Измерение параметров пассивных высокочастотных устройств.

Стр 1 из 2Следующая ⇒

C.B. Быков. И.А. Ершов И.Л. Рева Е.А. Теличко.

ПРИОБРЕТЕНИЕ БАЗОВЫХ НАВЫКОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ.

Учебное пособие к

лабораторному практикуму

Новосибирск – 2020 г.

УДК 681.3.067 (076.5)

ББК 32.988

3-17

Быков С.В. И.А. Ершов И.Л. Рева Е.А. Теличко

Приобретение базовых навыков определения параметров

высокочастотных электрических и электромагнитных сигналов

Учебное пособие к лабораторному практикуму

Пособие содержит теоретические и экспериментальные

части к лабораторным работам по дисциплине

«Электрорадиоизмерения» и предназначено для студентов,

обучающихся по направлениям «Информационная

безопасность», «Приборостроение».

Рецензенты:

к.т.н, доцент, зав. кафедрой «Защита информации» Иванов А.В.

доцент кафедры «Вычислительная техника» Ильиных С.П.

ISBN 5-902958-02-4

Содержание

стр.

1.	Цель практикума	4
2.	Краткие сведения из теории	4
2.1	Области применения анализаторов спектра	4
2.2	Принципы построения анализаторов спектра	8
2.3	Дополнительные аксессуары для анализатора спектра	30
2.4	Дополнительные измерительные преобразователи для анализатора спектра	31
2.5	Базовые принципы использования анализатора спектра	36
2.6.	Измерение отдельных параметров высокочастотных сигналов	44
3.	Состав учебно-лабораторного стенда	56
4.	Содержание и порядок выполнения лабораторных работ	56
4.1	Определение параметров антенны	56
4.2	Измерение параметров пассивных высокочастотных устройств	58
5.	Контрольные вопросы	58
6.	Требования к содержанию отчета	59
7.	Список рекомендуемой литературы	59
8.	Приложение 1. Руководство по эксплуатации анализатора спектра NS-30A	61

1. Цель практикума

1.1. Знакомство режимами работы и видами измерений, реализованных в анализаторе спектра NS-30A.

1.2. Приобретение практических навыков измерения параметров электромагнитных сигналов, относящихся к радиодиапазону.

1.3. Приобретение практических навыков по измерению параметров высокочастотных радиоэлектронных устройств.

2. Краткие сведения из теории

2.1 Области применения анализаторов спектра

Для существования и передачи информации необходим материальный носитель. В качестве материального носителя выступают физические поля и явления. Одним из широко используемым физических полей является электромагнитное поле. Сигналы электромагнитного поля (далее – электромагнитные сигналы) являются переменными сигналами. При этом, диапазон частот очень широкий. Кроме того, на разных частотах наблюдаются особенности в формировании и распространении электромагнитных сигналов. В связи с этим, весь частотный диапазон электромагнитных сигналов подразделяется на ряд поддиапазонов:

- радиодиапазон (радиоволны);

- тепловое излучение;

- оптическое излучение;

- рентгеновское излучение;

- гамма-излучение.

В разных диапазонах могут применяться разные единицы измерения. Наиболее широко для передачи информации используется радиодиапазон. Это связано с тем, что на распространении электромагнитных сигналов радиодиапазона слабо влияют климатические факторы, и они могут распространяться даже в вакууме. В литературе существует определенное разночтение с указанием границ частотного диапазона сигналов радиодиапазона. Например, в [1] граничными частотами сигналов радиодиапазона указаны 3Гц … 3000 ГГц. В тоже время, согласно Регламенту радиосвязи диапазон частот электромагнитных сигналов, относящихся к радиодиапазону и предназначенных для передачи информации составляет: 3кГц … 3000ГГц [2]. Такая неоднозначность связана с тем, что обязательным условием формирования электромагнитных сигналов является наличие в точке пространства переменных электрических или магнитных сигналов. Теоретических ограничений на частоту переменных сигналов нет. Но возникают технические трудности с реализацией устройств обеспечивающих преобразование переменных электрических или магнитных сигналов в электромагнитные сигналы и наоборот. Электромагнитный сигнал, в том числе относящийся к радиодиапазону состоит из вектора напряженности электрического поля E и вектора индукции магнитного поля B. Напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы, действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда: . Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся с определенной скоростью. , где – скорость движения заряда, – угол между вектором направления движения и вектором индукции. Взаимная ориентация векторов напряженности и индукции в пространстве – ортогональна, то есть между ними угол равный 90°. Вид электромагнитного сигнала в пространстве показана на рис. 2.1. В ряде публикаций, при описании параметров электромагнитной волны используют дополнительный параметр — вектор Пойтинга. Вектором Пойтинга называется направление распространения электромагнитной волны. Для описания характера распространения электромагнитной волны в пространстве в ряде случаев может использоваться дополнительный параметр — поляризация. Поляризация — это положение вектора напряженности электрического поля или вектора магнитной индукции в пространстве. Если в процессе распространения электромагнитного сигнала положение векторов остается неизменным, это носит название — линейная поляризация. Но возможно и вращение векторов вокруг линии, соответствующей направлению распространения. В этом случае применяется название — круговая поляризация.

Рис. 2.1. Структура электромагнитного сигнала.

Для любого волнового процесса, связанного с распространением энергии в пространстве существует понятие – длина волны. Длина волны – это расстояние между двумя точками в пространстве, в которых переменный сигнал имеет одинаковую фазу. Для электромагнитных сигналов радиодиапазона длина волны определяется по формуле: , где – длина волны в метрах, – частота сигнала в МГц.

Сигнал чисто синусоидальной формы встречается достаточно редко. Как правило, зависимость амплитуды сигнала от времени имеет сложный характер. Часто информация заключена в форме сигнала во временной области. Существует большое число измерительных приборов, позволяющих отображать форму сигнала во времени в форме, доступной для восприятия глаз человека. Но упомянутые приборы работают с относительно низкочастотными сигналами, как правило меньше возможного диапазона частот сигналов, относящихся к радиодиапазону. Но как доказал французский математик Шарль Фурье, любой периодический сигнал может быть описан при помощи набора тригонометрических функций имеющих определенные значения амплитуд и фаз и кратные значения частоты: . Таким образом, зная амплитуды и фазы элементарных тригонометрических функций можно восстановить форму сигнала во времени. Совокупности амплитуд и фаз элементарных тригонометрических функций называются амплитудным и фазовым спектром сигнала. Как известно, все электрические цепи имеют амплитудно-частотную характеристику. Если есть информация о необходимой форме спектра сигнала, анализ его на выходе цепи позволяет определить факт возможного искажения сигнала. В качестве примера на рис. 2.2 показаны спектры исходного и искаженного синусоидального сигнала.

Рис. 2.2. Варианты амплитудных спектров сигналов.

При этом, создать прибор, определяющий уровень сигнала на определенной частоте проще. Исходя из всего выше описанного, можно сделать вывод, что прибор, обеспечивающий возможность определения уровня сигнала на разных частотах в режиме работы близком к реальному времени позволяет:

- определить спектральный состав сигнала, и при необходимости восстановить форму сигнала во времени;

- проверить режим работы устройств, обрабатывающих или формирующих переменные сигналы.

Такие приборы выпускаются серийно и носят название – анализаторы спектра. Благодаря возможности отображать амплитуды сигналов в широком диапазоне частот, анализаторы спектра получили наибольшее распространение в области измерения параметров высокочастотных сигналов, в том числе электромагнитных сигналов радиодиапазона.

2.2 Принципы построения анализаторов спектра

2.2.1 Антенны

Подавляюще число электронных приборов, осуществляющих обработку сигналов, работают с сигналами, представленными в виде электрического напряжения или тока. Для получения информации о параметрах электромагнитных сигналов радиодиапазона, необходим измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование электромагнитных сигналов в электрические. Такой измерительный преобразователь носит название – антенна. Антенна – это комбинация конструктивных материалов и пассивных элементов, обеспечивающая взаимное преобразование электрических и электромагнитных сигналов. Антенны обладают свойством обратимости. Если при поступлении на вход антенны электрического сигнала с определенными параметрами, в пространстве возникнет электромагнитный сигнал, также с определенными параметрами, то воздействие электромагнитного сигнала, параметры которого равны ранее упомянутым, на антенну, приведет к появлению на ее входе электрического сигнала. Антенны, предназначенные для формирования в пространстве электромагнитных колебаний, называют передающими антеннами. Антенны, предназначенные для преобразования электромагнитных сигналов в электрические, называются приемными антеннами. Вследствие принципа обратимости возможно использование антенн в обоих режимах, но в разные моменты времени. В процессе преобразования неизменным остается только частота сигнала. Амплитуда и фаза электрического сигнала, порождаемого электромагнитным сигналом, зависит от параметров электромагнитного сигнала по более сложным закономерностям. Условное графическое обозначение антенны показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Условное графическое обозначение антенны.

Существует очень большое количество конструкций антенн. Но все антенны характеризуются набором базовых параметров. Базовые параметры антенн:

- диаграмма направленности;

- рабочая частота;

- полоса пропускания;

- коэффициент стоячей волны;

- коэффициент усиления;

- поляризация;

- уровень побочных (боковых) лепестков диаграммы направленности.

Под диаграммой направленности понимают зависимость выходного сигнала антенны от пространственного положения источника электромагнитного сигнала. Очень часто зону диаграммы направленности, в которой зависимость выходного сигнала максимальна, называют основным лепестком диаграммы направленности. В подавляющем большинстве случаев, диаграмму направленности изображают в полярных координатах, как показано на рис. 2.4 [3]. Рабочая частота и полоса пропускания определяют, с какими частотами электромагнитных сигналов можно использовать данную антенну. При этом, рабочая частота соответствует частоте электромагнитного сигнала, для которой коэффициент преобразования электромагнитного сигнала в электрический имеет максимальное значение. Рабочая частота не обязательно расположены в центре полосы пропускания. Граничные частоты полосы пропускания соответствуют частотам электромагнитных сигналов, для которых коэффициент преобразования на 3 дБ меньше, чем для рабочей частоты.

Рис. 2.4. Пример диаграммы направленности.

Коэффициент стоячей волны (КСВ) определяет, какое количество энергии электромагнитного сигнала отразится в пространство при использовании антенны в качестве приемной, или какое количество энергии отразится обратно на выход усилителя и не попадет в пространство при использовании антенны в качестве передающей. Этот параметр наиболее важен для передающих антенн, так как при большом значении КСВ выходной усилитель может выйти из строя. Эффект отражения сигнала возникает по той причине, что геометрические размеры антенны, как линии передачи электрического сигнала сопоставимы с длиной волны передаваемого сигнала. В этом случае, антенна, как линия передачи электрического сигнала должна рассматриваться как длинная линия (или линия с распределенными параметрами). Для таких линий необходимо выполнять следующие условие согласования: , где – выходное сопротивление источника сигнала, – волновое сопротивление линии передачи электрического сигнала, – входное сопротивление приемника сигнала. Применительно к антеннам, входное сопротивление приемника сигнала – сопротивление излучения свободного пространства. Величина сопротивления излучения свободного пространства может быть достаточно точно определена только для вакуума: . В реальных условиях использования на величину сопротивления излучения будут оказывать влияние расположенные в непосредственной близости материальные объекты. Степень и характер влияния определяется химическим составом материальных объектов. Коэффициент усиления характеризует способность антенны усиливать сигнал, несмотря на отсутствие в ее составе активных элементов. Необходимо помнить об определенной зависимости между полосой пропускания, КСВ и коэффициентом усиления. Использование конструктивных решений, направленных на расширении полосы пропускания приводит к увеличению КСВ и уменьшению коэффициента усиления. Поляризация — это положение векторов электромагнитной волны в пространстве, которые воспринимаются данной антенной. Как было показано ранее, вектора электромагнитного сигнала могут быть неподвижными или вращаться вокруг направления распространения электромагнитной волны. Если положение векторов не влияет на значение коэффициента преобразования, антенна обладает круговой поляризацией. Если антенна обладает выраженной зависимостью коэффициента преобразования электромагнитных сигналов в электрические в зависимости от положения векторов электромагнитных сигналов в пространстве, антенна обладает линейной поляризацией. Применительно к антеннам параметр поляризация определяет, будет ли изменяться уровень выходного сигнала при вращении антенны вокруг оси основного лепестка диаграммы направленности, если источник электромагнитного сигнала имеет круговую поляризацию. С уменьшением ширины диаграммы направленности в ней появляются побочные или боковые лепестки. Боковые лепестки являются элементами диаграммы направленности, которые направлены в другие стороны от основного лепестка. Проблема снижения уровня боковых лепестков является очень острой, при создании антенн, предназначенных для определения точного геометрического положения источника электромагнитного сигнала. Возможные конфигурации диаграммы направленности с учетом наличия боковых лепестков показаны на рис. 5 [3].

Рис. 2.5. Пример диаграммы направленности антенны, имеющей боковые лепестки.

Несмотря на большое число конструктивных решений, все антенны можно разделить на две группы: электрические антенны и магнитные антенны. Название, электрическая или магнитная антенна определяет, какой из векторов электромагнитного сигнала ответственен за возникновение электрического сигнала на ее выходе. Разделение антенн на две группы связано с тем, что для эффективного преобразования электромагнитного сигнала в электрический, размеры электрической антенны должны быть сопоставимы с длиной волны сигнала. Для начальной частоты радиодиапазона, равной 3 кГц длина волны сигнала будут 100 км. Отличить электрическую антенну от магнитной по внешнему виду не всегда возможно. Чаще всего определить магнитную антенну можно по тому признаку, что ее конструкции состоит из катушки ндуктивности. Внутрь катушки индуктивности может помещаться ферромагнитный сердечник.

Возможна реализация магнитной антенны в виде одного витка катушки индуктивности. Но такая антенна имеет большие габаритные размеры — диаметр достигает единиц метров. Еще одним характерным признаком магнитных антенн является то, что в точке ее подключения к устройству может устанавливаться подстроечный конденсатор. Но такая конструкция магнитной антенны, как правило, реализуется при ее использовании в качестве приемной антенны. Варианты конструкций магнитной антенны показаны на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Варианты конструкций магнитной антенны.

Для всех магнитных антенн сопротивление постоянному току близко к нулю. У электрических антенн некоторых конструкций сопротивление между точками подключения также может быть равно нулю на постоянном токе. Но переменный ток, будет протекать не между точками подключения, а через окружающее пространство. Элементы конструкции электрической антенны при этом можно рассматривать как обкладки конденсатора. Базовой конструкцией антенны, с которой начинается изучение антенн, является полуволновой вибратор. Название такой антенны отражает тот факт, что ее полная геометрическая длина равна половине длины волны излучения, как показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Полуволновой вибратор.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора показана на рис. 2.8 [3].

Рис. 2.8. Диаграмма направленности полуволнового вибратора.

Без дополнительных элементов полуволновой вибратор можно использоваться только в том случае, если выход радиопередающего устройства или вход радиоприемного устройства дифференциальные и для соединения используется симметричный кабель. Под симметричным кабелем подразумевается такой кабель, у которого каждая токоведущая жила имеет одинаковую конструкцию, геометрические размеры и определенное геометрическое расположение токоведущих жил друг относительно друга. Но большинство измерительных устройств имеет несимметричный выход или вход, когда в качестве второго вывода сигнала используется схемная земля. В качестве соединительного элемента наиболее часто используется коаксиальный кабель, который не является симметричным кабелем. Для использования полуволнового вибратора в подобном случае необходимо применение дополнительных элементов, называемых симметрирующими устройствами. Существует большое количество симметрирующих устройств. В качестве примера рассмотрим: симметрирующий трансформатор, симметрирующий шлейф и U образное колено. Их конструкция и способ соединения с кабелем, идущим от измерительного устройства, показаны на рис. 2.9 [3].

Рис. 2.9. Конструкция симметрирующих устройств.

Длина полуволнового вибратора равна половине длины волны сигнала. Это значит, что для каждой частоты сигнала необходимо использовать отдельную антенну. Это экономически невыгодно. Для расширения рабочего диапазона частот каждый из элементов полуволнового вибратора (частот можно встретить выражение — плечо полуволнового вибратора) выполняют раздвигающимся. За счет изменения длин плеч измерительная антенна оптимизируется для измерения параметров электромагнитного сигнала с определенной частотой.

Что интересно, симметрирующие устройства являются более широкополосными. Симметрирующие устройства, входящие в состав измерительных антенн, имеют переключатели, изменяющие их конфигурацию в зависимости от диапазона частот исследуемых сигналов. Количество ступеней переключения от 3 до 5.

Еще более распространена антенна под названием четвертьволновой вибратор. Как следует из названия, его геометрическая длина равна четверти длины волны. В качестве измерительных антенн четвертьволновой вибратор используется очень редко. Это связано с тем, что его параметры очень сильно зависят от окружающих условий. Причиной такой зависимости является то, что если рассматривать элементы антенны как обкладки конденсатора, то у полуволнового вибратора эти обкладки равны по площади друг другу и их взаимное расположение не зависит от условий применения. У четвертьволнового вибратора одной обкладкой является антенна, а в качестве второй обкладки выступает схемная земля прибора и его корпус, если он выполнен из электропроводящих материалов и соединен со схемной землей. По этой же причине, четвертьволновой вибратор не рекомендуется использовать в случае, если антенна и измерительный прибор разнесены в пространстве, и для их соединения приходится использовать кабель. Но у четвертьволнового вибратора есть одно достоинство — его диаграмма направленности круговая в горизонтальной плоскости. Если этот параметр важен можно использовать модифицированную конструкцию четвертьволнового вибратора, называемого антенна «Граунд-плейн». Варианты конструкции такой антенны показаны на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Варианты конструкции антенны «Граунд-плейн».

Дополнительные элементы располагаются в горизонтальной плоскости, или несколько отклонены вниз. Для использования антенны «Граунд-плейн» с коаксиальным кабелем на ее входе должно быть расположено симметрирующие устройство.

Изменение геометрических размеров антенн для оптимизации с точки зрения рабочей частоты не всегда возможно. Поэтому существуют конструкции широкополосных антенн. Наиболее распространенной широкополосной антенной является логопериодическая антенна. Примерный вид логопериодической антенны и электрическое соединение ее элементов показаны на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Вид логопериодической антенны.

Логопериодическую антенну не следует путать с антенного типа «Волновой канал». Отличие антенны типа «Волновой канал» от логопериодической заключается в том, что длина отдельных пар вибраторов отличается незначительно (в районе 10%) и сигнал снимается только с одной пары вибраторов, как показано на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Вид антенны типа «Волновой канал».

Остальные вибраторы не имеют электрической связи с выходным разъемом антенны. Самая длинная пара вибраторов, расположенная за основной парой вибраторов называется рефлектором. Остальные пары вибраторов, расположенные перед основной парой вибраторов, называются — директорами. Основное назначение антенны типа «Волновой канал» - получение узкой диаграммы направленности для электромагнитных сигналов с большой длиной волны.

2.2.2 Структура анализатора спектра

Как было показано выше, в процессе работы анализатор спектра должен определять уровни сигналов на определенной частоте в широком диапазоне частот. Но аналогичную функцию выполняют устройства, называемые радиоприемными устройствами. Получается, что анализаторы спектра можно рассматривать, как радиоприемные устройства, реализующие определенный алгоритм обработки сигналов. При этом, радиоприемные устройства могут иметь разную конструкцию. Наиболее общей классификацией радиоприемных устройств, является классификация по способу построения приемного тракта. Под приемным трактом понимается комплекс схем радиоприемного устройства, обеспечивающих

- преобразование электромагнитных сигналов в электрические сигналы;

- устранение влияния помех и других электромагнитных сигналов;

- преобразование информационных сигналов в форму удобную для восприятия человеком или последующей обработки.

По способу построения приемного тракта радиоприемные устройства подразделяются на:

- радиоприемные устройства прямого детектирования;

- радиоприемные устройства прямого усиления;

- радиоприемные устройства прямого преобразования;

- супергетеродинные радиоприемные устройства;

- сверхрегенеративные радиоприемные устройства.

Для объяснения принципа работы радиоприемных устройств разного типа ниже будут приведены функциональные схемы.

Функциональная схема радиоприемного устройства прямого детектирования показана на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Функциональная схема радиоприемного устройства прямого детектирования.

Настройка на частоту сигнала осуществляется изменением значения индуктивности катушки индуктивности или емкости конденсатора из состава резонансного контура. Единственным достоинством радиоприемного устройства прямого детектирования является простота конструкции. Недостатков значительно больше, и это ограничивает применение радиоприемных устройств этого типа. Недостатками радиоприемных устройств прямого детектирования являются:

- низкая чувствительность;

- возможность работы только с амплитудно-модулированными сигналами;

- невозможность реализации одинаковой полосы пропускания в широком диапазоне рабочих частот.

Основная область применения радиоприемных устройств данного типа — контроль наличия или отсутствия электромагнитных сигналов с высоким уровнем мощности и достаточно узкой полосой рабочих частот.

Функциональная схема радиоприемного устройства прямого усиления показана на рис. 2.14. За счет применения усилителя снимается ограничение на низкую чувствительность. Наличие резонансного контура в усилителе увеличивает эффективность фильтрации сигналов помех и других электромагнитных сигналов. Но остаются следующие недостатки:

- возможность работы только с амплитудно-модулированными сигналами;

- невозможность реализации одинаковой полосы пропускания в широком диапазоне рабочих частот.

Основная область применения — определение параметров очень слабых сигналов с известной (достаточно узкой) полосой частот.

Рис. 2.14. Функциональная схема радиоприемного устройства прямого усиления.

В состав радиоприемного устройства прямого преобразования входят генератор (часто называемый – гетеродин), частота которого может изменяться и параметрический преобразователь частоты (смеситель частот). Для понимания принципа работы смесителя частот служит рис. 2.15.

Рис. 2.15. Принцип работы смесителя частот.

Пусть при отсутствии сигнала гетеродина рабочая точка транзистора соответствует точке B на переходной характеристике транзистора. Изменение входного сигнала на величину приведет к изменению тока коллектора на величину . При этом, выходной сигнал изменится на величину . Соотношение называется крутизной. Получается выходной сигнал транзистора можно описать следующей формулой: . Как видно из рис. 2.15, крутизна переходной характеристики в разных точках имеет разные значения. При подаче на схему сигнала гетеродина значение крутизны становится функцией времени и изменяется по синусоидальному закону. Результирующая функция имеет вид: . Если не принимать во внимание константы получается, что происходит операция перемножения двух синусов. Как известно, В результате воздействия подобного суммарного сигнала на выходе устройства будут присутствовать сигнала с частотами , , , и их комбинации на основе кратных гармоник и .

Рис. 2.16. Функциональная схема радиоприемного устройства прямого преобразования.

Функциональная схема радиоприемного устройства прямого преобразования показана на рис. 2.16. При этом, в процессе приема, частота генератора устанавливается равной частоте принимаемого сигнала. На выходе параметрического преобразователя будет присутствовать сигнал, спектр которого соответствует спектру информационного сигнала[СМА1] . Сигналы от других спектральных составляющих, возникающих в процессе преобразования частот, будут отфильтрованы фильтром низких частот на основе R10, C8. Сделать генератор, частоту которого можно устанавливать в широком диапазоне частот значительно легче, чем сделать фильтр с переменным значением частоты пропускания и одинаковой полосой пропускания в сопоставимом диапазоне частот. Полоса пропускания радиоприемного устройства прямого преобразования определяется полосой фильтра низких частот. Из этого следует, что радиоприемное устройство прямого преобразования позволяет осуществлять прием радиосигналов в более широком диапазоне частот с примерно одинаковой чувствительностью и полосой пропускания. Радиоприемное устройство данного типа позволяет принимать сигналы с амплитудной и частотной модуляцией. Недостатком является возможность проникновения на выход радиоприемного устройства мощных электромагнитных сигналов с частотами, отличными от той, на которую в данный момент и настроено радиоприемное устройство.

Супергетеродинные радиоприемники являются в настоящее время самым распространенным типом радиоприемных устройств. Принцип построения супергетеродинного радиоприемного устройства во многом похож на принцип построения радиоприемного устройства прямого преобразования. Отличием является то, что частота генератора устанавливается не равной, частоте принимаемого радиосигнала, а отличающейся на определенное, фиксированное значение[СМА2] . Значение разницы частот называется — промежуточной частотой. Именно на этой частоте производится основное усиление принимаемого сигнала. Супергетеродинные приемники отличаются между собой числом ступеней преобразования. Увеличение ступеней преобразования улучшает фильтрацию принимаемого сигнала от помех и других радиосигналов, но увеличивает сложность схемы радиоприемного устройства. Наиболее распространены супергетеродинные радиоприемные устройства с 2 (двумя) ступенями преобразования. Удобство использования схемы супергетеродинного радиоприемника обусловлено в частности тем, что фильтры, настроенные на промежуточную частоту, выпускаются серийно в виде законченных устройств, что облегчает процесс разработки радиоприемного устройства. В настоящее время в качестве промежуточных частот используются следующие значения: 455 кГц, 465 кГц, 10,7 МГц, 60 МГц, 230 МГц. Обобщенная функциональная схема супергетеродинного радиоприемного устройства с двумя степенями преобразования показана на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Обобщенная функциональная схема супергетеродинного радиоприемного устройства с двумя степенями преобразования.

В состав функциональной схемы входят:

1 — входной широкополосный усилитель. Может усиливать сигналы во всем диапазоне рабочих частот радиоприемного устройства. Коэффициент усиления незначительный — 5 — 20. Может отсутствовать. При повышенных требованиях к фильтрации полезного сигнала в состав широкополосного усилителя включают фильтры.

2 — управляемый генератор с переменной выходной частотой. Диапазон перестройки частоты примерно совпадает с диапазоном рабочих частот радиоприемного устройства с учетом разности частот, равной значению промежуточной частоты.

3 — параметрический преобразователь частот №1 (смеситель №1).

4 — фильтр промежуточной частоты №1.

5 — усилитель промежуточной частоты №1.

6 — генератор. Может быть сделан управляемым, но чаще работает на фиксированной частоте, равной промежуточная частота №1 минус промежуточная частота №2.

7 — параметрический преобразователь частот №2 (смеситель №2).

8 — фильтр промежуточной частоты №2.

9 — усилитель промежуточной частоты №2.

10 — демодулятор. Служит для выделения информационного сигнала из сигнала промежуточной частоты.

Недостатком супергетеродинных радиоприемных устройств является невозможность приема слабых сигналов, по причине наличие в приемном тракте помех, появляющихся при работе параметрических преобразователей частоты.

Функциональная схема сверхрегенеративного радиоприемного устройства показана на рис. 2.18. Особенностью сверхрегенеративного радиоприемного устройства является использование в качестве входного каскада генератор. Отличие этого генератора от используемых в радиопередающих устройствах в значении коэффициента обратной связи. Если коэффициент обратной связи меньше 0,3 генератор будет формировать сигнал только при воздействии некоторого входного сигнала. Таким образом, сигнал на выходе сверхрегенеративного радиоприемного устройства будет появляется только в те моменты времени, когда на его входе присутствует сигнал с частотой равной частоте генератора. Главное достоинство сверхрегенеративного радиоприемного устройства — малый потребляемый ток. Основная область применения радиоприемных устройств данного типа — малопотребляющие радиоприемные устройства цифровых сигналов.

Рис. 2.18. Функциональная схема сверхрегенеративного радиоприемного устройства.

Основными параметрами радиоприемных устройств, используемых для измерения параметров электромагнитных сигналов радиодиапазона являются:

- диапазон рабочих частот – диапазон настройки частот радиоприемного устройства, в котором обеспечиваются все его электрические характеристики. Отношение максимальной частоты настройки к минимальной называют коэффициентом перекрытия;

- чувствительность – способность радиоприемного устройства принимать слабые сигналы. Может иметь следующие варианты:

- максимальная чувствительность – определяет минимальную ЭДС на выходе антенны, при которой производится демодуляция сигналы без искажений;

- реальная чувствительность – определяет минимальную ЭДС на выходе антенны, при которой производится демодуляция сигналы без искажений при заданном соотношении сигнал/шум (учитываются собственные шумы радиоприемного устройства);

- пороговая чувствительность – определяет минимальную ЭДС на выходе антенны, при которой производится демодуляция сигналы без искажений при соотношении сигнал/шум равном единице;

- избирательность – способность радиоприемного устройства выделять полезный сигнал из смеси сигнала и помех. Для супергетеродинных радиоприемных устройств указывается избирательность по соседнему каналу. Под избирательностью по соседнему каналу понимают степень проникновения в выходной сигнал демодулированного сигнала, несущая частота которого отличается на ширину полосы пропускания;

- динамический диапазон – соотношение максимального и минимального входного сигнала, при которых производится демодуляция сигналы без искажений;

- стабильность – способность радиоприемного устройства сохранять свои характеристики. Для измерительных радиоприемных устройств наиболее важной является долговременная стабильность – то есть способность сохранять характеристики в течении длительного времени – десятки часов.

Подавляющее большинство электроизмерительных приборов для исследования параметров электромагнитных сигналов радиодиапазона (включая анализаторы спектра) разрабатывается на основе структуры супергетеродинного радиоприемника. Количество степеней преобразования, как правило, не превышает 3 (трех). Причина популярности супергетеродинной схемы в одинаковой избирательности радиоприемного устройства в широком диапазоне частот. Необходимо помнить, что при измерении параметров электромагнитных сигналов радиодиапазона полоса пропускания радиоприемника должна быть равна или несколько больше полосы частот сигнала.

Анализаторы спектра, аналогично остальным электроизмерительным приборам разделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые анализаторы спектра практически полностью вышли из употребления и отсутствуют в программах поставки дистрибьюторов измерительной техники. Это связано с тем, что при сопоставимой цене аналоговые анализаторы спектра имеют большие габариты и массу. Представленные в каталогах поставщиков цифровые анализаторы спектра, за редким исключением не являются полностью цифровыми устройствами. Причина этого будет понятна из дальнейшего изложения. В литературе можно встретить подразделение анализаторов спектра на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные [4]. Основой параллельных анализаторов спектра является набор фильтров. Для демонстрации принципа работы параллельного анализатора спектра служит рис. 2.19. Входы фильтров соединены между собой. Полосы пропускания фильтров расположены последовательно друг за другом в пределах рабочего диапазона частот анализатора спектра. Верхняя граничная частота полосы пропускания более низкочастотного фильтра должна быть расположена как можно ближе к нижней граничной частоте полосы пропускания следующего по частоте фильтра. Полосы пропускания соседних фильтров не должны пересекаться. Выходной сигнал фильтров преобразуется в сигнал постоянного напряжения при помощи амплитудного детектора. Измерив, напряжение на выходе всех амплитудных детекторов можно определить распределение энергии в пределах определенного диапазона частот.

Рис. 2.19. Структура параллельного анализатора спектра.

Также к параллельным анализаторам спектра можно отнести устройства, в которых определение значения частот и уровней сигнала в пределах рабочего диапазона частот производится за счет обработки цифровых данных дискретным преобразованием Фурье. Это связано с тем, что, хотя алгоритм определения спектрального состава сигнала при помощи дискретного преобразования Фурье является последовательной процедурой, скорость обработки данных очень высока. Параллельные анализаторы спектра в чистом виде слабо распространены. Причина слабой распространенности анализаторов спектра данного типа в большой конструктивной сложности анализаторов на основе набора фильтров (большое количество отдельных фильтров) и ограничении частоты преобразования микросхем аналого-цифрового преобразования. Чаще всего они относятся к специализированным электроизмерительным приборам. Под специализированными электроизмерительными приборами подразумеваются устройства определения параметров сигнала, разрабатываемые для решения конкретной задачи. Диапазон частот ограничен значением единиц МГц. Наиболее распространены последовательные и последовательно-параллельные анализаторы спектра. Самыми простыми и дешевыми являются чисто последовательные анализаторы спектра. Такие приборы представляют собой супергетеродинный приемник. У некоторых последовательных анализаторов спектра предусмотрена возможность выбора полосы пропускания фильтра промежуточной частоты, расположенного после первого смесителя. При проведении измерений анализатор спектра последовательного типа изменяет частоту гетеродина с шагом равным значению полосы пропускания. При этом, значение частоты гетеродина должно обеспечивать настройку радиоприемного устройства на середину полосы пропускания фильтра промежуточной частоты. Переменный сигнал с выхода фильтра промежуточной частоты и усилителя промежуточной частоты преобразуется амплитудным детектором и измеряется вольтметром. Недостатком анализаторов спектра последовательного типа является большое время необходимое для сбора информации в диапазоне частот. Это ограничивает использование для измерения параметров быстропротекающих процессов. Они могут эффективно использоваться, только если полоса частот, в которой производится измерение уровней сигнала, составляет несколько десятком мегагерц. Анализаторы спектра последовательно-параллельного типа используют оба алгоритма работы. Анализаторы спектра этого типа также являются супергетеродинными приемниками. Но полоса пропускания схемы промежуточной частоты имеет значение единиц мегагерц. Радиоприемник перестраивается с шагом, равным ширине промежуточно полосы частот. Сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты преобразуется в цифровую форму и обрабатывается при помощи дискретного преобразования Фурье. В состав анализаторов спектра с очень широким диапазоном рабочих частот (свыше 10 ГГц) входит несколько радиоприемных устройств, работающих параллельно в разных частотных поддиапазонах. Отображение информации о сигналах осуществляется на экране. В современных анализаторах спектра используются жидкокристаллические экраны. По горизонтальной оси откладывается значение частоты, а по вертикальной уровень сигнала. Несмотря на то, что анализаторы спектра производятся большим количеством фирм, в способе их использования и даже расположении органов управления много общего. На рис. 2.20 в качестве примера приведен вид передней панели анализатора спектра NS-30.

Рис. 2.20. Вид передней панели анализатора спектра NS-30.

Подобно осциллографам область отображения анализаторов спектра разделяется вертикальными и горизонтальными линиями. Эти линии позволяют оценивать уровень сигналов в полосе обзора и взаимное расположение отдельных сигналов по частоте. В современных анализаторах спектра эти линии не используются для точного измерения параметров сигналов по уровню и частоте. Для таких измерений существуют специальные встроенные инструменты.

2.3 Дополнительные аксессуары для анализатора спектра

Дополнительные аксессуары для анализаторов спектра расширяют возможности по измерению сигналов. Для анализаторов спектра разных производителей выпускается отличающийся по ассортименту набор аксессуаров. Аксессуары могут поставляться в виде отдельных устройств или встраиваться в корпус анализатора спектра. Встраиваемые аксессуары не могут быть приобретены отдельно, после приобретения анализатора спектра. Их установка производится на заводе изготовителе или в очень небольшом числе авторизированных сервисных центров. Основные типы дополнительных аксессуаров следующие:

- трекинг-генератор – еще может называться следящим генератором. Представляет собой генератор, выходная частота которого может принимать значения в пределах рабочих частот анализатора спектра. В некоторых моделях анализаторов спектра, как правило, очень высокочастотных, полоса выходных частот трекинг-генератора может быть меньше диапазона рабочих частот анализатора спектра. Особенностью трекинг-генератора является то, что он формирует сигнал, частота которого равна частоте, на которую в данный момент настроен анализатор спектра.

- мостовой ответвитель – разновидность направленного ответвителя. Может называться – антенным мостом. Его особенность в несимметричной конструкции. Он позволяет измерять только уровень отраженного от нагрузки сигнала. Основное назначение – измерение параметров антенн.

- демодулятор – предназначен для выделения информационного сигнала[СМА3] . Большинство современных анализаторов спектра имеют встроенные АМ/ЧМ демодуляторы. Как дополнительный аксессуар демодулятор может поставляться при необходимости выделения информационного сигнала более сложного характера. Например – демодуляция видеосигнала эфирного телевидения.

- набор переходников – фактически представляет собой набор разъемов разного типа. Дело в том, что у подавляющего большинства анализаторов спектра в качестве входного разъема используется высокочастотный разъем N типа. При этом оборудование и соединительные кабели могут оснащаться другими типами разъемов: BNC, U, SMA и т.п. Использование разъемов из набора переходников позволит присоединить к анализатору спектра оборудование и кабели, оснащенные другими типами разъемов с минимальными потерями в зоне перехода.

- комплект аккумуляторов – позволяет использовать анализатор спектра в тех местах, где отсутствует стандартное сетевое напряжение электропитания 220В 50Гц.

2. 4 Дополнительные измерительные преобразователи для анализатора спектра

При проведении измерений параметров высокочастотных сигналов могут использоваться измерительные преобразователи электрических сигналов в электрические, которые ранее не рассматривались. Причина их использования в том, что для предотвращения потерь энергии и искажения формы сигнала, должно быть выполнено условие согласования. Условием согласования является равенство между собой выходного сопротивления источника сигнала, волнового сопротивления линии передачи сигнала и входного сопротивления приемника сигнала. Если условие согласования выполнено, то уровень мощности одинаков по всей длине линии передачи сигнала. В противном случае, распределение мощности по длине линии связи приобретает волнообразный характер. При этом, даже если на выходе источника мощность достигает единиц и десятков ватт, уровень сигнала на входе приемника может быть близок к нулю. Для высокочастотных схем приняты следующие значения выходного сопротивления источников сигнала и волновых сопротивлений линий передач: 50 Ом и 75 Ом. При этом, входное сопротивление электроизмерительного прибора может отличаться от приведенных значений. Количественное значение согласованности линии передачи определяется КСВ — коэффициент стоячей волны. КСВ вычисляется как отношение максимального значения уровня энергии в линии передачи данных к наименьшему. Идеальное значение КСВ=1. Можно встретить термин коэффициент бегущей волны (КБВ). Эти значения взаимосвязаны — КБВ=1/КСВ и наоборот. Естественно идеал недостижим и в реальности работают со следующими значениями КСВ: КСВ=1,1 – прекрасно, КСВ=1,25 – приемлемо, КСВ=1,5 – предельное значение.

Схемы согласования сопротивлений.

Схемы согласования сопротивлений могут быть реализованы на основе резисторов и трансформаторов. Схемы на основе резисторов проще для реализации, работают в широком диапазоне частот, но обладают некоторым затуханием сигнала. Резистивные схемы согласований бывают Г-типа (рис. 2.21а) и U-типа (рис. 2.21б). При использовании этих схем необходимо помнить, что Z1<Z2 и их значения известны.

Рис. 2.21. Резистивные схемы согласования сопротивлений.

Формулы расчета элементов схемы согласования для схемы Г-типа:

Для схемы U-типа значение R1 вычисляется аналогично схемы Г-типа, а из формулы для схемы Г-типа. Если Z1>Z2, схема согласования должна быть развернута относительно вертикальной оси. То есть, резистор R1 должен быть расположен со стороны элемента измерительной схемы, имеющего меньшее сопротивление (выходное или входное).

Если необходимо избегать потерь в процессе согласования сопротивлений используют схемы на основе трансформаторов. Недостатком таких схем является узкая полоса рабочих частот. Способ создания такого элемента, и принципиальная схема показана на рис. 2.22. Значения сопротивлений R и R’ известны.

Рис. 2.22. Схема согласования сопротивлений на основе трансформатора.

Порядок расчета схемы согласования сопротивлений на основе трансформатора следующий:

- расчет коэффициента трансформации: ;

- расчет индуктивности первичной обмотки: для КСВ≤1,25, для КСВ≤1,1, где - минимальная частота сигнала;

- расчет числа витков первичной обмотки: , где - параметр сердечника, показывающий индуктивность одного витка обмотки;

- расчет числа витков вторичной обмотки – произведение коэффициента трансформации на число витков первичной обмотки: .

Аттенюаторы.

Аттенюаторы обеспечивают уменьшение уровня сигнала. Они используются для измерения сигналов с высоким уровнем мощности. При применении аттенюаторов предполагается, что входное и выходное сопротивление участков схемы, между которыми они включаются, равны друг другу. Аттенюаторы бывают Т, Н, П и О типов. Схемы аттенюаторов перечисленных типов приведены на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Схемы аттенюаторов.

Расчет элементов аттенюаторов Т и Н типов производится по формулам [3]: , , где – значение входного или выходного сопротивления участка схемы (равны между собой), – отношение входного напряжения к выходному.

Расчет элементов аттенюаторов П и О типов производится по формулам [3]:

, .

Причины такого разнообразия схем аттенюаторов в литературе не описаны. Тем не менее, можно предположить, что аттенюаторы типа Т и П предназначены для работы с униполярными сигналами, А аттенюаторы типа Н и О для работы с дифференциальными сигналами.

Делители мощности.

Достаточно распространенной является ситуация, когда сигнал от одного источника необходимо передать на два и более приемника. Организация такой передачи сигнала в длинных линиях путем простого параллельного присоединения приемников к линии связи нарушает требование о необходимости равенства между собой выходного сопротивления источника сигнала, сопротивления линии передачи и входного сопротивления приемника сигнала. При простом, параллельном соединении входное сопротивление приемника по отношению к сопротивлению линии передачи станет в два раза меньше, то есть линия связи станет рассогласованной. Использование делителей мощности позволяет сохранить входное сопротивление в месте соединения с линией связи равным волновому сопротивлению, а выходное сопротивление каждого из выходов делителя мощности так же будут равно необходимому волновому сопротивлению. При этом сигналы на выходах делителей мощности могут иметь одинаковую фазу сигнала (синфазные делители) или фаза будет иметь сдвиг на 90º (квадратурные делители). Делители мощности могут быть организованы при помощи пассивных элементов или за счет определенной топологии проводников на печатной плате. Примеры делителей мощности показаны на рис. 2.24. На рис. 2.24а показан делитель мощности на основе резисторов. Он выполнен по схеме соединение – звезда. Отличается простотой схемной реализации, широкополосностью, малыми габаритами. Однако данный тип делителя характеризуется высоким уровнем вносимого затухания (около 3 дБ). В случае использования в линиях передачи с волновым сопротивлением 75 Ом значения резисторов должны быть равными 22 Ом, а в случае 50 омной линии передачи – 18 Ом. На рис. 2.24б показана структура полоскового делителя мощности. Такой делитель мощности называется еще дифференциальным делителем, который обеспечивает равное деление мощности и разность фаз 180º между выходами. С определенной степенью приближения его можно рассматривать как трансформатор. Заштрихованными показаны полосковые линии, расположенные на поверхности печатной платы. Длина и ширина полосковых линий зависят от частоты сигнал и материала диэлектрика печатной платы.

Рис. 2.24. Примеры схем делителей мощности.

Направленные ответвители.

Направленный ответвитель — устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. С определенным приближением, направленный ответвитель можно рассматривать как понижающий трансформатор. Основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы направленного ответвителя один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушён согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвлённый сигнал, в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить — падающую или отражённую, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим. На рис. 2.25 показана конструкция направленных ответвителей для выделения сигнала прямой и отраженной волны на основе полосковых линий.

Рис. 2.25. Конструкция направленных ответвителей на основе полосковых линий.

Направленный ответвитель является обратимым устройством. Это значит, что в зависимости от порядка присоединения входного сигнал можно контролировать уровень и форму сигнала в проходящей или отраженной волне, то есть настраивать КСВ линии передачи.

2.5 Базовые принципы использования анализатора спектра

Современные анализаторы спектра имеют очень большое число регулируемых параметров. Их можно разделить на базовые и дополнительные. Базовые параметры одинаковы для анализаторов спектра любых производителей и служат для организации процесса измерения. Набор дополнительных параметров может меняться у анализаторов спектра разных производителей и служат для повышения удобства и оперативности проведения измерений. Базовыми параметрами анализаторов спектра являются:

- выбор полосы обзора;

- выбор опорного уровня;

- выбор единиц измерения.

Выбор полосы обзора.

Для выбора полосы обзора существует два способа:

- ввод значения центральной частоты обзора и ввод ширины полосы обзора;

- ввод значения начальной частоты и ввод значения конечной частоты.

Выбор того или иного способа зависит от удобства пользователя. Чаще всего первый способ используется, если частота сигнала известна, и необходимо измерить распределение энергии около нее. Второй способ более удобен, если известно, что частота измеряемого сигнала лежит в определенном диапазоне частот и необходимо точно определить ее значение и уровень. В большинстве современных анализаторах спектра реализован режим «нулевая полоса обзора». При выборе этого режима, анализатор спектра настраивается на частоту, введенную в качестве центральной частоты и отображает на экране форму сигнала. Фактически в данном режиме экран анализатора спектра выступает в виде осциллографа, отображающего сигнала с выхода амплитудного демодулятора.

Выбор опорного уровня.

Выбор значения опорного уровня определяет, насколько подробно будет отображаться распределение энергии сигналов в пределах полосы обзора[СМА4] . Особенностью анализаторов спектра является то, что опорный уровень расположен на самой верхней горизонтальной линии области отображения. Для получения наиболее полной информации необходимо, чтобы самый мощный сигнал в полосе обзора был как можно ближе в верхней горизонтальной линии.

Выбор единицы измерения.

Измерение уровня сигнала в современных анализаторах спектра может производиться в логарифмических и линейных единицах. Логарифмические единицы: дБмкВ, дБмВ, дБмВт. Линейные единицы измерения: мкВ, мВ, мВт. Предпочтение следует отдавать измерениям с использованием логарифмических единиц измерения. Это связано с тем, что при этом можно одновременно наблюдать сигналы с сильно различающимися уровнями. Кроме того, большинство методик расчета используют логарифмические единицы.

Из дополнительных параметров современных анализаторов спектра наиболее часто реализуется встроенный инструментарий под названием «маркеры». Использование данного инструментария позволяет получить точную информацию об уровне сигнала в определенной точке полосы обзора и частоте в этой точке. При активации этого инструментария на экране анализатора спектра появляется метка, для которой в зоне отображения индицируются уровень сигнала и частота. В зависимости от модели анализатора спектра может быть активировано несколько независимых маркеров. Для различения показаний разных маркеров они отображаются в зоне отображения в виде меток разной формы и окрашиваются в разный цвет, если это позволяет экран анализатора спектра. Помимо упомянутых способов измерения параметров сигналов в некоторых моделях анализаторов спектра присутствует встроенный инструментарий «измерения». Активация этого инструментария позволяет проводить измерения по более сложным алгоритмам, чем описанные ранее.

Измерение параметров антенн.

Основными параметрами антенны, измеряемые непосредственно являются:

- рабочая частота;

- полоса частот;

- коэффициент усиления;

- диаграмма направленности;

- поляризационная характеристика.

При этом при помощи анализатора спектра без использования дополнительного оборудования можно определить только рабочую частоту антенны и полосу пропускания. Измерение рабочей частоты и полосы пропускания антенн возможно при наличии в составе анализатора спектра трекинг-генератора и мостового ответвителя. Выход мостового ответвителя, на который поступает отраженный от нагрузки сигнал необходимо подключить к входу анализатора спектра. В качестве мостового ответвителя также можно использовать универсальный направленный ответвитель. Особенностью измерения параметров антенны при помощи анализатора спектра, трекинг-генератора и антенного моста является то, что рабочая частота антенны определяется по минимуму сигнала на входе анализатора спектра (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Вид экрана анализатора спектра при измерении параметров антенн.

Необходимо помнить, что большинство антенн простейшей конструкции (четвертьволновой и полуволновой вибраторы) могут иметь значение коэффициента отражения, аналогичного рабочей частоте на частотах кратных рабочей. Для уменьшения влияния на результаты измерений окружающих предметов необходимо, чтобы протяженные металлические предметы (сопоставимые по размерам с антенной) находились на расстоянии не менее 3 … 5 длин волн сигнала рабочей частоты антенны. Наиболее корректные результаты измерений будут получены при установке антенны в предполагаемом месте использования, с учетом соединительных кабелей.

Для измерения коэффициента усиления, диаграммы направленности и поляризационной характеристики необходимо дополнительной оборудование.

Измерение коэффициента усиления производится методом замещения. В качестве дополнительного оборудования необходимы: высокочастотный генератор, излучающая антенна, эталонная антенна. Наиболее высокие требования предъявляются к эталонной антенне. Для нее должны быть известны коэффициенты усиления на разных частотах. Измерительная схема показана на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Измерительная схема при определении коэффициента усиления антенны.

Расстояние между излучающей антенной и эталонной (измеряемой антенной) выбирается в зависимости от условий применения. На разных расстояниях от излучающей антенны структура электромагнитного поля имеет различия, которые могут повлиять на величину коэффициента усиления.

Порядок действий при проведении измерений:

- подключить к генератору излучающую антенну;

- эталонную антенну подключить к анализатору спектра;

- включит генератор на излучение, и измерить анализатором спектра уровень сигнала на выходе эталонной антенны;

- подключить к анализатору спектра измеряемую антенну и измерить анализатором спектра уровень сигнала на ее выходе;

- коэффициент усиления измеряемой антенны находят по формуле: .

При измерении диаграммы направленности и поляризационной характеристики используют измерительную схему аналогичную показанной на Рис. 2.26. Эталонная антенна при этом не нужна. В процессе измерения параметров диаграммы направленности измеряемую антенну поворачивают по вертикальной оси и измеряют уровень сигнала при разных углах поворота. При определении поляризационной характеристики измеряемая антенна поворачивается по осевой линии. Во всех измерениях положение излучающей антенны и выходная мощность генератора должна быть неизменной в течении всего процесса измерения.

Измерение параметров радиотехнических цепей.

Под параметрами радиотехнических цепей, измеряемых при помощи анализатора спектра, подразумевают: коэффициент передачи, рабочую частоту, полосу пропускания. Для измерения параметров радиотехнических цепей в состав анализатора спектра должен входить трекинг-генератор. На экране анализатора спектра отображается уровень сигнала на входе анализатора спектра при разных значениях частоты. При этом можно измерять параметры пассивных и активных цепей. При измерении параметров активных цепей необходимо соблюдать осторожность, так как они производят усиление сигнала на выходе. Это может привести к тому, что уровень входного сигнала превысит максимально допустимый для данного анализатора спектра.

Измерение слабых сигналов.

В реальности возможна ситуация, когда уровень сигнала сопоставим с уровнем шумов. Это затрудняет процесс анализа уровня сигнала и формы его спектра. Для получения информации о параметрах сигналов в анализаторах спектра реализованы дополнительные функции:

- ручная регулировка полосы пропускания (RBW);

- ручная регулировка полосы пропускания видеофильтра (VBW).

Как уже было сказано выше, подавляющие большинство анализаторов спектра создаются по схеме супергетеродинного приемника (рис. 2.17). При этом, полосу пропускания фильтра промежуточной частоты (модуль 4 на рис. 2.17) можно регулировать. Именно это производится при активации механизма ручной регулировки полосы пропускания. В демодуляторе обязательно присутствует фильтр нижних частот, для исключения из выходного сигнала высокочастотной составляющей. При этом, частоту среза фильтра нижних частот также можно регулировать. Это позволит исключить на вход аналого-цифрового преобразователя определенных частот. Именно это производится при активации механизма ручной регулировки полосы пропускания видеофильтра. Для демонстрации возможностей использования данных механизмов служат приведенные ниже рисунки. На рис. 2. 27 показан вид на экране анализатора спектра при установке стандартных настроек. Из данного рисунка невозможно с достаточной точностью определить наличие сигнала около частоты 98.7 МГц.

Рис. 2.27. Вид экрана анализатора спектра при стандартных настройках.

Если уменьшить полосу пропускания до величины 10 кГц, как показано на рис. 2.28, то уже видно, что в данной области присутствуют определенные сигналы или сигнал со сложным спектром.

Рис. 2.28. Вид экрана анализатора спектра при уменьшении полосы пропускания.

При этом также можно уменьшить полосу обзора, в которой анализатор спектра измеряет и отображает сигналы. Эффект от этого показан на рис. 2.29, где показан вид экрана анализатора спектра при уменьшении полосы обзора с 50 МГц до примерно 20 МГц. Эта операция позволяет более точно определить значения частоты отдельных спектральных составляющих.

Рис. 2.29. Вид экрана анализатора спектра при уменьшении полосы обзора с сохранением неизменного значения полосы пропускания.

И используя регулировку полосы пропускания видеофильтра, можно получить изображение на экране анализатора спектра, как показано на рис. 2.30.

Рис. 2.30. Вид экрана анализатора спектра при уменьшении полосы пропускания видеофильтра.

Как видно из данного рисунка, кроме центральной частоты каждой спектральной составляющей с достаточной точностью можно определить полосу каждой спектральной составляющей. Но при использовании данных механизмов нужно учитывать следующее. Уменьшение полос пропускания приводит к тому, что общее время, которое затрачивает анализатор спектра на отображение сигналов в полосе обзора. Это уменьшает возможность измерения параметров нестационарных (быстроизменяющихся) сигналов.

2.6 Измерение отдельных параметров высокочастотных сигналов.

Описанные в предыдущих главах анализаторы спектра являются не единственными измерительными приборами, обеспечивающими измерение параметров высокочастотных сигналов. Но у всех этих приборов есть серьезный недостаток: высокая цена. В тоже время, в ряде случаев возникает необходимость определять какой-либо отдельный параметр высокочастотного сигнала, или критическим фактором является цена устройства.

Выделение информации о уровне сигнала промежуточной частоты.

Выделение информации об уровне сигнала промежуточной частоты производится амплитудным демодулятором. Отличием схемы демодулятора амплитудно-модулированных сигналов является необходимость предварительного смещения диода, для уменьшения искажений выделяемого информационного сигнала. Схема демодулятора амплитудно-модулированных сигналов показана на рис. 2. 31.

Рис. 2.31. Схема демодулятора амплитудно-модулированных сигналов.

На рис. 2.32 показан вид сигналов на входе и выходе амплитудного демодулятора при условии, что напряжение смещения равно нулю. Из этого рисунка видно, что выбор значения параметров фильтра из R2 C2 производится на основе компромисса.

Рис. 2.32. Вид сигналов на входе и выходе амплитудного демодулятора.

С одной стороны, уровень пульсаций для несущей частоты должен быть как можно меньше, что требует увеличения емкости конденсатора. С другой стороны, при уменьшении амплитуды несущей частоты уровень сигнала на выходе фильтра должен как можно быстрее стать равным амплитуде несущего колебания в текущий момент времени. Упрощенный расчет амплитудного демодулятора состоит из следующих этапов.

1. Выбор резистора R2. Если исключить из схемы конденсатор, то диод и резистор R2 составляют делитель напряжения. Ток через такой делитель будет протекать только при прямом смещении диода. Аналогично резистивным делителям уровень выходного сигнала будет тем больше, чем больше сопротивление R2 по сравнению с сопротивлением диода в прямом смещении. Выбираем сопротивление R2 примерно в 10 раз больше чем сопротивление диода при прямом смещении. При отсутствии данных о данном параметре можно использовать значение дифференциального сопротивления диода. Этот параметра для детекторных диодов приводится всегда и находит в диапазоне 400 — 2000 Ом для разных моделей детекторных диодов.

2. Расчет емкости конденсатора фильтра. Искажения демодулированного сигнала будут минимальны при выполнении следующего условия: , где:

– индекс модуляции. Определяет разницу между максимальным и минимальным уровнем амплитудно-модулированного сигнала. Если минимальный уровень сигнала равен нулю, то такой сигнал называют сигналом со 100% амплитудной модуляцией и индекс модуляции равен 1.

— максимальная частота спектра информационного сигнала.

В качестве конкретного значения емкости конденсатора C2 берется ближайшее меньшее значение из ряда Е24.

Измерение интегрального уровня электромагнитного сигнала в широкой полосе частот.

Несмотря на преобладание измерительных радиоприемных устройств, созданных на основе супергетеродинной схемы, радиоприемники прямого детектирования также применяются. Область их применения – предварительная оценка уровня электромагнитных сигналов. Например, формирует ли радиопередатчик выходной электромагнитный сигнал или нет. Для увеличения чувствительности таких радиоприемников вместо диодов используют специальные микросхемы, которые можно условно назвать детекторами высокочастотных сигналов. Причина упоминания условности, связана с тем, что у разных производителей подобные микросхемы имеют собственные фирменные названия. Например, микросхема AD8313 производства Analog Device в каталоге производителя называется – Detector/Controller. При необходимости ограничения полосы частот, в которой происходит измерение интегрального уровня, используют входные фильтры. Основные параметры микросхемы AD8313:

- диапазон частот измеряемых сигналов: 100 МГц – 2,5 ГГц;

- динамический диапазон: 70дБм;

- диапазон входных сигналов по напряжению: 1,24*10^-4 … 0,224В;

- диапазон входных сигналов по мощности: 0,31*10^-9 … 1*10^-3Вт;

- напряжение питания: 2,7 – 5 В.

Функциональная схема AD8313 и схема отдельного усилительного каскада показана на рис. 2.33.

Рис. 2.33. Функциональная схема AD8313 и схема отдельного усилительного каскада.

Как видно из рисунка, в состав микросхемы входят несколько последовательно включенных усилителя. Выход каждого усилителя подключен к отдельной схеме детектора на основе диода. В связи с такой структурой микросхемы выходной сигнал пропорционален логарифму входного сигнала. Причина использования логарифмической зависимости выходного сигнала от входного – расширение частотного диапазона измеряемых сигналов. Включение транзисторов по схеме дифференциального усилителя связано с обеспечением очень широкой полосы частот измеряемых сигналов. При минимальном значении входного сигнала диоды на выходах усилительных каскадов, за исключением последнего сигнал не пропускают. По мере увеличения уровня входного сигнала, увеличивается напряжение на выходе детектора, включенного после последнего усилителя. При достижении определенного порога, когда начинает работать детектор на выходе предпоследнего усилителя, нарастание выходного сигнала за счет первого детектора прекращается и в дальнейшем увеличение сигнала происходит за счет выходного сигнала предпоследнего детектора. Эта ситуация повторяется по мере увеличения входного сигнала, когда свой вклад начинают, вносит детекторы, расположенные ближе ко входу микросхемы. Типовая схема включения микросхемы AD8313 показана на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Типовая схема включения микросхемы AD8313.

Особенностью микросхем данного типа является то, что диапазон напряжений выходного сигнал лежит от 0,45В до 1.7В. Зависимость выходного сигнала от входного показана на рис. 2.35.

Рис. 2.35. Зависимость выходного сигнала AD8313 от уровня входного сигнала.

Измерение частоты электромагнитного сигнала методом непосредственной оценки.

Измерение частоты радиосигналов при помощи супергетеродинных радиоприемников позволяет получить высокую точность результата измерений. Но при отсутствии информации о примерном значении частоты измерение займет много времени. Для ускорения процесса измерения частоты электромагнитного сигнала радиодиапазона, можно использовать метод непосредственной оценки для получения предварительного результата измерений. Сложность использования метода непосредственной оценки для измерения частоты радиосигналов заключается в том, что стандартные цифровые микросхемы имеют максимальную рабочую частоту – 100 МГц. Для измерения более высоких частот используются специальные микросхемы высокочастотных счетчиков/делителей. В качестве примера можно привести микросхему uPB1507 производства NEC. Данная микросхема может обрабатывать сигналы с частотами от 500 МГц до 3000 МГц. Коэффициент деления задается пользователем и может принимать три значения: 64, 128, 256. Таким образом, даже при выборе минимального коэффициента усиления выходной сигнал микросхемы будет находиться в диапазоне рабочих частот стандартных цифровых микросхем во всем рабочем диапазоне частот входных сигналов. Особенностью применения таких микросхем является ограниченный диапазон входных сигналов. Применительно к uPB1507 мощность входных сигналов должна находиться в диапазоне: -10 … +6 дБм. При этом, наибольшая точность деления реализуется при уровне входного сигнала, лежащем в середине диапазона. При минимальном уровне входного сигнала возможен пропуск некоторых полуволн входного сигнала. При максимальном уровне входного сигнала частота выходного сигнала может принимать удвоенное значение. Исходя из этого, необходимо помнить, что для обеспечения минимальной погрешности измерений в состав устройства должен входить высокочастотный широкополосный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

В качестве усилителей можно использовать усилительные микросхемы производства Stanford Microdevices. Эти микросхему не требуют большого числа дополнительных элементов и имеют очень широкую полосу пропускания. На рис. 2.36 приведен пример схемы измерения частоты электромагнитных сигналов методом непосредственной оценки.

Рис. 2.36. Пример схемы измерения частоты электромагнитных сигналов методом непосредственной оценки.

На этой схеме не приведены элементы схемы ответственные за обеспечение регулировки коэффициента усиления. Также важным моментом является использование двух разных моделей усилителей. Отличие моделей усилителей заключается в разном уровне выходного сигнала. Усилитель SGA-0363 обеспечивает мощность выходного сигнала не более 2,3 дБм, а усилитель SGA-2363 – 8,2 дБм. Использование во втором усилительном каскаде более мощного варианта усилителя необходимо для уменьшения искажения формы сигнала в процессе усиления. Выбор конкретной модели усилителя производится на основании информации о максимальном ожидаемом уровне сигнала на входе устройства. При максимальном входном уровне сигнала, выходной сигнал усилителя не должен быть равен максимально допустимой мощности. При использовании метода непосредственной оценки для измерения частоты электромагнитных сигналов в свободном пространстве необходимо помнить, что микросхемы высокочастотных делителей частоты будут работать с самым мощным сигналом. Это может привести к большой погрешности измерений при наличии в непосредственной близости (единицы, десятки метров) мощного источника электромагнитных сигналов.

Измерение сдвига частоты в пределах полосы пропускания.

Необходимость в организации отличного от ранее рассмотренных способов измерения частоты возникает при необходимости регистрации быстрого изменения частоты сигнала в пределах полосы пропускания. Для этого используют схемы дискриминаторов. Принцип работы дискриминатора основан на преобразовании частоты сигнала в амплитуду. Для преобразования сигнала с изменяющейся частотой в амплитудно-модулированный сигнал используются схемы с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой. Простейшим вариантом такой схемы является резонансный контур, резонансная частота которого больше или меньше средней частоты частотно-модулированного сигнала. Процесс преобразования частотно-модулированного сигнала в сигнал, амплитуда которого пропорциональна частоте сигнала, показан на Рис. 2.37.

Рис. 2.37. Процесс преобразования частотно-модулированного сигнала в сигнал с наличием амплитудной модуляции.

Но такая схема не обеспечивает преобразования с необходимой точностью. Приемлемые значения погрешности преобразования получаются при использовании схемы дискриминатора с двумя резонансными контурами (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Схема дискриминатора с двумя резонансными контурами и амплитудно-частотная характеристика.

Измерение мощности высокочастотных сигналов.

Вопрос измерения мощности высокочастотных сигналов выделен в отдельную главу по следующей причине. Радиопередающие приборы могут иметь очень большую выходную мощность, которая превосходит максимально допустимую для анализатора спектра. Особенностью измерения мощности высокочастотных сигналов является то, что классические методы определения мощности через произведение напряжения в нагрузке на ток, протекающий через нагрузку, невозможны. Это связано с комплексным характером сигналов. При использовании в качестве линии передачи волноводных линий ток, в классическом понимании отсутствует. Приборы для измерения мощности называются ваттметрами. Кроме того, измерение мощности может оказаться необходимым при настройке высокочастотных радиопередающих приборов. Как известно из курса «Схемотехника», активные элементы, используемые для генерации и усиления сигналов, являются нелинейными элементами. В связи с этим, в спектре выходного сигнала радиопередающего устройства могут присутствовать сигналы с частотами кратными основной частоте. Наличие таких сигналов снижает КПД устройства и приводит к появлению в радиодиапазоне сигналов, являющихся фактически помехами для других устройств. Ваттметры измеряют мощность высокочастотного сигнала во всем спектре радиодиапазона. Измеряя уровень сигнала на основной частоте, и сравнивая его с полной выходной мощностью радиопередающего устройства можно оценить эффективность настройки прибора или подстроить его при необходимости. Ваттметры, предназначенные для измерения значения мощности СВЧ сигналов, в процессе работы производятся преобразование энергии высокочастотных сигналов в другой вид энергии. Существуют следующие типы ваттметров высокочастотных сигналов:

- ваттметры поглощающего типа;

- ваттметры на основе преобразователей Холла;

- ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей заряда.

Ваттметры поглощающего типа преобразуют энергию высокочастотных сигналов в тепло. Количество тепла измеряется посредством измерения температуры. Чувствительный элементы ваттметра поглощающего типа должен иметь такую конструкцию или химический состав, чтобы не происходило отражения высокочастотных сигналов. Значение температуры может определяться через измерение параметров собственных параметров чувствительного элемента или при помощи дополнительного измерительного преобразователя. Методы измерения температуры будут рассмотрены в дальнейших лекциях, а пока достаточно знать, что существуют элементы называемые термисторами или терморезисторами, сопротивление которых зависит от температуры. Как привило, зависимость сопротивления от температуры отрицательная. Это значит, что при повышении температуры термистора его сопротивление уменьшается. Для получения информации о температуре такой элемент включают в измерительный мост. В качестве дополнительного измерительного преобразователя для измерения температуры чувствительного элемента используется термопара. Принцип работы термопары также будут рассмотрен в дальнейшем. Описанные выше ваттметры поглощающего типа имеют ограничение по максимально допустимой измеряемой мощности в диапазоне единиц, редко десятков Вт. Для измерения выходной мощности с большей величиной используется калориметрический ваттметр поглощающего типа. Особенность такого ваттметра в том, что в качестве поглощающего элемента используется радиопрозрачный сосуд с водой. В процессе измерения через сосуд постоянно протекает вода. При этом измеряют температуру втекающей и вытекающей воды. Примерная конструкция колориметрического ваттметра поглощающего типа показана на рис. 2.39.

Рис. 2.39. Примерная конструкция колориметрического ваттметра поглощающего типа.

Мощность вычисляется по формуле: , где:

- удельная теплоемкость жидкости (для воды, равна 1);

- объем воды, протекающей через сосуд за единицу времени, измеряется в см³;

- масса поглощающей нагрузки (радиопрозрачного сосуда с жидкостью);

- температура вытекающей воды;

- температура втекающей воды.

Калориметрические ваттметры поглощающего типа являются очень точными. Погрешность образцовых калориметрических ваттметров составляет 1%. Наиболее эффективно калориметрические ваттметры используются для измерения мощности высокочастотных сигналов, представленных в виде электромагнитных волн, распространяющихся в волноводах.

Недостатком рассмотренных ваттметров является то, что они измеряют мощность высокочастотных сигналов на выходе генератора. Их невозможно использовать, если необходимо определить величину мощность, поступающую от генератора в реальную нагрузку, с которой он должен использоваться. Для этого используются ваттметры проходящей мощности. Как правило, ваттметры проходящей мощности используются для контроля работоспособности высокочастотных устройств. Это значит, что сначала при помощи ваттметра поглощающего типа измеряют выходную мощность генератора. Простейший ваттметр проходящей мощности может быть организован при использовании анализатора спектра и направленного ответвителя. Направленный ответвитель при этом включается таким образом, чтобы на вход анализатора спектра поступал сигнал, пропорциональный падающей мощности высокочастотного сигнала, а не отраженной.

Ваттметры на основе преобразователей Холла.

Как видно из названия, в своей работе преобразователи Холла используют эффект Холла. Эффект Холла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитном поле. Способ использования преобразователя Холла показан на рис. 2.40.

Рис. 2.40. Схема включения преобразователя Холла.

Ваттметры на основе преобразователей Холла могут использоваться для измерения проходящей мощности только если высокочастотный сигнал представлен в виде электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе. Электромагнитная волна состоит из векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Величина векторов пропорциональна мощности электромагнитного сигнала, распространяющегося в волноводе. На рис. 2.41 показан способ установки преобразователя Холла в волновод для измерения уровня проходящей мощности.

Рис. 2.41. Установка преобразователя Холла в волноводе для измерения уровня проходящей мощности.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

- может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

- высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей заряда.

Из физики известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей зарядов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление в теории полупроводников называется разогревом носителей зарядов. Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пластины, то должен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей движению зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины. Для усиления эффекта неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, концентрация носителей в котором пространственно неоднородна. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульсную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс.

3. Состав учебно-лабораторного стенда:

3.1. Анализатор спектра NS-30A.

3.2. Антенный мост.

3.3. Набор переходников.

3.4. Набор приемных антенны типа полуволновой вибратор.

3.5. Высокочастотный генератор Г4-218.

3.6. Излучающая антенна типа четвертьволновой вибратор переменной длины.

3.7. Набор пассивных высокочастотных устройств.

3.10. Паспорта и инструкции по эксплуатации.

4. Содержание и порядок выполнения лабораторных работ

4.1. Определение параметров антенны

- Проверить работоспособность трекинг-генератора. Подключить к анализатору спектра антенный мост согласно схеме, изображенной на его передней панели. К выходу подключения нагрузки подключить согласованную нагрузку из комплекта антенного моста. На анализаторе спектра должна быть установлена полная полоса обзора (1кГц – 3ГГц). Включить трекинг-генератор («TG»/«F1»). Зафиксировать спектр сигнала на выходе антенного моста. Спектр должен быть максимально равномерным. Выключить трекинг-генератор.

Внимание! Включение трекинг-генератор допускается, только если его выход подключен к нагрузке.

- Подключить к выходу подключения нагрузки выданную преподавателем приемную антенну типа полуволновой вибратор. При необходимости воспользоваться набором переходников. Условие размещения антенны должно соответствовать рекомендациям из теоретической части. Включить трекинг-генератор («TG»/«F1»). Используя маркеры («MKR»/«F1») приблизительно определить рабочую частоту основной рабочей полосы антенны и полосу частот. Границами полосы пропускания принимаются частоты, на которых уровень сигнала примерно на 10дБ больше уровня сигнала на рабочей частоте.

- На основании предварительных данных из предыдущего пункта настроить анализатор спектра для более точного определения параметров рабочей частоты и полосы пропускания. Для этого установить центральную частоту отображения равной предварительно измеренной рабочей частоте и полосу обзора примерно на 30% больше чем предварительно измеренная рабочая частота антенны. Используя маркеры определить точное значение рабочей частоты (уровень сигнала минимальный) и границы полосы пропускания (частоты на которых уровень сигнала на 7дБ больше уровня сигнала на рабочей частоте). Полученные данные сохранить для отчета. Выключить трекинг-генератор.

- Определить диаграмму направленности приемной антенны. Приемная антенна устанавливаться напротив выходного разъема генератора Г4-218. К выходу генератора Г4-218 подключить излучающую антенну типа четверть волновой вибратор. При необходимости воспользоваться набором переходников. Длину излучающей установить соответствующей рабочей частоте приемной антенны. Установить на генераторе Г4-218 частоту, соответствующую рабочей частоте антенны. Включить формирование выходного сигнала генератора («ВЧ ВКЛ»). Используя маркеры, настроить анализатор спектра на максимальное значение сигнала от генератора. Последовательно поворачивая приемную антенну на 15 градусов в горизонтальной плоскости зафиксировать для отчета значения сигнала в каждом положении антенны. В процессе проведения измерений необходимо исключить нахождение участников лабораторной работы в непосредственной близости от антенны и между излучающей и приемной антенной.

- Определить поляризационную характеристику приемной антенны. Для этого удерживая приемную антенну за штатив последовательно поворачивать ее на угол 30 градусов зафиксировать значения сигнала в каждом положении.

Измерение параметров пассивных высокочастотных устройств.

На анализаторе спектра установить полную полосу обзора. Подключить выданное преподавателем устройство между выходом трекинг-генератора и входом анализатора спектра. При необходимости воспользоваться набором переходников. Включить трекинг-генератор. Зафиксировать частоты, уровни которых на 50% превышают минимальное значение. Для каждой частоты также зафиксировать значение уровня сигнала. Выключить трекинг-генератор.

5. Контрольные вопросы

1. Поддиапазоны спектра электромагнитных сигналов. Особенности измерения параметров.

2. Составляющие электромагнитного сигнала.

3. Антенны. Определение. Особенности использования.

4. Базовые параметры антенны.

5. Диаграмма направленности. Определение. Пример изображения.

6. Рабочая частота и полоса пропускания. Определение.

7. Коэффициент стоячей волны. Определение. Причины возникновения.

8. Поляризация. Определение. Основные типы.

9. Магнитные антенны. Особенности применения.

10. Электрические антенны. Особенности применения.

11. Условие, при котором возможно использование четвертьволнового вибратора в качестве приемной антенны.

12. Логопериодическая антенна и антенна типа «волновой канал».

13. Радиоприемные устройства прямого детектирования.

14. Радиоприемные устройства прямого усиления.

15. Радиоприемные устройства прямого преобразования.

16. Супергетеродинные радиоприемные устройства.

17. Сверхрегенеративные радиоприемные устройства.

18. Типы анализаторов спектра особенности использования.

19. Аттенюаторы. Причины использования.

20. Делители мощности. Причины использования.

21. Направленные ответвители. Особенности использования.

22. Базовые параметры анализаторов спектра. Особенности установки.

23. Принцип измерения рабочей частоты антенны и полосы рабочих частот.

24. Выделение информации об уровне сигнала промежуточной частоты.

25. Измерение сдвига частоты в пределах полосы пропускания.

26. Конструкция и принцип действия ваттметра поглощающего типа.

27. Конструкция и принцип действия ваттметра на основе преобразователя Холла.

6. Требования к содержанию отчета

1. Титульный лист. Содержит название лабораторной работы, ФИО студентов, группа.

2. Номер варианта. Задание на выполнение работы.

3. Измерительные схемы и результаты измерений для каждой измерительной схемы и вариантов измерений.

4. Таблицы, графики.

5. Выводы.

7. Список рекомендуемой литературы

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.: ил..

2. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 558 с.: ил.

3. Ротхамель К. Антенны. Пер. с нем. – М.: Энергия, 1969. – 312 с.: ил..

4. Электрорадиоизмерения: В 3-х томах. Учебник. / В.И. Нефедов, А.С. Сигов, В.К. Битюков и др./ Под ред. Профессора А.С. Сигова – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. - 384 с. : ил..

5. Бова Т. Н., Резников Г. Б. Антенны и устройства СВЧ. - 2-е изд., переаб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во. 1982. - 278 с.: ил..

Приложение 1.

Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 129; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!