Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации.

Орский Гуманитарно-Технологический Институт

Кафедра общей физики.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах.

Выполнил: студентка физико-математического факультета группы 4Б

Бессонов Павел Александрович.

Научный руководитель: к. ф.-м. н. доцент Абрамов Сергей Михайлович.

Орск. 1998г.

Содержание

Стр

1. Основные понятия 3

2. §1. Измерение мощности 3

3. 1. Общие сведения 3

4. 2. Калориметрические измерители мощности 3

5. §2. Измерение частот 8

6. 1. Основные характеристики частотомеров 8

7. 2. Резонансные частотомеры 8

8. 3. Гетероидные частотомеры 13

9. §3. Измерение полного сопротивления 15

10. 1. Общие сведения 15

11. 2. Поляризационные измерители полных сопротивлений 51

12. 3. Панорамные измерители КСВ и полного сопротивления 17

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В диапазоне СВЧ, как правило, измеряют мощность, частоту и полное сопротивление устройств. Важными также являются измерения фазового сдвига, напряженности поля, добротности, ослабления мощности волны, амплитудно-частотного спектра и др. Чтобы определить указанные величины в широких интервалах их изменения, требуется использовать различные методы и радиоизмерительные приборы.

Различают прямые и косвенные измерения. Прямые измерения применяют в тех случаях, когда измеряемая величина доступна непосредственному сравнению с мерой или может быть измерена приборами, проградуированными в выбранных единицах. Прямые измерения выполняют либо методом непосредственной оценки, когда измеряемую величину определяют по показаниям проградуированного прибора, либо методом сравнения, когда измеряемую величину определяют сравнением ее с мерой данной величины. Косвенные измерения состоят в замене измерений данной величины другими, связанными с искомой известной зависимостью.

Основными характеристиками радиоизмерительных приборов являются: диапазон измеряемых величин; диапазон частот, в котором прибор может применяться; чувствительность по измеряемому параметру, представляющая собой отношение приращения показаний прибора к вызвавшему его приращению измеряемой величины; разрешающая способность, определяемая как минимальная разность двух значений измеряемых величин, которую может различить прибор; погрешность; потребляемая мощность.

§1. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ.

1. Общие сведения

Уровни мощностей, подлежащие измерениям, различаются более чем на двадцать порядков. Естественно, что методы и приборы, используемые при таких измерениях, весьма разнообразны. Принцип действия подавляющего большинства измерителей мощности СВЧ, называемых ваттметрами, основан на измерении изменений температуры или сопротивления элементов, в которых рассеивается энергия исследуемых электромагнитных колебаний. К приборам, основанным на этом явлении, относятся калориметрические и терморезисторные измерители мощности. Получили распространение ваттметры, использующие пондеромоторные явления (электромеханические силы), и ваттметры, работающие на эффекте Холла. Особенность первых из них - возможность абсолютных измерений мощности, а вторых - измерение мощности независимо от согласования ВЧ-тракта.

По способу включения в передающий тракт различают ваттметры проходящего типа и поглощающего типа. Ваттметр проходящего типа представляет собой четырехполюсник, в котором поглощается лишь небольшая часть общей мощности. Ваттметр поглощающего типа, представляющий собой двухполюсник, подключается на конце передающей линии, и в идеальном случае в нем поглощается вся мощность падающей волны. Ваттметр проходящего типа часто выполняется на основе измерителя поглощающего типа, включенного в тракт через направленный ответвитель.

2. Калориметрические измерители мощности

Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (не адиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные - средние и большие значения мощности.

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид

(1)

где P-мощность СВЧ, рассеиваемая в нагрузке; Т и Т₀-температура нагрузки и окружающей среды соответственно; с, m - удельная теплоемкость и масса калориметрического тела; k-коэффициент теплового рассеяния. Решение уравнения представляется в виде

(2)

где τ=сm/k - тепловая постоянная времени.

В случае статического калориметра время измерения много меньше постоянной τ и мощность СВЧ в соответствии с формулой 1 будет:

(3,а)

Здесь скорость изменения температуры в нагрузке измерена в град•с^-1,m-в г, c- в Дж•(г•град)^-1, Р - в Вт.

Если с имеет размерность кал•(г•град)^-1, то

(3,б)

Основными элементами статических калориметров являются термоизолированная нагрузка и прибор для измерения температуры. Нетрудно рассчитать поглощаемую мощность СВЧ по измеренной скорости повышения температуры и известной теплоемкости нагрузки.

В приборах используются различные высокочастотные оконечные нагрузки из твердого или жидкого диэлектрического материала с потерями, а также в виде пластинки или пленки высокого сопротивления. Для определения изменения температуры применяют термопары и различные термометры.

Рассмотрим статический калориметр, в котором снижены требования к термоизоляции и отпадает необходимость в определении теплоемкости тc калориметрической насадки (рис. 1). В этой схеме используется метод замещения. В ней для калибровки прибора 4, измеряющего повышение температуры при рассеянии измеряемой мощности, подводимой к плечу 1, используется известная мощность постоянного тока или тока низкой частоты, подводимая к плечу 2. Предполагается, что температура насадки 3 изменяется одинаково при рассеянии равных значений мощности СВЧ и постоянного тока. Статические калориметры позволяют измерять мощность несколько милливатт с погрешностью менее ±1%.

Рис.1

Основными элементами поточного калориметра являются: нагрузка, где энергия электромагнитных колебаний превращается в тепло, система циркуляции жидкости и средства для измерения разности температур входящей и выходящей жидкости, протекающей через нагрузку. Измеряя эту разность температур в установившемся режиме, можно рассчитать среднюю мощность по формуле

(4)

где υ - расход калориметрической жидкости, см³•с^-1; d-плотность жидкости, г•см^-3; ΔT - разность температур, К; с, кал•(г•град)^-1.

Поточные калориметры различают по типу циркуляционной системы (открытые и замкнутые), по типу нагрева (прямой и косвенный) и по методу измерения (истинно калориметрические и замещения).

В калориметрах открытого типа обычно применяют воду, которая из водопроводной сети поступает сначала в бак для стабилизации давления, а далее в калориметр. В калориметрах замкнутого типа калориметрическая жидкость циркулирует в замкнутой системе. Она постоянно накачивается насосом и охлаждается до температуры окружающей среды перед очередным поступлением в калориметр, В этой системе используются в качестве охлаждающих жидкостей кроме дистиллированной воды раствор хлористого натрия, смесь воды с этиленгликолем или глицерином.

При прямом нагреве ВЧ-мощность поглощается непосредственно циркулирующей жидкостью. При косвенном нагреве циркулирующая жидкость используется только для отбора тепла от нагрузки. Косвенный нагрев позволяет работать в более широком диапазоне частот и мощностей, поскольку функции переноса тепла отделены в нем от функции поглощения ВЧ-энергии и согласования нагрузки.

Рис. 2.

Схема истинно калориметрического метода представлена на (рис. 2.). Измеряемая ВЧ-мощность рассеивается в нагрузке 1 и прямо или косвенно передает энергию протекающей жидкости. Разность температур входящей в нагрузку и выходящей из нее жидкости измеряют с помощью термоблоков 2. Количество жидкости, протекающее в системе в единицу времени, измеряют расходомером 3. Естественно, что поток жидкости при таких измерениях должен быть постоянным.

Погрешности измерений ВЧ-мощности в рассмотренной схеме связаны с рядом факторов. Прежде всего формула 4 не учитывает передачу тепла, существующего между различными частями калориметра, и потерю тепла в ВЧ-нагрузке и трубопроводах. Различными конструктивными приемами можно уменьшить влияние этих факторов. Неравномерность скорости течения калориметрической жидкости, появление пузырьков воздуха приводят к погрешности при определении скорости потока жидкости и изменению ее эффективной теплоемкости. Для уменьшения этой погрешности применяют уловители пузырьков воздуха и добиваются равномерности течения жидкости с помощью регулятора потока и других средств.

Схема измерений, реализующая метод замещения, отличается от рассмотренной тем, что в ней последовательно с СВЧ-нагрузкой вводится дополнительный нагревательный элемент, рассеивающий мощность низкочастотного источника тока. Заметим, что при косвенном нагреве мощность СВЧ-сигнала и мощность низкочастотного тока вводятся в одну и ту же нагрузку и потребность в дополнительном нагревательном элементе отпадает.

Возможны два способа измерений по методу замещений - калибровки и баланса. Первый из них состоит в измерении такой мощности низкой частоты, поданной в нагревательный элемент, при которой разность температур жидкости на входе и выходе такая же, как и при подаче СВЧ-мощности. При балансном способе сначала устанавливается какая-либо разность температур жидкости при подаче мощности низкой частоты Р₁, затем подается измеряемая ВЧ-мощность Р, а мощность низкой частоты уменьшается до такого значения Р₂, чтобы разность температур осталась прежней. При этом Р=P₁-Р₂.

Рис. 3.

Погрешности измерений, связанные с непостоянством скорости потока жидкости в течение цикла измерений, можно избежать, если на входе и выходе нагрузки 1 (рис. 3) и нагревательного элемента 2 предусмотреть термочувствительные резисторы R₁, R_2, R_3, R₄, соединенные по мостовой схеме. При условии идентичности термочувствительных элементов баланс моста будет наблюдаться для любой скорости потока жидкости. Измерения ведутся балансным способом.