (4.3.3) и электрического размера антенны (0 .5 ...1) X, минимальное расстояние между антенной и исследуемым излучателем не должно быть меньше (1... 2) X. На меньших расстояних погрешность измерения быстро рас­ тет. Зависимость ошибки от расстояния до радиоотра­ жающей плоскости носит квазипериодический характер с выбросами в положительную и отрицательную обла­ сти; на малых расстояниях ошибки всегда отрицатель­ ные и достигают 50% и более. Это является существен­ ным ограничением в применении больших антенн на от­ носительно низких частотах (можно считать, от 500 ...

...1 000 МГц и ниже). Вторым ограничением примене­ ния таких антенн в интенсиметрической аппаратуре яв­ ляется их относительная узкополосность. Исключение составляют логопериодические антенны [112, 127, 177]. Наконец, важным ограничением применения в интенсиметрах СВЧ больших антенн является значительная масса и габариты, затрудняющие работу с аппаратурой.

Максимальный размер логопериодических антенн, вы­

219