Лекция №11 измерение мощности icon

Лекция №11 измерение мощности


3 чел. помогло.
Смотрите также:
Лекция 3
Лекция №15 Тепловые процессы в имс система параметров теплового режима имс...
Правительство российской федерации постановление от 24 февраля 2010 г...
Потери активной мощности в длинных линиях при согласованных...
Моделирование статического компенсатора реактивной мощности и мощности искажений на базе...
Исследование мощности и кпд замкнутой дифференциальной гидростатической передачи с внутренним...
Типовые задачи для самостоятельной работы...
«измерение»
Лекция 11
Вводный семинар, вводная лекция, занятия по целе-полаганию, лекция-беседа...
Лекция Измерение национального производства...
Магнитострикционный преобразователь параметров движений Классификация (тематическое направление)...



Загрузка...
скачать
Лекция №11 ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ


Общие сведения

К измерению мощности в практической радиотехнике прибегают во всем частотном диапазоне — от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. Из­мерять уровни мощности приходится в очень широких пределах — от 10-18 до 108 Вт.

В последние годы при измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используют относительные (логарифмические) единицы мощности (децибе­лы). Отметим, что относительные единицы измерения имеют ряд существенных пре­имуществ и применяются для оценки мощности источников радиотехнических сиг­налов, степени их усиления или ослабления, чувствительности приемных устройств, погрешностей измерений и пр.

Новые возможности в решении задач измерения мощности открыли достижения в области физики, микроэлектроники, и особенно цифровой техники, позволившие авто­матизировать измерительную процедуру и проводить ее в интерактивном режиме.

Как физическая величина, электрическая мощность определяется работой, со­вершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записывается следующим образом: джоуль/сек = ватт.

Измерение мощности в различных частотных диапазонах имеет определен­ные особенности. Измерители электрической мощности промышленной час­тоты наряду со счетчиками энергии являются основой действующей системы учета потребления электрической энергии в народном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких час­тот имеет ограниченное значение, поскольку на частотах до нескольких де­сятков мегагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдвиги, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжения и токов те­ряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. Вместе с тем поток мощности через любое попереч­ное сечение линии передачи всегда остается неизменным. По этой причине основным параметром, характеризующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность.

В этой лекции пойдет речь об измерении мощности в основном на высоких и сверх­высоких частотах. Краткие сведения об измерении мощности на по­стоянном токе и токе промышленной частоты приведены постольку, поскольку они необходимы для описания методов и средств измере­ний на более высоких частотах.

Измерение мощности в электрических цепях является распростра­ненным видом измерения, характеризующим работу электрических устройств. В технике СВЧ в связи с соизмеримостью размеров цепей и длины волны — это единственный способ однозначной оценки интен­сивности электромагнитного поля.

В цепях постоянного тока мощность, потребляемая нагрузкой, равна произведению тока и напряжения и ее можно определить косвен­ным методом с помощью амперметра и вольтметра или прямым — с помощью электродинамического ваттметра.

В цепях переменного синусоидального тока различают активную (среднюю за период) мощность

(1)

и реактивную мощность Q= UI sin φ, где U — действующее значе­ние напряжения на нагрузке; I — действующее значение тока, проте­кающего через нагрузку; φ — фазовый сдвиг между напряжением и током.

Преимущественно измеряется значение активной мощности.


Если нагрузка RH в электрической цепи чисто активная (φ = 0), то мощ­ность переменного тока



Для сигнала произвольной формы, имеющего периодическую структуру, электрическую мощность можно оценить с помощью ряда Фурье:



где U0, I0 — постоянные составляющие; Un, In — средние квадратические значения гармоник напряжения и тока;φ— фазовый сдвиг между гармони­ками напряжения Un и тока In.

В цепях с током промышленной частоты активная мощность изме­ряется с помощью электродинамических ваттметров, показания кото­рых соответствуют формуле (1).

Принцип действия электродинамического ваттметра основан на том, что угол поворота α рамки (со стрелкой) электродинамического прибора пропор­ционален произведению токов, умноженному на косинус угла φ между ними:



где k — постоянный для данного прибора коэффициент.

Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой ZH, к которой приложено действующее значение напряжения Uн и через нее протекает гармонический ток со средним квадратическим зна­чением Iн и сдвинутый по фазе на угол φ по отношению к напряжению.

Схема включения катушек ватт­метра показана на рис. 11.1, где Rдоб — добавочное сопротивление. Если параметры ваттметра выбраны так, что Rдоб » ZH, то ток в неподвиж­ной катушке I1≈Iн а в подвижной — I2≈Uн/Rдоб. Поэтому угол откло­нения α стрелки ваттметра будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р:



где k — коэффициент пропорциональности.

Ваттметры электродинамической системы могут применяться для изме­рения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко используют их для измерения мощности промыш­ленной частоты.

Применяя вольтметр и амперметр переменного тока, можно определить значение полной мощности S = UI, которое при чисто активной нагрузке R совпадает с значением активной мощности Р =UI = I2R = U2/R.

В цепях высоких и сверхвысоких частот используют сигналы им­пульсной формы — радио- или видеоимпульсы. В этом случае пред­ставляет интерес не только средняя мощность, но и импульсная При прямоугольной огибающей импульса (рис. 11.2, а) импульсная мощность Ри и ее среднее значение Р за период Т повторения импульсов связаны соотношением

(2)

где τ — длительность импульса; Q — скважность последовательности импульсов.

Практически измеряют среднюю мощность Р и по формуле (2) определяют импульсную РИ. Если форма импульса отлична от прямо­угольной (рис.11.2,б), мощность определяют по эквивалентному пря­моугольному импульсу той же высоты, длительность которого равна интервалу времени между точками огибающей импульса на уровне половины его высоты.

Иногда представляется необходимым измерить среднюю мощность за период несущей частоты импульсно-модулированного сигнала в точке его максимальной высоты. Такая мощность называется пиковой мощ­ностью и определяется из формулы (2):



где k — отношение максимальной высоты импульса к высоте эквива­лентного прямоугольного импульса.

На низкой частоте находят применение ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях.

Интегральный перемножитель сигналов реализует передаточную функцию



где kа — масштабный коэффициент, а u1 и u2 — перемножаемые аналоговые напряжения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового интегрального перемножителя двух напряжений (рис. 11.3), в основу принципа действия которого заложен четырехквадрантный метод перемножения. В этой схеме (в технике измерения мощностей ее иногда называют квадратором) приняты следующие обозначения: (+) — сумматор; (-) — вычитающее устройство; (Кв) — устройство возведения в квадрат; (:4) — делитель напряжения на че­тыре (этот элемент необязателен).

При перемножении двух аналоговых напряжений производятся операции:

суммирование: u1 + u2;

вычитание: u1 - u2;

возведение в квадрат: (u1 + u2)2, (u1 - u2)2,

вычитание квадратов: (u1 + u2)2- (u1- u2)2 = 4 u1 u2

деление напряжения на четыре: 4 u1 u2/4 = u1 u2.

Чтобы применить перемножитель сигналов в схеме ваттметра, достаточно в качестве выходного каскада измерителя включить низкочастотный фильтр.

Если напряжения u1 = Umcosωt и u2 = ImRcos(ωt-φ), где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе: Pвых=kaUmImR.cosωt.cos(ωt-φ). При­няв коэффициент kа = 1, сопротивление R=1 Oм и учитывая формулу произ­ведения двух косинусов, получим:



Выделенная специальным низкочастотным фильтром постоянная состав­ляющая данной мощности будет пропорциональна измеряемой мощности (вторым слагаемым на выходе фильтра можно пренебречь), т.е. Ро= UIcosφ

В перемножителях используют идентичные, со стабильными параметра­ми нелинейные элементы, имеющие квадратичные характеристики.

Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умно­жения двух сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую при­меняют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощно­сти промышленной частоты.

Погрешность измерения мощности колеблется в широких преде­лах: от 0,1—0,2 % при измерении мощностей на постоянном токе и токе промышленной частоты до 4—10 % и более при измерении мощ­ностей на СВЧ. Это объясняется возможностями применяемых методов и средств измерений в раз­личных частотных диапа­зонах.

В диапазоне СВЧ изме­ряют поглощаемую нагруз­кой мощность или мощность, проходящую к нагрузке. В соответствии с этим сущест­вуют ваттметры поглощае­мой и проходящей мощно­сти. Поглощаемую мощность измеряют тогда, когда надо определить мощность, отдаваемую ис­точником в согласованную нагрузку. В этом случае реальная на­грузка обычно заменяется эквивалентной, часто находящейся в ватт­метре, т. е. нагрузкой генератора Г (рис. 11.4, а) является сам ватт­метр Вт, измеряющий поглощаемую им же мощность. Проходящая мощность измеряется в линии передачи энергии (рис. 11.4, б) при опре­делении мощности, рассеиваемой в произвольной нагрузке ZH.

При измерении мощности ее значение выражают в ваттах (или его кратных и дольных значениях) или децибел-ваттах (децибел-милли­ваттах). Последнее значение определяется выражением ±а = 10lg P/P0, где a — число децибел-ватт со знаком плюс, если Р > Р0), и со знаком минус, если Р < Р0; Р — абсолютное значение мощ­ности в ваттах; Р0 — исходный уровень мощности, равный 1 Вт Так, например, ноль децибел-ватт соответствует мощности 1 Вт. Если ис­ходный уровень равен 1 мВт, то 30 дБм соответствуют 1 Вт, а минус 30 дБм соответствуют 1 мкВт. Если за Р0 принят 1 мВт единицу измерения обозначают дБм (децибел относительно милливатта). Относительные единицы мощности удобно использовать при определении уровней мощности в различных точках тракта передачи энергии, содержащего устройства, поглощаю­щие или усиливающие мощность.

При измерении мощности на высоких и сверхвысоких частотах опре­деляющую роль играет согласование полных сопротивлений в тракте передачи энергии. От качества согласования зависит уровень мощно­сти, получаемой от генератора или усилителя, значение отражений в тракте генератор — линия — нагрузка и мощность, поглощаемая нагрузкой. Если нагрузка с полным сопротивлением Zн=Rн+jXн подключена к генератору непосредственно, то, как известно, генера­тор с внутренним сопротивлением Zг = Rг + jXr отдает в эту нагрузку мощность

(3)

где Ur — действующее значение напряжения на выходе генератора.

Наибольшую мощность Рмакс генератор будет отдавать нагрузке при комплексно-сопряженном согласовании их сопротивлений, т. е. при Rг = RH и Хг = —Хн. Эта мощность называется располагаемой мощностью генератора, и ее значение определяется из формулы (3): Рмакс=. Если нагрузка подключена к генератору через линию передачи, то согласование усложняется. Электромагнитная энергия передается от генератора к нагрузке, как правило, по одно­родной линии с распределенными параметрами, определяющими ее вол­новое сопротивление . Для простоты считают, чго такие ли­нии вносят потери настолько малые, что ими можно пренебречь, и тогда мощность, отдаваемая генератором в согласованную с его сопротивле­нием линию, нагруженную на любое сопротивление ZH, определяется по формуле



где Гн — коэффициент отражения от нагрузки по напряжению.

Если волновое сопротивление линии передачи согласовано с сопро­тивлением нагрузки (Zн=ρ), то коэффициент отражения равен нулю и к нагрузке поступает максимальная мощность. В общем случае, когда и генератор и нагрузка не согласованы, мощность в последней представляется так:



Следует иметь в виду, что в зависимости от электрической длины линии передачи (l — физическая длина линии, а λ — длина волны) мощность, поступающая в нагрузку, может принимать любые значения в некоторых пределах, определяемых фазовыми сдвигами между напряжениями отраженной и падающей волн на выходе генера­тора и входе нагрузки. Это явление объясняется тем, что фазовый сдвиг изменяется от конца линии к ее началу и в соответствии с этим коэффи­циенты отражения также меняют свое значение.

Широкий диапазон частот, большие пределы значений мощности и различие допустимых погрешностей вызвали применение значитель­ного числа методов измерений и основанных на них ваттметров.

Мощность на высоких частотах (f < 100 МГц) определяют косвен­ным методом путем измерения тока или напряжения на соответствую­щих резисторах с известными соп­ротивлениями. На частотах до 2 ГГц этот метод применяют в виде «мето­да вольтметра», на основе которого выпускается ваттметр для измере­ния поглощаемой мощности. В диа­пазоне СВЧ электромагнитную энер­гию преобразуют в другой вид энергии, более удобный для измере­ния. Наибольшее применение нахо­дит преобразование электромагнитной энергии в тепловую, на базе ко­торого разработаны методы: калориметрический, терморезисторный (болометрический и термисторный) и термоэлектрический. Находят применение пондеромоторный метод, основанный на механическом дей­ствии электромагнитного поля, и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.

Любой ваттметр (рис. 11.5) состоит из приемного измерительного преобразователя ППр, измерительного узла ИУ и отсчетного устрой­ства ОУ. Конструкция приемного преобразователя зависит от метода измерения и диапазона частот. Ваттметры характеризуются коэффици­ентом стоячей волны (КСВ) входной цепи приемного преобразователя, диапазоном частот, пределами измеряемой мощности, временем установ­ления показаний, эффективностью приемного преобразователя и клас­сом точности.


^ Измерение поглощаемой мощности


Метод вольтметра и амперметра. Этот метод применяется в том слу­чае, когда при измерении значение тока, проходящего через ампер­метр и нагрузку, одинаково и напряжения на нагрузке и вольтметре равны. В цепях с распределенными параметрами эти условия выпол­няются только в определенных местах цепи измеряемого объекта. Ам­перметр следует включать возможно ближе к нагрузке, так, чтобы рас­стояние l1 (рис. 11.6, а) было, по крайней мере, в сто раз меньше длины волны λ. При l1/λ < 0,01 погрешность от включения не превышает 1 %. Вольтметр нужно включать на расстоянии l2 = n λ /2 от нагрузки, где n— любое целое число; в этом случае напряжение на нагрузке равно напря­жению в месте измерения.

При измерении мощности источников энергии (генераторов, радио­передатчиков, усилителей) обычно используют эквивалент согласован­ной нагрузки RH и один прибор — амперметр или вольтметр (рис. 11.6, в), а мощность вычисляют по формулам: Р = или , где IА и Uv —показания амперметра и вольтметра. Эк­вивалент нагрузки, рассчитанный на необходимую мощность, подклю­чают непосредственно к выходным зажимам источника. Если при из­мерении мощности передатчика П допускается излучение, то изме­ряется ток в антенне (рис. 11.6, б), сопротивление которой известно. В качестве эквивалента нагрузки применяют прецизионные резисторы (проволочные, силикатные, карборундовые, углеродистые). При изме­рении больших мощностей предусматривают принудительное охлаж­дение нагрузки воздухом или водой.

Выбор измерительного прибора — амперметра или вольтметра — определяется диапазоном частот, значением измеряемой мощности и сопротивления нагрузки, допустимой погрешностью измерения. Так, например, на частотах до 100 МГц при заданной погрешности изме­рения до ±5 % можно применить термоэлектрический амперметр и электронный вольтметр класса точности 1,0 и 2,5 соответственно. Та­ким образом измеряют значения мощностей от единиц ватт до сотен ки­ловатт.

На более высоких частотах используют прямопоказывающий ватт­метр (рис. 11.7), в приемном преобразователе которого помещен по­глощающий резистор RH с сопротивлением 75 Ом, рассчитанный на включение в коаксиальную линию с помощью коаксиального входа 1. Резистор заключен в экран 2 специальной формы, улучшающий усло­вия согласования ваттметра с линией передачи. В качестве измери­тельного узла используется диодный пиковый вольтметр 3, отсчетное устройство которого градуировано в единицах мощности. Для расши­рения пределов измерения пиковый вольтметр подключается к части резистора. Погрешность измере­ния таким ваттметром состав­ляет 15—20%. Ваттметр изме­ряет среднюю мощность, поэто­му при импульсных сигналах мощность определяется в соот­ветствии с формулой (2).

Калориметрический метод. Этот метод относится к наиболее точным измерениям высокоча­стотной мощности больших и средних значений практически на любой частоте. Он основан на преобразовании электромагнит' ной энергии в тепловую. Кало­риметрический ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором расположена нагрузка, поглощающая электромагнитную энергию. При этом выделяется теплота, нагревающая некоторое ра­бочее тело. С помощью измерительного узла измеряется температу­ра рабочего тела, и по ее значению определяется значение мощно­сти. Ваттметры выполняются с твердым или, чаще, с жидким рабо­чим телом, работают в адиабатном режиме (без теплоотдачи во внеш­нюю среду) или при постоянной температуре рабочего тела.

Наибольшее распространение получили проточные (поточные) ка­лориметрические ваттметры с непрерывно циркулирующей жидкостью — водой или кремнийорганической смесью (рис. 11.8), Здесь значение мощности функционально связано с разностью температур жидкости на входе и выходе преобразователя, Т1 и Т2 соответственно. В установив­шемся режиме количество теплоты, выделяемой на нагрузке Rн, равно количеству отводимой жидкостью теплоты: QH = 0,24I2RHt = Qж= сv(T2-T1), откуда 0,24Р = с (v/t)∆T (с — удельная теплоемкость, v — объем жидкости). Измеряемая мощность



При постоянных удельной теплоемкости и скорости протекания жидкости v/t измеряемая мощность прямо пропорциональна разности температур: Р=a∆T. Для измере­ния ∆T применяют батареи термо­пар, термоЭДС которых определяет­ся с помощью магнитоэлектриче­ского милливольтметра. Если термо­батареи включить последовательно и встречно, то показание милливольт­метра будет пропорционально ∆T и его шкалу можно градуировать в единицах мощности — ваттах.

Погрешность измерения мощ­ности калориметрическим методом возникает вследствие изменения удельной теплоемкости жидкости при ее значительном нагревании, дополнительного нагрева жидкости за счет трения, изменения скорости и характера движения жидкости, потерь теплоты на излучение. Для уменьшения погрешности исполь­зуют метод сравнения, в котором тепловой эффект, вызванный СВЧ-энергией, сравнивается с тепловым эффектом, вызванным энергией постоянного тока или тока низкой частоты.

Для примера на рис. 11.9 приведена упрощенная схема проточного калориметрического вагтметра, работающего по методу сравнения. Приемный преобразователь представляет собой камеру 1, в которую помещен нагрузочный СВЧ-резистор R1. В аналогичной камере 2 нахо­дится резистор R2, на который подается мощность постоянного тока. Оба резистора омываются непрерывно циркулирующей жидкостью. Процесс измерения мощности СВЧ заключается в измерении мощности постоянного тока, значение которой устанавливается оператором та­ким образом, чтобы температура вытекающей из обеих камер жидкости была одинаковой. Равенство температур определяется по нулевому показанию чувствительного микроамперметра постоянного тока, соеди­ненного последовательно с двумя термобатареями 3, 4, которые вклю­чены встречно друг другу. Теплообменник 5 выравнивает температуру жидкости на входах обеих камер. Очевидно, что в таком калориметри­ческом ваттметре не требуется определять скорость течения жидкости, ее удельную теплоемкость и температуру. Погрешность зависит от точ­ности измерения мощности постоянного тока и от коэффициента эффек­тивности преобразователя Кэ, значение которого для каждого ваттметра известно. Измеряемую мощность определяют как

Метод терморезистора. Этот метод основан на измерении сопротив­ления болометра или термистора, изменяющегося под влиянием мощ­ности СВЧ, поэтому его часто называют болометрическим или термисторным методом.

Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом. Поперечное сечение нити 3—10 мкм, а длина l<0,1λ. К нити припа­яны выводы для включения в измерительную схему. Допустимая мощ­ность рассеивания для нитевидных болометров находится в пределах от 50 мВт до 2 Вт; чувствительность от 1,5 до 8 Ом/мВт; рабочая ча­стота ниже 1 ГГц; сопротивление нити в холодном состоянии 6—120 Ом. На частотах выше 1 ГГц используются пленочные болометры. Тонкая платиновая или палладиевая пленка наносится в вакууме на подложку из стекла или слюды, соизмеримую с сечением волновода. Для включе­ния в измерительную цепь края подложки покрываются серебром. Пленочные болометры хорошо согласуются с волноводным трактом, их конструкция удобна для включения, и, что очень ценно, они могут при­меняться до частот миллиметрового диапазона волн. Чувствительность 3—3,5 Ом/мВт при работе на частотах ниже 10 ГГц; на более высоких частотах она снижается. Рабочее сопротивление несколько сот Oм. Температурный коэффициент болометров положительный.

Термистор представляет собой бусинку (или диск) спрессованной смеси окиси марганца, никеля и кобальта, покрытую тонким слоем стекла. Бусинка заключена в стеклянный баллончик между более жесткими выводами, чем впрессованные в бусинку платиновые про­волочки. Материал, из которого изготавливают термисторы, является полупроводником, поэтому их температурный коэффициент отрицатель­ный. Чувствительность термисторов много выше чувствительности боло­метров — до 100 Ом/мВт; они широко применяются для измерения ма­лых и очень малых мощностей на частотах до 78 ГГц. Сопротивление термисторов в холодном состоянии колеблется от сотен Oм до сотен кOм. Рабочая точка устанавливается предварительным подогревом постоянным током или током низкой частоты и выбирается для согла­сования с волноводным трактом в несколько сот Oм.

Основными характеристиками болометров и термисторов являются зависимость их сопротивления и чувствительности от поглощаемой мощности и максимальная допустимая мощность рассеивания.

Терморезисторный ваттметр состоит из приемного преобразова­теля, в котором размещены болометр или термистор и элементы со­гласования; измерительного узла в виде моста постоянного тока для измерения сопротивления терморезистора; отсчетного устройства с циф­ровой или стрелочной индикацией; стабилизированного блока питания.

Приемный преобразователь в зависимости от диапазона частот из­готавливается из отрезка коаксиальной или волноводной линии. В коаксиальном преобразователе (рис. 11.10, а) терморезистор, например термистор, включается в разрыв центрального проводника 1 в конце линии. Для максимального поглощения мощности СВЧ предусматри­вается возможность перемещения термистора в пределах четверти длины волны. Термистор одновременно включен в цепь СВЧ-тракта и в цепь постоянного тока — одно из плеч моста. Для развязки этих цепей пре­дусмотрен дроссель 2, предохраняющий мост от проникновения в него энергии СВЧ и обеспечивающий прохождение постоянного тока через термистор. Внешний проводник коаксиальной линии преобразователя имеет разрыв со слюдяной прокладкой, без которого термистор был бы замкнут накоротко по постоянному току. Разрыв представляет собой конструктивный конденсатор Ск, через емкость которого энергия СВЧ замыкается беспрепятственно. Коаксиальные приемные преобразова­тели применяются при измерении мощности в диапазоне частот 20 МГц— 6 ГГц. На более высоких частотах используют преобразователи волно­водной конструкции.

Волноводный приемный преобразователь (рис. 11.10, б) представ­ляет собой отрезок короткозамкнутого прямоугольного волновода, в конце которого помещен терморезистор, закрепленный в цилиндри­ческих патрубках, перпендикулярных широкой стороне волновода. Для согласования термистора с волноводом он должен располагаться на расстоянии l= (2n + 1)λ/4 от замкнутого конца волновода. Для установки этого расстояния (настройки согласования) предусмотрен поршень 3. Прохождение по термистору постоянного тока обеспечива­ется разрывом Ск в одном из патрубков.

Измерение сопротивления терморезистора (а следовательно, и мощ­ности) производится с помощью моста постоянного тока. В одно плечо моста включается болометр или термистор, а в остальные — постоян­ные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению терморе­зистора в рабочей точке. Такой равноплечий мост обладает наибольшей чувствительностью.

Измерение мощности можно выполнять при неуравновешенном или уравновешенном состоянии моста. Схема ваттметра с неуравновешен­ным мостом представлена на рис. 11.11, а. Измерение выполняют следу­ющим образом. Сначала, до включения энергии СВЧ, мост приводят в равновесие на постоянном токе. Для этого, изменяя сопротивление резистора R1 в цепи питания моста, добиваются нулевого показания на шкале микроамперметра в диагонали моста. Это свидетельствует о равенстве сопротивления терморезистора всем остальным сопротив­лениям плеч. Затем на вход преобразователя подают измеряемый сигнал, мощность которого нагревает терморезистор; сопротивление его изменяется, мост выходит из равновесия и стрелка микроамперметра отклоняется. Шкала микроамперметра градуируется заранее по мощно­сти постоянного тока, и потому его показания соответствуют измеряе­мой мощности СВЧ.

Ваттметр с неуравновешенным мостом позволяет непрерывно и непосредственно измерять мощность; схема его проста и надежна в ра­боте. Однако он имеет ряд недостатков: необходимость предваритель­ной градуировки и ее периодической проверки; значительную погреш­ность, превышающую 10 %. Причины погрешности заключаются в рассогласовании тракта СВЧ с сопротивлением терморезистора, так как последнее изменяется в зависимости от измеряе­мой мощности, температу­ры окружающей среды и нестабильности напряже­ния источника питания.

Ваттметр с уравно­вешенным мостом (рис. 11.11, б) обеспечивает луч­шее согласование, и пото­му его погрешность зна­чительно меньше. Измере­ние производится в два этапа. Сначала мост приводят в равновесие на постоянном токе из­менением сопротивления резистора R1 и замечают значение постоян­ного тока I1. Через термистор протекает половина питающего мост тока, поэтому мощность, рассеиваемая термистором Rт,

(4)

Затем подается СВЧ-сигнал, термистор дополнительно нагревается, его сопротивление уменьшается и мост выходит из равновесия. Уве­личивая сопротивление Rl т. е. уменьшая постоянный ток через тер­мистор, мост вторично приводят в равновесие, которое наступит при значении постоянного тока I2. Теперь мощность постоянного тока, рас­сеиваемая на термисторе, согласно формуле (4),

(5)

Очевидно, что уменьшение мощности постоянного тока равно прило­женной сверхвысокочастотной мощности Р~, т. е.

(6)

Измерение мощности с помощью ваттметра с уравновешенным мо­стом является косвенным, так как требует вычислений. Преимущество этого ваттметра перед ваттметром с неуравновешенным мостом состоит в том, что сопротивление терморезистора остается неизменным и согла­сование не нарушается. Недостатком является необходимость двух операций уравновешивания моста в процессе одного измерения и вы­полнение вычислений.

Прямопоказываюшдй ваттметр с уравновешенным мостом, в ко­тором измеряется разность токов ∆I=I1—I2, не имеет этих недостат­ков. Подставим в формулу (6) значение I2=I1-∆I. После элемен­тарных преобразований получаем

(7)

Если поддерживать значения тока I1 и сопротивления R постоян­ными, то значение мощности СВЧ однозначно определяется прираще­нием постоянного тока: Р~ =f(∆I). В этом случае шкалу миллиампер­метра в цепи питания моста можно градуировать в единицах мощности. Однако градуировка может нарушаться при изменении температуры окружающей среды или замене термистора, когда для первоначальной балансировки моста требуется установка другого значения тока I1. Для обеспечения постоянства градуировки мост питают от двух авто­номных источников тока — постоянного и переменного низкой частоты. Постоянный ток получают от стабилизированного по току источника и устанавливают несколько меньшим, чем нужно для уравновешивания моста. Точное равновесие получают путем ручной регулировки мощ­ности генератора низкой частоты, переменный ток которого косвенно подогревает термистор. В процессе измерения первоначальное равнове­сие моста устанавливают и его изменения от внешних влияющих вели­чин устраняют только изме­нением переменного тока, а начальное значение постоян­ного тока не меняется.

На рис. 11.12 приведена упрощенная схема прямопоказывающего ваттметра с уравновешенным мостом. Рав­ноплечий мост питается от источника постоянного на­пряжения ИПН через стаби­лизатор тока СТ. Перед изме­рением мост уравновешивают с помощью переменного тока, получаемого от генератора низкой частоты Г. Затем на вход приемного преобразова­теля ППр подается измеряе­мая мощность, мост выхо­дит из равновесия и на диагонали моста 1—2 появляется напряжение. Это напряжение после усиления в УПТ подается на базу регулирую­щего транзистора Т, включенного параллельно второй диагонали мо­ста, и вызывает в транзисторе увеличение тока ∆I. Так как значение тока I1 измениться не может, то соответственно уменьшается ток через термистор в приемном преобразователе и мост уравновешивается. Приращение тока транзистора (уменьшение тока термистора) фиксиру­ется на шкале миллиамперметра, градуированной в единицах мощности.

Промышленность выпускает ваттметры поглощаемой мощности со сменными приемными преобразователями и мостовыми измеритель­ными узлами с ручной и автоматической установкой состояния равнове­сия. Эти ваттметры перекрывают весь диапазон частот, используемый в настоящее время; значение измеряемой мощности составляет от еди­ниц микроватт до единиц ватт. Эти пределы легко расширить с по­мощью внешних аттенюаторов или направленных ответвителей. Класс точности выпускаемых ваттметров связан с КСВ входной цепи прием­ного преобразователя и в соответствии с ГОСТ 13605 соотношения их следующие:

Класс точности

1,0 1,5

2,5

4,0

6,0

10,0

15,0 25,0

КСВ, не более

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,7


Термоэлектрический метод. Сущность термоэлектрического метода заключается в преобразовании энергии СВЧ в термоЭДС с помощью высокочастотных термопар, включаемых в приемный преобразователь в качестве поглощающей нагрузки. Конструкции термоэлектрических преобразователей различны, но электрическая схема их может быть представлена рисунком 11.13. Две тер­мопары соединены для СВЧ-тракта параллельно, а для цепи постоянного тока — последовательно. Термопара состоит из двух тонких пленок (вис­мут—сурьма или хромель—копель), напыленных в вакууме на диэлектрическую подложку. Общее сопротивление двух соединенных параллельно тер­мопар должно равняться волновому сопротивлению линии передачи: ρ=Rт/2. Конструктивный конденсатор Ск разделяет цепи СВЧ и постоянного тока. На выходе приемного преобразователя включается непосредственно или через усилитель по­стоянного тока магнитоэлектрический измеритель термоЭДС Ет. Так как Р~=ET/k, шкалу измерителя градуируют в единицах мощности (коэффициент преобразования термопары k ≈ 1 мВ/мВт).

К достоинствам термоэлектрического метода относятся: широкий диапазон частот; малое время измерения; малая зависимость показаний от температуры окружающей среды; широкие пределы измеряемой мощ­ности, которые можно расширить применением внешних аттенюаторов и направленных ответвителей на входе преобразователя и высокочув­ствительных усилителей постоян­ного тока на выходе.

Термоэлектрический ватт­метр со стрелочным индикато­ром легко превратить в ваттметр с цифровым отсчетом. Для этого вместо магнитоэлектрического измерителя нужно включить цифровой микровольтметр по­стоянного тока.

Структурная схема одного из выпускаемых промышленно­стью ваттметров с термоэлектри­ческим преобразователем при­ведена на рис. 11.14. Набор из нескольких приемных преобра­зователей ППр обеспечивает из­мерения в диапазоне частот от 100 МГц до 37,5 ГГц. Конст­рукция преобразователей подобна рассмотренным выше терморезисторным преобразователям (см. рис. 11.10). Возникшую под влиянием мощно­сти СВЧ термоЭДС через фильтр Ф подают на электронный ключ ЭК, с помощью которого она преобразуется в переменное напряжение. После усиления переменное напряжение выпрямляется в синхронном детекторе СД и через усилитель постоянного тока УПТ воздействует на магнитоэлектрический миллиамперметр, шкала которого градуиро­вана в единицах мощности. Электронный ключ и синхронный детектор синхронизируются с помощью вспомогательного генератора Г. В из­мерительном узле осуществлена глубокая отрицательная обратная связь, стабилизирующая коэффициент преобразования ЭДС в ток. Для проверки градуировки шкалы ваттметра в его состав входит кали­братор К.


^ Измерение проходящей мощности


По определению, проходящую мощность можно выразить следующей формулой:

(8)

где Рп и Ро — мощность падающей и отраженной волн соответственно, а Гн — коэффициент отражения от нагрузки.

Ваттметр проходящей мощности включают в линию передачи между генератором и нагрузкой; его включение не должно вызывать искаже­ний структуры электромагнитного поля в линии или его ослабления. Несоблюдение этих требований приводит не только к значительной погрешности измерения, но и к нарушению режима работы нагрузки.

Для измерения проходящей мощности применяют методы ответвле­ния, поглощающей стенки волновода, зондовый, пондеромоторный и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.

Метод ответвления реализуется с помощью любых ваттметров погло­щаемой мощности в сово­купности с направленны­ми ответвителями. По­следние подробно изуча­ются в технической элек­тродинамике. Здесь отметим, что они характеризуются переход­ным ослаблением С=10lg(РП/∆РП) и коэффициентом направлен­ности D = 10 lg (∆РП/∆РО), где Рп — значение падающей мощности в основном тракте; ∆РП и ∆Р0 — значения ответвленной мощности па­дающей и отраженной волн в измерительном тракте. Коэффициент D обычно составляет 20 ÷ 40 дБ; С = 10 ÷30 дБ.

Одна из возможных схем реализации этого метода приведена на рис. 11.15. Направленные ответвители НО1 и НО2 с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последо­вательно в линию передачи. Ответвленные мощности падающей и отра­женной волн измеряются поглощающими ваттметрами Вт1 и Вт2. Результат измерения каждым ваттметром подается на вычитающее устройство ВУ, на выходе которого включен магнитоэлектрический измеритель, градуированный в единицах мощности. Его показания, в соответствии с формулой (8), пропорциональны проходящей мощ­ности.

Метод поглощающей стенки реализуется в конструкции, состоящей из отрезка волновода, часть боковой стенки которого заменена по­глощающей платиновой пленкой. При прохождении по волноводу энер­гии СВЧ-пленка нагревается, ее сопротивление изменяется. Измеритель­ный узел, выполняемый обычно по мостовой схеме, позволяет изме­рить проходящую мощность СВЧ, замещая ее мощностью постоянного токa Метод позволяет измерять малые, средние и большие мощности на участках рабочих диапазонов частот волноводов. Метод прост и надежен. Большим недостатком метода является инерционность и значи­тельная погрешность измерения. Для уменьшения погрешности приме­няют предварительною калибровку на постоянном токе.

Зондовый метод основан на измерении напряженности электромагнитного поля (обычно его электрической составляющей) в несколь­ких точка линии передачи и определении проходящей мощности по известным соотношениям Напряженность поля измеряется зондами, представляющими собой миниатюрные преобразователи с элементами связи. Зонды характеризуются коэффициентом преобразования и амплитудной характеристикой. В большинстве случаев применяют зонды в виде металлических или полупроводниковых термопар, кото­рые погружаются в полость волновода на 0,1—0,2 мм в определенном порядке. Чисто зондов колеблется от двух до восьми. Мощность СВЧ вызывает нагрев термопар, и на их выходных (холодных) концах появ­ляется термоЭДС, пропорциональная проходящей мощности Метод прост, позволяет измерять средние и большие мощности; индикация возможна простым стрелочным прибором. К недостаткам следует отне­сти значительную погрешность (больше 10%), зависимость показаний от точности согласования, узкополосность и необходимость калибровки на рабочих уровнях мощности.

Пондермоторный метод обеспечивает высокую точность (погрешность меньше 1 %), однако ваттметры малонадежны, неудобны в ра­боте. Метод используется преимущественно в метрологических исследо­ваниях.

Измерение мощности преобразователями Холла . Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

Если специальную полупроводниковую пластину, по которой течет ток I (показан пунктиром на рис. 11.16, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Н (ин­дукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемая как



где k — коэффициент пропорциональности.

Согласно теореме Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется век­торным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П=[Е.Н]. Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряже­ния от проходящей мощности: Ux=gP, где g—постоянный коэффициент, характеризующий образец — частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Холла—ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 11.16, б.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

• может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

• высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — доста­точно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока. Из курса физики известно, что под воздействием электрического поля в полупро­воднике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заря­да (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры отно­сительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление в тео­рии полупроводников называемся разогревом носителей зарядов.

Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пласти­ны, то должен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противо­действующей движению зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины.

Для усиления эффекта неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, концентрация носителей в котором пространственно неод­нородна. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульс­ную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс.

Основными узлами такого ваттметра являются приемный преобразова­тель с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифро­вым отсчетом.


^ Измерение весьма малой мощности


В радиотехнической практике иногда возникает необходимость измерения таких малых значений мощности СВЧ, на которые не рас­считаны рассмотренные выше методы и ваттметры, например мощности собственного шума высокочувствительных радиоприемников и антенно фидерных устройств систем космической связи или шумов внезем­ного происхождения, являющихся основной информацией в радиоастро­номии. Если измеряемая мощность больше 10-12 Вт, то измерение выпол­няют с помощью выпускаемых для этой цели измерителей помех или измерительных приемников с соответствующими диапазоном частот и чувствительностью. Если уровень измеряемой мощности ниже уровня собственных шумов измерительного устройства, то применяют модуля­ционный метод измерения в сочетании с методами сравнения и накоп­ления.

Шумовой сигнал модулируется синусоидальным напряжением низ­кой частоты с помощью модулятора М и модуляционного генератора МГ (рис 11.17) и поступает на широкополосный супергетеродинный СВЧ-приемник. Напряжение промежуточной частоты после детекти­рования с помощью квадратичного детектора Д преобразуется в сигнал низкой частоты, значение которого пропорционально мощности вход­ною сигнала. Этот сигнал проходит через узкополосный селективный фильтр усилитель У, настроенный на частоту модулирующего напряжения, и затем на синхронный детектор СД. С выхода последнего постоянное напряжение поступает на фильтр нижних частот Ф с постоян­ной времени, достигающей десятков секунд, и регистрируется выход­ным магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в единицах мощности и kT

Выигрыш в чувствительности оценивают по формуле , где 2∆f — полоса пропускания приемника до детектора, τ — постоян­ная времени фильтра нижних частот. Например, при 2∆f = 8 МГц и τ = 60 с Q = 22 000, т. е. выигрыш в чувствительности превышает четыре порядка Такие высокочувствительные измерители мощности называют радиометрами. Для определения абсолютного значения измеренной мощности радиометр необходимо перед каждым измерением тщательно калибровать, для чего предусмотрен калибровочный генера­тор шумовых сигналов ГШК. Чувствительность радиометров составляет 10-15 Вт (0,1 kT0), погрешность ±0,5дБ Число единичных измерений должно быть не менее 10.


^ Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излуче­ния обычно называют энергетическими параметрами. Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов



где τи — длительность импульса излучения;

• средней мощностью в импульсе



• средней мощностью импульсно-модулированного излучения



Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются дос­таточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко пони­жаются до 0,5 %).

Мощность и энергию излучения лазеров измеряют различными метода­ми, в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако их реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия.

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10-3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюр­ного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1 г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокус­ной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифферен­циальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары ук­реплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, за­крепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным выше. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (едини­цы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня погло­щаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам.

Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, на­полненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10-4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который мо­жет выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости уста­навливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение изме­ряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения. Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропор­ционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность не­прерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с р-n-переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегриро­ванием выходного сигнала фотоприемника.

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения. Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

^ Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряже­ние, которое можно измерить.

В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противо­положные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 11.18).

Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью — например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

Измеритель мощности излучения с использованием обратного электро­оптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении мо­нохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поля­ризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 11.19), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряже­нием и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазе­ров на СО2). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптиче­ской прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пре­делах (0,15 ..1) 1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптиче­ских стекол лучших марок, используемых в лазерах

Измеритель мощности с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; кон­денсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера, элек­тронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подклю­чаться осциллограф.

^ Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механиче­ского) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие при­боры применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний пре­дел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограни­чен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точно­стью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчи­вость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.


^ Цифровые ваттметры

Повсеместно внедряемая в последние годы в измерительной технике ав­томатизация процесса измерения распространилась и на средства измерения мощности. Необходимость в автоматизации средств измерения мощности возникла по двум причинам: во-первых, из-за развития автоматических сис­тем контроля и, во-вторых, из-за сложности управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем, которые являются основным элементом лю­бого терморезисторного ваттметра.

В цифровых ваттметрах применяют различные типы преобразователей мощности, в том числе и терморезисторные.

Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра дана на рис. 11.20.

Основным элементом схемы ваттметра является микропроцессор. УПТ усиливает выходное напряжение термо­электрического прием­ного преобразо­вателя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напря­жение, пропор­циональ­ное значению измеряемой мощ­нос­ти, преобразует­ся с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме не показан) в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на циф­ровом отсчетном устройстве (ЦОУ) или может вводиться в специализирован­ное устройство обработки измерительной информации.

Микропроцессор ваттметра содержит элементы автоматического управ­ления режимами работы и дистанционного переключения пределов измере­ния, индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используется для самокалибровки ваттметра. Калибратор мощности постоянного тока применяется для калибровки циф­рового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитываются от встроенного источ­ника питания постоянного тока.

Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии (или волновода) со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающего эле­мента, термоэлектрического модуля, «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения по­терь на СВЧ трубка покрывается медью и серебром. Поглощающий элемент за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным про­водником. Другой его конец впаян в согласующий медный экран с серебря­ным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое измене­ние диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

Термоэлектрический модуль представляет собой диск с отверстием и рас­положен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхно­стью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холод­ный спай — с «образцом сравнения». К выводам термоэлектрического моду­ля припаиваются провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используются внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеяния преобразователя.

В цифровом ваттметре благодаря применению микропроцессора осуще­ствляется ряд автоматизированных операций: автоматический выбор преде­лов измерений, автоматическая установка нуля и самокалибровка; кроме то­го, предусматривается выход информации на канал общего пользования при его включении в состав информационно-измерительной системы.


Контрольные вопросы

1. Что собой представляет такая физическая величина, как мощность электриче­ских колебаний?

2. Как записывается аналитическое выражение для активной мощности в случае периодического сигнала?

3. Перечислить основные методы измерения мощностей в различных частотных диапазонах.

4. Объяснить принцип действия электродинамического ваттметра.

5. Какой алгоритм математических операций лежит в основе ваттметра на пере­множителях.

6. Каковы особенности измерения мощности электромагнитных колебаний в диапазоне СВЧ?

7. Как строятся ваттметры поглощающей мощности для диапазона СВЧ?

8. Приведите пример ваттметра поглощающей мощности.

9. В чем заключается терморезисторный метод измерения электрической мощно­сти в СВЧ-диапазоне?

10. Какие типы мостов применяют для измерения мощности с помощью терморе­зисторов?

11. Приведите схему неуравновешенного моста.

12. Приведите схему уравновешенного моста.

13. В чем заключается метод измерения электрической мощности с помощью тер­мопар?

14. На чем основан калориметрический метод измерения мощности?

15. Как работают ваттметры проходящей мощности? Привести примеры.

16. На каком принципе основаны измерители мощности, использующие преобразо­ватели Холла?

17. Как осуществляется измерение мощности с преобразователями Холла?

18. Как работают ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока?

19. Какие методы используются при измерениях мощности и энергии лазерного из­лучения?

20. Объяснить принцип действия цифрового ваттметра по его упрощенной струк­турной схеме.




Скачать 338.62 Kb.
оставить комментарий
Дата30.09.2011
Размер338.62 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  2
средне
  1
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх