Электрорадиоизмерения (В. И. Винокуров) (554136), страница 43
Текст из файла (страница 43)
В диапазоне звуковых и высоких частот определение мощности, потребляемой произвольной нагрузкой л„, можно ввшолнить в результате использования схем для измерения соз ч~ (рнс. 10.2). В первой схеме (способ трех вольтметров) последовательно с нагрузкой Я„ включает дополнительный резистор Я. Результаты измерения позволяют построить треугольник напряжений и из него определить соз г= (10.8а) 2ХЖз Сопротивление резистора )г' должно иметь значение, близкое к значению ~У„~.
Также желательно, чтобы внутренние сопротивления вольтметров во много раз превосходили значение 1Х ~..По этой причине способ трех вольтметров используют в тех случаях, когда Л„ достаточно мало. Вторая схема (способ трех амперметров) в основном используется при достаточно больших значениях 2„. По показаниям амперметров строится треугольник токов, из которого определяют искомое значение соз йс 2 2 3 г~ — ~а — гз созт = (10.86) 2ГзГз Во второй схеме желательно использовать амперметры, собственное сопротивление которых мало по сравнению с величиной нагрузки 1Х ~.
Способы измерения мощности СВЧ существенно отличаются от рассмотренных. Все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Средства измерения мощности СВЧ подразделяют йа измерители поглощаемой и проходящей мощностей. К первой группе относятся приборы, измеряющие мощность, рассеиваемую на активной нагрузке, являющейся частью самого измерительного прибора. Так как нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном потребителе. Результат измерения будет точным, если входное сопротивление прибора согласовано с внутренним сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи.
Ко второй группе относятся приборы, измеряющие мощность, распространяющуюся по линии передачи при нормальной работе потребителя. В основе их принципа действия, как правило, лежит теорема Умова — Пойнтинга, согласно которой плотность потока мощности определяется векторным произведением напряженностей электрической Е и магнитной Н составляющих поля: Н =-ЕН*. (10.9) Знак + означает комплексную сопряженность. 200 й 10.2. Калориметрическнй измеритель мощности СВЧ Калориметрический способ — наиболее универсальный способ измерения мощности СВЧ в пределах от единиц милливатт до сотен киловатт. Обычно его используют при точных измерениях относи. тельно больших мощностей.
Способ основан на эквивалентном преобразовании измеряемой энергии СВЧ в теплоту и измерении -приращения температуры калориметрического тела, поглотившего эту /гл энергию. Энергия СВЧ может рас- Ф сеиваться непосредственно в кало- 5 риметрическом теле или на рези- 5 стивной нагрузке, помещенной в р 5 нем. Вне зависимости от формы колебаний результатом измерения будет среднее значение мощности.
Различают два вида калориметрических измерений: статический (адиабатический) и циркуляционный. Статический измеритель (рис. 10.3) состоит из согласованной поГЛОщаЮщЕй НаГруЗКИ, КаЛОрИМЕтрн- Рас. 1О.З. КилоРимвтРациский ческого тела и измерителя темпера- туры. Измеряемую МощностЬ Рк по к — тармоиаояяция станок: р — иодвалиаваду подвсдят к наГрузке, пре вод цик воянояод; 3 — сскцнн тар- моиаоляцни', а — согласованная нвобразуют в теплоту и нагревают ка- геракл; к — калорямсгрияссиос тслориметрическое тело. Связь между скоростью приращения температуры и значением измеряемой мощностиопределяется соотношением (~ ') = 4,12 к ~', ()0.10) 024ат а к где Р— измеряемая мощность, Вт„0,24 — тепловой эквивалент работы, кал/Дж; гп — масса калориметрического тела, г; с — его удельная теплоемкость, палl(г град); дт — время измерения, с; (/к — /1) — ' приращение температуры„'С. В качестве калориметрического (рабочего) тела используют воду.
Лля получения высокой точности измерений необходимо обеспечить надежную теплоизоляцию калориметрического тела от окружающей среды. Для этого в подводящем волноводе предусмотрена теплоизолирующая секция. Преимуществом способа является простота измерений. ПредваРительную градуировку ваттметра можно выполнить при рассеивании калиброванной, мощности постоянного тока (или тока промышленной частоты). Основным недостатком способа является необходимость в периодическом отключении ваттметра для его охлаждения.
20! Широко распространены калориметрические ваттметры циркуляциокного типа (рис. 10.4). В этих ваттметрах калориметрическое тело (обычно вода) циркулирует в системе с яостоянной.скоростью. При этом о значении рассеиваемой мощности Р„ судят по приращению температуры калорнметрического тела ЛТ. Связь между Р„ и ЬТ в установившемся режиме определяют, исходя из закона сохранения энергии: Р„= — сОб)Гь Т = 4,17сбг7а Т, 1 0,24 (10.11) где с, 6, б( — удельная теплоемкость, кал1'(г.град); расход, смз7с, и удельная масса, г7смв, калориметрического тела. Рнс.
10.4. Калорнметрнческнй измеритель мощности СВЧ цнркуляцнонного типа: у — термометр; г — поглошающая нагруека; 3 — секция термоиаоляции; б — вонаоводг и — даполаятельныа нагреватель; б — выводы допоннительного нагревателя Приращение температуры ЛТ измеряют с помощью двух термопар, расположенных в системе до и после нагрузки. Если э. д. с. термопар включены встречно, то показание индикаторного прибора пропорционально искомому приращению температуры ЛТ.
Практическая реализация метода измерения требует строгого контроля за постоянством расхода и неизменностью физических характеристик (т1, сг и с) калориметрического тела. Появляется необходимость в специальных устройствах, обеспечивающих выполнение этих условий с достаточной степенью точности. Кроме воды в качестве рабочего тела используют твердые (объемные нлн пленочные) поглотители мощности СВЧ, Такой калориметр называют с у х н м. Он представляет собой коаксиальную илн волноводную согласованную нагрузку, помещенную в теплозкраннрующую камеру.
Повышение температуры рабочего тела регистрируют с помощью блока дифференциальных термопар, «горячие» спан которых имеют контакт с рабочим телом, а '«холодные» вЂ” с корпусом прибора. Для уменьшения инерционности ваттметров этого типа измеряемую мощность желательно рассеивать непосредственно в калориметрическом теле. Поглощающие нагрузки бывают волноводными и коаксиальными, Иа, рис.
10.5 в качестве примера изображена эолноводмая нагрузка для- ваттметров сантиметрового диапазона, рассчитанная на рассеивание средних уровней мощности (сотни ватт). Корпус нагрузки, вставляемой в торец прямоугольного волновода, представляет собой пустотелый клин из специального диэлектрика с малыми потерями на рабочей частоте. Через нагрузку с постоянной /~ скоростью протекает вода, которая, будучи диэлектриком с боль- ° 1\ шими потерями, обеспечивает непосредственное поглощение мошности СВЧ.
Соласование нагрузки с волновым сопротивлением волновода обеспечивают выбором формы и размеров клина. Через основание клина проходят две трубки для включения нагрузки в Рис. ~од. Поглошающая волноциркуляционную систему калори- воднзя изгрузнз для взттметров метра. сантиметрового диапазона Основными причинами погрешности измерений являются: отсутствие точного согласования нагрузки прибора с волновым сопротивлением волновода (коакси. альной линии); непостоянство расхода калориметрического тела и изменение его физических характеристик; неэквивалентность тенг ловых потерь при рассеянии энергии СВЧ и энергии низкой частоты, на которой калибруют прибор; погрешности измерения энергии низкой частоты.
Точность измерений можно повысить, если воспользоваться методом сравнения (см. гл. 3). Для этого в калориметрическое тело помешают дополнительный нагреватель см. рис. 10.4, питание которого осуществляют от калиброванного источника энергии низкой частоты. Измерение мошности осуществляют следуюшим образом. Вначале замечают показание индикаторного прибора при рассеивании измерремой мощности.
Затем вместо источника мощности СВЧ вклгочайт дополнительный нагреватель и устанавливают такое же показание индикаторного прибора. За результат измерения мошности СВЧ принимают эквивалентное значение калиброванной мощности низкой частоты. Дальнейшим усовершенствованием приборов является автоматизация измерений (рис, 10.6). Измеряемая мощность Р„рассеивается на согласованной нагрузке Яь Повышение температуры калориметрического тела воспринимает терморезистор Ят', включенный в схему уравновешенного моста, Разная степень нагрева терморезисторов 11,' и Ят» вызовет нарушение исходного равнове- 203 сия моста и появление низкочастотного напряжения рассогласования в нулевой точке вторичной обмотки трансформатора: Это напряжение после усиления по мощности поступает иа резистор усз и преобразуется в теплоту.
Повышение температуры воспринимает терморезистор тс', после чего в мостовой цепи вновь устанавливается равновесие. Значение мощности тока низкой частоты, рассеиваемой на резисторе Лз (при равновесии моста), равное 1'„, регистрирует вольтметр, проградуированный в единицах мощности. Исследугмый осалуннк СВУ- Рис. 10.6. Измерение мощности методом сравнения: 1 — илсес, 2 — тевлообмевлвк $10.3. Измерители малой мощности СВЧ Приборы используют для измерения мощности от десятков нано- ватт до десятков милливатт. В основе способа измерения лежит регистрация изменений характеристик различных элементов при рассеянии ими измеряемой энергии. Обшей чертой ваттметров является то, что их чувствительные элементы одновременно служат согласованной нагрузкой для измеряемой мощности.
Измерение с помощью резистивных термочувств ител ь ых элем енто в состоит в регистрации изменений их сопротивления, происходящего при рассеивании энергии. Изменение сопротивления измеряют с помощью мостовых схем. Так как измеряемое сопротивление одновременно зависит от температуры окружающей среды, то в приборах предусматривают схему темпе- ратурной компенсации, исключающую влияние колебаний внешней температуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
