Линия Лехера
Линия Лехера начала 1902 года, идентичная оригинальному аппарату Эрнста Лехера 1888 года. Волны, генерируемые искровым разрядником Герца справа, соединяются с проводами двумя металлическими пластинчатыми конденсаторами (круги) и распространяются по параллельным проводам. Провода закорочены вместе на левом конце, отражая волны обратно вверх по проводам к осциллятору, создавая стоячую волну напряжения вдоль линии. Напряжение падает до нуля в узлах, расположенных на расстоянии, кратном половине длины волны от конца. Узлы были найдены путем перемещения трубки Гейсслера , небольшой разрядной трубки, похожей на неоновую лампу, вверх и вниз по линии (на линии показаны две). Высокое напряжение на линии заставляет трубку светиться. Когда трубка достигает узла, напряжение падает до нуля, и трубка гаснет. Измеренное расстояние между двумя последовательными узлами равно половине длины волны λ/2 радиоволн. Линия показана усеченной на рисунке; длина линии была фактически 6 метров (18 футов). Волны, создаваемые генератором, находились в диапазоне VHF с длиной волны в несколько метров. На врезке показаны типы трубок Гейсслера, используемых с линиями Лехера.
Учебный комплект Lecher-line, продаваемый Central Scientific Company в 1930-х годах для преподавания теории радио в колледже. Он содержит все необходимое, включая абсорбционный волномер для самостоятельного измерения частоты.

В электронике линия Лехера или провода Лехера — это пара параллельных проводов или стержней, которые использовались для измерения длины волны радиоволн , в основном на частотах VHF , UHF и микроволновых частотах . [1] [2] Они образуют короткую длину сбалансированной линии передачи ( резонансный шлейф ). При подключении к источнику радиочастотной мощности, такому как радиопередатчик, радиоволны образуют стоячие волны по своей длине. Сдвинув проводящую планку, которая соединяет два провода по их длине, можно физически измерить длину волн. Австрийский физик Эрнст Лехер , усовершенствовав методы, используемые Оливером Лоджем [3] и Генрихом Герцем [4] , разработал этот метод измерения длины волны около 1888 года. [5] [6] [7] Линии Лехера использовались в качестве устройств для измерения частоты до тех пор, пока недорогие счетчики частоты не стали доступны после Второй мировой войны. Они также использовались в качестве компонентов , часто называемых « резонансными шлейфами », в радиооборудовании VHF, UHF и микроволновом диапазоне , таком как передатчики , радары и телевизоры , выступая в качестве контуров , фильтров и устройств согласования импеданса. [8] Они используются на частотах между HF / VHF , где используются сосредоточенные компоненты, и UHF / SHF , где резонансные полости более практичны.

Измерение длины волны

Линия Лехера представляет собой пару параллельных неизолированных проводов или стержней, удерживаемых на точном расстоянии друг от друга. [9] [1] [10] Разделение не критично, но должно составлять малую часть длины волны; оно варьируется от менее сантиметра до более 10 см. Длина проводов зависит от используемой длины волны ; линии, используемые для измерения, обычно имеют длину в несколько длин волн. Равномерное расположение проводов делает их линией передачи , проводящей волны с постоянной скоростью, очень близкой к скорости света . [10] Один конец стержней подключен к источнику радиочастотной мощности, такому как выход радиопередатчика . На другом конце стержни соединены вместе с проводящей шиной между ними. Это короткозамкнутое окончание отражает волны. Волны, отраженные от короткозамкнутого конца, интерферируют с исходящими волнами, создавая синусоидальную стоячую волну напряжения и тока на линии. Напряжение приближается к нулю в узлах, расположенных на расстоянии, кратном половине длины волны от конца, с максимумами, называемыми пучностями, расположенными посередине между узлами. [11] Таким образом, длину волны λ можно определить, найдя местоположение двух последовательных узлов (или пучностей) и измерив расстояние между ними, и умножив на два. Частоту f волн можно рассчитать из длины волны и скорости волн, которая приблизительно равна скорости света c :

ф = с λ {\displaystyle f={\frac {c}{\lambda }}\,}

Узлы гораздо острее пучностей, поскольку изменение напряжения с расстоянием вдоль линии максимально в узлах, поэтому они и используются. [10] [9]

Нахождение узлов

Для поиска узлов используются два метода. [11] Один из них заключается в использовании некоторого типа индикатора напряжения, например, радиочастотного вольтметра или лампочки , прикрепленной к паре контактов, которые скользят вверх и вниз по проводам. [12] [11] Когда лампочка достигает узла, напряжение между проводами падает до нуля, поэтому лампочка гаснет. Если индикатор имеет слишком низкое сопротивление, он нарушит стоячую волну на линии, поэтому необходимо использовать индикатор с высоким сопротивлением ; обычная лампа накаливания имеет слишком низкое сопротивление. Лехер и ранние исследователи использовали длинные тонкие трубки Гейсслера , прокладывая стеклянную трубку непосредственно поперек линии. Высокое напряжение ранних передатчиков возбуждало тлеющий разряд в газе. В наше время часто используются небольшие неоновые лампочки. Одной из проблем с использованием ламп тлеющего разряда является их высокое напряжение зажигания, что затрудняет локализацию точного минимума напряжения. В прецизионных волномерах используется радиочастотный вольтметр .

Другой метод, используемый для поиска узлов, заключается в перемещении закорачивающей перемычки вверх и вниз по линии и измерении тока, протекающего в линию, с помощью радиочастотного амперметра в фидерной линии. [9] [11] Ток на линии Лехера, как и напряжение, образует стоячую волну с узлами (точками минимального тока) через каждые полдлины волны. Таким образом, линия представляет собой импеданс для приложенной мощности, который изменяется в зависимости от ее длины; когда узел тока находится на входе в линию, ток, потребляемый от источника, измеряемый амперметром, будет минимальным. Закорачивающая перемычка перемещается вниз по линии и отмечается положение двух последовательных минимумов тока, расстояние между которыми составляет половину длины волны.

При осторожном использовании линии Лехера могут измерять частоту с точностью до 0,1%. [9] [1] [10]

Строительство

Волномер линии Лехера, из статьи «Сделай сам» в журнале «Радио» 1946 года

Главной привлекательностью линий Лехера было то, что они были способом измерения частоты без сложной электроники и могли быть импровизированы из простых материалов, которые можно найти в обычном магазине. Линейные волномеры Лехера обычно строятся на раме, которая удерживает проводники жесткими и горизонтальными, с дорожкой, по которой ездит закорачивающий стержень или индикатор, и встроенной измерительной шкалой, чтобы можно было считывать расстояние между узлами. [9] Рама должна быть изготовлена ​​из непроводящего материала, такого как дерево, потому что любые проводящие предметы вблизи линии могут нарушить картину стоячей волны. [9] Ток RF обычно соединяется с линией через одновитковую петлю провода на одном конце, который можно удерживать около катушки резервуара передатчика .

Более простая конструкция представляет собой U-образный металлический стержень, отмеченный градуировкой, со скользящей закорачивающей перемычкой. [1] В процессе работы U-образный конец действует как связующее звено и удерживается около катушки резервуара передатчика, а закорачивающая перемычка выдвигается вдоль плеч до тех пор, пока ток пластины передатчика не упадет, указывая на достижение первого узла. Тогда расстояние от конца звена до закорачивающей перемычки составляет половину длины волны. Закорачивающая перемычка всегда должна выдвигаться , от конца звена, а не входить , чтобы избежать ошибочного схождения на узле более высокого порядка.

Во многих отношениях линии Лехера представляют собой электрическую версию эксперимента с трубкой Кундта , который используется для измерения длины звуковых волн .

Измерение скорости света

Если частота радиоволн f известна независимо, то длину волны λ, измеренную на линии Лехера, можно использовать для расчета скорости волн c , которая приблизительно равна скорости света :

с = λ ф {\displaystyle c=\лямбда f\,}

В 1891 году французский физик Проспер-Рене Блондло провел первое [13] измерение скорости радиоволн, используя этот метод. [14] [15] Он использовал 13 различных частот от 10 до 30 МГц и получил среднее значение 297 600 км/с, что находится в пределах 1% от текущего значения скорости света. [13] Другие исследователи повторили эксперимент с большей точностью. Это было важным подтверждением теории Джеймса Клерка Максвелла о том, что свет является электромагнитной волной, подобной радиоволнам.

Другие приложения

Экспериментальный генератор Баркгаузена-Курца на 300 МГц в 1933 году с контурами Лехера. Экспериментатор использует U-образный волномер Лехера для измерения частоты
Линия Лехера как контур резонанса в усилителе ВЧ . На этой упрощенной схеме не показаны дроссели, питающие аноды трубки от источника ВТ. Без них два анода закорочены.

Короткие отрезки линии Лехера часто используются в качестве резонансных цепей с высокой добротностью , называемых резонансными шлейфами . Например, закороченная линия Лехера на четверть длины волны (λ/4) действует как параллельный резонансный контур, проявляясь как высокий импеданс на своей резонансной частоте и низкий импеданс на других частотах. Они используются, потому что на частотах UHF значение индуктивностей и конденсаторов, необходимых для настроенных цепей с « сосредоточенными компонентами », становится чрезвычайно низким, что затрудняет их изготовление и делает чувствительными к паразитной емкости и индуктивности. Одно из различий между ними заключается в том, что шлейфы линии передачи, такие как линии Лехера, также резонируют на нечетных числах, кратных их основной резонансной частоте, в то время как сосредоточенные LC-цепи имеют только одну резонансную частоту.

Контур усилителя мощности

Схемы линии Лехера могут использоваться для контуров резонанса усилителей мощности УВЧ . [16] Например, усилитель с двумя тетродами (QQV03-20) 432 МГц, описанный GR Jessop [17], использует анодный контур линии Лехера.

Телевизионные тюнеры

Четвертьволновые линии Лехера используются для настроенных схем в усилителях радиочастот и гетеродинных частях современных телевизоров . Настройка, необходимая для выбора различных станций, выполняется с помощью варакторных диодов через линию Лехера. [18]

Характеристическое сопротивление линии Лехера

Расстояние между стержнями Лехера не влияет на положение стоячих волн на линии, но определяет характеристическое сопротивление , которое может быть важно для согласования линии с источником радиочастотной энергии для эффективной передачи мощности. Для двух параллельных цилиндрических проводников диаметром d и расстоянием D ,

З 0 = 276 бревно ⁡ ( Д г + ( Д г ) 2 − 1 ) = {\displaystyle Z_{0}=276\log \left({\frac {D}{d}}+{\sqrt {\left({\frac {D}{d}}\right)^{2}-1}}\right)=} 120 ϵ г дубинка − 1 ⁡ ( Д г ) {\displaystyle {\frac {120}{\sqrt {\epsilon _{r}}}}\cosh ^{-1}\left({\frac {D}{d}}\right)}

Для параллельных проводов формула для емкости (на единицу длины) C имеет вид

С = π ϵ 0 ϵ г вн ⁡ ( 2 Д г ) {\displaystyle C={\frac {\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}}{\ln {\left({\frac {2D}{d}}\right)}}}\,}

Следовательно, как

З 0 2 = Л С {\displaystyle Z_{0}^{2}={\frac {L}{C}}}
с = 1 Л С ⋅ С 2 = 1 З 0 ⋅ ( π ϵ 0 ϵ г ) ⋅ вн ⁡ ( 2 Д г ) {\displaystyle {\begin{align}c&={\frac {1}{\sqrt {{\frac {L}{C}}\cdot C^{2}}}}\\&={\frac {1}{Z_{0}\cdot \left(\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}\right)\cdot \ln \left({\frac {2D}{d}}\right)}}\end{align}}}

В качестве линии Лехера фиксированной длины (резонансный шлейф) можно использовать имеющиеся в продаже двухпроводные сбалансированные ленточные питатели сопротивлением 300 и 450 Ом .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Эндалл, Роберт (сентябрь 1946 г.). «Измерение частоты на УВЧ» (PDF) . Radio News . 36 (3). Нью-Йорк: Ziff-Davis Publishing: 52, 94–96 . Получено 24 марта 2014 г. .
  2. ^ Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники. Newnes. стр. 419. ISBN 0-7506-9866-7.
  3. ↑ Лодж, Оливер (1907). Современные взгляды на электричество, 3-е изд. Лондон: MacMillan and Co., стр. 235.
  4. ^ Герц, Генрих (1891). «Теория стоячих волн на проводах». Видеманн Аннален . 8 : 407.
  5. ^ Флеминг, Джон Эмброуз (1908). Принципы электроволновой телеграфии. Лондон: Longmans, Green & Co., стр. 264–270.
  6. ^ Э. Лехер (1888) «Eine studie uber electricsche Resonanzerscheinungen» ( Исследование явлений электрического резонанса ), Wiedemann Annalen , Vol. 41, с. 850, цитируется по Флемингу, 1908 г.
  7. ^ Томсон, Джозеф Джон (1911). «Электрические волны»  . В Чисхолм, Хью (ред.). Encyclopaedia Britannica . Т. 09 (11-е изд.). Cambridge University Press. стр.  203–208 , см. стр. 207. § 9. Волны в проводах.—...
  8. ^ Басу, Дипак (2001). Словарь чистой и прикладной физики. CRC Press. стр. 206. ISBN 0-8493-2890-X.
  9. ^ abcdef ARRL (1942). Справочник радиолюбителя, 19-е изд. Хартфорд, CN: Американская лига радиорелейной связи, Inc., стр.  350–351 .
  10. ^ abcd Терман, Фредерик Эммондс (1943). Справочник радиоинженера. McGraw-Hill Book Co. стр.  952–953 .
  11. ^ abcd Barr, DL (июль 1932 г.). "Demonstrating Short Waves" (PDF) . Short Wave Craft . 3 (3). Нью-Йорк: Popular Book Corp.: 153. Получено 23 марта 2014 г.
  12. ^ Франклин, Уильям Саддардс (1909). Электрические волны: продвинутый трактат по теории переменного тока. Нью-Йорк: MacMillan. С. 125–129.
  13. ^ ab "Параллельные провода и стоячие волны Рене Блондло". Скорость света . Общество ученых-любителей Нью-Джерси. 2002. Получено 25.12.2008 ., приписывается К. Д. Фруму и Л. Эссену, «Скорость света и радиоволн», Academic Press, 1969
  14. ^ "Длина электрических волн". The Electrical Engineer . 8. Лондон: The Electrical Engineer, Ltd.: 482 20 ноября 1891 г. Получено 25 декабря 2008 г.
  15. ^ Дитон, Дженнифер; Тина Патрик; Дэвид Эски (2002). "История скорости света" (PDF) . Лаборатория для младших классов . Физический факультет. Университет Оклахомы . Получено 25.12.2008 ., стр.15
  16. ^ Гупта, К. С. (2003). Микроволны. New Age Publishers. С.  36–37 . ISBN 0-85226-346-5.
  17. ^ GR Jessop, Руководство по VHF UHF , RSGB, Potters Bar , 1983, ISBN 0-900612-92-4 
  18. ^ Ибрагим, КФ; Юджин Трандл (2007). Newnes Guide to Television and Video Technology. Newnes. стр.  224–225 . ISBN 978-0-7506-8165-0.
  • « Указатель физических демонстраций; провода Лечера ». Физические демонстрации, Университет Миннесоты. 1997-06-16.
  • " E-82. Электромагнитное излучение; Демонстрационный коротковолновый аппарат ". Электричество/Магнетизм, Лекционные демонстрации. Университет Пердью.
  • М.Б. Алленсон, А.Р. Пирси и К.Н.Р. Тейлор « Улучшенный эксперимент с проволокой Лечера ». 1973 Физ. Образование. 8 47-49. дои : 10.1088/0031-9120/8/1/002.
  • FC Blake и BH Jackson, " Относительная интенсивность гармоник системы Лечера (экспериментальная) ". The Ohio Journal of Science. * PDF )
  • FC Blake, " Относительная интенсивность гармоник системы Лечера (теоретическая) ". Физическая лаборатория, Университет штата Огайо. ( PDF )
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lecher_line&oldid=1195890071"