Мини-лекции. Резонансные частотомеры

   Резонансный метод может не такой распространённый, но всё же имеет право на существование. Как Вы могли догадаться ключевое слово здесь РЕЗОНАНС. Нет не тот, когда все от удивления рты раскрывают после убийства кого-нибудь, а совсем другое. Другое и чисто физическое. Одним словом использование электрического резонанса. Это когда внешнее воздействие на колебательную систему вызывает у последней максимальный отклик. Так в паралелльном контуре сопротивление резко возрастает на определённой частоте называемой частотой резонанса. В последовательном наоборот, сопротивление снижается до минимума. В радиотехнике эти свойства используют как фильтрующие. Так в шестидесятые годы параллельный контур называли фильтр-пробка, а последовательный-дырка. Сейчас, что-то я не слышу такого?! На этом свойстве контуров и построено измерение неизвестной частоты.

   Кто из читателей знаком с устройством детекторного радиоприёмника, увидит в нашем частотомере (ВОЛНОМЕРЕ) сходство. Да тот же контур, детектор... Вот только вместо наушников (головных телефонов) стрелочный микроамперметр. И ещё контур (катушка индуктивности и конденсатор) выполняется особо тщательно! Во-первых, чтобы меньше влияли всякие факторы на стабильность параметров. Во-вторых, для высокой избирательности (высокой добротности контура — Qк) и высокоточной механической части (конденсатор переменной ёмкости). При самом тщательном изготовлении всё может испортить подключенный (как в детекторном) индикаторный прибор. Вот для того, чтобы уменьшить влияние на параметры контура индикатор подключают через делитель (и применяют усилитель). В основном ёмкостный как на рис1 и рис2. Раз уж мы так вот сразу въехали в тему, то вот на рис1 принципиальная схема частотомера (волномера) «Ч2-1». Лампа играет роль всего лишь диода (детектора) выпрямляющего измеряемую частоту. На рис2 другой вариант с полупроводниковым диодом.

   Для расширение диапазона измеряемых частот применяют сменные катушки индуктивности. Lо и Cо составляют в обеих схемах колебательный контур. С1 и С2 — делитель напряжения и ослабитель влияния индикатора на колебательную систему. Вот почему С2 >> С1! По зелёной формуле видно, что сопротивление ёмкости С зависит от частоты и самой ёмкости, точнее от её величины?! Вот и получается, что сопротивление С1 значительно больше, чем у С2. А это значит, что при общем большом сопротивлении цепочки С1, С2, сопротивление ёмкости С2, Xc мало. Стало быть только малая доля напряжения с контура попадёт на индикатор. Зато большое общее не так сильно влияет на добротность и избирательность контура! А от этого зависит и большая точность измерения.

   Вот по такой рис2, простенькой схеме и собран волномер на рис6 «ВР-57». И хотя Вы видите тумблер «ВКЛ-ВЫКЛ», питания у прибора нет. Тумблер только отключает микроамперметр, чтобы при случайно включенном мощном источнике ВЧ-колебаний, микроамперметр не вышел на орбиту?! Волномеры рис1 и рис2 используются до частот 200 мГц. Свыше используют в качестве колебательной системы контура с распределёнными постоянными (L,C). А у нас какие только, что были? Контура с сосредоточенными! То есть в руке L и С и всё вот они в одном месте! А распределённые это как? Только не говорите о том, что Вы никогда не слышали о так называемом телевизионном кабеле?! По науке коаксиальном. Попросту КОАКСИЛЕ. От латинского СО «совместно» + axis «ось», — соосный. По-простому, труба «жалезная». Прямо вдоль неё лом! Только кабель, труба медная и гибкая, а вместо лома центральный, медный проводник. А, чтобы он всё время был центральным между ним и трубой изолятор. В кабеле сплошной, а в жёстких трубах, волноводах лишь поддерживающие, через определённые промежутки. Но это так, для Вашего кругозора!

   Так, как это понимать — распределённые? На рис4а в верху так называемая длинная линия из двух проводов. По ней слева (от источника), направо (к нагрузке Z) распространяется волна ВЧ-колебания. Причём длина волны менее длины линии! Отсюда и линия длинная. Да она также обладает как и контур своими L,C и R. R — сопротивления потерь в линии и утечки изоляции. Хотя по правилам говорят о проводимости потерь g = 1/R. вот только влияние всех составляющих в контуре (в общем виде) в каждый момент времени различно! Но на практике в простом контуре (LC) это не учитывается! Зато в длинных линиях этот фокус не пройдёт?! И не прошёл! И только когда все эти проволоки представили состоящими из вот таких элементарных кусочков рис4, внизу, всё стало на свои места! И при расчётах стали применять не формулы для одиночных контуров, а «ТЕЛЕГРАФНЫЕ» дифференциальные уравнения! И сообразил их не кто иной как Лорд Кельвин (Уильям Томсон). А почему именно телеграфные? Если очень интересно это здесь: http://www.proza.ru/2017/10/08/347 «Сражение в Атлантике».

   Вот на рис4 и рис5 два волномера с использованием этих распределённых... На рис4 ПРОХОДНОЙ тип, а на рис5 реактивный или ПОГЛОЩАЮЩИЙ. В верхней части рисунков сам волномер, а внизу волновод (труба). По волноводу стало быть распространяется (стрелочки показывают куда?) волна СВЧ. В проходном волномере с помощью штыревой антенн и петли связи энергия из волновода попадает в замкнутый отрезок коаксиальной линии. С помощью рукоятки (слева) внутренний проводник может вдвигаться (выдвигаться) внутрь коаксиала. Тем самым настраивать систему (как контур) на различные резонансные частоты. Через отверстие в верхней части коаксиала и с помощью петли связи энергия после выпрямления детектором Д поступает на индикатор (микроамперметр). Энергия с волновода ПРОЙДЯ через коаксиал попадает в индикатор, поэтому способ и называется ПРОХОДНОЙ.

   По несколько иному устроен ПОГЛОЩАЮЩИЙ волномер рис5. Здесь энергия непосредственно поступает на микроамперметр (через детектор естественно), но по пути часть её ответвляется в объёмный резонатор. Резонатор является для системы связанным колебательным контуром, по аналогии с обычным последовательным контуром-дыркой. В чём разница этих двух систем-волномеров? На рис5а график показания индикатора (ток Iк) в зависимости от положения внутреннего проводника коаксиала. Так-как непосредственно прибор не показывает частоту резонанса, а только условные деления [n], то и график строится вот таким образом! Зависимость Iк от n! А частота определяется по прилагаемым таблицам n-Fрезонанса. Условно можно считать график Iк от Fрез. На, что он похож? Правильно на характеристику паралелльного контура (как в детекторном приёмнике). Максимум графика и есть та самая искомая частота (резонансная для коаксиала).

   А, как с поглощающим способом на рис5? Там резонатор ведёт себя как последовательный контур-дырка. То есть на резонансной частоте сопротивление становится минимальным, ток через контур максимальным. А поглощение энергии от линии связи индикатора и волновода наибольшей! График на рис5b это и показывает! Индикатор показывает провал на резонансной частоте! Кстати на таком явлении построен прибор «ГИР-1» (2) — Гетеродинный Индикатор Резонанса. Но о нём, отдельная мини-лекция.

   На рис7 показан волномер «ВСТ-10П». Более позднего года изготовления внешне такой же «Ч2-9А». Единственно, что я выцарапал, так это рабочие частоты аппарата: от 1,765 до 3,750 мГц. Это СВЧ! Стало быть внутри либо коаксиал либо объёмный резонатор. А ручка настройки сбоку справа. Только похоже она прикрывается крышечкой на цепочке?! Информации я не нашёл?! Нюх, что ли потерял??? :-))) На передней панели в правом верхнем углу большая линза, а за ней шкала с делениями [n]. К сожалению информация скудная?!

   Напоследок о проблеме всех резонансных волномеров! О чём это я? Посмотрите на рис3a,b,c. На ри3а вершина характеристики контура с плохой добротностью (вершина довольно плоская). На рис3с, наоборот, добротность высокая и вершина острая. Но тем не менее точно установить момент резонансного максимума не получается?.. Для это применяют (когда шибко хочется?) вилочный способ. Настройку производят по двум точкам n1 и n2. И по одинаковым показаниям индикатора, по зелёной формуле, находят искомую nx! А по таблицам и частоту Fx.