Измерение мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УЛЬЯНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ИМЕНИ ГЛАВНОГО МАРШАЛА АВИАЦИИ Б.П. БУГАЕВА»

ВОЕННЫЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР

РЕФЕРАТ

ТЕМА: «ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ»

Выполнил: курсант группы 3117 Коваленко Г.В.

Ульяновск 2020



Содержание

измерение мощность амплитуда сигнал

Введение

1. Основные положения измерения мощности

1.1 Основные понятия

1.2 Необходимость измерения мощности

1.3 Историческая справка по измерению мощности

2. Основные методы измерения мощности

2.1 Тепловые датчики ВЧ-мощности

2.2 Детекторные (диодные) датчики ВЧ-мощности

2.3 Измерение амплитуды с использованием приемника

2.4 Измерение амплитуды ВЧ-сигналов с использованием монолитных интегральных схем

2.5 Измерение амплитуды с использованием непосредственной выборки ВЧ-сигналов

2.6 Измеритель уровня мощности ВЧ-сигналов

3. Выполнение измерений уровня мощности

3.1 Выбор оборудования

4. Точность измерений

4.1 Виды погрешностей в современном оборудовании

Заключение

Список литературы



Введение

Измерение мощности на высоких частотах представляет собой важный аспект для разработчиков и операторов с самого начала зарождения проводной и беспроводной связи и передачи информации. При сегодняшних сложных типах модуляции, постоянно увеличивающей потребности в беспроводной передаче и режимах импульсной связи точные и эффективные измерения мощности на высоких частотах стали жизненно необходимыми для обеспечения оптимальных рабочих характеристик коммуникационных систем и компонентов.

Существует много причин, из-за которых необходимо измерять высокочастотную мощность в широком диапазоне отраслей промышленности и технологий. В данном разделе рассматриваются вопросы практического использования устройств измерения мощности.

Измерение высокочастотной мощности получило мощный стимул к развитию с самого начала появления беспроводной связи. Не каждый сигнал точно соответствует возможностям устройств измерения мощности. Зная ширину полосы частот и динамический диапазон сигнала, можно значительно упросить выбор наилучшего способа измерения.



1. Основные положения измерения мощности

1.1 Основные понятия

С точки зрения физики мощность представляет собой скорость передачи энергии в единицу времени. Поскольку существует большое число различных форм энергии (кинетическая, потенциальная, тепловая, электрическая, химическая), также существует большое число различных форм мощности. Одно механическое определение энергии представляет собой силу, умноженную на расстояние ? сила, перемещающая объект, умноженная на его перемещения.

Энергия = Сила x Расстояние

Для определения мощности или скорости передачи энергию необходимо разделить на время ее передачи. Поскольку расстояние за единицу времени представляет собой скорость, механическая энергия часто рассчитывается как сила, умноженная на время.

Мощность = Сила x Расстояние / Время = Сила x Скорость

С электрической точки зрения сила приравнивается напряжению, также называемому «электродвижущей силой» (ЭДС). Эта указывает, под каким «давлением» перемещаются электроны. Скорость аналогична электрическому току, который представляет собой заряд (число электронов) в единицу времени.

Мощность (электрическая) = ЭДС x Ток

ЭДС обычно измеряется в вольтах, а ток ? в амперах. Один ампер - это один кулон (единица заряда, равная 6,2 x 10¹⁸ электронов) в секунду. Произведение тока и напряжения - это мощность в ваттах.

Ватты = Вольты x Амперы

При стабильном напряжение или стабильном токе вычисление средней мощности является довольно простым - достаточно перемножить среднее напряжение на средний ток. Однако если оба этих значения изменяются (как в случае переменного тока), то средняя мощность может быть вычислена только путем определения математического среднего значения мгновенной мощности за один или несколько периодов сигнала.

Если ограничиться только синусоидальными формами сигналами переменного тока, то можно увидеть, что мощность изменяется синхронно напряжению и току. На резистивных нагрузках фазы тока и напряжения совпадают. Фазы тока и напряжения одновременно будут либо положительными, либо отрицательными. На графике можно увидеть, что в любом случае мощность будет положительной, поскольку произведение двух отрицательных величин является положительным результатом. См. Рис. 1.

Если между током и напряжением имеется сдвиг по фазе, то в некоторые моменты напряжение и ток будут иметь противоположные полярности, что приведет к отрицательной мощности. В результате этого средняя мощность уменьшается даже в том случае, если амплитуда напряжения и тока не изменится.

Из-за этого для определения мощности сигнала недостаточно просто измерить напряжение или ток. Предпочтительным является непосредственное измерение уровня мощности, при котором сигнал подается на прецизионную оконечную нагрузку, на которой фаза напряжения и тока практически совпадают. Если это выполнено надлежащим образом, то для определения действительного уровня мощности может быть выполнено измерение напряжения на нагрузке.

50-омная резистивная нагрузка: сдвиг по фазе 0 градусов

На Рис.1 показана мгновенная и средняя мощность, когда напряжение и ток совпадают по фазе на резистивной нагрузке (сверху), и мгновенная и средняя мощность, когда напряжение и ток не совпадают по фазе на комплексной нагрузке (снизу)



1.2 Необходимость измерения мощности

Первый вопрос заключается в следующем - почему вообще требуется измерять мощность, а не напряжение? Дело заключается в том, что точные измерения напряжения, пригодные для выполнения последующего анализа, могут выполняться на постоянном токе, а при переменном токе это становится достаточно затруднительно. На звуковых частотах и на низких радиочастотах (диапазон длинных волн, частота ниже 10 МГц) можно отдельно измерять ток и напряжение сигнала. При увеличении частоты это становится все более трудным, и измерение мощности является более простым и более точным методом измерения амплитуды сигнала.

В СВЧ-диапазоне длина волны становится намного меньше, и все большее влияние оказывают отражения сигналов, стоячие волны и несоответствие импеданса. Надлежащим образом спроектированный детектор уровня мощности может минимизировать воздействие этих факторов и обеспечить выполнение точных и повторяемых измерений амплитуды. По этим причинам мощность и была принята в качестве первичного количественного показателя при измерении амплитуды любого ВЧ или СВЧ-сигнала.

Существует много причин необходимости измерения ВЧ-мощности. Наиболее распространенными являются проверка соответствия требованиям, предъявляемых на этапе проектирования, оборудования, проверка соответствия требованиям стандартов и нормативных актов, проверка обеспечения безопасности, проверка эффективности системы и проверка защиты компонентов; также существуют тысячи других уникальных вариантов применения, для которых измерение ВЧ-мощности является необходимым или полезным.

В промышленности средств связи (включая беспроводную связь) обычно существует большое число обязательных спецификаций, которые должны быть соблюдены передающими устройствами. Максимальная передаваемая мощность практически всегда является одной из важнейших спецификаций. Хотя на самом деле требуется ограничение фактически передаваемой мощности, в большинстве случаев на практике указывается максимальная мощность, подаваемая в передающую антенну.

Воздействие на передачу Перечисленных факторов

Помимо проблем, обусловленных необходимость соблюдения требований, предъявляемых регулирующими организациями, во многих системах связи также необходимо ограничение мощности передатчика для оптимального использования частотного спектра и географического размещения устройств беспроводной связи. Если два устройства передачи работают в одной и той же полосе частот и расположены достаточно близко друг от друга, то возможно, что приемникам будет тяжело различать сигналы, если уровень одного сигнала значительно выше уровня другого сигнала. Даже при коммерческом вещании мощность передачи каждого объекта вещания лицензируется и должна постоянно контролироваться для того, чтобы операторы не оказывали неблагоприятного воздействия на другие станции, занимающие те же самые или близкие частоты в соседних городах.

Управление мощностью передачи особенно необходимо в современных сотовых сетях, в которых операторы постоянно стремятся максимально увеличить емкость и пропускную способность системы. Во многих современных протоколах беспроводной связи используется тот или иной тип мультиплексирования, при котором большое число мобильных передатчиков (например, сотовые телефоны) одновременно передают данные на общую базовую станцию. В этаких ситуациях необходимо внимательно контролировать и управлять мощностью передачи каждого устройства таким образом, чтобы их сигналы поступали на базовую станцию с приблизительно одинаковыми амплитудами. Если одно устройство в канале имеет чрезмерно высокий уровень мощности передачи, то оно воздействует на процесс передачи других устройств, совместно использующих этот канал, и препятствует базовой станции декодировать эти сигналы.

Другая проблема управления мощностью в сотовых системах обусловлена непосредственной близостью базовых станций в перенаселенных зонах. Если какое-либо устройство передает чрезмерно высокий уровень мощности, то оно не только воздействует на сигналы в своей соте, но также может воздействовать на сигналы устройств в соседних сотах. Мобильные устройства в таких системах обычно поддерживают режим управления мощностью своих передатчиков в режиме реального времени как без обратной связи, так и с обратной связью. Без точного управления мощностью каждого устройства в диапазоне базовой станции возможно значительное уменьшение пропускной способности сети сотовой связи.

Чрезмерно высокий уровень мощности также опасен по другим причинам. Системы с более высокими уровнями передачи могут быть опасны для обслуживающего персонала и животных с биологической точки зрения. Часто указываются безопасные пределы по передаваемой мощности для защиты пользователей и посторонних лиц от опасного воздействия ВЧ-излучения большой мощности. В качестве примера потенциальной опасности ВЧ-излучения можно привести обычную микроволновую печью, которая может разогреть еду, а может стать и причиной ожогов. Радиопередатчики и радиолокационные передатчики работают на еще более высоких уровнях мощности и представляют еще большую опасность. Считается, что передающие устройства даже малой мощности (например, сотовые телефоны) могут стать причиной неблагоприятного биологического воздействия. Во всех этих случаях иногда требуется контролировать эффективную мощность для соблюдения требований стандартов или руководящих указаний по обеспечению безопасности.

Измерение мощности также очень важно для схемотехников. Любое электронное устройство может быть перегружено или повреждено чрезмерно высоким уровнем сигнала. Чрезмерно высокий уровень средней мощности может привести к перегреву и к повреждению и пассивных, и активных компонентов. Чрезмерно высокий уровень мгновенной («пиковой») мощности может привести к перегрузке полупроводниковых устройств, пробою диэлектрических изоляторов или к образованию дуги в пассивных компонентах, соединителях и кабелях.

Даже при уровнях мощности значительно ниже предельного уровня повреждения схемных компонентов чрезмерный уровень мощности может привести к перегрузке системы, ограничению сигналов, искажениям, потере данных и другим нежелательным последствиям. Таким же образом, недостаточный уровень мощности может привести к падению уровня полезного сигнала ниже уровня собственных шумов системы передачи, что также приведет к ухудшению качества сигнала или к его потере.

1.3 Историческая справка по измерению мощности

Необходимость измерения выходной мощности ВЧ-схем является актуальной с конца XIX-го века, когда Никола Тесла в первый раз продемонстрировал беспроводную передачу. Основным направлением работ Теслы была беспроводная передача электрической энергии, поэтому Тесла часто работал в мегаваттном диапазоне и в качестве относительной индикации мощности использовалась длина формируемого разряда. По очевидным причинам попытки выполнения «контактных» измерений не выполнялись.

В 1888 г. австрийский физик Эрнст Лехер разработал свой способ для измерения частоты ВЧ- или СВЧ- генератора с помощью параллельных проводов или стержней. Это устройство, часто называемое «лехеровскими линиями», состоит из пары параллельных неизолированных проводов или стержней, находящихся на фиксированном расстоянии друг от друга, со скользящей перемычкой между ними. Эти провода формируют высокочастотную линию передачи. При перемещении закорачивающей перемычки в этой линии создаются стоячие волны с пучностями (точки с максимальным напряжением) и узлами (точки с нулевым напряжением). Для вычисления частоты необходимо измерить физическое расстояние между двумя соседними пучностями или двумя узлами на линии передачи (длина волны сигнала равна этому удвоенному расстоянию между пучностями узлами).

Для определения местоположения пучностей и узлов Эрнст Лехер в качестве детектора мощности первоначально использовал простую лампу накаливания, подключаемую к этим проводам. Уровень свечения лампы накаливания соответствует амплитуде выходного сигнала генератора. Одним из недостатков использования лампы накаливания заключается ее низкий (и переменный) импеданс нити накаливания, который изменяет характеристики линии, и может воздействовать на резонансную частоту стоячей волны и амплитуду выходного сигнала генератора.

По этой причине лампа накаливания была заменена на высокоимпедансную лампу тлеющего разряда. Стеклянная колба помещалась прямо на провода, а поле ВЧ-сигнала средней мощности соответствовало уровню возбуждения тлеющего разряда в лампе. Лампа тлеющего разряда сильно не изменяет импеданс созданного колебательного контура, что облегчает ее использование для визуального определения местоположения пучностей и узлов при перемещении по проводам. Затем стали использовать неоновые лампы, но свойственное им высокое напряжение зажигания затрудняет точную локализацию узлов (точек минимального напряжения).

Историческое фото опытов Николы Теслы

В 1933 г. инженер Вестингхауз, лауреат Нобелевской премии, усовершенствовал часть изобретений Николы Теслы и смог передать несколько сотен ватт на частоте 100 МГц на расстояние около десяти метров. Эта передача ВЧ-энергии без проводов была продемонстрирована на Всемирной выставке в Чикаго. Используемая частота была достаточно низкой, чтобы напряжения передаваемых и принимаемых сигналов можно было напрямую измерить с помощью стандартных электронных устройств того времени - с помощью вакуумной лампы и детекторов с проволочными контактами. Однако на более высоких частотах эти простые методы недостаточно эффективны ? лампы и проволочные контакты не могут обеспечить необходимую точность и повторяемость измерений.



Устройство Эрнста Лехера для измерения амплитуды ВЧ-сигналов

Братья Вариан использовали другой способ индикации в конце 1930-х годов во время разработки клистрона. Они просверлили маленькое отверстие на боковой стороне объемного резонатора и разместили рядом с ним люминесцентный экран. Свечение клистрона указывает на наличие высокочастотных сигналов, а яркость свечения может использоваться для грубой индикации уровня мощности при выполнении настройки. Необходимо отметить, что на самом деле часть маленьких передатчиков, произведенных в 1960-х годах, содержали маленькую лампу накаливания или неоновую лампу в последнем резонансном контуре для выполнения настройки. Этот резонансный контур настраивается по максимальной яркости свечения лампы. Эти технологии попадают в категорию индикаторов ВЧ-сигналов, а не фактических средств измерения.

Проточный калориметр, известное устройство для других вариантов использования, адаптирован для измерения более высоких уровней ВЧ-сигналов за счет для измерения теплового воздействия ВЧ-энергии, и может использоваться везде, где можно установить «поглощающую нагрузку». Контролируя поток воды и повышение температуры воды, используемой для охлаждения нагрузку, достаточно просто измерить среднюю мощность, рассеиваемую нагрузкой, за длительный промежуток времени.

Использование термопары является одним из самых старых способов прямого измерения низких уровней ВЧ-мощности. В этом случае измеряется тепловое воздействие на нагрузку, и в настоящее время это способ по-прежнему широко используется для измерения «истинной среднеквадратической» мощности. ВЧ-амперметры на основе термопар использовались до 1930-х годов, но их использование было ограничено низкими частотами. Только в 1970-х годах были разработаны термопары, которые предоставил возможность их использования в качестве датчикам в диапазоне ОВЧ и СВЧ.

В последующие годы использование термопар и полупроводниковых диодов предоставило возможность улучшения чувствительности и увеличения диапазона измерений. К середине 1940-х годов хрупкие, галеновые детекторы с «проволочными контактами» были заменены стабильными, корпусированными диодами, которые могли быть откалиброваны в соответствии с применяемыми стандартами и которые могли использоваться при выполнении большей части измерений уровня мощности высокочастотных сигналов.

Измерение уровня мощности с использованием полупроводниковых диодов получило дальнейшее развитие в 50-х и 60-х годах.

Высокочастотные вольтметры и измерители уровня мощности продолжали развиваться в течение 70-х за счет применения цифровых и микропроцессорных технологий, но все они были устройствами, измеряющими «только среднее значение», и только некоторые из них поддерживали возможность измерения пиковых значений. При необходимости измерения характеристик импульсных сигналов используется осциллограф и диодный выпрямитель для просмотра формы сигнала и выполнения измерения среднего уровня мощности группового сигнала с помощью либо измерителя уровня мощности непрерывных сигналов, либо измерителя более высокого уровня мощности (например, калориметра).



2. Основные методы измерения мощности

Используется несколько различных методов измерения ВЧ-мощности. Эти методы разделены на четыре категории:

Тепловой Измеряется тепловое действие ВЧ-мощности на чувствительном элементе.

Детекторный ВЧ-сигнал выпрямляется («детектируется») для вывода напряжения постоянного тока, пропорционально амплитуде сигнала.

С приемником Сначала сигнал принимается схемой типа «тюнер», а затем измеряется его амплитуда.

С выборкой ВЧ-сигнала ВЧ-сигнал обрабатывается как сигнал переменного тока AC в основной полосе частот и затем оцифровывается.

И тепловой, и детекторные способы измерения представляются собой измерения «прямого типа», в которых амплитуда ВЧ-сигнала, подаваемого на нагрузку, измеряется посредством преобразования сигнала высокой частоты в легко измеряемый сигнал постоянного тока. Это преобразование «сигнал высокой частоты ? сигнал постоянного тока» обычно выполняется в непосредственной близости к источнику сигналов путем подключения преобразователя-датчика малого размера, называемого «датчиком ВЧ-мощности» для тестируемого устройства.

Измеритель уровня мощности

Сотовый телефон Передатчик базовой станции Источник ВЧ-сигналов

ВЧ-сигнал

Термисторы ИЛИ

Термопара ИЛИ

Диод

Поглощающий детектор уровня мощности

Пропорциональный сигнал постоянного тока

Усилитель АЦП

Обработка Отображение

Базовый модуль измерителя

уровня мощности

Блок-схема прямого измерения уровня мощности

Способы измерения с использованием приемника и с выборкой ВЧ-сигнала обычно являются косвенными (непрямыми) ? сигнал подается в измерительное устройство по кабельному соединению, обрабатывается в многоступенчатой схеме для вывода информации об амплитуде и затем масштабируется по мощности.

2.1 Тепловые датчики ВЧ-мощности

В тепловых датчиках входящая ВЧ-энергия повышает температуру оконечной нагрузки. Повышение температуры нагрузки измеряется либо прямо, либо косвенно, после чего вычисляется подаваемая входная мощность. Самым простым является первый детектор в виде лампочки, используемый Эрнстом Лехером в конце 1800-х годов в датчиках с термисторами (болометрах) в качестве ВЧ-нагрузки и устройства измерения температуры используется термоэлемент (так называемый «термистор»). Сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры, что обеспечивает простое измерение его температуры путем измерения его внутреннего сопротивления.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Чаще всего термистор размещается в одном углу моста Уитстона, и используется способ замещения постоянного тока, при котором управляемый ток смещения постоянного тока подается на мост для нагрева термистора до тех пор, пока его сопротивление не станет равно сопротивлению других резисторов моста и пока не будет установлено уравновешенное состояние моста. Для усиления выходного сигнала моста и для управления всем мостом с помощью этого тока смещения (за счет нагрева термистора вплоть до установки уравновешенного состояния моста) используется схема автоматической балансировки. Суммарное воздействие заключается в том, что термистор будет использоваться при постоянной температуре, при которой его сопротивление сохраняет надлежащее значение для обеспечения согласованной нагрузки для ВЧ-сигнала ? обычно 50 или 100 Ом.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Общая мощность, рассеиваемая термистором, представляет собой сумму входящей ВЧ-мощности и мощности, обусловленной подачей тока смещения постоянного тока. Мощность, обусловленная ВЧ- нагревом, может быть вычислена путем вычитания эталонной мощности «только по постоянному току» термистора (это значение измеряется при отсутствии ВЧ-сигнала и затем сохраняется) из общей мощности (мощность по постоянному току + мощность ВЧ-сигнала). Когда мост находится в уравновешенном состоянии, рассеяние мощности на термисторе, подачей тока смещения постоянного тока, легко вычисляется как одна четверть общей мощности моста (произведение тока через мост и напряжения на мосте). Другие три резистора в мосте характеризуются малым температурным коэффициентом сопротивления.

На практике применяется два идентичных моста с термисторами, но только один из них используется для измерения мощности ВЧ-сигнала. Второй мост используется для компенсации изменения температуры окружающего воздуха.

ВЧ-сигнал подается на согласованную нагрузку термопарного датчика, и измеряется повышение его температуры. Повышение температуры обусловлено действием принципа термопары. Термопара формируется металлургическим переходом между двумя разнородными металлами, который формирует небольшое напряжение в ответ на градиент температуры через каждый металлический сегмент ? обычно всего несколько десятков микровольт на градус Цельсия.

На практике в термопарном датчике мощности может быть последовательно соединено несколько термопар для формирования термоэлектрической батареи. Это обеспечивает увеличение выходного напряжения, что облегчает его усиление и измерение измерителем уровня мощности. Как правило, термоэлектрическая батарея также формирует ВЧ-нагрузку и подключается таким образом, чтобы ВЧ-энергия проходила только через один конец каждой термопары («горячий переход») и нагревала только этот конец. Это выполняется за счет емкостной связи по высокой частоте при поддержании связи по постоянному току для выходного сигнала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выходное напряжение термопарного датчика мощности имеет практически линейную зависимость от входной мощности и имеет относительно большую временную константу из-за задержек теплового потока. Это означает, что формируется показание, пропорциональное среднему значению подаваемой ВЧ-мощности. Из-за этого термопарные датчики обычно используются для измерения среднего уровня мощности модулированного сигнала. Из-за относительно низкой чувствительности применение термопарных датчиков существенно ограничено в случаях, когда уровень ВЧ-мощности меньше нескольких микроватт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.2 Детекторные (диодные) датчики ВЧ-мощности

В диодных датчиках для обнаружения ВЧ-напряжения на резисторе оконечной нагрузки используются высокочастотные полупроводниковые диоды. Эти диоды выполняют преобразование «напряжение переменного тока - напряжение постоянного тока», и это напряжение постоянного тока измеряется измерителем уровня мощности и масштабируется для формирования показания уровня мощности. Строго говоря, эти датчики являются не детекторами уровня мощности, а детекторами напряжения, поэтому изменения импеданса оконечной нагрузки могут привести к большим ошибкам измерений из-за рассогласования по сравнению с тепловыми датчиками. Предыдущие устройства были простыми диодными выпрямителями из галенита с проволочными контактами для формирования грубого диодного перехода.

В диодных датчиках ВЧ-мощности один или несколько диодов выполняют функцию выпрямления (обнаружение пиков сигналов) на высоких уровнях и действуют в качестве нелинейного резистора на низких уровнях, проводя больший ток в прямом направлении, чем в обратном направлении. Это показано на Рис. 2. Обычно к выходу диода подключается сглаживающий конденсатор для преобразования пульсирующего напряжения постоянного тока в напряжение с установившейся амплитудой. Как правило, используется два диода, поэтому выполняется обнаружение и положительных, и отрицательных периодов несущей; благодаря этому датчик является относительно нечувствительным к искажениям на четных гармониках. Выходное напряжение постоянного тока диодного детектора пропорционально мощности при низких уровнях сигнала и пропорционально пиковому напряжению ВЧ-сигнала при высоких уровнях сигнала. Для обеспечения высокой чувствительности сопротивление нагрузки, управляемое выходом диода, обычно равно несколькими мегаомам.

Если уровень входного ВЧ-сигнала ниже -20 дБм (пиковое напряжение несущей около 30 мВ), то этого уровня недостаточно для полного открытия диодов в прямом направлении. В этом случае диоды функционируют как нелинейные резисторы, как показано на Рис.. ниже, и формируют выходной сигнал постоянного тока, который почти пропорционален квадрату подаваемого ВЧ-напряжения. Эта область характеристики диодного датчика называется «областью квадратичного детектирования». При работе в этой области среднее выходное напряжение постоянного тока будет пропорционально среднему уровню ВЧ-мощности даже при наличии модуляции. Это означает, что диодный датчик может использоваться для измерения среднего уровня мощности модулированного сигнала, если мгновенная (пиковая) мощность все время находится в области квадратичного детектирования диодов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При уровне сигнала выше 0 дБм (пиковое входное напряжение 300 мВ) диоды переходят в состояние полной проводимости в прямом направлении в каждом периоде несущей, а пиковое напряжение ВЧ- сигнала удерживается сглаживающими конденсаторами. В этой области характеристики датчик функционирует как пиковый детектор (также называется «детектором огибающей модулированного сигнала»), а выходное напряжение постоянного тока будет равно удвоенной амплитуде входного ВЧ- сигнала минус удвоенное падение напряжение на диоде в прямом направлении. Эта область характеристики диодного датчика называется «областью обнаружения пиковых значений». При работе в этой области среднее выходное напряжение постоянного тока будет пропорционально пиковому уровню ВЧ-напряжения.

Динамический диапазон диодных детекторов очень большой, режимы работы в этих двух областях совершенно разные, и ответная реакция датчика является нелинейная во всем динамическом диапазоне. «Область квадратичного детектирования» и «область обнаружения пиковых значений», а также «переходная область» между ними (обычно приблизительно от -20 дБм до 0 дБм), в измерителе уровня мощности должны быть линеаризованы. Этот процесс линеаризации не представляет никаких трудностей для современных измерителей уровня мощности.

Рис. 2 Кривая l-V, показывающая характеристику «нелинейного резистора» (сверху), и характеристика l-V диода в низкоуровневой «области квадратичного детектирования» (справа) и в высокоуровневой «области обнаружения пиковых значений» (слева)

Несмотря на высокую чувствительность и простую линеаризацию, которые достигаются за счет применения цифровых методов обработки, при модуляции возможна перегрузка диодных датчиков, если пиковая амплитуда сигнала превышает верхнее предельное значение области квадратичного детектирования. При наличии высокоуровневой модуляции амплитуда ВЧ-сигнала переходит в область обнаружения пиковых значений диодного детектора. В этой ситуации выходное напряжение детектора будет быстро подниматься до максимальных пиковых значений и затем медленно опускаться при падении уровня сигнала. Поскольку входной сигнал может иметь любую амплитуду во время падения напряжения конденсатора, больше не возможно будет определить эффективный средний уровень мощности модулированного сигнала, после того, как пиковый уровень ВЧ-мощности перейдет в область обнаружения пиковых значений диода.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Одно из решений этой проблемы заключается в загрузке диодного детектора таким образом, чтобы уровень выходного напряжения уменьшался быстрее и отслеживал изменения огибающей модулированного сигнала. Обычно это достигается уменьшением сопротивления и емкости нагрузки, которая подключается после диодов (R_L и C_L на Рис.). Если выходной сигнал датчика точно отслеживает огибающую модулированного сигнала без значительной задержки по времени или без эффекта фильтрации, то, как правило, можно выполнить надлежащую линеаризацию выходного сигнала в режиме реального времени и можно выполнить любую необходимую фильтрацию этого линеаризированного сигнала. Это предоставляет возможность достаточно быстродействующему диодному датчику точно измерять как мгновенную, так и среднюю мощность модулированных сигналов с любым уровнем мощности в динамическом диапазоне датчика. Этот тип датчика обычно называется «датчиком пикового уровня мощности» и более подробно рассматривается в разделе 4.2.



2.3 Измерение амплитуды с использованием приемника

В некоторых ситуациях уровень ВЧ-мощности измеряется косвенным образом с использованием процесса «приемника». Оборудование может различаться от типа приемника до типа анализатора спектра, по типу специализированному тестового комплекта или по типу векторного анализатора сигналов (VSA).

Методика измерений аналогична методике измерений, используемой в обычных радиосистемах с амплитудной модуляцией (AM). Входной сигнал грубо настраивается и преобразуется с понижением частоты до промежуточной частоты (IF) путем объединения в смесителе входящего ВЧ-сигнала с выходным сигналом гетеродина (LO). В выходном сигнале смесителя представлены результаты и суммы, и разницы частоты гетеродина с исходным сигналом. Частота гетеродина (LO) регулируется таким образом, чтобы результат разницы частоты гетеродина с исходным сигналом был равен требуемой промежуточной частоте. Затем эта промежуточная частота (IF) подается на один или несколько настроенных каскадов, которые усиливают сигнал и ограничивают его полосу частот таким образом, чтобы измерение выполнялось только в требуемом диапазоне входных ВЧ- сигналов. Усиленная и подстроенная промежуточная частота затем либо напрямую оцифровываются, либо демодулируется с использованием какого-либо типа детектора.

Некоторые измерительные устройства в этой категории (например, анализаторы спектра) могут регулировать или «качать» параметры настройки цепи приема (например, частоту настройки и ширину полосы частот (разрешение) ВЧ-сигнала. Это обеспечивает значительное преимущество и гибкость в случаях, когда требуется информация о спектральном составе сигнала, но возможны затруднения при попытке выполнения точных измерений уровня мощности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основная причина этого заключается в том, что измерения с использованием приемника не являются измерениями уровня мощности в полном смысле этого слова, а скорее являются измерениями абсолютной амплитуды составляющей напряжения сигнала в конкретном диапазоне частот. Этот способ узкополосных измерений, или способ настраиваемых измерений, очень отличается от широкополосных измерений уровня мощности с использованием датчика; и выводимый результат часто не совпадает с результатом измерения фактического уровня мощности.

2.4 Измерение амплитуды ВЧ-сигналов с использованием монолитных интегральных схем

Как было сказано, одна из составляющих «беспроводной революции» была сосредоточена на расширении возможностей беспроводной передачи. Часть увеличения этих возможностей обусловлена использованием различных типов схем мультиплексирования, которые предоставляют нескольким устройствам мобильной связи возможность одновременной работы по одному каналу в восходящем направлении. Многие из этих протоколов зависят от того, каким образом устройства беспроводной связи контролируют и управляют своей передаваемой мощностью для того, чтобы сигнал какого-либо одиночного устройства не преобладал в составном сигнале, принимаемом приемником базовой станции. За счет выполнения процедуры выравнивания амплитуд принимаемых сигналов от всех мобильных передатчиков базовая станция может разделять отдельные сигналы.

Из-за необходимости выполнения этого требования возникло семейство интегральных схем, предназначенных для текущего контроля амплитуды ВЧ-сигналов в режиме реального времени. Существует несколько различных типов интегральных схем, которые были представлены за эти годы, включая детекторы истинного среднеквадратичного значения напряжения, демодулирующие логарифмические усилители, аналоговые множители и специализированные интегральные схемы индикации уровня принимаемого сигнала (RSSI). Они обладают следующими общими рабочими характеристиками - они содержат «быстрый» входной каскад ВЧ-сигналов и выводят напряжение постоянное напряжение, которое - некоторой степени ? пропорционально амплитуде входного сигнала.

Типовые интегральные схемы обнаружения ВЧ-сигналов

Эти интегрированные решения обычно имеют низкую стоимость и зачастую характеризуются нелинейной амплитудно-частотной характеристикой. Практически всегда эти схемы не калибруются и обычно предназначены для конкретного варианта применения. Кроме того, большая часть этих схем выполняет функцию измерения напряжения, а не функцию обнаружения действительного уровня мощности, хотя надлежащая входная схема может принять сигнал таким образом, чтобы мог быть вычислен эквивалентный уровень мощности. По этим причинам интегральные схемы обнаружения ВЧ-сигналов ограничены по своим возможностям использования для измерений ВЧ-мощности общего назначения.

2.5 Измерение амплитуды с использованием непосредственной выборки ВЧ-сигналов

Если частота несущей имеет достаточно низкое значение, то сигнал можно обработать как напряжение переменного тока в полосе частот модулирующих сигналов и напрямую оцифровать его для вывода информации об амплитуде. Для этого могут использоваться высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь или цифровой запоминающий осциллограф (DSO).

Для точного измерения амплитуды сигнала частота выборок должна быть намного выше частоты Найквиста ? обычно в четыре раза выше частоты несущей для непрерывных сигналов (CW) и в десять раз выше частоты несущей для широкополосных модулированных сигналов. Для большей части сигналов современных систем связи и радиолокационных систем с частотами несущих в гигагерцовом диапазоне, использование достаточно высокой частоты выборки для выполнения этого критерия характеризуется высокой стоимостью (см. блок-схему аналого-цифрового преобразователя).

Альтернативным вариантом использования частоты выборки Найквиста является выборка с меньшим числом шагов выборки сигнала при поддержании достаточно высокой ширины полосы частот при выборке для отслеживания несущей. При этом способе используется выборка с запоминанием значений в широкой полосе частот, но не требуется, чтобы аналого-цифровой преобразователь работал с максимально возможной частотой. Этот вариант является реальной альтернативой выборке на частоте Найквиста, если для однократных событий не требуется полное восстановление несущей ВЧ-сигнала. Необходимо отметить, что требуется очень внимательно выбирать частоту относительно частоты несущей ВЧ-сигнала для предотвращения возникновения искажений, обусловленных наложением спектров (дискретизируемого сигнала при частоте выборки, меньшей частоты Найквиста).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.6 Измеритель уровня мощности ВЧ-сигналов

Измеритель уровня мощности ВЧ-сигналов представляет собой точное измерительное устройство, специально разработанное для измерения уровня ВЧ-мощности. Обычно измеритель измеряет эффективную мощность, рассеиваемую на оконечной нагрузке, и является, таким образом, «однопортовым» устройством. Предыдущие измерители уровня мощности ВЧ-сигналов часто назывались «ВЧ-микроваттметрами», но к настоящему времени этот термин устарел, и термин «ваттметр» обычно относится к другому классу устройств, рассматриваемому ниже (см. раздел «ВЧ-ваттметр»).

В большинстве случаев измеритель уровня мощности ВЧ-сигналов выполняет свою задачу с использованием одного из рассмотренных выше способов «прямых» измерений уровня мощности ВЧ-сигналов - либо тепловой, либо детекторный способ ? с оконечной нагрузкой и детектором уровня мощности, интегрированными в один широкополосный модуль. Этот модуль обычно называется «датчиком мощности» или «головкой датчика мощности» и имеет достаточно малые размеры, благодаря чему его входной соединитель может быть напрямую подключен с источником ВЧ-сигнала без использования кабельных соединений.

Измерители уровня мощности Boonton 4240 с подключенными датчиками

Датчики ВЧ-мощности калибруются для обеспечения линейности амплитуды и частоты, и, как правило, содержат модуль температурной стабилизации. Датчики предназначены для работы с малыми уровнями мощности (обычно менее 1 Вт), но иногда их входной диапазон увеличивается до средних уровней мощности (примерно до 50 Вт) за счет интеграции мощных входных аттенюаторов. Если установлен входной аттенюатор, то детектор и аттенюатор, как правило, калибруются как один блок для обеспечения максимальной точности. Датчик мощности может содержать активные электронные устройства после детектора.

Выход датчика мощности может быть несимметричным или симметричным (дифференциальным) и может быть представлен либо как сигнал постоянного тока, либо как сигнал из полосы частот модулирующих сигналов огибающей входного сигнала. Выходной сигнал обычно буферизуется или усиливается, затем передается по кабелю на базовый блок измерителя уровня мощности, в котором прецизионными аналоговыми каскадами может быть выполнена его необходимая последующая обработка, линеаризация и отображение. В измерителях уровня мощности предыдущих моделей для отображения показаний использовалось аналоговое измерительное устройство, а в измерителях уровня мощности современных моделей перед отображением результатов измерений выполняется вся необходимая оцифровка, обработка и анализ сигналов. Поскольку комбинация устройств «датчик мощности + измеритель уровня мощности» используется для прямого измерения уровня мощности, обычно отсутствует коммутация входных сигналов, усиление ВЧ-сигналов или ограничение ширины полосы частот, представляющие собой типовые источники ошибок. По этой причине такая комбинация, как правило, предоставляет самый точный способ измерения суммарной мощности ВЧ-сигнала.

Другим типовым устройство для измерения уровня ВЧ-мощности является ВЧ-ваттметр. ВЧ-ваттметр представляет собой двухпортовое устройство (вход и выход), в котором измеряется уровень ВЧ-мощности, проходящей через это измерительное устройство. Эти устройства называются «ваттметрами проходного (сквозного) типа». Такое устройство отличается от измерителя уровня мощности, который содержит входной соединитель, и входной сигнал поступает на согласованную оконечную нагрузку внутри этого устройства. Ваттметр рекомендуется использовать для измерения эффективной мощности, подаваемой на нагрузку или в антенну. Из-за того, что импеданс нагрузки может измениться, ваттметр не может использоваться для точной индикации характеристик передатчика, и чаще всего используется для текущего контроля мощности внутри системы, а не для точного измерения уровня мощности. Ваттметры обычно измеряют мощность, проходящую в одном направлении (от входа на выход), и могут использоваться для измерения мощности в прямом направлении или отраженной мощности в зависимости от используемого варианта подключения. В некоторые ваттметры встроены элементы управления для выбора того, измерение какого компонента выполняется.

Ваттметры чаще используются для более высоких уровней мощности, и во многих случаях могут быть полностью пассивными - энергия для управления дисплеем или измерителем выделяется непосредственно из ВЧ-сигнала. Измеритель уровня мощности всегда может использоваться в качестве ваттметра при использовании трех- или четырехпортового ВЧ-устройства, например направленного соединителя. За счет надлежащего выбора соединителя и аттенюаторов можно измерять сигналы в пределах от милливатт до мегаватт. Использование двухканального измерителя уровня мощности (с двумя датчиками мощности) предоставляет возможность одновременного измерения мощности в прямом направлении и отраженной мощности. Большинство из этих устройств выполняет относительные измерения между каналами, что обеспечивает непосредственное отображение обратных потерь. Некоторые модели отображают даже вычисленное значение КСВН. Это делает измерители уровня мощности очень полезными для определения проблем либо источника сигнала (передатчика или усилителя мощности), либо нагрузки (антенны) в системе передачи.



3. Выполнение измерений уровня мощности

Сигналы современных систем связи и радиолокационных систем являются сложными комплексными сигналами, поэтому для измерения параметров этих сигналов требуется современное сложное измерительное оборудование, включая измерители уровня мощности ВЧ-сигналов. В данном разделе рассматривается оборудование измерения уровня мощности и варианты его применения и также рассматривается использование имеющихся способов измерений и измерительных устройств в соответствии с требованиями,

3.1 Выбор оборудования

Измерение ВЧ-мощности может быть совершенно несложным для простых сигналов, но постоянно возрастающее усложнение сигналов приводит к тому, что на точность измерений оказывает все большее воздействие частота, амплитуда и типы модуляции. В данной главе рассматриваются наиболее распространенные варианты измерений и использование имеющихся измерительных устройств в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Итак, вам необходимо измерить уровень мощности. Первый вопрос: на что похож измеряемый сигнал? Для выбора надлежащего оборудования необходимо знать некоторую информацию:

• Диапазон частот ? минимальная и максимальная частота несущей

• Ширина полосы частот видеосигнала - узкая или широкая

• Требование по времени нарастания - время нарастания импульса

• Динамический диапазон - минимальный и максимальный ожидаемые уровни мощности

• Модуляция - модуляция непрерывным сигналом, импульсная модуляция, аналоговая модуляция или цифровая модуляция

• Подключение ? тип соединителя (коаксиальный кабель или волноводное соединение)

• Импеданс - 50 Ом или другой

Затем необходимо знать, какие типы измерения сигнала могут потребоваться.

• Только уровень мощности, либо также требуется информация о спектре

• Только среднее значение (при необходимости импульсная мощность вычисляется с учетом скважности)

• Ограниченная информация о пиковых значениях (отношение пикового к среднему уровню мощности)

• Измерения временных характеристик (профиль импульса)

• Статистический анализ уровня мощности

Для простых непрерывных сигналов существует широкий выбор решений. Измеритель уровня мощности непрерывного сигнала обычно является самым экономичным вариантом выбора и может измерять среднюю мощность просто и высокой точностью. Для модулированного сигнала измеритель уровня мощности непрерывного сигнала все еще может быть хорошим вариантом выбора, если выбран подходящий датчик мощности. Первым шагом является выбор датчиков, совместимых с первичными характеристиками измеряемого сигнала, ? минимальный и максимальный ожидаемые уровни мощности, частота несущей и импеданс источника сигнала. Информацию о выборе датчика мощности см. в следующем разделе данного справочника.

Главное ограничение измерителя уровня мощности заключается в том, что он указывает только амплитуду. В случаях когда также требуется информация о спектре, боле предпочтительными могут быть другие решения. Для измерения амплитуды и вывода информации о спектральном распределении сигнала используются векторные анализаторы сигналов, анализаторы спектра и измерительные приемники.

Ни одно из этих устройств не является измерителем действительного уровня мощности, поскольку эти устройства, как правило, измеряют амплитуду напряжения в узкой полосе частот, а не уровень мощности в широкой полосе частот (тепловое действие). Однако в определенных случаях узкополосные измерения могут быть более предпочтительны. Кроме того, эти типы устройств часто выполняют измерение с качанием частоты в определенном диапазоне частот; также при качании частоты могут пропускаться повторные события, при которых генерируются пиковые уровни мощности на определенных частотах. Это происходит, когда фильтр качания частоты анализатора не согласован со средней частотой события пикового уровня мощности в точный момент времени возникновения этого события. Принятие оптимального решения по использованию измерителей уровня мощности и анализаторов спектра более подробно рассматривается в данной главе.

Средняя мощность модулированного сигнала может быть измерена измерителем уровня мощности непрерывного сигнала или измерителем уровня мощности, реагирующим на среднюю мощность, с надлежащим датчиком. Если же пользователю требуется какая-либо сортировка информации о пиковых значениях, либо если сигнал характеризуется чрезвычайно высоким отношением пикового к среднему уровню мощности, то измеритель пикового уровня мощности часто является предпочтительным вариантом выбора. Измерители пикового уровня мощности имеют различные параметры, которые должны быть согласованы с сигналом и вариантом применения для обеспечения точных измерений уровня мощности. Как датчик, так и измеритель уровня мощности должны иметь достаточную ширину полосы частот для сигнала; в противном случае будут возникать ошибки измерения уровня мощности, обусловленные взаимной модуляцией.

Измерители пикового уровня мощности почти всегда одновременно измеряют среднюю мощность и пиковую мощность, а также указывают отношение между двумя этими значениями. Большинство измерителей поддерживает выполнение запускаемого сбора данных о форме сигнала и может выполнять то или иное профилирование импульса. Наиболее совершенные модели обеспечивают подробный анализ формы сигнала с временным разрешением в доли наносекунд и сбор статистической информации об уровне мощности.

Необходимость в информации о пиковой мощности при выполнении измерений модулированных сигналов обычно определяется вариантом применения. Для простых тестов типа «годен/не годен», в которых результат измерения того или иного устройства сравнивается с эталонным значением, вполне достаточным является измерение среднего уровня мощности.

В этом случае будет указано, что тестируемое устройство выдает ВЧ-мощность приблизительно с ожидаемым уровнем и поэтому оно, скорее всего, является работоспособным. Однако при попытке определения количественных рабочих параметров, часто необходимо измерять параметры пиковой мощности, либо выполнять профилирование сигналов или импульсов.

Для импульсных сигналов, например для сигналов радиолокационных систем, обычно выбираются измерители среднего уровня мощности. Если импульс имеет почти прямоугольную форму, его скважность точно известна и сигнал характеризуется минимальным «размыванием формы» и минимальными помехами в интервале «импульс выключен», то для вывода импульсной мощности может быть выполнена простая коррекция скважности. Однако во многих случаях эти требования не могут быть соблюдены и из-за этого необходимо контролировать форму сигнала (обычно с помощью осциллографа и диодного выпрямителя) для обеспечения требуемых характеристик.

В этих случаях измеритель пикового уровня мощности зачастую является более экономичным решением. Большинство измерителей пикового уровня мощности может измерять и отображать формы импульсов с высокой степенью точности с указанием средней мощности, импульсной мощности и формы импульса. Более современные устройства могут измерять большую часть параметров импульсных сигналов (например, время нарастания импульса, ширину импульсных, выброс на фронте импульса и срез импульса).

Необходимость измерений пикового уровня значительно увеличилась в последние годы, поскольку область беспроводной связи заняли технологии с использованием цифровой модуляции. Эти сигналы характеризуются высоким отношением пикового к среднему уровню мощности с относительно нечастым появлением максимальных пиков. За счет этого разность между номинальным и максимально допустимым значением усилителя становится важным параметром, поскольку отсечение таких пиков приводит к потере данных. Но поскольку такие отсекаемые пики появляются относительно редко, воздействие такого отсечения на среднюю мощность сигнала может быть совершенно несущественным. Это приводит к тому, что при измерении только средней мощности довольно трудно обнаружить события сжатия или отсечения сигнала.

...