Принцип импульсных измерений

В технике связи на сверхвысоких частотах (СВЧ) широко применяют кабели, волноводы, световоды различной конфигурации и размеров. В измерительной технике на этих частотах в основном используют отрезки коаксиальных и полосковых линий, а также круглых и прямоугольных волноводов различного поперечного сечения. В телекоммуникационных системах связи применяются проводные линии связи. Во всех случаях необходимо выполнить условия передачи максимума мощности от генератора сигнала в нагрузку. Линия связи (линейный тракт) в силу распределенного характера обладает рядом специфических свойств существенно осложняющих выполнение этого условия. Поэтому исследование свойств длинных линий, изучение вопросов согласования линий связи с генератором сигналов и нагрузкой являются важными.

На рис. 1 изображена линия передач СВЧ. С одной стороны ее подключен генератор синусоидальных колебаний, а с другой - сопротивление нагрузки Z_н. В линии имеет место интерференция волн, распространяющихся в противоположных направлениях.

Амплитуда суммарного напряжения U(t,l) на расстоянии l от нагрузки можно определить из уравнения для волн напряжений и токов (или электрических Е и магнитных Н полей):

(1)

где t - время; U_П и U_O - амплитуды падающей и отраженной волн напряжений; - комплексная постоянная распространения, символизирующая волновой процесс; - постоянная затухания; - фазовая постоянная; - длина волны в линии.

При измерениях на СВЧ во многих случаях пренебрегают потерями в линии , тогда уравнение (1) можно преобразовать следующим образом:

(2)

где - комплексный коэффициент отражения; - фазовый угол коэффициента отражения.

Рис. 1

Очень часто в технике СВЧ измеряют отношение напряжения U(t,l) к току I(t,l), которое определяет полное комплексное сопротивление Z в данном поперечном сечении линии:

(3)

Отношение напряжения к току падающей или отраженной волны определяет волновое сопротивление линии:

(4)

С учетом этого соотношения (3) нетрудно преобразовать следующим образом:

(5)

Уравнение (5) приводит к выводу, что измерение Z сводится к измерению Р, поскольку r - чисто активная величина и определяется геометрическими размерами линии и типом волн.

Принцип импульсных измерений заключается в том, что в измеряемую линию подаются импульсы напряжения (зондирующие импульсы), которые, распространяясь по линии, частично отражаются от неоднородностей волнового сопротивления и возвращаются к месту, откуда они были посланы.

Зондирующий импульс и отраженные сигналы воспроизводятся на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с временной разверткой луча радар-тестера. Сигналы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления, будут смещены по времени относительно зондирующего импульса в зависимости от расстояния до неоднородности, т. е. величина смещения отраженного сигнала относительно зондирующего импульса на экране ЭЛТ пропорциональна расстоянию до неоднородности.

Рис.2. Форма зондирующих и отраженных импульсов от несогласованной нагрузки.

Измерения импульсным методом обеспечивают получение быстрого и точного результата особенно в том случае, когда повреждение имеет вид обрыва, короткого замыкания, сообщения проводов в многопроводных системах.

Неоднородность волнового сопротивления характеризуется коэффициентом отражения. Соотношение (5) легко преобразуется к следующему виду:

(6)

Отсутствие отраженного сигнала свидетельствует о точном согласовании линии по волновому сопротивлению (рис.2.а). Отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, при увеличенном сопротивлении в месте отражения (рис. 2.б), достигая предельной амплитуды, равной амплитуде зондирующего импульса (полное отражение) при обрыве; отраженный импульс меняет полярность при уменьшении сопротивления линии (рис. 2.в), достигая предельной амплитуды, равной амплитуде импульса, при коротком замыкании.

Длина кабеля до элемента неоднородности определяется выражением:

, (7)

где с- скорость света; t_изм - измеренное время запаздывания отраженного импульса относительно зондирующего; - диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.

Импульсный метод определения места повреждения (неоднородности волнового сопротивления) реализуется следующими способами зондирования:

коротким видеоимпульсом;

единичным перепадом напряжения.

Метод зондирования кабеля коротким видеоимпульсом применяется в основном для поиска и определения местоположения повреждения и отдельных крупных неоднородностей.

При этом получается производная распределения неоднородностей кабеля, т. е. отражение от начала и конца неоднородности.

Эффективность этого метода резко снижается при наличии в линии сложных неоднородностей - следующих друг за другом нескольких протяженных неоднородностей волнового сопротивления, плавного изменения волнового сопротивления вдоль линии и др.

Метод зондирования кабеля единичным перепадом напряжения дает полную картину изменения волнового сопротивления вдоль линии. Используя одновременно оба метода, можно получить более полную информацию о состоянии линии путем сравнения импульсных характеристик, полученных разными методами зондирования (см. рис.3):

а) закон изменения волнового сопротивления линии длиной l_к;

б) зондирующий сигнал - видеоимпульс;

в) зондирующий сигнал - единичный перепад напряжения;

г) импульсная характеристика линии при зондировании видеоимпульсом;

д) импульсная характеристика линии при зондировании единичным перепадом напряжения.

Рис. 3. Импульсные характеристики (ИХ) кабеля со скачкообразным изменением волнового сопротивления (вставка) при различных методах зондирования линии

В измерителе используются оба метода зондирования исследуемой линии - зондирование видеоимпульсом и ступенчатым напряжением. Расстояние до места неоднородности определяется (транспозиция, короткое замыкание, обрыв, кабельная вставка, плавное изменение волнового сопротивления) определяется временем запаздывания отраженного сигнала относительно фронта зондирующего сигнала.

При известной (или измеренной заранее) скорости распространения импульса по линии однозначно определяется расстояние. Точность определения места неоднородности зависит от частотной характеристики затухания измеряемой линии, определяющей степень сглаживания фронта отраженного импульса и уменьшение его амплитуды (составляющие частотного спектра импульса распространяются с различной скоростью и, кроме того, высокочастотные составляющие спектра затухают значительно быстрее).

Поэтому при распространении по линии видеоимпульс расширяется, передний фронт импульса становится пологим, вершина и центр тяжести импульса дополнительно запаздывают. Таким образом, появляется дополнительная погрешность измерения, определяемая свойствами данной линии.

Величина километрического затухания линии определяет предельное расстояние, на котором четко различимы отражения от места повреждения.

Точность импульсных измерений, в основном, определяется правильным выбором величины скорости распространения импульсного сигнала в измеряемой линии.

Каждая линия, имеющая отличные от другой первичные параметры (тип диэлектрика, сечение, материал проводов и т. п.), обладает своей собственной скоростью распространения импульсного сигнала. В измерителе обеспечен прямой непосредственный отсчет расстояния в единицах длины с учетом скорости распространения импульса в линии через коэффициент укорочения электромагнитной волны (ручка "Укорочение"). Величина коэффициента укорочения электромагнитной волны для волнового канала определяется по формуле:

(8)

где с - скорость света, равная 300 м/мкс; V - скорость распространения импульса в данном типе линии.

Численные значения коэффициента укорочения для волновых каналов кабелей и линий различных типов приведены в Приложении 1. При импульсных измерениях на линиях с неизвестным коэффициентом укорочения его можно ориентировочно вычислить по формуле:

, (9)