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

резко изменяются параметры излучаемого поля из-за увеличений отражений от концов спирали. Это приводит к увеличению реактив­ ной составляющей входного имле :анса, и эффективность антенны быстро снижается. Кроме того, несколько раньше начинает прояв­ ляться осевая асимметрия внешних витков спирали и появляется явно выраженная эллиптичность излученія (до трех и более).

Для уменьшения габаритов антенн с квазипериодической струк­ турой используется известный принцип увеличения электрической длины вибраторов путем включения в их ветви укорачивающих эле­ ментов в виде сосредоточенных реактивностей или замедляющих структур. В обычных вибраторных антеннах применить укорочение более чем в 1,25 ... 1,4 раза обычно не удается из-за заметного ухудшения электрических характеристик антенны (снижения к. п. д. и др.), но применение замедляющих цепей в квазипериодических структурах с самоустапавливающимся режимом излучения оказалось весьма эффективным. Здесь имеет смысл хотя бы вкратце описать принципы работы и конструирования КПА, в активных цепях кото­ рых применяются замедляющие структуры. Обычно нас интересуют не только малые габариты, по и достаточно широкие пределы работы в высокочастотном участке диапазона, поэтому в КПА центральные витки конструируют без замедления, а внешние выполняются в виде спиралей или плоского зигзага с переменным монотонно убывающим по длине шагом. Внешний вид печатных антенн с замедлением при­ веден на рис. 6.1.4,а, б.

При исследовании антенн с замедлением применяется противо­ фазное питание плечей, что соответствует осевому режиму излучения. Обычно ширина диаграммы таких антенн находится в пределах 40 ... 70°, неперпендикулярность оси диаграммы к плоскости антен­ ны зависит от частоты, но не превосходит 10 .., 20° (обычная вели­ чина для логопериодических антенн); коэффициент эллиптичности печатных антенн выше намотанных, эффективная площадь в боль­ шой степени зависит от коэффициента замедления и составляет единицы квадратных сантиметров. Эллиптически поляризованные антенны были использованы в одной из первых экспериментальных моделей измерителя поля *.

В конструкциях интенсиметров с достаточно чувстви­ тельной схемой усиления применяются электрически ма­ лые вибраторы, чаще всего магнитные. Это обусловлено простотой согласования таких зондов с фидером, отсут­ ствием необходимости в симметрировании, а также ма­ лым влиянием тела оператора на его основные характе-

* Недавно удалось использовать двухспиральпые квазипериодические структуры в акустических излучателях, работающих в зву­

ковом диапазоне частот. Такой излучатель представляет собой уло­ женные в виде периодической структуры полые звукопроводы в виде многозаходноіі спирали с четным количеством ветвей. К центру структуры подключен дифференциальный звуковозбудитель. Для уменьшения габаритов периодическая структура снабжена элемента­ ми замедления, коэффициент замедления которых увеличивается к периферии структуры [100]. Подобный излучатель, дополненный устройством формирования продольной волны, работает как громко­ говоритель с очень гладкой частотной характеристикой.

221

риегики. Кроме того, та­ кие зонды в какой-то ме­ ре учитывают индуктив­ ный характер щелей и других неплотностей в эк­ ранах с аппаратурой и трактах.

Для измерения состав­ ляющих дальнего поля или поля, локализованно­ го внутри замкнутых объ­ емов (типа волноводов или резонаторов), датчи­ ки, выполненные в виде простейших электриче­ ских и магнитных диполей размерами много меньше длины волны [199], ока­ зываются непригодными по крайней мере по двум причинам. Первое — это нестабильность диаграм­ мы зонда: даже в сво­

бодном пространстве диаграмма обычного электри­ чески малого зонда — из-за влияния питающих проводов и аппаратуры — в значительной степени отличается от идеальной вплоть, например, до появления нуля в обла­ сти предполагаемого максимума. Вследствие малой эф­ фективной поверхности самой антенны образовавшаяся «диаграмма» сильно зависит от частоты, положения оператора, близости радиоотражающих предметов и т. д. Второе — это искажения исследуемого поля из-за влия­ ния элементов питания и конструкции измерителя.

В аппаратуре, предназначенной для исследования радиополей в свободном пространстве, электрически ма­ лые вибраторы применяются с дополнительными устрой­ ствами формирования диаграммы. Рассмотрим одну из таких конструкций, используемых нами в последних интепсиметрах [97] (рис. 1.2.4,г.)

Антенна-зонд (рис. 6.1.5) содержит вибратор в виде рамки 1 с компенсирующим устройством 2 (такие ком­ пенсаторы нашли распространение в технике волновод­ ных измерений [152]). Рамка подключена , к коаксиаль­ ной линии 3. В задней нерабочей части полусферы рас­

222

положена подложка 4 из радиопоглощающего материа­ ла и металла 5. С рабочей стороны устройство закрыто крышкой 6 из ірадиопрозрачного материала.

Переменный аттенюатор. В зависимости от назначения и типа интенсиметров аттенюаторы могут выполнять: отсчет, предварительную установку (предустановку) чувствительности, подстройку чувствительности.

Отсчетные аттенюаторы обычно стремятся выполнять таким образом, чтобы их градуировка не зависела от ча­ стоты во всем рабочем диапазоне и имела бы вид ли­ нейной функции затухания в децибелах от положения указателя. Это упрощает применение различных пересчетных устройств для съема ірезультагов измерений (на­ пример, в единицах ППМ) непосредственно со шкалы аттенюатора. Необходимый диапазон затуханий отсчетного СВЧ аттенюатора определяется отношением чувст­ вительности и максимального измеряемого уровня ППМ, частотной неравномерностью антенны-зонда и т. д. Исхо­

Если отсчет производится по аттенюатору, включен­ ному в цепь низкой частоты (т. е. после детектора), то для предотвращения перегрузки детектора применяются аттенюаторы с максимальным затуханием не более 25... 30 дБ, при этом требования к их частотным свой­ ствам значительно ниже и выполняются они более про­ стыми, легкими и малогабаритными.

В качестве отсчегных СВЧ аттенюаторов исполь­ зуются промышленные диссипативные — типа Д2-17, Д2-18 и т. д. Отсчетные НЧ аттенюаторы выполняются тоже поглощающего типа, но упрощенной конструкции.

Принцип работы этих аттенюаторов [113, 119] состоит в сле­ дующем. Основным функциональным элементом аттенюаторов является изоляционная пластина с полупроводящей пленкой. Поверх пластины, часто выполняемой в виде подковки, наносится слой се­ ребра 1 (рис. 6.1.6,а), замкнутый на корпус по всей длине. Контакт!? соединяется с центральной жилой входного разъема, скользящий контакт 3 — с центральной жилой выходного разъема. Перемещение контакта 3 вдоль активного луча I аналогично перемещению ползун­ ка П на рис. 6.1.6,б. При этом затухание зависит от отношения //Ди в принципе не зависит от поверхностного сопротивления слоя рп, которое определяет входное и выходное (одинаковые) сопротивле­ ния аттенюатора. В процессе регулировки они остаются практиче­

223

к «земле» и перемещается в направлении, пересекающем направление вход—выход. При этом он перекрывает фак­ тически весь участок проводимости между входом и выходом. В реальных конструкциях аттенюаторов, одна­ ко, верхний предел затухания заметно ограничен двумя

Рис. 6.1.7. Конструкция полуперемешюго аттенюатора с детекторной камерон:

связями через свободную полость 9. Для исключения этих связей в аттенюаторах часто применяется дополни­ тельный ползунок 7. Оба ползунка (5 и 7) имеют хоро­ ший контакт с внутренней плоскостью корпуса 8.

Для удобства регулировки в простых аттенюаторах линейное перемещение контакта 5 часто заменяется вра­

манипуляторами или модуляторами), предназначенным для работы в интенсиметрической аппаратуре, исполь­ зующей пиковую индикацию (см. п. 6.1.3), предъявляют­ ся относительно мягкие требования в отношении глуби-

ны модуляции (она должна быть не менее 0,95 . . . 0,9) и тем более стабильности параметров модуляции (требо­ вания к стабильности частоты и скважности фактически отсутствуют). Параметры импульсов манипуляции: вре­ мя паузы — доли миллисекунды, длительность фрон­ тов— десятки микросекунд. Требованиями, общими для всех элементов интенсиметірической аппаратуры, явля­ ются: широкополосность, малые габариты и масса, ма­ лое потребление энергии. В качестве активного элемента

8

в манипуляторах применяются обычные полупроводни­ ковые детекторные диоды, специальные р-і-п структуры, газоразрядные приборы и т. п.

Схемы диодных выключателей достаточно подробно рассмотрены как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Особенностью примененной в эксперимен­ тальном образце измерителя поля схемы является непо­ средственное последовательное включение диода-детек­ тора и диода-модулятора, что значительно упрощает конструкцию камеры, но требует конструирования единст­ венного разделительного элемента между чувствитель­ ным входом усилителя и выходом управляющего генера-

226

тора прямоугольных импульсов (дросселя) с предельно малыми активными потерями. Теория и расчет выключа­ телей (прерывателей) на полупроводниковых диодах изложены в ряде работ (см. например, [140]).

Полупроводниковые детекторы. В детекторных интен-

симетрах используются полупроводниковые диоды и тер­ мопары. Кроме диапазона частот, наиболее важными па­ раметрами применяемых в современной интенсиметрической аппаратуре диодов являются чувствительность и электрическая прочность.

Чувствительность видеодиодов ßs определяется как отношение выпрямленного тока или напряжения (соот­ ветственно при короткозамкнутом или разомкнутом вы-

Рис. 6.1.9. Зависимость затухания от угла поворота ротора одного из экспериментальных образцов полупеременных атте­ нюаторов.

ходе) к поглощенной диодом СВЧ мощности. В лучших диодах чувствительность по току достигает 5,5 A/Вт и более, по напряжению — до 5 мВ/мкВт (см. [125, 196]

и табл. 6.1.3).

Устойчивость диодов к электрическим перегрузкам принято характеризовать предельно допустимыми значе­ ниями непрерывной ЯНепр или пиковой РПик СВЧ мощно­ сти, а также энергией импульсов W (ели они очень ко­ роткие, не более ІО-8 с). Выходное сопротивление детек­ тора (видеосопротивление) Явых определяет характер входных цепей усилителя.

Температурная нестабильность существующих диодов, несмотря на значительный прогресс в этой части, остает­ ся все же относительно высокой, поэтому на практике ее приходится нейтрализовать схемными и конструктивны-

ми методами. Диод, как правило, помещен в глубине прибора, и быстрые колебания температуры сглажива­ ются тепловой массой конструкции, медленные колеба­ ния выбираются периодической поверкой усиления тракта с помощью встроенного генератора стабильного уровня; кроме того, в интенсиметрах, как правило, не применяются усилители постоянного тока, т. е. здесь

Конструктивно детекторы выполняются либо совмест­ но с камерой манипулятора, либо отдельно. В последнем случае габариты устройства несколько увеличиваются, но условия согласования в диапазоне частот улучшаются, упрощается процесс замены диодов. Чувствительность со входа манипулятора при ис­ пользовании диодов-детекто­ ров типа Д604 оказывается равной 0,05 ... 0,2 мВ/мкВт.

В интенсиметрах, предна­ значенных только для изме­ рения плотности непрерыв­ ной мощности, возможно ис­ пользовать простейшие схе­ мы детектор—усилитель то­ ка — микроамперметр, обес­ печивающие здесь достаточ­

ную точность и чувствительность. В США для этих це­ лей разработаны специальные диоды (типа МА-424 и МА-425), для которых гарантируется высокая повторяе­ мость зависимости выходного напряжения от входной СВЧ мощности в широком диапазоне значений от КП5 до КС2 Вт (рис. 6.1.10). Верхняя граничная частота этих диодов — 10 ГГц. Параметры некоторых отечествен­ ных СВЧ диодов приведены в табл. 6.1.3 [32а].

В интенсиметрах, усредняющих излучение за боль­ шее время -доли секунды и более, применяются тепло­ вые преобразователи: болометры, термисторы, термопа­ ры. Главным недостатком термисторов является необхо­ димость включения их в мост (постоянного или перемен­ ного тока). Основное достоинство термопреобразовате-

228

лей («термопар») — отсутствие сигнала на выходе при отсутствии сигнала на входе. Шумы термопары обычно очень низки и чувствительность устройств изме­ рения на них определяется совершенством тепловой изоляции термопары. В этом смысле наиболее под­ ходят вакуумные термопары, у которых, к тому же, как правило, разделены цепи входа и выхода. Сущест­ венным недостатком термопар является относительно низкая чувствительность по сравнению с болометрами и термисторами (приблизительно на порядок), что ограни­ чивает их применение в измерителях мощности без уси­ лителя. Параметры некоторых вакуумных термопреобра­ зователей приведены в табл. 6.1.4.

Усилители. В зависимости от назначения интенсиметра (предназначен ли он для измерения только импульс­ ных или также и непрерывных колебаний), а также нали­ чия предварительной манипуляции сигнала на входе, в измерителях поля с диодами применяются как усилители постоянного тока, так и видеоусилители (см. п. 6.1.3).

В интенсиметірах с пиковой индикацией выход усили­ теля подключается ко входу пикового детектора с диод­ но-емкостной запоминающей ячейкой или амплитудного дискриминатора и расширителя импульсов на триггерах Шмидта (см. ниже). Для последних вариация длитель­ ности входных импульсов в пределах от постоянного тока до единиц или даже долей микросекунды (т. е. весь необходимый при измерениях диапазон длительно­ стей) несущественна, поэтому чтобы амплитуда посту­ пающих на его вход импульсов не зависела от их дли­ тельности, усиление после детектора необходимо прово-

229