Измеритель радиопомех. 
Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах

В состав приборов для измерения радиопомех входят измеритель радиопомех и одно или несколько измерительных устройств, обеспечивающих измерение напряжения, напряженности поля, мощности и тока помех. Измерительными устройствами являются эквиваленты сети и пробники, измерительные антенны, поглощающие клещи и токосъемники.

Измерители радиопомех градуируются в эффективных значениях синусоидального напряжения, выраженных в децибелах относительно 1 мкВ, 1 мкВ/м, 1пВт или 1 мкА.

Комитет МСКРП установил три полосы частот, в пределах которых все измерители индустриальных радиопомех должны иметь одинаковые технические характеристики: I — 10−150 кГц; II — 150 кГц-30 МГц; III — 30−1000 МГц.

Структурная схема измерителя радиопомех (рис. 10.12) состоит из входного устройства ВУ, аттенюатора усилителя высокой частоты, преобразователя, аттенюатора усилителя промежуточной частоты, детектора квазипикового (пикового) и эффективного значений, вольтметра. Измеритель радиопомех представляет собой высококачественный измерительный приемник супергетеродинного типа с одним, двумя или более преобразователями высокой частоты.

Входное устройство служит для подключения измерителя к источнику радиопомех. При измерении напряжения радиопомех входным устройством являются эквивалент сети или пробник (для измерения напряжения), измерительная антенна (для измерения напряженности поля), поглощающие клещи (для измерения мощности) и токосъемник (для измерения тока).

Рис. 10.12. Структурная схема измерителя радиопомех.

Измеряемый сигнал с входного устройства поступает на аттенюатор по высокой частоте, который служит делителем напряжения и согласующим элементом при подключении к ВЧ-тракту калибратора.

Высокочастотный блок состоит из усилителя высокой частоты, смесителя и гетеродина. Назначение каскадов блока и их работа те же, что у обычных супергетеродинных приемников. С выхода преобразователя измеряемый сигнал поступает на аттенюатор по промежуточной частоте.

Наличие двух делителей напряжения сигнала обусловлено тем, что при делении этого напряжения только по ВЧ неделимыми остаются шумы каскадов ВЧ, что может привести к погрешностям в измерении. При делении напряжения сигнала по ПЧ создается опасность перегрузки каскадов ВЧ, ведущая к нарушению их линейности и к недопустимым погрешностям. Поэтому деление напряжения измеряемого сигнала сначала производят по ПЧ, освобождаясь от излишних шумов каскадов ВЧ, затем регулируют напряжение аттенюатором ВЧ, добиваясь линейности работы трактов усилителя ВЧ, а затем снова регулируют по ПЧ.

Усилитель ПЧ состоит из нескольких полосовых фильтров, имеющих коэффициенты связи между ними, равные 0,5—1,5. Как известно, в тракте ПЧ происходит основное усиление напряжения измеряемого сигнала.

Линейный тракт измерителя радиопомех, состоящий из усилителей ВЧ и ПЧ, имеет нормированные характеристики избирательности по ширине полосы пропускания на уровне 6 дБ А/, а также по эффективной А/^ф и импульсной Д/_им ширине полосы пропускания. Кроме того, в отличие от схем обычных супергетеродинных приемников для получения идентичных по форме импульсов на выходе линейного тракта ГОСТ Р 51 319—99 устанавливает пределы для кривых общей избирательности измерителей радиопомех I и II классов. Рис. 10.13 иллюстрирует порядок отсчета общих характеристик избирательности. По оси абсцисс отложены значения абсолютной расстройки по отношению к резонансной частоте /₀, по оси ординат — отношение входного напряжения UfJ) на частоте/ к напряжению 1 Г (/₀) на частоте /₀, необходимое для того, чтобы оба напряжения привели к образованию одинаковых напряжений на выходе. Кривая АВС соответствует минимальной, a ADE — максимальной связи между контурами усилителя ПЧ. Область допустимых значений избирательности заштрихована. Числовые значения кривых, соответствующих для различных измерителей радиопомех, приведены в табл. 10.1.

Рис. 10.13. К отсчету характеристик избирательности измерителя радиопомех.

Кривую избирательности снимают экспериментально с помощью генератора сигналов, калиброванное напряжение которого подают на вход измерителя радиопомех, настроенного на частоту генератора сигналов /₀. Отмечают показание выходного прибора. Изменяют частоту на определенное число килогерц и увеличивают уровень входного напряжения генератора сигналов до прежнего значения. Точное значение расстройки определяют с помощью частотомера. По полученным данным строят график. Измеритель радиопомех отвечает требованиям ГОСТ по общей избирательности, если снятая экспериментально кривая находится внутри области допустимых значений, построенной для соответствующего прибора (см. рис. 10.13) по данным табл. 10.1.

Таблица 10.1

Нумеруемые параметры измерителей радиопомех.

Измеритель радиопомех, как и любой другой радиоприемник супергетеродинного типа, кроме основного канала имеет побочные каналы приема. Выше указывалось, что индустриальные радиопомехи в основном маломощные. Поэтому на результат измерения могут оказать существенное влияние другие источники, излучения которых происходят на частотах /_пр1; nf_r ± /_пр1; /_г ± /_пр1М /₀Д; /₀ ± /_пр2 и т. д., где /_г — частота гетеродина измерителя радиопомех; / , — первая промежуточная частота; /_пр2 — вторая промежуточная частота; /₀ — частота настройки измерителя радиопомех; п, т, k — целые числа.

Ослабление частот, равных промежуточной частоте, частоте зеркального канала /_г± /. и других побочных каналов, должно составлять не менее 40 дБ для приборов класса I и 30 дБ для приборов II класса. Ослабление по каналам побочного приема определяют как отношение входного синусоидального напряжения на частоте настройки измерителя радиопомех при условии, что оба напряжения вызывают одно и то же показание индикаторного прибора.

После усиления в усилителе ПЧ измеряемый сигнал поступает на детектор. В измерителе радиопомех применяют детектор, который измеряет квазипиковое (пиковое) или эффективное значение радиопомех. Основными параметрами квазипикового детектора (рис. 10.14) являются постоянные времени заряда и разряда, коэффициенты детектирования и коэффициент передачи одиночного импульса.

Рис. 10.14. Принципиальная схема квазипикового детектора.

Постоянная времени заряда т,₍ представляет собой время, в течение которого приложенное ко входу измерителя радиопомех синусоидальное напряжение постоянной амплитуды достигнет на емкостной нагрузке детектора 63% установившегося значения. Постоянная времени разряда т_р представляет собой время, в течение которого при снятии со входа измерителя радиопомех синусоидального напряжения постоянной амплитуды напряжение на емкостной нагрузке детектора уменьшится на 37% от установившегося значения.

Зависимость постоянной времени заряда от параметров элементов схемы квазипикового детектора определяют с помощью параметра.

где R — эквивалентное сопротивление, равное сопротивлению контура при резонансе, Ом; С — емкость контура, пФ.

Значения параметра а приведены в табл. 10.2. Там же приведены постоянные времени заряда и разряда для трех полос измерителей радиопомех I класса. Из данных табл. 10.2 следует, что т_р«т_з"1 /со, где со — угловая частота синусо и дал ь н о го напряжения.

Таблица 10.2

Параметры детекторов для измерителей радиопомех.

Коэффициент детектирования синусоидального напряжения при установившемся режиме K_{r v} определяется отношением сопротивления контура при резонансе R_p и сопротивления нагрузки R

На рис. 10.15 приведены графики коэффициентов а и K_cv в зависимости от т_з/т_р, которые позволяют вычислить необходимые параметры схемы детектора (см. рис. 10.14). Значения К_{с v} для измерителей радиопомех приведены в табл. 10.2.

Рис. 10.15. Зависимость коэффициентов а и К_{( у} от т_з/т_р.

Коэффициент детектирования импульсов К_г в зависимости от частоты F их поступления на вход прибора представляет собой импульсную характеристику детектора, которая определяет стабильность измерения радиопомех. Импульсную характеристику и ее зависимость от параметров схемы детектора определяют через параметр Я.

На рис. 10.16 приведена универсальная кривая импульсной характеристики квазипикового детектора, которая позволяет, зная Я, определить коэффициент импульсов К_г Из рис. 10.16 следует, что с уменьшением частоты поступления импульсов коэффициент детектирования увеличивается. Перегрузка детектора может наступить при поступлении на его вход одиночного импульса. Коэффициент детектирования одиночных импульсов

Рис. 10.16. Универсальная характеристика квазипикового детектора.

График, представленный на рис. 10.16, справедлив при частоте поступления импульсов на вход детектора, большей 2 Гц. В случаях более редких импульсов К_рследует рассчитывать по формуле (10.24).

Используя 10.23 и 10.24 можно вычислить коэффициент перегрузки детектора по напряжению для одиночного импульса.

Коэффициент детектирования «белого» шума К_т можно определить по графику, приведенному на рис. 10.16, использз’я для этого данные табл. 10.2. Из графика следует, что квазипиковый детектор измеряет не среднее значение огибающей «белого» шума, а некоторую исевдопиковую величину, которая может быть больше эффективного значения.

В некоторых типах квазипиковых вольтметров в качестве индикатора результатов измерений применяют в основном магнитоэлектрический стрелочный прибор, который работает под воздействием хаотической последовательности выбросов импульсов тока, поступающих из усилителя. Основными характеристиками приборов данного тина являются баллистическая постоянная времени, степень демпфирования индикаторного прибора и его импульсная характеристика. Баллистическая постоянная временя т_б определяется моментом вращения подвижной системы прибора J и удельным противодействующим моментом W

Значение т_б приведено в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Параметры индикатора магнитоэлектрической системы.

Баллистическую постоянную времени т₀ индикаторного прибора проверяют путем сравнения значения синусоидального напряжения U, подаваемого на вход измерителя радиопомех, со значением напряжения прямоугольных регулируемых, но длительности импульсов, подаваемых на нагрузку детектора, с амплитудой, равной 2,83(7. Путем изменения длительности импульса добиваются такого отклонения стрелки выходного прибора, которое было зафиксировано при подаче на вход измерителя синусоидального напряжения U. Длительность импульса при этом будет равна баллистической постоянной т₃ индикаторного прибора.

Коэффициент демпфирования (3 характеризуется коэффициентом успокоения К подвижной системы прибора и определяется по формуле.

Нормированное значение (3 приведено в табл. 10.3. Экспериментальные значения р определяются, но формуле.

где a_v а₂ — максимальное и установившееся отклонения стрелки соотвественно, градус.

Если известен коэффициент демпфирования р, то баллистическая постоянная т_б может быть определена по формуле.

где Т — период свободных колебаний подвижной системы прибора.

Степень демпфирования индикаторного прибора проверяют по значению синусоидального напряжения, подаваемого на вход измерителя радиопомех, при котором стрелка индикаторного прибора отклонится на 95% полной шкалы. При критическом демпфировании во время выключения и включения напряжения стрелка прибора должна отклониться больше, чем на 95% всей шкалы, но не выходить за ее пределы.

Для определения импульсной характеристики индикаторного прибора необходимо установить связь между постоянной времени разряда детектора т_р и баллистической постоянной т_б и выразить ее через относительную постоянную времени у, т. е. у = т_р / т_б.

При измерении одиночных импульсов отклонения прибора будут тем больше, чем меньше баллистическая постоянная т₆ но сравнению с постоянной времени разряда детектора т_р. Иначе чем больше коэффициент у, тем большие перегрузки должен выдерживать усилитель постоянного тока измерителя радиопомех. При одиночном импульсе усилитель должен иметь запас усиления в 1/У раз больше, чем в случае синусоидального сигнала (У — импульсная характеристика стрелочного прибора). Расчетные значения У для отдельных точек импульсных характеристик для различных полос частот приведены в табл. 10.3.

В заключение необходимо отметить, что измеритель радиопомех должен иметь значительный запас линейности усиления. Перегрузки усилителя возникают при измерении кратковременных радиопомех; усилитель должен иметь запас линейности по напряжению К = К /К_Р, который обеспечивает в основном усилитель ПЧ, й по току, равный К_т = 1 /У, который обеспечивает усилитель постоянного тока. Таким образом, общий запас линейности.

Общая импульсная характеристика измерителей радиопомех нормирована в зависимости от полосы частот и класса прибора. На рис. 10.17 приведены импульсные характеристики для измерителей радиопомех 1 класса II и III полос частот.

Рис. 10.17. Импульсные характеристики измерителей радиопомех I класса:

а — для II полосы частот; б — для III полосы частот Спектральную плотность напряжения импульсов Ф на входе измерителя радиопомех рассчитывают по формуле.

где /(?) — функция, описывающая форму импульса.

Это отношение, вызывающее одинаковое показание индикаторного прибора, составляет:

• • для I полосы частот — 76,4 1/с (при F= 10 Гц);
• • для II полосы частот — 3160 1/с (при F= 100 Гц);
• • для III полосы частот — 22 700 1/с (при F= 100 Гц).

Погрешность в этих случаях не должна превышать ±1,5 дБ для приборов I класса и ±2,5 дБ для приборов II класса.

Для измерителей радиопомех с другими типами вольтметров указанные отношения приведены в табл. 10.4.

Таблица 10.4

Параметр Ф для разных типов детекторов и полос частот измерителя радиопомех.

Для вольтметра с детектором среднего значения частоты следования импульсов Fуказаны в технической документации. Погрешность выполнения соотношений, приведенных в табл. 10.4, не должна превышать ±1,5 дБ.