Лизать линию

Линия Lecher начала 1902 года, идентичная оригинальному аппарату Эрнста Лехера 1888 года. Волны, генерируемые генератором искрового разрядника Герца справа, подаются на провода двумя металлическими пластинчатыми конденсаторами (круги) и распространяются по параллельным проводам. Провода закорочены на левом конце, отражая волны обратно по проводам в сторону генератора, создавая стоячую волну напряжения вдоль линии. Напряжение обращается в ноль в узлах, расположенных на расстоянии, кратном полуволне волны от конца. Узлы были обнаружены путем перемещения трубки Гейсслера , небольшой трубки тлеющего разряда , похожей на неоновую лампу, вверх и вниз по линии (на линии показаны две). Высокое напряжение в 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 . На чертеже линия показана усеченной; на самом деле длина линии составляла 6 метров (18 футов). Волны, создаваемые генератором, находились в УКВ- диапазон, с длиной волны несколько метров. На вставке показаны типы трубок Гейсслера, используемых с лесками Лехера.

Учебный комплект Lecher-line, проданный Центральной научной компанией в 1930-х годах для преподавания теории радио в колледже. В нем есть 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 , главным образом на ОВЧ , УВЧ и частотах СВЧ . Они образуют небольшой отрезок симметричной линии передачи ( резонансный шлейф ). При подключении к источнику радиочастотной энергии, например радиопередатчику, радиоволны образуют стоячие волны по всей своей длине. Сдвинув проводящую перемычку, соединяющую два провода по их длине, можно физически измерить длину волн. Австрийский физик Эрнст Лехер совершенствует методы, используемые Оливером Лоджем. и Генрих Герц , разработал этот метод измерения длины волны около 1888 года. Линии Лехера использовались в качестве устройств для измерения частоты до тех пор, пока после Второй мировой войны не стали доступны недорогие частотомеры . Они также использовались в качестве компонентов , часто называемых « резонансными шлейфами », в ОВЧ, УВЧ и микроволнового диапазона, радиооборудовании таком как передатчики , радиолокационные установки и телевидение. комплекты , служащие в качестве емкостных цепей , фильтров и устройств согласования импеданса. Они используются на частотах между ВЧ / ОВЧ , где с сосредоточенными параметрами используются компоненты , и УВЧ / СВЧ , где резонансные резонаторы более практичны.

Измерение длины волны

Линия Лехера представляет собой пару параллельных неизолированных проводов или стержней, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Расстояние не является критическим, но должно составлять небольшую долю длины волны; он колеблется 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 расстояние между проводами делает их линией передачи , проводящей волны с постоянной скоростью, очень близкой к скорости света . Один конец стержней подключен к источнику радиочастотной энергии, например выходу радиопередатчика . На другом конце стержни соединены между собой проводящей перемычкой. Это окончание короткого замыкания отражает волны. Волны, отраженные от короткозамкнутого конца, мешают исходящим волнам, создавая синусоидальную стоячую волну в линии напряжения и тока. Напряжение приближается к нулю в узлах, расположенных на расстоянии, кратном половине длины волны от конца, с максимумами, называемыми пучностями, расположенными посередине между узлами. Следовательно, длину волны λ можно определить, найдя расположение двух последовательных узлов (или пучностей), измерив расстояние между ними и умножив на два. Частоту можно рассчитать исходя из длины волны и скорости волн, которая f волн примерно равна скорости света c :

$f={\frac {c}{\lambda }}\,$

Узлы гораздо острее пучностей, поскольку изменение напряжения с расстоянием вдоль линии максимально в узлах, поэтому их используют.

Нахождение узлов

Для поиска узлов используются два метода. Один из них — использовать какой-либо индикатор напряжения, например, ВЧ- вольтметр или лампочку , прикрепленный к паре контактов, которые скользят вверх и вниз по проводам. Когда лампочка достигает узла, напряжение между проводами падает до нуля, поэтому лампочка гаснет. Если индикатор имеет слишком низкое сопротивление, это будет мешать стоячей волне в линии, поэтому с высоким сопротивлением необходимо использовать индикатор ; обычная лампа накаливания имеет слишком низкое сопротивление. Лечер и первые исследователи использовали длинные тонкие трубки Гейсслера , располагая стеклянную трубку прямо поперек линии. Высокое напряжение первых передатчиков возбуждало тлеющий разряд в газе. В наше время небольшие неоновые часто используются лампочки. Одна из проблем использования ламп тлеющего разряда заключается в том, что из-за высокого напряжения зажигания трудно определить точный минимум напряжения. ВЧ- вольтметр В прецизионных волномерах используется .

Другой метод, используемый для поиска узлов, заключается в перемещении закорачивающей перемычки вверх и вниз по линии и измерении тока, входящего в линию, с помощью радиочастотного амперметра в фидерной линии. Ток на линии Лешера, как и напряжение, образует стоячую волну с узлами (точками минимума тока) на каждой половине длины волны. Таким образом, линия представляет сопротивление приложенной мощности, которое зависит от ее длины; при расположении узла тока на входе в линию ток, потребляемый от источника, измеряемый амперметром, будет минимальным. Перемычку сдвигают вниз по линии и отмечают положение двух последовательных минимумов тока, расстояние между которыми составляет половину длины волны.

При осторожном подходе линии Lecher могут измерять частоту с точностью до 0,1%.

Строительство

Линейный волномер Лешера из статьи "Сделай сам" в радиожурнале 1946 года.

Главной привлекательностью линий Lecher было то, что они представляли собой способ измерения частоты без сложной электроники, и их можно было изготовить из простых материалов, которые можно найти в обычном магазине. Линейные волномеры Lecher обычно строятся на раме, которая удерживает проводники жестко и горизонтально, с направляющей, по которой движется перемычка или индикатор, и встроенной измерительной шкалой, позволяющей считывать расстояние между узлами. Каркас должен быть изготовлен из непроводящего материала, например дерева, поскольку любые проводящие предметы вблизи линии могут нарушить картину стоячей волны. передатчика Радиочастотный ток обычно подается в линию через одновитковую петлю провода на одном конце, который можно удерживать рядом с катушкой резервуара .

Более простая конструкция представляет собой металлическую планку П-образной формы, отмеченную градуировкой, с скользящей перемычкой. В процессе работы конец U действует как соединительное звено и удерживается рядом с катушкой резервуара передатчика, а закорачивающая перемычка скользит вдоль плеч до тех пор, пока ток на пластине передатчика не упадет, что указывает на достижение первого узла. Тогда расстояние от конца звена до закорачивающей перемычки составляет половину длины волны. Перемычку всегда следует выдвигать от конца ссылки, а не внутрь , 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 f радиоволн известна независимо, длину волны λ, измеренную на линии Лешера, можно использовать для расчета скорости волн c , которая примерно равна скорости света :

$c=\lambda f\,$

В 1891 году французский физик Проспер-Рене Блондло сделал первое открытие. измерение скорости радиоволн с помощью этого метода. 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. Другие исследователи повторили эксперимент с большей точностью. Это было важным подтверждением теории Джеймса Клерка Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитную волну , подобную радиоволнам.

Другие приложения

Основная статья: Стаб (электроника)

Экспериментальный генератор Баркгаузена-Курца на 300 МГц , 1933 год, с линейной схемой Лехера. Экспериментатор использует U-образный волномер Лешера для измерения частоты.

Линия Лехера как емкостная цепь в ВЧ усилителе . На этой упрощенной схеме не показаны дроссели, которые питают аноды трубки от источника ВТ. Без них два анода замыкаются друг на друга.

Короткие отрезки линии Лечера часто используются в качестве с высокой добротностью резонансных цепей , называемых резонансными шлейфами . Например, закороченная линия Лешера на четверть длины волны (λ/4) действует как параллельный резонансный контур, проявляя высокий импеданс на своей резонансной частоте и низкий импеданс на других частотах. Они используются потому, что на частотах УВЧ стоимость катушек индуктивности и конденсаторов, необходимых для настроенных схем с « сосредоточенными компонентами », становится чрезвычайно низкой, что делает их трудными в изготовлении и чувствительными к паразитной емкости и индуктивности. Одно из различий между ними заключается в том, что шлейфы линий передачи, такие как линии Лешера, также резонируют с нечетными числами, кратными их основной резонансной частоте, в то время как LC-цепи с сосредоточенными параметрами имеют только одну резонансную частоту.

Схемы бака усилителя мощности

Линейные схемы Лехера могут использоваться для емкостных цепей УВЧ усилителей мощности . Например, усилитель с двойным тетродом (QQV03-20) 432 МГц, описанный Г. Р. Джессопом. использует анодный бак линии Lecher.

Телевизионные тюнеры

Четвертьволновые линии Лешера используются в схемах настройки радиочастотных усилителей и гетеродина современных телевизоров . Настройка, необходимая для выбора различных станций, осуществляется с помощью варакторных диодов на линии Лешера.

Характеристическое сопротивление линии Лешера

Расстояние между стержнями Лешера не влияет на положение стоячих волн в линии, но определяет характеристический импеданс , который может быть важен для согласования линии с источником радиочастотной энергии для эффективной передачи мощности. Для двух параллельных цилиндрических проводников диаметром d и D расстоянием

$Z_{0}=276\log \left({\frac {D}{d}}+{\sqrt {\left({\frac {D}{d}}\right)^{2}-1}}\right)=$ ${\frac {120}{\sqrt {\epsilon _{r}}}}\cosh ^{-1}\left({\frac {D}{d}}\right)$

Для параллельных проводов формула емкости (на единицу длины) C выглядит так:

$C={\frac {\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}}{\ln {\left({\frac {2D}{d}}\right)}}}\,$

Следовательно, как

$Z_{0}^{2}={\frac {L}{C}}$

${\begin{aligned}c&={\frac {1}{\sqrt {{\frac {L}{C}}\cdot C^{2}}}}\\&={\frac {1}{Z_{0}\cdot \left(\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}\right)\cdot \ln \left({\frac {2D}{d}}\right)}}\end{aligned}}$

Коммерчески доступный сбалансированный ленточный фидер на 300 и 450 Ом двойной может использоваться в качестве линии Лехера фиксированной длины (резонансный шлейф).

См. также

• Линия передачи

Внешние ссылки

• « Указатель физических демонстраций; провода Лехера ». Физические демонстрации, Университет Миннесоты. 16 июня 1997 г.
• « Э-82. Электромагнитное излучение; Демонстрационная коротковолновая аппаратура ». Электричество/Магнетизм, Демонстрации лекций. 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 .
• Ф.К. Блейк и Б.Х. Джексон, « Относительная интенсивность гармоник системы Лечера (экспериментальная) ». Научный журнал Огайо. * PDF )
• Ф.К. Блейк, « Относительная интенсивность гармоник системы Лечера (теоретическая) ». Физическая лаборатория Университета штата Огайо. ( PDF )