Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



3.2. Классификация методов измерения мощности

Рсвч

Приёмный преобразо-ватепь

Измерительный блок

Рис. 3.1. Схема непосредственного измерения поглощаемой мощности

где б, - амплитуда отраженной волны; 5г - амплитуда волны генератора при согласованной нагрузке (б, =0) и - коэффициент отражения генератора.

При непосредственном измерении мощности часть ее (Р), поглощаемая средством измерения и выраженная через амплитуды волн, определяется уравнением следующего вида:

Рм=-

где Zo, - волновое сопротивление (действительное значение). Последнее равенство и (3.2) позволяют получить отношение мощности Рм к мощности Рд, отдаваемой генератором на согласованную нагрузку:

Pv, l-ir.P

Ро 1-ПГ„Р

где Гм - коэффициент отражения измерителя мощности.

Выходную мощность иногда сопоставляют с номинальной мощностью Р„ом, т. е. Максимальной мощностью генератора, работающего на нагрузку, импеданс которой есть комплексно-сопряженная величина импеданса генератора. Номинальную мощность можно определить по формуле

Ро = Рном(1-ГгР).

Основная задача данного метода измерения мощности состоит в том, чтобы определить уровень мощности, который выдается генератором и не зависит от особенностей используемого средства измерений. Поэтому погрешность, которая зависит от коэффициентов отражения, называется погрешностью рассогласования. Учет импедансов очень важен при измерении мощности. Отражения от волноводных элементов тракта могут привести к существенной погрешности при измерении мощности, причем эта погрешность может быть больше собственной погрешности средства измерений. Выяснение природы возникновения погрешности рассогласования и разработка специальных методов ее исключения имеют важное значение для повышения точности измерения мощности. i

Вторым и, вероятно, более распростра-

ненным методом измерения мощности является метод сравнения (рис. 3.2). В этом случае нагрузка и измеритель мощности поочередно подключаются к одному и тому же генератору и отношение мощности, поглощенной нагрузкой Рн, к мощности, поглощенной измерителем мощности Р,, запишется как

1-Ггр 1-ГгГмР

1-1ÄР1г г 12 -

1-ГгГн1

где Г„ - коэффициент отражения от нагрузки.

Фактически измеритель мощности используется для оценки мощности генератора Pq, и мощность в нагрузке определяется на основании имеющихся данных о генераторе. В качестве нагрузки можно использовать другой, предварительно откалиброванный измеритель мощности. Правая часть выражения (3.3) определяет погрешность рассогласования методом сравнения. Эта погрешность вносит существенную долю в общую погрешность измерения мощности.

Модули коэффициентов отражения, как правило, легко могут быть измерены, в то время как фазовые углы их неизвестны и измерить их труднее. Из-за этого они редко используются при оценке погрешностей рассогласования. Применяются и другие методы, причем выбор метода определяется допустимой погрешностью оценки для каждого конкретного случая.

Рассмотрим довольно простой метод, который заключается в вычислении предельной погрешности в предположении, что фазовые углы коэффициентов отражения имеют такие значения, которые максимизируют погрешность. Максимальную и минимальную погрешности рассогласования можно определить, используя неравенство

1 -ГгГ„ < 11 -ГгГ„К И-1Г,ГЛ

если известны модули коэффициентов отражения Гг и Гн- Так, например, если Гг = 0,13 (/с, = 1,3); Г„ = 0,2 (/сн = 1,5) и Г„ = 0,1 (/с„ = = 1,21), где /Ср, /с„, /см - коэффициенты стоячей волны по напряжению соответственно генератора, нагрузки, измерителя мощности.

Рсвч

Переключа-

тель СВЧ

Нагрузка

Измеритель мощности

Рис. 3.2. Измерение мощности методом сравнения



определяемые в общем случае из выражения

)с = (1 + П/(1-Г),

то погрешность измерения мощности методом сравнения составляет около 4%.

Особое место занимают методы измерения импульсной (пиковой) мощности. Под импульсной мощностью принято понимать пиковую мощность импульса, заполненного несущей частотой. Импульс с радиочастотным заполнением определяется как посылка высокочастотной энергии, которая существует конечный промежуток времени и равна нулю до и после посылки. Импульсную мощность можно измерить непосредственно или определить по формуле, зная среднюю моищость Рср, скважность Q и коэффициент формы импульса „:

Ри = £ф.иеРср.

где Q = 1/Ft - скважность импульсов; F - частота следования импульсов, Гц; т - длительность импульсов, с; кф, „ - коэффициент формы, равный отношению максимальной амплитуды действительного импульса к амплитуде эквивалентного прямоугольного импульса той же длительности и площади. На практике часто используют термин «импульсная могцность», при этом речь идет о среднем значении мощности в импульсе при огибающей прямоугольной формы. Для СВЧ импульсов с огибающей прямоугольной формы пиковая и импульсная мощность равны, так как сф.и= 1- В этом случае Ри = = Рпик = Сер- При СВЧ импульсах непрямоугольной -формы термин «импульсная мощность» становится неопределенным из-за отсутствия установившегося- подхода к определению длительности импульса.

Несмотря на кажущееся разнообразие методов измерения мощности, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, более удобный для измерения: тепловую, механическую и т. д., с последующим вторичным преобразованием в электрический сигнал.

По характеру измеряемой величины мощности различают методы измерения среднего значения мощности непрерывных или импульсно-модулированных сигналов, импульсной мощности.

По уровню значений измеряемых мощностей различают методы измерения малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (свыше 10 мВт), большой мощности (свыше 10 Вт).

В соответствии с ГОСТ 13605 - 75 определен следующий ряд значений классов точ-

ности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0, который допускает также возможность относить широкодиапазонные и многопредельные ваттметры к различным классам точности на различных участках диапазона частот и при различных пределах измерений.

По типу линий передачи энергии, .в которых измеряется мощность, приемные преобразователи ваттметров разделяются на коаксиальные и волноводные.

На низких частотах измеряется истинная мощность независимо от коэффициента нагрузки, и для цепей измерений поглощается очень малая мощность. Для ВЧ и СВЧ диапазонов картина несколько иная. При калориметрическом методе в случае полного согласования поглощается вся мощность. При термисторных и болометрических методах учитывается только электрическая составляющая поля, и для измерения истинной мощности эти методы нуждаются также в хорошем согласовании. Для измерения истинной мощности HeoexoflliMo взаимодействие чувствительного элемента измерителя мощности одновременно с электрической и магнитной составляющими поля, т. е. необходимо учитывать плотность потока падающей мощности (вектор Умова-Пойн-тинга). Как известно, эту задачу решают, используя методы, основанные на эффектах Холла и пондеромоторном. В случае отбора части мощности из линии с большим КСВН только измерение плотности потока падающей мощности может дать истинный результат.

Из изложенного выше и табл. 3.1 можно сделать следующее обобщение. В настоящее время существуют методы, позволяющие измерять мощности от долей милливатт до единиц киловатт с погрешностью до 1-2% в широком диапазоне частот. Расширение пределов измерения с помощью аттенюаторов и направленных ответвителей связано с появлением дополнительных погрешностей. На отдельных участках частотного диапазона и в определенных пределах измеряемой величины достигнуты значительно большие точности измерения (табл. 3.1).

Каждый из используемых основных методов измерения мощности: тепловой, механический и электронный - имеют особенности, преимущества и недостатки, а также вполне определенные области наиболее эффективного применения на практике. Наиболее широко использзтотся и лучше изучены тепловые методы; другие методы также интенсивно изучаются и с успехом используются, при этом каждый из них превосходагг тепловые хотя бы по одному из признаков



3.3. Методы измерения .мощности

Таблица 3.1. Сравнение методов измерения моищости

Метод

Уровень мощности

Погрешность, %

Постоянная времени, с

Тепловой:

Статический

калориметр:

основной

100 мкВт-Ю Вт

0,5-5

До 104

с замещением

100 мкВт-1 кВт

0,5-3

До 102

дифференциальный

100 мкВт-10 мВт

0,2-3

0,1-103

Проточный

калориметр:

основной

1-10 Вт

1-100

с замещением

10 мВт-100 Вт

1-100

Болометры:

бареттерный

10-6-10-2 Вт

10-3

термисторный

10-6-10-2 Вт

пленочный

10-3-10- Вт

5-10

волноводный

10-3-1 Вт

Термопары:

прямого подогрева

10-3-10-1 Вт

2 (до 18 Ггц)

косвенного подогрева

10-3-10-1 Вт

2 (до 40 Ггц)

вакуумный термоэле-

5 мВт

1 (до 1 Ггц)

мент

Механический:

давление излучения

10-50 мВт

5 (3-40 Ггц)

крутильный

10-200 Вт

2-3 (до 10 Ггц)

вибрационный

10-5-1 Вт

3-5 (10-26,5 Ггц)

0,2-2

Электронный:

вакуумный диод

20 мВт-200 Вт

10-20 (до 2,5 Ггц)

10-3

кристаллический диод

10-6-10-3 Вт

5-20 (до 40 Ггц)

10-6

на эффекте Холла

10 3-1 Вт

10 (до 40 Ггц)

10-10

на горячих носителях

10-5-10-2 Вт

15 (до 12 Ггц)

10-10

Механический (пондеромоторный) метод имеет два основных преимущества: 1) на его основе может быть создан прибор, который в идеальном случае не поглощает мощности; 2) прибор может быть прокалиброван прямо в единицах массы, длины и времени, и поэтому он является абсолютным.

Метод, основанный на применении эффекта Холла, имеет одно важное преимущество, заключающееся в том, что измеряется истинный поток мощности независимо от КСВН линии. Другим, пока потенциальным преимуществом этого метода является отсутствие существенной временной задержки между подачей мощности и появлением ЭДС Холла.

3.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

3.3.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ

Для измерения поглощаемой мощности используются в основном тепловые методы. Преобразование энергии СВЧ в тепловую используется в терморезисторах, термоэлек-

трических и калориметрических тепловых методах измерения поглощаемой мощности.

Уравнение, определяющее сущность данного метода, имеет вид

Pcp = QJT = ce/T,

где - количество теплоты, Дж; С - теплоемкость рабочего тела, Дж/°С; G - приращение температуры рабочего тела, °С; Т - время, с.

В процессе преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую производится измерение приращения температуры рабочего тела путем замещения ее мощностью низкой частоты или постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела.

Возможность калибровки тепловых измерителей мощности на постоянном токе обеспечивает получение высокой точности. Особенностью этих методов является то, что время установления показаний в основном определяется тепловой инерционностью элементов схемы. Время установления теплового равновесия системы измерения пропорционально произведению теплоемкости рабочего тела на тепловое сопротивление



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [40] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0129