10 июля 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть 27
К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов (продолжение)
Сам процесс наводки тоже не слишком прост. В каждой точке линии (бесконечно малом участке линии dl) вектор поля (для простоты будем рассматривать, например, электрическую компоненту), распространяющаяся волна будет результатом суперпозиции (сложения, векторного, естественно) бесконечного (в общем случае) сигналов, наведённых на другие участки dl и поля, падающего именно на этот участок из пространства. Это иллюстрировано рисунком 24.6
Причём всё вышеизложенное качественно верно, если в рассматриваемой линии установился режим «бегущей волны». То есть линия, как минимум, для рассматриваемого диапазона частот, согласована. То есть, нагружена на своих концах на нагрузки, равные её волновому сопротивлению и не имеет заметных неоднородностей.
Рисунок 24.7 Типовое распределение сигнала в произвольной
вдоль линии («Е» или «Н» компонента)
Вот это-то, последнее, условие на практике, для произвольных линий (электропитания, сигнализации, телефонии и т.д.) не выполняется никогда! Вдоль линии всегда устанавливается смешанный режим с КСВ (коэффициентом стоячей волны от 2 до 10). Обычная «картина» сигнала ВЧ в произвольной линии легко выявляется при помощи обычного токоизмерителя и иллюстрировано рисунком 24.7. Автору даже на специально сконструированной линии, размещённой строго на одном расстоянии над заземлённой поверхностью, физически почти однородной, ни разу не удалось получить КСВ лучше 2,5 - 3. Сильно похоже, что для не специфицированных линий это невозможно вообще. Не верите на слово – проверьте сами, это не так сложно. Сразу предупрежу, что не все мои коллеги согласны с тем, что за такое распределение сигнала в линии, как показанное на рис. 24.7, отвечает именно несогласованность и неоднородности в линии. Но, поскольку я экспериментировал, и со степенью рассогласованности «на концах», и с созданием неоднородностей, другого корректного объяснения предложить не могу. А что в любой линии на любой (естественно, за исключением самых низких, на которых длина волны больше участка линии) частоте выявляется именно такой характер распределения – ручаюсь. Кстати, стоит упомянуть, что «шаг узлов» (они выявляются более чётко, чем «пучности») как раз совпадает с длиною волны, с учётом диэлектрической проницаемости диэлектрика линии. Для большинства практически применяемых диэлектриков (полихлорвинил, полиэтилен, полистирол) значение ε ≈ 2 - 2,5. Как раз «в корень» из этой величины уменьшается длина волны вдоль линии, всё по теории.
По нашим исследованиям волновое сопротивление достаточно произвольной линии в интересующем нас диапазоне частот меняется (от низких частот к высоким) от сотен Ом до первого десятка Ом, то есть весьма значительно (модуль «ρ», естественно). Соответственно согласовать линию даже специально весьма проблематично. А уж реальная линия…
Почему измерять не пробником?
А вот об этом сейчас и поговорим.
Ещё раз взглянем на рисунок 24.5. Если говорить о некой, для простоты двухпроводной линии, нетрудно видеть, что оба её проводника, размещённые весьма близко друг к другу, находятся под, практически одинаковым воздействием падающей волны. Естественно, что в этих условиях на оба проводника наведётся один и тот же, как по амплитуде, так и по фазе, сигнал. То есть эти два проводника, практически, эквипотенциальны. Соответственно, некий двухполюсный пробник, подключённый к этим двум проводникам, ничего, кроме тождественного «нуля» показать не способен.
Далее будем рассматривать эту линию по отношению к некой «земле», тем не менее тоже (неизбежно!!!) находящейся под воздействием той же пространственной волны. Картина качественно меняется. Амплитуда и, главное – фазы, воздействующей волны становиться разными. Насколько? «А кто ж там разберёт?». Непредсказуемо, в общем и целом. Соответственно столь же непредсказуемыми становятся и результаты такого «измерения». Зато токоизмеритель, принципиально «не обращая внимания» ни на что, через его отверстие проходящее, точно нам выдаёт напряжение, пропорциональное протекающему через него току. Что, собственно, и требуется.
Рисунок 24.7 Измерения в произвольной линии
Разумеется, «смешанный режим» в линии никуда не денется. И токоизмеритель будет бесстрастно фиксировать максимумы и минимумы сигнала вдоль линии. Но их общая тенденция, степень затухания вдоль линии (красный или зелёный пунктиры на рисунке 24.6) измеряются без проблем. Пробником же измеряется полная ахинея, особенно если учесть тут же наводку на корпус средства измерения, находящегося поблизости. Наводку на экран кабеля от пробника до средства измерения и т.д. Я уже не говорю о том, что подключение пробника просто невозможно в любой требуемой точке. Никто не позволить сдирать изоляцию с кабеля по прихоти «сишника». А замер о одной – двух точках вообще ни о чём не говорит.
Ну вот, «лирико-электродинамическое» отступление было, по необходимости, довольно длинное и пора вернуться к измерениям САЗ.
Собственно, осталось немногое. Сразу надо оговориться, что если «опасные сигналы» частенько (хотя, как мы видели ранее – не всегда) сосредоточены на вполне определённых частотах, то сигналы САЗ принципиально широкополосны, даже сверхширокополосны. Когда имеем дело с такими сигналами, то описанная выше картина «стоячих волн» немедленно исчезает. Несложно себе представить, что бесконечная сумма разных частот даст и бесконечную сумму стоячих волн, максимумы и минимумы которых придутся на разные участки линии. В результате – благостная картина «псевдобегущей волны». Тем не менее измерять чисто практически проще токоизмерителем и уж точно безопаснее, особенно на линиях электропитания. Остаётся последний вопрос. Токоизмеритель измеряет ток вблизи линии (как и следует из названия). А по ряду причин нам бы нужно было иногда знать и напряжение…
Если результатом должно быть отношение сигнал/помеха, то «по току» или «по напряжению» совершенно безразлично, численно эти два отношения будут равны. Но если нам понадобилось именно напряжение (строго говоря, модуль «Е» вектора волны вблизи линии), то без знания волнового сопротивления линии не обойтись. По сути всё тривиально, по закону Ома, Е=I*R. Откуда же взять это самое R?
Можно измерить, значение частотнозависимо, посему на многих частотах и аппаратура для таких измерений не самая простая, как и процедура измерений на ВЧ частотах. Есть рекомендация проще. Поскольку мы всё равно уже, как только заговорили о применении токоизмерителя, вышли из «зоны» действия НМД (где тупо указано измерять пробником!), то надо идти до логического конца J
Проблема измерений ВЧ в произвольных линиях стара как и сама радиотехника. И выдумывать ничего особенного не надо… В проблематике вопросов электромагнитной совместимости, весьма близкой «по идеологии», давным-давно столкнулись с тем же самым. В частности – при применении для близких измерений «эквивалентов сети», включаемых «в разрыв» исследуемой линии. Чтобы эти эквиваленты не вносили слишком заметную неоднородность их сопротивление должно, в какой-то мере, повторять волновое сопротивление линии. Вот и заглянем, например, в ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний», в раздел 4.3 «Требования к эквивалентам сети» (http://www.complexdoc.ru/pdf/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2%20%D0%A0%2051319-99/gost_r_51319-99.pdf). Там приведены и аналитически и графически модули полного сопротивления эквивалентов сети для различных частот. А в самом грубом приближении на частотах самых низких, до 100-150 кГц можно принимать сопротивление произвольной линии равным 150 ом, до 30 МГц – 75 ом, выше – порядка 50 ом (в наших экспериментах спадало до 20-30 Ом). К слову – наша лаборатория СИ именно так и поступает. Пока «рекламаций» на то, что мы выходим за пределы действующей методики, не поступало.
И последнее о САЗ по отношению к линиям. Все расчёты, естественно, выполняются так же, как и для «эфира», если по условиям объекта ОС и сигнал САЗ поступают в разные участки линии, то необходимо измерение реального затухания раздельно, для этих сигналов. «Фокусы» тут бывают разные и вполне могут проявиться эффекты, похожие на те, что иллюстрированы рисунком 24.3. «Механизм» погонного затухания в транспортирующей системе (вблизи линии) более сложен, чем в пространстве. А в конкретной, проложенной на объекте, порою с многочисленными переходами из кабеля в кабель, ответвлениями и т.д. (неравномерности!!!) затухание вообще непредсказуемо. Но в общем и целом об измерениях реального затухания надо говорить отдельно.
Надеюсь, что изложенное поможет коллегам с бoльшей ясностью и ответственностью подходить к оценкам эффективности САЗ.
Продолжение следует.
