МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ САХА (Я)
СРЕДНЕКОЛЫМСКАЯ УЛУСНАЯ ИМНАЗИЯ
ИМЕНИ ГЕРОЯ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОГО ТРУДА И. В.ВОЛКОВА
КОЛЫМСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСИЙ ЦЕНТР ШКОЛЬНИКОВ
ЭЛЕКТРОННЫЙ УКВ-ВОЛНОМЕР
С ИНДИКАТОРОМ СВЧ ПОЛЯ
Руководитель –
Среднеколымск 2013
, ученик 9 класса Среднеколымской улусной гимназии
ЭЛЕКТРОННЫЙ УКВ-ВОЛНОМЕР
С ИНДИКАТОРОМ СВЧ ПОЛЯ
Руководитель –
Работа выполнена
в Колымском научно-исследовательском
центре школьников Среднеколымской улусной гимназии
(сектор радиоэлектроники)
ВВЕДЕНИЕ
Общеизвестно то, что современный XXI век характеризуется широчайшим использованием электромагнитного излучения в различных целях. В связи с этим, актуален вопрос об индикации электромагнитного излучения с целью экологического монитоинга и проверки излучающих средств на их работоспособность.
В данной работе осуществлена попытка построения простого портативного УКВ-волномера с индикатором СВЧ поля, работающего от батареи с напряжением 4,5 – 9 Вольт. Кроме того, в нашем «техзадании» мы поставили следующие условия.
1. Устройство может выявить современные СВЧ «жучки» (радиозакладки).
2. Поможет в настройке систем охраны (радиолучевые датчики).
3. Может проверить медицинское оборудование на излучение, работающее в СВЧ и УКВ диапазонах.
4. Поможет обнаружить утечки в волноводах СВЧ аппаратуры, в том и числе бытовой.
Эти условия необходимы, например, для того, чтобы проверить, исправна ли микроволновая печь, или обнаружить СВЧ поле вокруг нее. Проверить автономно работающие трубки домашнего телефона. Ну и другие, стандартные, и возможно необходимые области применения.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
На основании вышеизложенного, нами были поставлены следующие цель и задачи.
ЦЕЛЬ:
Сконструировать и построить портативный прибор для измерения напряженности УКВ электромагнитного поля на частоте близкой к 100 МГц (середина вещательного УКВ диапазона) и индикации СВЧ полей в диапазоне от 0,5 до 5 ГГц.
ЗАДАЧИ:
1. Произвести расчет конструкции колебательного контура УКВ волномера.
2. Выбрать оптимальную схему УКВ детектора..
3. Произвести подборку СВЧ диода для детектирования микроволн в диапазоне от 0,5 до 5 ГГц.
4. Сконструировать простой усилитель НЧ для СВЧ детектора
5. Подобрать единый измерительный прибор (милливольтметр) для измерения в УКВ и СВЧ диапазонах.
I. ЭЛЕКТРОННЫЙ ВОЛНОМЕР
1.1 Расчет конструкции УКВ колебательного контура
Для обеспечения емкостной составляющей колебательного контура в нашем распоряжении имелись керамические подстроечные конденсаторы емкостью 4 – 7 пФ. Вычислив среднюю подстраиваемую емкость конденсатора по формуле:
(1)
определили индуктивность контура при резонансной частоте f0 = 100 МГц по формуле [1]:
(2)
В качестве индуктивного элемента применили рамочную антенну – виток трубчатого проводника с внешним диаметром 5 мм.
Диаметр витка определили на основании формулы для индуктивности соленоида [1,2]:
, (3)
где: D – диаметр катушки (см), n -= число витков, l – длина намотки. Из формулы (3) получили квадратное уравнение для диаметра в виде
. (4)
Принимая во внимание, то, что для нашего случая число витков n = 1, длина намотки равна толщине проводника - 0,5 см, а рассчитанная индуктивность контура равна 0,46 мкГн, уравнение (4) перепишется в виде
(5)из
Из последнего уравнения находим корни
.
Выбирая положительный корень, получаем для диаметра витка D = 21,7 см.
Полученные расчетные данные для конструкционных габаритов контурной катушки хорошо согласуются с данными, приведенными для аналогичной конструкции в работе [5].
1.2. Выбор схемы УКВ детектора
Так как вещание современных радиостанций в УКВ диапазоне происходит с использованием частотной модуляции, то мы остановились на выборе детектора по классической мостовой двухполупериодной схеме [1]. Данный выбор предусматривает прохождение всех модулированных сигналов при условии достаточной полосы пропускания диодов, из которых будет построен детектор. В качестве диодов мы использовали кремниевые приборы Д101 с максимальной рабочей частотой 200 МГц.
1.3. Подборка СВЧ диода и расчет режима его работы
В нашем распоряжении имелись СВЧ диоды типа Д603. На основании [6], этот прибор имеет следующие характеристики. Чувствительность по току при Pпд, и=4 мкВт, л=10 см, Iпр=50 мкА, rпос=15 Ом и температуре от -60,15 до 99,85°С, не менее 4 А/Вт. Дифференциальное сопротивление Rд при Iпр=50 мкА от 300 до 900 Ом. Коэффициент качества, не менее 45 Вт-1/2. Шумовое отношение при Iпр=50 мкА, не более 10. Коэффициент стоячей волны по напряжению при Pпд, и=4 мкВт, л=10 см, Iпр=50 мкА, rпос=15 Ом, не более 2 при 24,85°С и не более 2,2 при -60,15 и 99,85°С.
Как видно из данных характеристик диода и на основании [7], диод может работать в диапазоне детектирования от 0,5 до 5 ГГц, то есть в при длинах волн от 6 до 60 см.
В источнике из Интернета [6] также представлены графически характеристики данного диода, которые изображены на рис.1.
а) б) в)
Рис 1. Зависимость чувствительности по току от постоянного прямого тока – а); зависимость коэффициента качества от постоянного прямого тока – б); зависимость коэффициента качества от температуры – в).
Для расчета балластного сопротивления диоду при питании напряжением 4,5 В для создания прямого тока, при котором чувствительность диода будет максимальна мы воспользовались Законом Ома, выбрав в соответствии с рис.1, рабочий ток 120 мкА:
Здесь в качестве сопротивления диода выбрано среднее дифференциальное сопротивление на основе приведенных характеристик [6]. В качестве балластного резистора нами окончательно выбран резистор с наиболее близким стандартным значением 43 кОм. При этом мы согласились с ухудшением коэффициента качества диода (рис.1, б), так как «белый» шум нас не интересует на выходе детектора.
1.4. Принципиальная схема прибора
Принципиальная схема прибора изображена на рис. 2. Первый блок прибора УКВ волномер состоит из колебательного контура, представленного витком L1 и конденсатором С1, и детектора на диодах VD1 – VD4. Конденсатор С2 - блокирующий, фильтрует ВЧ составляющую, проникающую за детектор. Настроен колебательный контур на середину высокочастотной части УКВ вещательного диапазона, то есть на 100 МГц. Для измерения выход детектора подключается к милливольтметру.
Второй блок – СВЧ волномер состоит собственно из СВЧ диода типа Д603, нагруженного на милливольтметр и блокирующего конденсатора С3.
Третий блок – индикатор СВЧ излучения состоит из детектора, выполненного на СВЧ диоде V1, блокирующего конденсатора С4 и усилителя низкой частоты на кремниевом транзисторе V2, на коллекторный выход которого нагружен электромагнитный телефон. При детектировании СВЧ сигнала в телефоне слышен характерный звук.
Рис. 2 Принципиальная схема прибора
В качестве милливольтметра к прибору нами используется вольтметр от мультиметра с входным сопротивлением более 1 МОм.
1.5. Экспериментальные исследования с прибором
Проведенное нами исследование свидетельствует о том, что в качестве выходного индикатора к прибору можно применить высокочастотный осциллограф С-65. При этом на экране осциллографа при измерении в УКВ и СВЧ диапазонах четко видны модулированные по амплитуде и частоте сигналы.
Применение данного прибора позволило оценить электромагнитную обстановку в г. Среднеколымске. Проведенные измерения свидетельствуют о том, что показания прибора соответствовали напряженности поля, которая создавала напряжение на входе вольтметра в пределах от 10 до 150 мВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Краткий справочник радиолюбителя. Киев: Технiка, 1975.
2. http://admhome. narod. ru/tech/induktivnost/
3. и др. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. Киев: Наукова думка, 1975.
4. http://www. npptez. ru/en/production/micr... 59-41.html.
5. Юный техник
6.http://elektrouzel. ru/reference/diodes/154-diod-tipa-d603.html
7. http://www. eandc. ru/catalog/detail. php? ID=5749
8. http:///izmer/izmer57.php
9. http://www. ligis. ru/tech_42.htm
