Вимірювання НВЧ потужності

Федеральне агентство з освіти

Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТИ"

Кафедра Електронного приладобудування

Вимірювання та випробування у НВЧ діапазоні

"Вимірювання НВЧ потужності"

Студент Лебедєв Р.Ю.

Беневоленський Д. М.

1. Способи вимірювання НВЧ потужності

2. Методи вимірювання НВЧ потужності

2.1 Вимірювання поглинається потужності

2.2 Вимірювання потужності, що проходить

Потужність у вигляді є фізична величина, що визначається роботою, виробленої в одиницю часу. Одиниця потужності ват (Вт) відповідає потужності, коли за одну секунду виконується робота в один джоуль (Дж). На постійному струмі і змінному струмі низької частоти безпосередній вимірювання потужності часто замінюється вимірюванням діючого значення електричної напруги на навантаженні U, значення струму, що протікає через навантаження, кута зсуву фаз між струмом і напруги P=UIcosφ. У НВЧ діапазоні вимірювання напруги та струму стає скрутним. Сумірність розмірів вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв з довгою хвилі є однією з причин неоднозначності вимірювання напруги та струму. Вимірювання супроводжуються значними частотними похибками. Слід додати, що вимірювання напруги і струму в хвилеводних трактах при деяких типах хвиль втрачає практичний зміст, оскільки поздовжня складова в провіднику відсутня, а реальна різниця потенціалів між кінцями будь-якого діаметра перерізу хвилеводу дорівнює нулю. У зв'язку зі сказаним на частотах починаючи з десятків мегагерц кращим і більш точним ставати безпосередній вимір потужності, а на частотах понад 10000 МГц – це єдиний видвимірювання, що однозначно характеризує інтенсивність електромагнітного коливання. Для безпосереднього вимірювання потужності НВЧ застосовують методи, що ґрунтуються на фундаментальних фізичних законах, що включають метод прямого вимірювання основних величин: маси, довжини та часу.

При цьому розрізняють два основні випадки:

- Вимірювання потужності, що проходить від джерела в дане навантаження;

- Вимірювання потужності, яку джерело може віддати в узгоджене навантаження (потужності, що поглинається).

1. Способи вимірювання НВЧ потужності

Вимірювання потужності джерела електромагнітних коливань (генератора).

Відповідно до загальноприйнятого визначення, під потужністю генератора розуміють потужність, що віддається їм у узгоджене навантаження (рис.1).В цьому випадку вимірювана потужність повністю розсіюється на деякому вимірювальному еквіваленті навантаження з подальшим вимірюванням потужності теплового процесу. Такі вимірювачі потужності називаються ватметрами поглинаючого типу. Так як навантаження має повністю поглинати потужність, що вимірюється, то використання приладу можливе лише при відключеному споживачі. Результат вимірювання буде найбільш точним, якщо вхідний опір вимірювального приладу повністю узгоджений з вихідним опором досліджуваного генератора або опором хвильовим лінії передачі, тобто Zг = Z н.

Вимірювання електричної потужності, що виділяється в навантаженні, повний опір якої може бути довільним.

У цьому випадку між генератором і навантаженням включається спеціальний пристрій, що перетворює в іншу форму лише незначну частину енергії, що передається по лінія, і не порушує процесу її передачі (Рис.2)

вимірювання

Принципова відмінність цих двох груп полягає в тому, що приймальні перетворювачі у першому випадкурозсіюють всю потужність, що підводиться НВЧ, а в другому, як правило, споживають незначну частину потужності, що проходить в навантаження.

Як правило, воно включає вузли та блоки, що перетворюють вихідний сигнал приймального перетворювача на сигнал, зручний для індикації та подачі на відліковий пристрій, калібратор (при необхідності) та інші допоміжні вузли. Залежно від типу приймального перетворювача, вимірювальним пристроєм може служити міст, що самобалансується, або міст з ручним балансуванням (для біологічний і термісторних ватметрів), підсилювач постійного або змінного струму, імпульсний підсилювач, механічна вимірювальна система і т.д.

Основні вимоги до вимірювального:

- сталість коефіцієнта передачі у робочих умовах експлуатації (лінійна амплітудна характеристика);

- мала нестабільність показань (зокрема дрейф нуля);

- Зручне та (або) автоматизоване управління.

Індукує потужність, що розсіюється перетворювачем, в аналоговому чи цифровому вигляді. Зазвичай відліковий пристрій поєднують з вимірювальним.

2. Методи вимірювання НВЧ потужності

А. Вимірювання поглинається потужності

Вимірювання поглинається потужності є найбільш поширеним видом вимірювання НВЧ потужності. Приймальні перетворювачі ватметрів поглинається потужності, що є еквівалентом узгодженого навантаження, включають на кінці лінії передачі. Залежно від виду перетворювачів, що застосовуються, розрізняють такі методи вимірювань: теплові (калориметричний, болометричний, термоелектричний); метод вольтметра; метод із використанням частотно – вибіркових феритових елементів.

Вимірювання потужності за допомогою резистивних термочутливих елементів (терморезисторів)

НайбільшНайпоширенішим методом вимірювання малих потужностей, на якому побудовані промислові ватметри, є метод вимірювання опору терморезистора при розсіянні в ньому електромагнітної енергії. Як резистивні термочутливі елементи використовуються болометри, опір яких зростає з підвищенням температури (позитивний температурний коефіцієнт опору), і термістори, опір яких зі зростанням температури падає.

Основними перевагами термісторів у порівнянні з болометрами є їхня вища чутливість і більша стійкість до перевантажень.

Термістором називають терморезистор, виготовлений із спеціального напівпровідникового матеріалу, що має великий негативний температурний коефіцієнт опору, тобто. температурна характеристика термістора – негативна. Застосовують два типи термісторів: стрижневий та бусинковий. Стрижневі термістори мають більш високу електричну міцність і мають відносно менший реактивний опір. Термістори бусинкового типу за інших рівних умов мають меншу поверхню охолодження і тому мають більшу чутливість. Чутливість термістора висока - від 10 до 100 Ом/мВт. Для отримання високої чутливості робочу точку термісторо вибирають на ділянці з максимальною крутизною характеристики.

Болометр - дротяний або плівковий терморезистор з позитивною температурною характеристикою, поміщений у скляний (вакуумний або наповнений інертним газом) балон. Для збільшення чутливості нитка виконана із матеріалу з високим температурним коефіцієнтом опору. Болометри менш чутливі, ніж терморезистори, але мають більш стабільні характеристики, що не залежать від температури навколишнього середовища.

Термісторабо болометр поміщають внутрішньо вимірювальної головки, що складається з відрізка хвилеводу або коаксіальної лінії. Зміна опору терморезистора при розсіянні в ньому електромагнітної енергії зазвичай вимірюється за допомогою мостових схем.

Промислові терморезисторні ватметри мають загальну абсолютну похибку близько 4. 10%. Похибки вимірювання таких ватметрів визначаються в основному ступенем узгодженості навантаження та якістю вимірювальної головки. Суттєвим недоліком термісторних та болометричних ватметрів є обмеження максимального значення вимірюваної потужності. Практично стандартні термістори здатні витримати без руйнування потужність, що не перевищує кількох десятків міліватів.

Вимірювання потужності термопарами

Даний метод виміру заснований на реєстрації значення термоЕРС, що виникає при нагріванні термопари енергією НВЧ. Структурна схема ватметра складається з приймального термоперетворювача та вимірювальної частини. Основним елементом перетворювача є блок високочастотних диференціальних термопар, що одночасно виконують функції узгодженого навантаження та диференціального термометра. У НВЧ-діапазоні частіше застосовують термопари у вигляді тонких металевих плівок, напилених на діелектричну підкладку.

Основним елементом вимірювальної частини пристрою є вольтметр постійного струму з цифровим дисплеєм.

До переваг таких ватметрів слід віднести малу залежність результатів вимірювання від коливань температури навколишнього середовища та малий час підготовки приладу до роботи. Недоліки ватметрів: обмежений верхній рівень динамічного діапазону та недостатня стійкість до перевантажень, що обмежує допустиме значення середньої потужності при вимірюванні імпульсних сигналів. Практичностандартні термопари здатні витримувати без руйнування потужність, яка не перевищує 50. 75 мВт. Рівень вимірюваної потужності може бути збільшений, якщо перед термісторною, болометричною або термопарною камерою помістити калібрований атенюатор.

Калориметричний метод вимірювання потужності

Калориметричний метод вимірювання потужності відрізняється високою точністю, є універсальним і використовується у всьому радіотехнічному діапазоні частот як для малих, так і для великих потужностей. Метод заснований на перетворенні енергії електромагнітних коливань, що поглинаються узгодженим навантаженням, в теплову. Поглинання енергії поглиначем, що становить основний елемент приладу, можна зареєструвати або безпосередньо по зміні температури, або побічно як зміна об'єму, тиску або інших характеристик.