Измерение мощности сверхвысокочастотного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

2. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ В ДИАПАЗОНАХ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙИ ПРИБОРОВ ДИАПАЗОНА СВЧ

4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

5. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

6. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Задачи измерения мощности, представляющей собой важную энергетическую характеристику, занимают значительное место в современной измерительной технике. Если измерение мощности СВЧ широко применялось на всех этапах развития сверхвысокочастотной техники, то подобное измерение в цепях переменного тока низких частот долгое время занимало скромное место. За последние годы резко возрос интерес к измерению мощности в области низких и высоких частот. Измерения этой характеристики стали одним из основных видов измерений в электроэнергетике, электромашиностроении, электрометаллургии, магнитометрии, радиотехнике, электронике, автоматике, биофизике, метрологии и других отраслях техники и науки. Глубокое проникновение вероятностных методов во многие области привело к необходимости измерения средней мощности случайных процессов.

Новые возможности решения задачи измерения мощности открыли достижения цифровой техники и микроэлектроники, особенно появление микропроцессоров, позволивших упростить измерительную процедуру, автоматизировать ее, придать косвенным по своей природе измерениям характер прямых измерений.

Приборы для измерения мощности называют ваттметрами или измерителями мощности.

2. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ В ДИАПАЗОНАХ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Основные определения. Рассмотрим методы измерения активной мощности в цепях переменного тока.

Как известно, мощностью в электрической цепи называют энергию, выделяемую на нагрузке в единицу времени. В цепях постоянного тока значения мощности Ро определяется одним из следующих выражений:

, (1)

где /о и Uo -- значения постоянного тока через нагрузочный резистор сопротивлением R и падения напряжения на нем.

В однофазных цепях переменного тока мгновенная мощность р определяется произведением мгновенных значений тока и напряжения: p=u(t)i(t). Обычно измеряют среднюю мощность Р периодического электрического сигнала, представляющую собой среднее значение мгновенной мощности за период Т:

, (2)

Для периодического сигнала сложной формы

, (3)

Где

, (4)

Методы измерения средней мощности разнообразны. Их можно разделить на две группы. К первой относятся методы преобразования электрической энергии в тепловую или в термо-ЭДС, вторую составляют методы, основанные на выполнении вычислительных операций в соответствии с математическим определением средней мощности. Преобразователи первой группы строятся по тем же принципам, что и аналогичные преобразователи электронных вольтметров.

Метод перемножения. Среднюю мощность, потребляемую нагрузкой цепи переменного тока, можно найти путем перемножения мгновенных значений напряжения и тока с усреднением произведения. Эта задача решается перемножающими схемами -- аналоговыми и цифровыми.

Современная микроэлектроника располагает аналоговыми перемножителями в микросхемном исполнении, осуществляющими различные методы умножения: переменной крутизны, широтной модуляции, «логарифм -- антилогарифм» и др.

Рис 1

Принципы действия этих перемножителей, их достоинства и недостатки, оценка погрешностей и способы испытания. Многие ваттметры, построенные на основе аналоговых перемножителей, имеют цифровое отсчетное устройство (дисплей).

Структурная схема подобного ваттметра приведена на рис. 1. Его работа не требует особых пояснений. На рис. 2 изображена структурная схема цифрового ваттметра, в которой мгновенные значения напряжения u(t) и тока i(t) преобразуются в числовые эквиваленты. Перемножение полученных чисел выполняет цифровой перемножитель (такие перемножители выполняются в виде БИС; они входят в состав некоторых микропроцессорных комплектов. Эта схема, работающая по жесткой логике, характеризуется сравнительно высоким быстродействием (оно определяется характеристиками АЦП и цифрового перемножителя).

Описан цифровой ваттметр, основой которого служит АЦП двойного интегрирования, позволяющий получать произведение значений тока и напряжения. От АЦП, применяемого в интегрирующих цифровых вольтметрах, работающих по методу двойного интегрирования, этот АЦП отличается наличием второго интегратора (для тока) и второй схемы выборки и запоминания. Принцип его действия заключается в следующем. На вход первого интегратора с выхода первой схемы выборки и запоминания подается напряжение /-й выборки u (tj) , а к входу второго интегратора со второй схемы выборки -- ток /-й выборки i (tj).

Рис 2

В течение интервала времени 7\ первый интегратор выполняет интегрирование «вверх» под действием напряжения и (tj). В конце интервала Т\ к входу первого интегратора прикладывается образцовое напряжение f/обр и в течение интервала Д/i осуществляется интегрирование «вниз». В начале интервала Д^1 на вход второго интегратора подается ток i(tj) и этот интегратор в течение интервала Д/i интегрирует «вверх». В конце интервала Д^ь вход второго интегратора подключается к источнику образцового тока /обр и начинается интегрирование «вниз*. Несложно убедиться, что интервал времени Д4, необходимый для возврата второго интегратора в исходное состояние, пропорционален искомому Цифровой ваттметр низкочастотных электрических сигналов строится также по схеме, содержащей микропроцессорную систему. Однако микропроцессорный ваттметр обладает многими свойствами, характерными для приборов с встроенным микропроцессором следовательно, в пределах применимости он имеет преимущества перед ваттметром, работающим по жесткой логике.

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙИ ПРИБОРОВ ДИАПАЗОНА СВЧ

Измерение мощности в диапазоне СВЧ -- один из наиболее распространенных и важных видов измерений, так как работа радиотехнических устройств в этом диапазоне связана с использованием мощностей, изменяющихся в очень широких пределах. Ваттметры СВЧ классифицируют по различным признакам. По способу включения в тракт различают ваттметры проходящей мощности (рис. а) и поглощаемой мощности (рис. 6). ваттметр переменный ток термоэлектрический

В зависимости от способа преобразования и воздействия электромагнитной энергии ваттметры делят на тепловые, пондеромоторные и электронные, а в соответствии с измеряемым параметром -- ваттметры среднего значения мощности и импульсной мощности. В зависимости от конструкции различают ваттметры с коаксиальным входом и волноводным входом. Соответственно уровню измеряемых мощностей ваттметры делят на приборы малой до 10 мВт), средней (от 10 мВт до 10 Вт) и большой (свыше 10 Вт) мощности. По способу отсчета различают ваттметры с прямым отсчетом и косвенным отсчетом. Согласно числу пределов ваттметры могут быть одно- и многопредельными. Методы измерений мощности СВЧ основаны на преобразовании электромагнитной энергии в энергию какого-либо другого вида, удобного для измерения и фиксации показывающим прибором. Самыми распространенными являются тепловые методы: для измерения малых (и частично средних) мощностей применяют метод, основанный на измерении изменения сопротивления терморезистора, а при измерении больших мощностей (а также средних, близких к верхней границе) -- калориметрический метод.

4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Создание тонкопленочных термоэлектрических преобразователей открыло новые возможности в технике измерения мощности СВЧ. Ваттметры, выполняемые на основе таких преобразователей, характеризуются широким диапазоном частот и большим динамическим диапазоном i. Известно несколько видов тонкопленочных термоэлектрически преобразователей. Один из них представляет собой тонкопленочную термопару висмут--сурьма (Bi--Sb), материал которой на пылен на пленку из полистирола. Она помещается параллельно стенке волновода в плоскости Е. Вносимая его неоднородность невелика, не мешает получению хорошего согласования тракта <КСВ менее 1,2). Применение сменных головок с термоэлектрическими преобразователями в одном из ваттметров позволяет из-мерить мощность СВЧ в диапазоне частот от 40 до 140 ГГц. При этом достигнута достаточно высокая температурная стабильность и малая чувствительность к изменению (внешних влияющих факторов в широких пределах. Эти характеристики значительно выше, чем у термисторных и болометрических измерителей. Другой вид термоэлектрического преобразователя отличается тем, что при его выполнении используется сочетание полупроводниковой и тонкопленочной технологий. На поверхность кристалла кремния нанесена металлическая пленка из нитрида тантала, служащая тонкопленочным резистором высокой прочности. Между кремнием и резистором образуется изолирующий слой из двуокиси кремния. В этом слое под одним из концов резистора примерно в центре кристалла выполнено отверстие, через которое резистор соединяется с кремниевым кристаллом, очень тонким в области соединения. Оно представляет собой «горячий» конец термопары. На втором конце резистора и удаленном от центра конце кремниевого кристалла имеются выходные контакты (из золота), с помощью которых осуществляется электрическое соединение с внешней схемой. Они также служат установочными элементами, используемыми для крепления кристалла к подложке («холодному» концу термопары) и отвода тепла. Тонкопленочный резистор, помещенный в головку, выполняет функцию оконечной нагрузки широкополосного тракта, причем во всей полосе частот (до 18 ГГц) достилается хорошее согласование нагрузки с трактом. Поглощаемая резистором электромагнитная энергия преобразуется в тепловую. Вследствие того, что толщина кристалла в центре намного больше, чем на его концах, температура «горячего» конца термопары выше, чем у «холодных» концов (напомним, что внешние концы кристалла отводят тепло). Перепад температур на концах термопары приводит к появлению термо-ЭДС. На одном кристалле расположены две термопары, соединенные последовательно. Вырабатываемое ими напряжение постоянного тока измеряется микровольтметром. Чувствительность описанного термоэлектрического преобразователя 160 мкВ/мВт.

5. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Одним из точных методов измерения мощности СВЧ является калориметрический, основанный на преобразовании электромагнитной энергии, поглощаемой согласованной нагрузкой, в тепловую. Измеряемое значение мощности находят по изменению температуры нагрузки. Этот метод -- абсолютный: мощность измеряется непосредственно, без замещения мощностью постоянного тона. Калориметрические измерители мощности состоят из двух основных частей: поглощающей нагрузки и измерителя температуры. В приборах применяются поглощающие нагрузки с проточной водой и нагрузки из твердых поглощающих материалов. Мощность, поглощаемая в нагрузке с проточной водой, определяется по разности температур AT на выходе и входе нагрузки и по скорости v протекания воды. Бели в объеме воды V при рассеянии мощности Р выделяется Q калорий тепла, то это тепло нагревает воду от температуры 7\ до температуры 72: Q = *= V(T2--Ti) = VAT (плотность р и теплоемкость с воды равны единице). Мощность и количество тепла связаны соотношением

, (5)

Изменение объема в единицу времени V/t = v--скорость протекания воды, см/с. Следовательно, P=4,2vAT. На практике расход воды v измеряют в л/мин. В этом случае формула для определения мощности в ваттах

, (6)

Таким образом, измерение мощности сводится к измерению расхода воды v и разности температур на выходе и входе нагрузки. В ваттметрах расход воды автоматически поддерживается постоянным и для определения мощности достаточно измерять разность температур. Применение цифровых термометров позволяет получать ваттметры с цифровым отсчетом.

6. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ

Косвенные измерения. Ваттметры основных типов -- терморезисторные, калориметрические, пондермоторные и с термоэлементами -- измеряют мощность в режиме непрерывной генерации или среднюю мощность ЯСр в импульсном режиме. Однако часто бывает необходимо знать мощность в импульсе Римп. Если известны форма и длительность этих импульсов, а также частота их следования Fe или скважность Q, то значение РИмп можно рассчитать по измеренному значению ЯСр.

При прямоугольной форме импульсов, образующих периодическую последовательность, мощность в импульсе

, (7)

Согласно A.55) случайная среднеквадратическая относительная погрешность Измерения

, (8)

Погрешность измерения средней за период мощности получается тем меньше, чем больше тепловая постоянная времени поглощающей части ваттметра по сравнению с периодом следования импульсов 7"с. При большой постоянной времени тепловой эффект от воздействия импульсной мощности весьма близок к интегральному эффекту. Наибольшей постоянной времени обладают калориметрические ваттметры, наименьшей -- проволочные болометры. Постоянная времени некоторых термисторов в ряде случаев может оказаться соизмеримой с периодом следования импульсов, поэтому температура термистора в течение периода изменяется. Это сказывается на теплообмене с окружающей средой, и сопротивление термистора постоянному току не сохраняется неизменным. Пульсация температуры термистора пропорциональна энергии в импульсе и растет g уменьшением отношения тепловой постоянной времени к периоду следования импульсов. Возникают дополнительные погрешности, которые тем больше, чем больше мощность, попадающая на термистор. Причинами дополнительных погрешностей являются:

рассогласование сопротивления головки с трактом из-за пульсаций сопротивления термистора, поэтому часть мощности отражается;

несоответствующие сопротивления термистора истинному усредненному значению при равновесии моста, так как показание индикатора разбаланса моста не является линейной функцией этого сопротивления;

пульсации постоянного тока через термистор и, как следствие этого, изменение мощности постоянного тока, подводимый к термистору, что не учитывается при вычислении замещающей мощности из-за пульсаций сопротивления.

Режимы работы источника импульсной мощности, при которых допустимо применение термоядерных ваттметров, должны указываться в описаниях к приборам.

Прямые измерения. Непосредственно измерить импульсную мощность можно ваттметром с пленочным болометром (рис. 6.9). В этом приборе исследуемый радиоимпульс длительностью*\и поступает в болометрическую головку через направленный ответвитель, калиброванный по затуханию, основная линия которого нагружена согласованной нагрузкой. Болометр включен в цепь постоянного тока. Изменение его сопротивления является функцией температуры, которая определяется мощностью, поступающей на болометр. Если тепловая постоянная времени болометра Тб^ти и период следовании импульсов 7"С>-Тб, то темпера- тура болометра линейно растет во время импульса и экспоненциально уменьшается в паузе между соседними импульсами.

Напряжение на выходе болометра -- пилообразный импульс, наклон фронта которого однозначная функция импульсной мощности. Болометр играет роль интегратора, преобразующего прямоугольный радиоимпульс в пилообразный видеоимпульс. Последний пропускаете через дифференцирующую цепь, восстанавливающую прямоугольный импульс. На выходе дифференцирующей цепи получается видеоимпульс, точно соответствующий по форме огибающей радиоимпульса, подаваемого на болометр. Амплитуда видеоимпульса пропорциональна импульсной мощности СВЧ. Ее измеряют пиковым вольтметром, на входе которого включен видеоусилитель. Шкала вольтметра градуируется в единицах мощности. Более надежен (менее чувствителен к перегрузкам, чем болометрический ваттметр) электронный импульсный ваттметр (рис. 6.10). Его принцип действия заключается в следующем. Содержащийся в детекторной головке СВЧ диод деектирует радиоимпульсы исследуемого СВЧ генератора, поступающие на вход головки через аттенюатор. Амплитуда видеоимпульсов на выходе головки однозначно соответствует измеряемому значению импульсной мощности. Это позволяет градуировать шкалу импульсного вольтметра в единицах мощности. В состав ваттметра входит калибратор -- источник калиброванных по амплитуде импульсных сигналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Г.Я. Мирский «Электронные измерения» Москва 1986.

2) Кушнир В.Д. «Электроизмерения» Москва 1985.

3) Кушнир Ф.В., Савенко В.Г., Верник С.М. «Измерения в технике связи» Москва 1976

4) Нефедов В. И., Хахин В. И., Битюков В. К. Метрология и радиоизмерения: Учебник для вузов. -- 2006

5) Пронкин Н. С. Основы метрологии: Практикум по метрологии и измерениям. -- Москва 2007.

Размещено на Allbest.ru