Фаза-Мощность стр207-251 (1066265), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

В перемножителях используют идентичные, со стабильными параметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные ха­рактеристики. Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения сигналов обеспечивает операция ин­тегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты.

По уровню измеряемых электрических мощностей все изме­рители мощности делят на ваттметры малой (до 10 мВт), средней (10 мВт...10 Вт) и большой мощностей (свыше 10 Вт).

8.3. Измерение мощности СВЧ-колебаний

Способы измерения мощности СВЧ существенно отличаются от рассмотренных ранее. Все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Косвенные мето­ды, изложенные выше, не находят применения, так как токи и напряжения различны в разных сечениях линии передач (стоячие волны) и подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне исполь­зуют методы преобразования энергии электромагнитных колеба­ний в другой вид энергии, удобный для измерения.

Различают два метода измерения мощности СВЧ-колебаний.

1. Измерение мощности генератора электромагнитных коле­баний ваттметрами поглощающего типа. Согласно общеприня­тому определению, под мощностью генератора понимают мощ­ность, отдаваемую им в согласованную нагрузку (рис. 8.3, а). В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на Некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители мощности называют ваттметрами поглощающего типа. Посколь­ку нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном по­требителе. Результат измерения наиболее точен, если входное со­противление измерительного прибора полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи, т.е. R_Г = R_Н ; х_Г = -х_Н.

2. Измерение электрической мощности, выделяемой в нагруз­ке, полное сопротивление которой может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включают специаль­ное устройство, преобразующее в другую форму лишь незначи­тельную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса ее передачи (рис. 8.3, б).

Измерение мощности с помощью резистивных термочувствительных элементов

Наиболее распространенным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения сопротивления резистивного термо­чувствительного элемента (терморезистора) при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов ис­пользуют болометры, сопротивление которых растет с повыше­нием температуры (положительный температурный коэффициент сопротивления), и термисторы, сопротивление которых с ростом температуры падает. Основными преимуществами термисторов перед болометрами являются более высокая чувствительность и большая устойчивость к перегрузкам.

Термистором называют терморезистор, изготовленный из специального полупроводникового материала, обладающего большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Применяют два типа термисторов: стержневой и бусин-ковый. Стержневые термисторы обладают более высокой элек­трической прочностью. Термисторы бусинкового типа при про­чих равных условиях имеют меньшую поверхность охлаждения и поэтому обладают большей чувствительностью. Чувствитель­ность термистора высокая — 10..Л00 Ом/мВт. Для получения высокой чувствительности рабочую точку термистора выбирают на участке с максимальной крутизной характеристики.

Болометр — проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой, помещенный в стеклянный (вакуумный или наполненный инертным газом) бал­лон. Для увеличения чувствительности нить выполняют из мате­риала с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные характеристики, не зависящие от температуры окружающей среды.

Термистор или болометр помещают внутри измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной ли­нии. Изменение сопротивления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии обычно измеряют с помощью мос­товых схем. Используют два метода измерения сопротивления термистора: с помощью неуравновешенного и уравновешенного мостов. Неуравновешенные мосты применяют для построения из­мерителей мощности по типу приборов прямого действия, уравно­вешенные — в ваттметрах, основанных на методе сравнения.

Схема неуравновешенного моста с терморезистором пред­ставлена на рис. 8.4. Исходное уравновешивание моста (при от­сутствии измеряемой мощности СВЧ) обеспечивают схемой температурной компенсации, состоящей из потенциометра R плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выход­ных колебаний 50... 100 кГц. При равновесии моста ток в измери­тельной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Из­меряемую мощность СВЧ подают на термистор . Если схема измерителя согласована с вспомогательным генератором, то мощ­ность полностью рассеивается на термисторе. В результате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах мощности, используя калиброванный источник постоянного тока Е_ПИТ. Индуктивность L препятствует протеканию переменного тока генератора в цепь моста постоянного тока.

К преимуществу измерителей электрической мощности с не­уравновешенными мостами относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку — сравнительно малая точ­ность. Последнее объясняют двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности СВЧ изменение сопротивления термистора влечет за собой нарушение согласова­ния сопротивлений термисторной камеры и линии передачи элек-тромагнитных-колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от нагрузки, а значит, непол­ное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Во-вторых, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается установленное при градуировке со­ответствие между показаниями прибора и величиной рассеивае­мой мощности.

Более высокую точность измерений обеспечивают уравнове­шенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ сравни­вают с калиброванной мощностью постоянного тока. Одна из та­ких схем измерительного уравновешенного моста с терморези­стором представлен на рис. 8.5. Терморезистор , находящийся в измерительной головке, включают в одно из плеч моста. Осталь­ными плечами моста являются резисторы R₁ , R₂ , R₃ равные по значению R — условному сопротивлению терморезистора в ра­бочей точке. Напряжение питания Е на уравновешенный мост подают через резистор R₄, сопротивление которого велико и по­этому через него протекает достаточно малый ток питания I₀. Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R₅, R₆. Ре­зистор R₆ представляет собой реостат, с движком которого связа­на измерительная шкала (для упрощения на рис. 8.5 не показана); через этот резистор протекает ток I_Ш отсчитываемый по шкале. От сопротивления резистора R₆ зависит ток ,протекающий че­рез терморезистор. Поскольку ток питания моста I_м = I₀ — I_ш, то при уравновешенном мосте ток терморезистора .

До подачи мощности СВЧ мост балансируют двумя источни­ками питания: напряжениями постоянного тока Е и переменного тока генератора Г. При этом положение движка резистора R₆ ус­танавливают так, чтобы сопротивление R₆ было максимальным, если используют термистор, или минимальным, если — боло­метр. При подаче СВЧ-колебания баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста с помощью сопро­тивления R₆ и источника питания Е. Для термисторов нужно уве­личивать шунтирующее действие, т.е. уменьшать сопротивление R₆ , а для болометров — наоборот. Обычно шкалу движка R₆ градуируют в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора Г позволяет исключить влияние темпе­ратуры окружающей среды и сохранить градуировку при старе­нии терморезисторов и их замене.

Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую абсолютную погрешность порядка 4... 10 %.

Измерение мощности термопарами

Этот метод измерения основан на регистрации значения тер-, возникающей при нагревании термопары СВЧ-энергией.

Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобра­зователя и измерительной части. Основным элементом преобразо­вателя является блок высокочастотных дифференциальных термо­пар, одновременно выполняющих функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне применяют термопары в виде тонких металлических пленок, напыленных на диэлектрическую подложку. Измерительная часть прибора содер­жит вольтметр постоянного тока с цифровым дисплеем.

К преимуществам таких ваттметров следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и малое время подготовки прибора к работе. Недостатками ваттметров являются ограниченный верхний уро­вень динамического диапазона и недостаточная устойчивость к перегрузкам, ограничивающая допустимое значение средней мощности при измерении импульсных сигналов. Практически стандартные термисторы способны выдерживать без разрушения мощность, не превышающую 50...75 мВт. Уровень измеряемой мощности можно несколько увеличить, если перед термисторной камерой поместить калиброванный аттенюатор.

Аттенюатор — устройство, у которого выходная мощность Р_ВЫХ в заданное число раз меньше входной мощности Р_ВХ . Резуль­тат измерения мощности равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора: k_осл = Р_ЕХ/Р_ВЫХ . Аттенюа­торы различают по принципу действия (поглощающие, предель­ные) и конструкции (волноводные, коаксиальные, полосковые). Они бывают с фиксированным или изменяемым коэффициентом ослабления (затухания).

Волноводный поглощающий аттенюатор состоит из отрезка волновода, внутри которого помещен слой вещества, эффективно поглощающего СВЧ-энергию. Коэффициент ослабления (погло­щения) энергии определяют свойства вещества, а также размеры и расположение поглощающего слоя относительно электрической со­ставляющей электромагнитного поля волновода.

В предельных аттенюаторах используют явление экспонен­циального затухания электромагнитного поля вдоль волновода, поперечные размеры которого для рабочей длины волны выбраны меньше критических.

Аттенюаторы с плавным изменением коэффициента затуха­ния и шкалой, проградуированной в децибелах, обычно приме­няют в приборах, результат измерения которыми фиксируют в относительных единицах.

Калориметрический метод измерения мощности

Калориметрический метод измерения мощности является универсальным и его используют во всем радиотехническом диа­пазоне частот, как для малых, так и для больших мощностей. Он отличается от других методов повышенной точностью измере­ния. Метод основан на преобразовании энергии электромагнит­ных колебаний, поглощаемых согласованной нагрузкой, в тепло­вую. Поглощение энергии поглотителем, являющимся основным элементом прибора, можно зарегистрировать либо непосредст­венно по изменению его температуры, либо косвенно как изме­нение объема, давления или других характеристик.

Калориметрические измерители состоят из двух частей: по­глощающей нагрузки и измерителя температуры. Наиболее рас­пространены нагрузки с проточной водой. Мощность, поглощае­мая в водяной нагрузке с проточной водой, определяют по разно­сти температур ДГ на выходе и входе нагрузки калориметра и по скорости расхода протекающей воды v. Для определения величи­ны уровня мощности используют формулу

(8.6)

где М — коэффициент пропорциональности; ДГ — разность тем­ператур на входе и выходе калориметра. Обычно М=1 и измеряе­мая мощность пропорциональна разности температур: .

Структура водяной поглощающей калориметрической нагрузки показана на рис. 8.6. Внутри отрезка волновода / закреплен стек­лянный конус 2, через который протекает вода. В основание ко­нуса впаяны две трубки 3 и 4. Вода входит в трубку 4, а вытекает через трубку 3. Нагрузку соединяют с источником измеряемой мощности соединительным фланцем 5. Заполненный водой конус представляет собой нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряют термопарами, включенными на входе и вы­ходе воды в нагрузку. Термопары включены встречно, так что ин­дикаторный прибор фиксирует разность температур. Погрешности образцовых калориметров составляют около 1 %, а промыш­ленные калориметры обеспечивают погрешность 2,5...5 %.

Характеристики

Список файлов учебной работы