Применение Гетеродинный метод измерения частоты

Сущность гетеродинного метода, позволяющего измерять частоту с высокой точностью, заключается в сравнении частоты исследуемого напряжения с частотой напряжения перестраиваемого гетеродина, который заранее проградуирован. Приборы, осуществляющие этот метод, называют гетеродинными частотомерами. Их применяют в диапазонах высоких и сверхвысоких частот.

Работа гетеродинного частотомера и методика измерений сводятся к следующему.

Структурная схема гетеродинного частотомера приведена на рис. 36, где Гпл – генератор с плавной настройкой – источник известной образцовой частоты; Гкв – кварцевый генератор, используемый для калибровки образцового генератора перед каждым измерением частоты; − корректирующая емкость, необходимая для установки нулевых биений при калибровке Гпл.

Рис. 36. Структурная схема простейшего гетеродинного частотомера

На смеситель поступают одновременно напряжения двух частот: измеряемой f_х и гетеродина f_пл. На выходе смесителя получаются напряжения комбинационных частот, в том числе частоты биений. Гетеродин перестраивают по частоте до появления нулевых (низкочастотных) биений, фиксируемых по индикаторному прибору. Индикатор может быть тональным (телефоны) или визуальным (осциллограф, электронно-световая индикаторная лампа, стрелочный прибор). После получения нулевых биений по шкале гетеродина, определяют частоту его напряжения и, следовательно, f_х, т. к. при нулевых биениях f_х ≈ f_пл.

Погрешность измерений складывается из погрешности меры, т. е. нестабильности частоты и непостоянства градуировочной характеристики гетеродина, погрешностей сравнения и фиксации нулевых биений.

В схемах многих частотомеров предусмотрен кварцевый генератор, выполняющий функции образцовой меры. С его помощью поверяют и корректируют градуировочную характеристикушкалы гетеродина. Эту операцию производят после предварительного (ориентировочного) измерения неизвестной частоты. При поверке переключатель рода работы ставят в положение К. К смесителю помимо гетеродина оказывается подключенным кварцевый генератор, напряжение которого содержит много гармоник. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте гармонике—«кварцевой точке».

Индикаторный прибор фиксирует наличие биений, которые при помощи «корректора» гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина отсутствует «корректор», то шкалу проверяют всоседних по обе стороны отf_изм точках, производят линейную интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градуировочную характеристику. После корректировки кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, при которой получаются нулевые биения, и делают окончательный отсчет по его шкале.

При очень высоких частотах получение низкочастотных биений затруднительно. В подобных случаях вместо индикаторного прибора можно включить низкочастотный частотомер (например, конденсаторный) и по нему определять разностную частоту F_р. Тогда f_изм = f_r ± F_p (знак поправки F_p зависит от того, с какой стороны подходят к f_изм при настройке гетеродина).

В диапазоне СВЧ нередко применяют гетеродины, основная частота напряжения которых во много раз ниже измеряемой. При этом используются высшие гармоники гетеродина. Измеряемая частота сравнивается с частотой n-й гармоники гетеродина при нулевых биениях.

Гетеродинные измерители частоты характеризуются следующими основными параметрами:

§ классом точности;

§ диапазоном измеряемых частот;

§ диапазоном частот гетеродина;

§ значениями опорных частот и их погрешностью;

§ чувствительностью и др.

Предусмотрены три класса точности гетеродинных частотомеров ( I, II, III), характеризуемые основной относительной погрешностью: 5^.10^-6; 5^.10^-5 н 5^.10^-4 (погрешности опорных частот соответственно 5^.10^-7; 5^.10^-6и 5^.10^-5).

В качестве примеров гетеродинных частотомеров могут быть названы приборы: Ч4-1, измеряющий частоты 125—20 000 кГц с погрешностью 2^.10^-4; Ч4-5, работающий в диапазоне 2,6—18 ГГц (основная погрешность 5^.10^-5);Ч4-25, охватывающий диапазон частот 37,5—78,3 ГГц.

Охрана труда. Экология

6.1 Биологическое действие СВЧ–излучения на организм человека

Воздействие мощных электромагнитных полей на человека приводит к определенным нарушениям в нервно-психической и физиологической деятельности, однако как предполагают, "многоступенчатая" система защиты организма от вредных сигналов, осуществляемая на всех уровнях от молекулярного до системного, в значительной степени снижает вредность действия "случайных" для организма потоков информации. Поэтому, видимо, если и наблюдается определенная реакция на эти поля, то здесь нужно говорить скорее о физиологическом, в общем смысле, чем о патологическом аспекте воздействия электромагнитной энергии. Несмотря на то, что нетепловые, или специфические эффекты воздействия радиоволн открыты относительно давно, определяющим для нормирования опасности работы в условиях воздействия ЭМП во многих странах пока принята степень их теплового воздействия.

Для выяснения биофизики теплового действия СВЧ на живые организмы рассмотрим кратко факторы, определяющие нагрев тканей при облучении их ЭМП.

Существование потерь на токи проводимости и смещения в тканях организма приводит к образованию тепла при облучении. Количество тепла выделяемое в единицу времени веществом со среднем удельным сопротивлением (Ом/см) при воздействии на него раздельно электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих на частоте f (Гц) определяются следующими зависимостями

Q_e = 8,4×10×f×E (Дж/мин);

Q_п = 8,4×10×f×H (Дж/мин).

Доля потерь в общей величине поглощенной теплом энергии возрастает с частотой.

Наличие отражения на границе "воздух-ткань" приводит к уменьшению теплового эффекта на всех частотах приблизительно одинаково.

Коэффициент отражения Ко от границ между тканями при различных частотах представлен в таблица3.

Таблица 3

С учетом Ко плотность мощности, поглощаемая телом, будет равна

П_погл = П×( 1- Ко ),

где П - плотность потока мощности.

Глубина проникновения энергии СВЧ вглубь тканей зависит от резисторных и диэлектрических свойств ткани и от частоты.

Глубина проникновения энергии СВЧ в различные ткани при изменении поля в е раз в долях длины волн представлена в таблица 4.

Таблица 4

Соизмеримость размеров тела с длинной волны приводит к появлению существенной частотной зависимости взаимодействия поля с телом. Эффект облучения тела человека сильно зависит от поляризации и ракурса освещения его радиоволн CВЧ.

Существование между различными слоями тела слоев с малой диэлектрической проницаемостью приводит к возникновению резонансов - стоячих волн большой амплитуды, которые приводят к так называемым микро-нагревам.

Перераспределение тепловой энергии между соседними тканями через кровь наряду с конвенционной отдачей энергии теплоиспусканием в окружающее пространство во многом определяет температуру нагреваемых участков тела. Именно из-за ухудшенной системы отвода тепла от некоторых сред ( глаза и ткани семенников - в них очень мало кровеносных сосудов). Эти органы тела наиболее уязвимы для облучения. Критическим для глаз считается повышение температуры на 10⁰ С. Высокая чувствительность семенников к облучению связана с известным фактом, что при нагревании их всего на 1⁰ С. Возникает частичная или полная временная стерилизация.

Кроме теплового действия радиоволн СВЧ на живой организм, оказывает влияние и специфическое их действие.

Наиболее общим эффектом действия радиоволн на организм человека (электромагнитных излучений малых уровней) является дезадонтация - нарушение функций механизма, регулирующих приспособительные реакции организма к изменениям условий внешней среды ( к теплу, холоду, шуму, психологических травм т. п. ) т. е. СВЧ поле является типичным стрессом.

К специфическим эффектам воздействия поля также относятся:

- кумуляция - приводит к тому, что при воздействии прерывистого облучения суммарных эффект накапливается и зависит от величины эффекта с самого начала воздействия;

- сенсибилизация - заключается в повышении чувствительности организма после слабого радиооблучения к последующим воздействиям;

- стимуляция - улучшение под влиянием поля общего состояния организма или чувствительности его органов.

В России проводятся широкие исследования, направленные на выяснения профессиональной вредности СВЧ радиоволн. Исследования позволили выявить у лиц, подвергающихся хроническому СВЧ воздействию, определенные изменения со стороны нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринных желез, крови и лимфы, хотя в подавляющем большинстве случаев эти изменения носят обратимый характер. При хроническом действии СВЧ поля были обнаружены также случаи помутнения хрусталика и снижения обонятельной чувствительности человека.

При плотности мощности СВЧ поглощаемой телом ( П ) больше 5-10 мВт/cм, и хроническом действии полей меньшей интенсивности, наблюдается, как правило, отрицательное влияние облучения, появляется повышенная утомляемость, слабость, вялость, разбитость, раздражительность, головокружение. Иногда наблюдается приливы к голове, чувство жара, половая слабость, приступы тошноты, потемнения в глазах. Изучаются генетические последствия воздействия радиоволн.

Электромагнитное поле вокруг любого источника излучения волн условно разделяют на три зоны:

- ближнюю – зону индукции;

- промежуточную – зону интерференции;

- дальнюю – волновую зону или зону излучения.

Если геометрические размеры источника излучения меньше длины волны излучения (точечный источник), границы зон ближней (индукции), промежуточной (интерференции) и дальней (излучения) соответственно определяются из следующих неравенств

; (49)

; (50)

. (51)

Электромагнитные поля по мере удаления от источника быстро затухают. Напряженность электрической составляющей поля в зоне индукции (ближней зоне) обратно пропорционально расстоянию в третьей степени, а напряженность магнитной составляющей – расстоянию во второй степени. В дальней зоне (зона излучения) напряженность электромагнитного поля обратно пропорционально расстоянию в первой степени.

При остронаправленных источниках излучения (антеннах) с размерами, значительно большими длины волны, граница дальней зоны может быть рассчитана по формуле

, (52)

где S_A – наибольший геометрический размер раскрыва излучающей антенны, равный 2,6 м.

.

В волновой зоне (дальней зоне), в которой практически находятся работающие с СВЧ аппаратурой, интенсивность поля оценивается величиной плотности потока энергии (ППЭ), т. е. количеством энергии, падающей на единицу поверхности. В этом случае ППЭ выражается в ваттах на один квадратный метр или в милливаттах и микроваттах на один квадратный сантиметр.

Согласно максимальное значение ППЭ_ПД не должно превышать значения 1000 мкВт/см².

Предельно допустимые значения ППЭ электромагнитного поля в диапазоне частот 300 МГц…300 ГГц следует определять исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия по формуле

, (53)

где ППЭ_ПД – предельно допустимое значение ППЭ,

- предельно допустимая величина электрической нагрузки, равная 200 мкВт·ч/см²,

К – коэффициент ослабления биологической эффективности, равный 10 для случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн,

Т – время пребывания в зоне облучения за рабочую смену, равное 8 ч.

.

С учетом вышеприведенных расчетов можно сделать вывод о том, что удаление обслуживающего персонала РЛС (в частности дежурного оператора) на расстояние более 500 м от антенны является необходимым и достаточным условием для защиты от вредного воздействия СВЧ излучения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: