Метрология и радиоизмерения

 
 

 

 

ФГУП 

 
«Российский федеральный ядерный центр − ВНИИЭФ» 
 
 
 
 
 
А. И. Астайкин, А. П. Помазков, Ю. П. Щербак 
 
 
МЕТРОЛОГИЯ  И  РАДИОИЗМЕРЕНИЯ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Под редакцией доктора технических наук, профессора, 
заслуженного деятеля науки РФ А. И. Астайкина 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2010 

 
 

 

 

ББК  32.842я73 
А–91 
УДК 621.37 
 
 
 
Астайкин А. И., Помазков А. П., Щербак Ю. П. Метрология 
и радиоизмерения. Учебное пособие. Саров: ФГУП «РФЯЦВНИИЭФ», 2010, 405 с. 
 
ISBN  978-5-9515-0137-0 
 
Целью учебного пособия является обучение читателя основам метрологии, методам и средствам радиоизмерений применительно к задачам 
разработки, производства и эксплуатации радиоаппаратуры. Рассмотрены 
общие принципы измерений, причины возникновения погрешностей и 
методы обработки результатов измерений. Описаны методы и устройства 
формирования измерительных сигналов, особенности исследований во 
временной и частотной областях, измерений характеристик случайных 
сигналов. Рассмотрены методы и средства измерений технических характеристик СВЧ-трактов, четырехполюсников, резонаторов, антенн, параметров диэлектриков на СВЧ. 
Учебное пособие отвечает требованиям образовательного стандарта 
по направлению подготовки «Радиотехника» и ориентировано на читателя, имеющего базовые знания в области электротехники и микроволновых 
устройств. 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор физико-математических наук В. А. Терехин, главный научный 
сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ; доктор физико-математических наук, профессор, декан радиофизического факультета ННГУ им. Н. И. Лобачевского А. В. Якимов 
 
 
 
ISBN   978-5-9515-0137-0                  ©   ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010 
 

Содержание 

Список обозначений и сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  9 

1. Предмет и задачи метрологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  12 
1.1. Предмет метрология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  12 
1.2. Роль измерений в развитии науки 
       и промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  12 
1.3. Физические величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21 
1.4. Системы физических величин и их единиц . . . . . . . . . .  26 
1.5. Воспроизведение единиц физических величин 
       и передача их размеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   29 
1.6. Измерение и его основные операции . . . . . . . . . . . . . . .  32 

2. Основные понятия теории погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . .  40 
2.1. Классификация погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  43 
2.2. Систематические погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  49 
2.3. Случайные погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54 
2.3.1. Общие понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54 
2.3.2. Основные законы распределения . . . . . . . . . . . . .  57 
2.3.3. Точечные оценки параметров 
          законов распределения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  59 
2.3.4. Доверительный интервал 
          (доверительные оценки) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  61 

3. Обработка результатов измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  64 
3.1. Однократные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  64 
3.2. Многократные равноточные измерения . . . . . . . . . . . . .  65 
3.3. Косвенные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  68 
3.4. Некоторые правила выполнения измерений 
       и представления результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  71 

4. Методы и средства формирования измерительных 
    сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  73 
4.1. Измерительные сигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  73 
4.1.1. Классификация измерительных сигналов . . . . . .  73 
4.1.2. Математические модели и параметры 
          измерительных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  74 

4.2. Измерительные генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  77 
4.3. Измерительные генераторы гармонических 
       колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   80 
4.3.1. Низкочастотные генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . .  80 
4.3.2. Высокочастотные измерительные генераторы . .  85 
4.3.3. Цифровые низкочастотные генераторы . . . . . . . .  89 
4.3.4. Генераторы качающейся частоты . . . . . . . . . . . . .  95 
4.3.5. Синтезаторы частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  97 
4.4. Генераторы несинусоидальных сигналов . . . . . . . . . .   101 
4.4.1. Измерительные импульсные генераторы . . . . .   102 
4.4.2. Генераторы сигналов специальной формы . . . .  105 
4.4.3. Генераторы случайных сигналов . . . . . . . . . . . .  107 
4.4.4. Генераторы псевдослучайных сигналов. . . . . . .  112 
4.5. Генераторы, управляемые микропроцессорами . . . . .  115 

5. Исследование колебаний во временной области . . . . . . . . .  119 
5.1. Электронный осциллограф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  119 
5.1.1. Назначение, принцип действия, 
          классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  119 
5.1.2. Универсальный осциллограф (УО) . . . . . . . . . . .  122 
5.1.3. Основные характеристики каналов УО . . . . . . .  127 
5.1.4. Искажения осциллограмм . . . . . . . . . . . . . . . . . .  133 
5.2. Двухканальные и двухлучевые осциллографы . . . . . .  134 
5.3. Скоростные осциллографы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  135 
5.4. Стробоскопические осциллографы . . . . . . . . . . . . . . .   136 
5.5. Запоминающие осциллографы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  141 
5.5.1. Аналоговые запоминающие осциллографы . . .   142 
5.5.2. Цифровые запоминающие осциллографы . . . . .  143 
5.5.3. Вычислительные осциллографы . . . . . . . . . . . . .  145 
5.6. Уменьшение погрешности осциллографов методом 
       калиброванных шкал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  148 

6. Исследование колебаний в частотной области . . . . . . . . . .  150 
6.1. Общие сведения о представлении сигналов 
       в частотной области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  150 
6.2. Аналоговые фильтровые анализаторы спектра . . . . . .  154 
6.2.1. Метод фильтрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  155 
6.2.2. Гетеродинные анализаторы спектра 

последовательного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . .  158 
6.3. Дисперсионно-временные методы анализа спектров .  168 
6.4. Цифровые анализаторы спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . .  172 
6.5. Измерение коэффициента гармоник . . . . . . . . . . . . . . .  175 

7. Методы измерения временных параметров сигналов . . . .  180 
7.1. Измерение интервалов времени и периода 
       повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  182 
7.1.1. Измерение интервалов времени 
          цифровым методом дискретного счета . . . . . . .   183 
7.1.2. Измерение периода периодического сигнала . .  187 
7.2. Измерение частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  191 
7.2.1. Измерение частоты методом 
          дискретного счета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  191 
7.2.2. Аналоговые методы измерения частоты . . . . . .  195 
7.2.3. Микропроцессорные числовые частотомеры . .  201 
7.3. Измерение разности фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  209 
7.3.1. Фазовые соотношения при преобразовании 
          частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  210 
7.3.2. Измерение разности фаз методом  
          преобразования фазы в напряжение или ток . . .  213 
7.3.3. Цифровые фазометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  215 
7.3.4. Компенсационный метод измерения 
          разности фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  211 

8. Измерение характеристик стационарных 
    случайных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  228 
8.1. Общие сведения о случайных процессах . . . . . . . . . . .  228 
8.2. Основные вероятностные характеристики ССП . . . . .  230 
8.3. Особенности измерений вероятностных 
       характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  238 
8.4. Оценки вероятностных характеристик . . . . . . . . . . . . .  238 
8.5. Измерение среднего значения СП . . . . . . . . . . . . . . . .   240 
8.6. Измерение средней мощности СП . . . . . . . . . . . . . . . .  243 
8.7. Измерение дисперсии СП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   244 
8.8. Измерение корреляционных функций . . . . . . . . . . . . .  244 
8.9. Анализ спектров случайных сигналов . . . . . . . . . . . . .  247 
8.10. Измерение законов распределения . . . . . . . . . . . . . . .  250 

8.11. Измерение плотности вероятности . . . . . . . . . . . . . . .  255 
9. Измерение характеристик СВЧ-трактов 
    и четырехполюсников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  259 
9.1. Основные характеристики трактов 
       и четырехполюсников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   259 
9.1.1. СВЧ-тракты как направляющие системы . . . . .  259 
9.1.2. Линии передачи в режиме стоячих 
          и смешанных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  261 
9.1.3. Матрица рассеяния четырехполюсников . . . . . .  270 
9.1.4. Перечень основных характеристик 
          линий передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  278 
9.2. Измерения на измерительной линии . . . . . . . . . . . . . . .  283 
9.2.1. Устройство линии и ее калибровка . . . . . . . . . .   283 
9.2.2. Измерение КСВ, модуля и фазы коэффициента 
          отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  285 
9.2.3. Измерение затухания в линиях передачи . . . . .   290 
9.2.4. Измерение КСВ нагрузки 
          через длинный фидер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  291 
9.2.5. Измерение коэффициента замедления 
          замедляющих систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  293 
9.2.6. Измерение волнового сопротивления  . . . . . . . .  295 
9.3. Измерения на автоматических измерителях . . . . . . . .  298 
9.3.1. Принцип работы автоматических 
         измерителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  298 
9.3.2. Измерение коэффициента передачи 
          и СВЧ-потерь в тракте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  300 
9.3.3. Измерение параметров замедляющих структур 
          в режиме рассогласованного тракта . . . . . . . . . .  301 
9.4. Измерение абсолютных значений напряженности 
       электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  304 
9.5. Измерения параметров четырехполюсников 
       и СВЧ-трактов во временной области . . . . . . . . . . . . .  309 
9.5.1. Время-импульсные измерения . . . . . . . . . . . . . .  309 
9.5.2. Принципы импульсного зондирования . . . . . . .  310 
9.5.3. Рефлектограммы некоторых неоднородностей 
          в СВЧ-трактах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   312 

9.5.4. Измерение импульсных характеристик 
          четырехполюсников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  314 

10. Измерение параметров резонаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . .   317 
10.1. Виды полых резонаторов и их параметры . . . . . . . . .  317 
10.1.1. Типы резонаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  317 
10.1.2. Виды колебаний полых резонаторов . . . . . . . .  320 
10.2. Измерение параметров полых резонаторов . . . . . . . .  328 
10.2.1. Измерение с помощью измерительной  
            линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  329 
10.2.2. Осциллографические измерения . . . . . . . . . . . .  331 
10.3. Измерение резонансной длины волны и частоты . . .  333 
10.4. Измерение добротности объемного резонатора . . . .  338 
10.4.1. Определение добротности . . . . . . . . . . . . . . . . .  338 
10.4.2. Включение резонатора в измерительный 
            тракт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  339 
10.4.3. Методы измерения добротности резонатора . .  341 

11. Измерение параметров антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  348 
11.1. Основные параметры антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  348 
11.1.1. Классификация и состав параметров . . . . . . . .  348 
11.1.2. Первичные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  351 
11.1.3. Вторичные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  357 
11.1.4. Параметры приемных антенн . . . . . . . . . . . . . .  361 
11.2. Измерение входных параметров антенн . . . . . . . . . .   365 
11.3. Измерение диаграмм направленности . . . . . . . . . . . .  366 
11.3.1. Методы измерения ДН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  366 
11.3.2. Обработка ДН и расчет КНД . . . . . . . . . . . . . . .  371 
11.4. Измерение коэффициента усиления антенн . . . . . . .  373 
11.4.1. Метод измерения КУ двух одинаковых 
            антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  373 
11.4.2. Измерение КУ методом замещения . . . . . . . . .  375 
11.5. Поляризационные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  376 

12. Измерение параметров диэлектриков на СВЧ . . . . . . . . . .  379 
12.1. Параметры диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  379 
12.2. Методы измерения электродинамических 
         параметров диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   381 

12.2.1. Метод поверхностных волн . . . . . . . . . . . . . . . .  381 
12.2.2. Метод запаздывающих импульсов  
            (частотно-временной метод) . . . . . . . . . . . . . . .  394 
12.3. Волноводные методы измерения . . . . . . . . . . . . . . . .  400 
12.3.1. Теоретические предпосылки . . . . . . . . . . . . . . .  400 
12.3.2. Экспериментальные методы . . . . . . . . . . . . . . .  402 

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  404 

Список обозначений и сокращений 

Δ 
– абсолютная погрешность 
δ 
– относительная погрешность 
γ 
– приведенная погрешность, постоянная 
  распространения, класс точности прибора 
σ 
– среднеквадратическое отклонение, проводимость 
ФВ 
– физическая величина 
dimQ, [Q] 
– размерность физической величины Q 
СИ 
– средства измерений 
SI 
– международная система единиц 
ИС 
– интегральная схема 
F(x) 
– интегральная функция распределения 
  случайной величины 
f(x) 
– дифференциальная функция распределения 
р 
– вероятность случайного события 
S 
– среднеквадратическая ошибка (СКО), площадь 
ЭЛТ 
– электронно-лучевая трубка 
СС 
– схема сравнения 
h 
– шаг квантования, высота 
s(t) 
– математическая модель сигнала 
S(ω) 
– спектр сигнала 
ИГ 
– измерительный генератор 
АЧХ, ФЧХ 
– амплитудно- и фазочастотная характеристики 
ГКЧ 
– генератор качающейся частоты 
НГ 
– непрерывная генерация 
АМ, УМ, ЧМ, 
ФМ, ИМ 

– амплитудная, угловая, частотная, фазовая, 
  импульсная модуляция 
u, U 
– напряжение 
i, I 
– ток 
t 
– время 
τ 
– длительность, временной интервал 
Т 
– период, температура, длительность процесса 
q 
– скважность, коэффициент деления 
Р 
– мощность 
БОЧ 
– блок опорных частот