книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

измерениями производят симметрирование схемы (симметриру­

напряжений на М3 и измеряемой линии затухание асимметрии равно затуханию М3.

Для быстрого измерения частотной зависимости переход­ ного затухания между симметричными цепями применяются визуальные измерители затухания (ВИЗ). Работа ВИЗ основана на применении генератора качающейся частоты, сигналы которого подаются во влияющую цепь. Из цепи, на которую передается влияние, слабые сигналы подаются на усилитель и затем на экран осциллографа. Генератор качающейся частоты создает колебания, частота которых автоматически изменяется по линейному закону в пределах измеряемого диапазона частот. Амплитуда колебаний в процессе всего цикла изменения частоты остается постоянной. В этом случае сигналы на осциллографе отражают зависимость коэффициента затухания от частоты.

Прибор ВИЗ-З (рис. 7.19) пригоден для измерения переход­

частоты генератора 1 составляет 4 с. Диапазон качания частоты можно регулировать. Высокая частота генератора модулиро­ вана низкой частотой. Это позволяет на определенном этапе

82

В каждом канале имеются градуированные делители напряже­ ний 3 и 4. С их помощью можно совместить изображения обеих характеристик на экране в какой-либо точке (частоте) для точного определения переходного затухания на соответ­ ствующей частоте, так как разность ослабления напряжений делителями в каждом канале точно равна разности между уровнем сигнала на входах контрольного и измерительного каналов, т. е. измеряемому значению затухания на данной частоте.

Контрольный и измерительный каналы с помощью ком­ мутирующего устройства попеременно (через каждый период развертки по частоте) подключаются к входу усилителя 5, что дает возможность видеть на экране трубки одновременно две кривые (экран с послесвечением), соответствующие конт­ рольной и измеряемой характеристикам. На экране высвечива­ ются также частотные метки.

7.5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЕЙ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ

При частотах более 150 МГц между кабелем и генератором включается измерительная линия. При этом входное сопротив­ ление кабеля может быть определено по (7.10). Определив входное сопротивление короткозамкнутого и разомкнутого кабелей, по (7.13) и (7.14) можно рассчитать вторичные

напряжения.

Вариант исполнения коаксиальной измерительной линии показан на рис. 7.20. Измерительная линия представляет собой отрезок коаксиальной или волноводной линии с продольной щелью 1, вдоль которой может перемещаться каретка с укре­ пленным на ней зондом связи 2. К зонду связи подключается

г@ — I'

'/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / у .

83

устройство индикации напряжения. На рис. 7.20 показан ин­ дикатор, состоящий из детектора и микроаперметра РА. К одному из концов измерительной линии подключается генератор, а к другому— исследуемая нагрузка (испытуемый кабель). На зонде связи, погруженном на некоторую глубину в полость линии, возникает напряжение, пропорциональное напряженности электрического поля в данной точке линии. Зонд связи возбуждает колебания в дополнительном резонаторе 3 индикатора. Последний настраивается в резонанс с помощью подвижного электрода 4. Такая настройка обеспечивает высокое входное сопротивление детекторной головки со стороны ос­ новной линии. При этом зонд связи вызывает минимальные искажения электромагнитного поля внутри измерительной линии. Для уменьшения искажения поля измерительной линии зонд следует погружать в полость линии возможно меньше, но настолько, чтобы обеспечить индикацию напряжения сущест­ вующими приборами. Щель, через которую погружается зонд, должна быть узкой, что обеспечивает минимальное излучение и потери в линии.

Определение коэффициента стоячей волны (КСВ) произ­ водится при перемещении каретки 3 с зондом связи вдоль щели и фиксации показаний индикаторного прибора. Необ­ ходимо обеспечить постоянную глубину погружения зонда и его строгую направленность вдоль радиуса к оси линии. Устройство перемещения зонда должно иметь шкалу, позво­ ляющую точно отсчитывать расстояние, пройденное им вдоль линии. Точность измерений зависит от строгого соблюдения предусмотренных геометрических размеров в линии. Поэтому измерительные линии являются устройствами точной механики.

В качестве индикатора напряжения можно использовать усилительные устройства. Если колебания генератора промодулировать, то на выходе детектора выделяются колебания с частотой модуляции и для их усиления может быть применен узкополосный измерительный усилитель. Если применяется измерительный приемник, то детектировать сигнал зонда не нужно.

Обеспечить точность геометрии коаксиальных измеритель­ ных линий проще в измерительных линиях с параллельными пластинами. Линия, имеющая бесконечно простирающиеся параллельные пластины и внутренний проводник эллипти­ ческого сечения, эквивалентна обычной коаксиальной линии. Практически такая эквивалентность соблюдается при высоте

Щель располагается в середине пластины вдоль внутреннего проводника. Такие линии используются до сантиметрового диапазона волн.

84

В коротковолновой части сантиметрового диапазона и в об­ ласти миллиметровых волн используются волноводные изме­ рительные линии. Обычно волновод имеет прямоугольную форму. При основных колебаниях Н10 щель располагается в середине широкой стороны волновода. Так как длина волны невелика, то для отсчета перемещений зонда необходимо применять микрометрический винт перемещения каретки и нониусные шкалы отсчетных устройств. Ширина щели делается минимальной.

На входе и выходе измерительных линий устанавливается стандартный разъем. Переход от измерительной линии к око­ нечным разъемам требует изменений диаметров внутреннего и наружного проводников, а также и изменения конфигурации линии (при параллельных пластинах). При правильно сконст­ руированных переходах собственный КСВ, обусловленный отражениями от концов линии, не превышает 1,02— 1,025.

Наличие щели сказывается на электромагнитном поле в линии, что приводит к изменению ее волнового сопротив­ ления и другим погрешностям. Наибольшие погрешности возникают около концов щели, поэтому не следует проводить измерений на самых краях щели.

Наличие зонда приводит к искажению картины стоячей волны. Схема замещения линии с зондом показана на рис. 7.21. Активная проводимость G3 характеризует активную мощность, поглощаемую зондом, а реактивная— отражения, порождаемые зондом. Если полное сопротивление нагрузки Gn равно нулю, а нагрузка генератора Gr согласована с линией, то в линии без потерь устанавливается чисто стоячая волна. В этом случае в узлах напряжения (£/=0) зонд не возмущает картины поля, так как в этих точках полное сопротивление линии равно нулю. В пучностях напряжения зонд несколько искажает поле. Это сказывается на изменении значений максимумов и на смещении их положений. Если полное сопротивление нагрузки имеет конечное значение, то зонд вносит искажения и в положениях минимума напряжения, но эти искажения меньше, чем в максимумах. Поэтому измерения целесообразнее проводить в области минимумов напряжения.

Влияние зонда на результаты измерений уменьшается с уменьшением глубины погружения зонда. При измерениях необходимо следить, чтобы глубина погружения зонда и точ­ ность его настройки находились в требуемых пределах, не вызывающих заметных ошибок.

Для снижения погрешностей, связанных с рассогласованием генератора и измерительной линии, между ними рекомендуется включать аттенюатор.

В комплект оборудования входят: генератор сигналов, плавные и фиксированные аттенюаторы, измерительная линия,

85

индикаторные приборы, элементы соединений (кабели со стан­ дартными разъединителями или волноводные отрезки), оконеч­ ные согласованные нагрузочные сопротивления, короткозамыкающие поршни переменной длины со шкалой, нерегулируемые короткозамыкатели. Типовые измерительные линии имеют волновое сопротивление 50 и 75 Ом, их собственный КСВ не превышает 5—6%. Погрешность измерения КСВ обычно не превышает 10%.

Перед измерениями проводят предварительную наладку и градуировку линии. Между генератором и измерительной линией устанавливают развязывающий аттенюатор (РА) с затуханием 10— 15 дБ; измерительную линию закорачивают. При правильном монтаже установки, положении и настройке зонда разница значений максимумов напряжения по длине линии не должна

где xi+1 и Xi— координаты двух соседних минимумов в линии. Значение х1+1—х( должно быть одинаковым для всех

соседних минимумов по длине линии.

Показания индикатора напряжения зависят от положения зонда, чувствительности индикатора, частоты. Поэтому для повышения точности измерений градуировку индикатора следу­ ет проводить при конкретных условиях измерений. Относитель­ ное значение напряжения около положения минимума подчиня­ ется зависимости (при КСВ, равном оо)

где Етах— амплитуда напряженности поля стоячей волны;

и регулируя индикаторное устройство, добиваются установле­ ния стрелки прибора на максимум <хтах. Затем перемещают зонд последовательно в разные точки ближе к положению минимума и отмечают показания индикатора а. По этим результатам и формуле (7.49) строят градуировочную кривую индикатора, т. е. функцию

a/< W = /( sin - z j =f(E/Enax).

При измерениях КСВ по минимуму и максимуму показаний прибора особенно тщательно необходимо определять показания

вминимуме, так как даже небольшая абсолютная погрешность

вотсчете приводит к большой относительной ошибке. Более

86

Рис. 7.22. Схема измерения полного сопротивления нагрузки:

ИА— измерительный аттенюатор; РА — развязывающий аттенюатор; СУ—согласующее устройство

точно минимум можно определить, измеряя напряжение U на некотором расстоянии z от положения минимума и используя (7.49):

Учитывая, что КСВ рассчитывается по формуле s=Umax/Umini из (7.50) получаем

87

рис. 7.23, а. С помощью каретки определяются координаты минимумов. Первый минимум будет находиться в точке короткого замыкания линии, а следующие минимумы будут располагаться друг от друга на расстоянии X (7.48). Один из этих минимумов с координатой а (точку а называют условным концом линии) используют в качестве опорного для отсчета.

Затем линия размыкается и к ее концу подключается исследуемая нагрузка ZH. При этом характер стоячей волны изменяется, как это показано на рис. 7.23, б. Смещение ми­ нимумов происходит на значение дг1} меньшее половины длины волны. Ближайший к точке а в сторону генератора минимум

Затухание кабельной линии длиной / с помощью измеритель­ ной линии может быть определено путем измерения КСВ на входе короткозамкнутой кабельной линии. Если затухание измерительной линии равно нулю и волновые сопротивления линий точно согласованы, то

При измерениях следует выбирать кабельную линию такой длины, чтобы ее затухание ос/ было значительно больше затухания измерительной линии. Полное согласование волно­ вых сопротивлений линий практически невозможно, поэтому конец измеряемой линии следует замкнуть короткозамыкателем с подвижным поршнем. Перемещая поршень на расстояния Х„/\6, в каждой точке определяют КСВ. Выделив максимальные и минимальные значения smax и smin, затухание ос/, дБ, рассчитывают по формуле

По точности они разделены на три класса. Погрешность измерения КСВ и фазы коэффициента отражения определяются в зависимости от параметров линии остаточным или соб­ ственным КСВ линии, неравномерностью связи зонда с полем линии, шунтирующей проводимостью зонда или индикаторного

88

прибора. Рекомендуется уровень мощности не более 1 мВт. Линия Р1-25 имеет волновое сопротивление 75 Ом, остальные линии 50 Ом. Параметры высокочастотных соединителей ко­ аксиальных трактов и фланцевых соединений волноводных трактов приведены в ГОСТ 13317-73. В табл. 7.2 и 7.3 приведены основные параметры коаксиальных и волноводных

7.6. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

При измерениях на высоких частотах применяется специ­ альная аппаратура, предполагающая наличие необходимой квалификации у операторов. Подробнее с техникой измерений на высоких частотах можно ознакомиться в [5] и [9].

Обычно используют комплект оборудования, специально предназначенный для данных измерений. В комплект обору­ дования могут входить следующие измерительные приборы:

89

генераторы синусоидального напряжения, измерители напряже­ ния (электронные вольтметры), индикаторы отсутствия напря­ жения или тока (индикаторы равновесия), частотомеры, ма­ газины затухания (аттенюаторы), различные разветвители (ко­ аксиальные тройники), переключатели, симметрирующие транс­ форматоры и дроссели.

Результаты измерений во многом зависят от правильности, качества и надежности электрических соединений и контактов в схемах и переключателях, заземлений. Заземляющие провода не должны образовывать замкнутых контуров. Заземляется только одна точка схемы, она выбирается практически по минимуму помех.

Параметры радиоизмерительных приборов приведены в [29]. Измерительные генераторы имеют входную мощность по­ рядка 0,1—5 Вт и обозначаются следующим образом: Г2 — генераторы шумовых сигналов, Г5— генераторы импульсов прямоугольной формы, ГЗ— генераторы синусоидальных сиг­ налов с частотой до 2 МГц, Г4— генераторы высокочастотные,

в том числе сверхвысокочастотные (СВЧ).

аксиальным выходом и с частотой более 10 ГГц с волноводным выходом. Генераторы СВЧ имеют узкое перекрытие диапа­ зонов, например Г4-91 имеет диапазон частот. 25,8 В — 37,5 ГГц.

Для генераторов регламентируется точность установки часто­ ты и напряжения. Обычно их колебания могут быть различным образом модулированными (например, частотой 1 кГц). Выходное сопротивление генераторов составляет 600, 75, 50, 15, 10, 5 Ом.

Электронно-счетные частотомеры (ЭСЧ) позволяют изме­ рять частоту или период колебаний с высокой точностью. Они выдают информацию на цифровую шкалу и в виде цифрового кода, предназначенного для дальнейшей обработки информации в информационно-измерительных системах (см. гл. 12). В ЭСЧ производится измерение среднего значения частоты или периода колебаний за определенное установленное время измерения. С помощью ЭСЧ можно измерять также отношение частот двух сигналов, длительность интервалов времени, счет числа колебаний за установленный интервал времени, измерять разность фаз колебаний.

ЭСЧ характеризуются диапазоном частот, погрешностью измерений, разрешающей способностью измерения, диапазоном уровней входных сигналов, временем счета и эксплуатацион­ ными параметрами.

Для расширения диапазонов измерений применяются до­ полнительные блоки: преобразователи частоты и усилители входных сигналов. Частотомеры разделяются на три группы: сервисные, универсальные и специализированные. Сервисные

90