Методы измерения основных параметров, характеризующих высокочастотное электромагнитное поле

Введение

Методы измерения основных параметров, характеризующих высокочастотное электромагнитное поле

Общие сведения

Электромагнитное поле характеризуется рядом параметров, но в условиях учеб­ной лаборатории обычно измеряют напряженность электрического поля или ве­­­личину, про­пор­­­циональную квадрату напряженности (мощность), а также плот­но­сть потока мощнос­ти, т.е. мощность, приходящуюся на единицу площади неко­то­­рой поверхности. Везде мы рас­сматриваем только процессы, изменяющиеся во вре­мени по гармоническому закону. Поэтому все величины, в том числе и нап­ря­жен­ность электрического поля, изменяются во вре­мени по закону .

Напряженность электрического поля – это в общем случае векторная ком­п­ле­к­­­с­ная величина, которая характеризуется амплитудой, фазой и поляризацией, т.е. ориентацией вектора  в пространстве. В соответствии с этим можно за­пи­сать , где E – амплитуда напряженности электрического поля (в системе еди­ниц СИ она изме­ря­ет­ся в вольтах на метр);

j – фаза напряженности электрического поля;

– поляризация, т.е. ориентация вектора  электрического поля.

Измерение амплитуды напряженности поля

Рассмотрим измерение амплитуды напряженности электрического поля. Во мно­гих слу­чаях нам не обязательно знать абсолютное значение амплитуды нап­ря­жен­ности (в во­ль­тах на метр), а достаточно знать, как изменяется амплитуда нап­ря­женности поля при пе­ре­мещении из одной точки пространства в другую. Такие из­мерения называются отно­си­те­льными.

При измерениях напряженности электрического поля используется устройство, на­­зы­ва­емое зондом. Имеется ряд вариантов конструкции зонда (они рассмотрены ни­же), но все они обязательно содержат элемент, называемый детектором. Де­те­к­тор предназначен для преобразова­ния высокочастотных модулированных ко­ле­ба­ний в низкочастотные (ко­ле­бания с час­тотой мо­ду­ляции) или для преобразо­ва­ния вы­­со­кочастотных немодулиро­ван­ных коле­баний в постоянное напряжение (ток). На СВЧ в качестве детекторов, как пра­­ви­ло, ис­пользуются полупроводнико­вые дио­­ды, конструкция которых изобра­же­на на рисунке 1. Там же показано изобра­же­ние де­­тектора на принципиаль­ной схеме, кото­­рое будет использоваться в даль­ней­шем.

При измерениях чаще всего ис­по­ль­­зуются следующие ва­рианты конструк­ции зон­дов:

1). Зонд в виде электрического ди­по­ля Герца или сим­мет­ричного электри­че­с­ко­го вибратора. Диполь Герца и плечи вибратора должны быть ори­ен­тированы па­­раллельно линиям вектора  измеряе­мого поля. В качестве плеч дипо­ля Герца или симметричного вибратора на СВЧ можно использовать выводы полуп­ровод­ни­­­­кового диода (рисунок 2-а).

2). Зонд в виде специальной детекторной секции волноводного типа (рисунок 2-б). В этом случае детектор устанавливается в прямоугольном волноводе, который иг­ра­ет роль при­­емной антенны. Вектор  измеряемого поля должен быть пер­пен­ди­ку­лярен широкой стенке волновода.

3). Зонд, состоящий из приемной антенны малых размеров (обычно – пира­ми­да­­ль­но­го рупора), присоединенный к детекторной секции (рисунок 2-в). Ориентация век­тора  та­кая же, как и в предыдущем случае.

4). Зонд, состоящий из приемной антенны в виде несимметричного вибратора (обы­­ч­но – это штырь, помещенный в волновод или объемный резонатор), при­со­е­ди­нен­но­го к де­тек­торной секции коаксиального типа (рисунок 2-г). Вектор  из­ме­ря­е­мого поля при этом дол­жен быть параллелен штырю.

Первые 3 варианта зонда используются для измерения амплитуды нап­ряжен­но­с­ти по­ля или мощности в различных точках пространства (в том числе – и в рас­крыве из­луча­ю­щего волновода или рупора). Четвертый вариант обычно исполь­зу­ет­ся для измерения рас­пределения амплитуды напряженности поля вдоль волно­вода или объемного ре­зо­на­то­ра. Зонд в виде штыря при этом перемещается вдоль ще­ли, прорезанной в стенке вол­но­во­да или резонатора.

Любой зонд, помещенный в некоторую точку, в которой мы хотим измерить нап­ря­же­н­­ность электрического поля, искажает поле в этой точке. Для того, чтобы это иска­же­ние было малым, необходимо, чтобы размер зонда был мал по срав­не­нию с длиной волны.

Аппаратура для измерения абсолютной и относительной амплитуды нап­ря­жен­но­с­ти по­ля

При измерении абсолютной амплитуды напряженности поля измерительный зонд (при­емная антенна) присоединяется к специальной измерительной аппа­ра­ту­ре. Чаще все­го используются два вида аппаратуры:

1). Высокочувствительный приемник, снабженный индикатором выхода. Для ка­­­либровки усиления такого приемника используется метод сравнения (компари­рования), поэ­­­тому такие приемники называют компараторами.

2). Высокочастотный микровольтметр. Он также содержит высоко­чувствитель­ный при­емник с индикатором выхода и устройство для калибровки усиления. Де­тек­тор при этом конструктивно входит в состав компаратора или мик­рово­льт­мет­ра.

При измерении относительной амплитуды напряженности поля используют один из выше перечисленных вариантов конструкции зонда с детектором. Сигнал, при­нятый зон­дом, после детектора подается на индикатор, который фиксирует из­меряемую вели­чи­ну. Используемые индикаторы могут быть 2-х типов:

1). Приборы постоянного тока (микроамперметры, миллиамперметры) или уси­ли­­те­ли постоянного тока, снабженные индикатором выхода.

2). Усилители переменного низкочастотного напряжения, снабженные инди­ка­то­ром выхода.