Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



тце 6,- и Щ - составляющие погрешности, имеющие нормальный и равновероятный закон распределения соответственно.

Для случая, когда брд является доминирующей составляющей, формула (3.13) несколько видоизменяется:

6=±3

T(W3) + I(Wl/3) +

где feec - весовой коэффициент, который зависит от отношения

М = -

i(8,„„/3) + i(8;„„/l/3)

и значения которого приведены ниже:

М.....О 1 2 4 6 10 00

.....О 0,53 0,7 0,85 0,93 0,98 1,0

3.3.S. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ

Измерение импульсной мощности наиболее часто производится в радиолокации, радионавигации, радиотелеметрии и различных системах передачи информации, таких, как системы с кодово-импульсной модуляцией, с широтно-импульсной модуляцией, с фазово-импульсной модуляцией. В радиопередающих устройствах с импульсной модуляцией мощность в импульсе является важной энергетической характеристикой, которая требует количественной оценки с заданной погрешностью как в процессе их создания, так и в условиях эксплуатации.

Известны самые разнообразные методы измерения мощности импульсно-модулированных сигналов. Самым простым, но менее точным является косвенный метод, основанный на определении импульсной мощности расчетным путем по результатам измерения средней мощности. На основе сложных, но, как правило, и более точных методов создают приборы с непосредственной индикацией измеряемой величины в аналоговой или цифровой форме.

Вычисление импульсной мощности по результатам измерения средней мощности. Точное измерение импульсной мощности по результатам измерения средней возможно в том случае, когда форма импульсов близка к прямоугольной. Для случаев, когда форма импульсов значительно отличается от прямоугольной, погрешность этого метода рез-

ко возрастает даже с учетом поправочных коэффициентов на форму импульсов.

Средняя мощность периодически повторяющихся импульсов может быть измерена калориметрическим или болометрическим методом при условии, что постоянные времени этих методов велики по сравнению с периодом повторения импульсов. При форме импульсов, близкой к прямоугольной, средняя мощность Рр связана с импульсной простым соотношением

где Т - период следования импульсов; т - длительность импульса.

Измерение длительности импульса и периода повторения производится известными методами, например с помощью осциллографа. Если форма импульса отличается от прямоугольной, вносят поправку на коэффициент формы, который равен отношению амплитуды измеряемого импульса к амплитуде эквивалентного импульса той же длительности и площади (энергии). Для точного измерения этого коэффициента необходимо определить форму огибающей импульса (после детектирования), внести поправку на нелинейность детектора, измэить площадь импульса и определить амплитуду эквивалентного прямоугольного импульса. Поправку на нелинейность детектора определяют с помощью генератора стандартных сигналов; выходное напряжение детектора калибруют в зависимости от мощности на входе.

Погрешность метода определяется следующими составляющими; погрешностью измерения среднего значения мощности; погрешностью измерения длительности импульса; погрешностью измерения частоты следования импульсов; погрешностью определения коэффициента формы импульса.

Суммарная погрешность данного метода при прямоугольной форме импульсов и постоянной скважности составляет от 5 до 10%.

Метод диодного детектора (датчика). Измерения импульсной проходящей мощности с применением диодных датчиков основано на измерении напряжения на известном сопротивлении. Ламповые (вакуумные) диоды применяются в диапазоне частот до 3 ГГц. На более высоких частотах их применение ограничивается из-за существенного роста частотной составляющей погрешности, а также из-за конечного времени пролета электронов и больших значений межэлектродных емкостей. На рис. 3.35 приведена схема датчика на вакуумном диоде, встроенном в коаксиальный тракт. Для уменьшения




Y/ slncjt

Рис. 3.35. Схема простейшего датчика на вакуумном диоде

поступающего на диод напряжения применяются емкостная связь или направленный от-ветвитель. Импульсное напряжение подается на диод и выпрямляется. Сопротивление нагрузки шунтируется конденсатором С, напряжение на котором при известном сопротивлении нагрузки может быть пересчитано в значение импульсной или средней мощности. Эквивалентная схема диодного датчика, применяемого для измерения импульсной мощности, изображена на рис. 3.36. В процессе работы конденсатор С заряжается в момент поступления импульса и разряжается в промежутках между ними. Так как внутреннее сопротивление диода Rj должно быть значительно меньше сопротивления R„, то заряд происходит значительно быстрее разряда. Через период Т напряжение на емкости становится постоянным. Процесс можно считать установившимся, если уменьшение напряжения на емкости в момент разряда равно приращению напряжения в момент заряда.

Определить соотношения между параметрами эквивалентной схемы датчика и параметрами СВЧ сигнала можно из временной диаграммы на рис. 3.37. Если CR„ » Т, то напряжение на емкости

V = I7„cose.

Угол отсечки можно определить из уравнения

tge-e = Tt/oe,

где a = R„/Ri; Q =t:/{i + Тд); т - длительность импульса; Тд - интервал между импульсами.

Увеличение емкости С приводит к увеличению времени установления стационар-


Рис. 3.37. Временная диаграмма для определения соотношения между параметрами СВЧ сигнала и эквивалентной схемы датчика

ного процесса. Входное сопротивление находится по следующей формуле:

Так как обычно коэффициент заполнения Q значительно меньше единицы, то из приведенного вьпце выражения следует, что входное сопротивление датчика имеет меньшее значение, чем при измерении непрерывного сигнала. Как уже говорилось, область применения диодных датчиков ограничивается вследствие возрастания частотной погрешности, которая обусловливается резонансным влиянием во входной цепи и влиянием конечного времени пролета электронов между электродами вакуумного диода. Для случая, когда цепь может быть представлена эквивалентной схемой в виде однородной линии с распределенными параметрами, частотная погрешность определяется из следующего выражения:

ди = [1 - cos(Tt 2/o)] /cos(7: 2/o),

где /о - резонансная частота входной цепи.

Влияние конечного времени пролета электронов сказывается на уменьшении сопротивления датчика.

Контроль малых уровней мощности, а также импульсной мощности в диапазоне частот выше 3 ГГц может осуществляться с помощью датчиков на полупроводниковых диодах СВЧ. Обычно они применяются для относительной оценки проходящей мощности. Эквивалентная схема СВЧ диода изо-

Рис. 3.36. Эквивалентная схема диодного датчика


Рис. 3.38. Эквивалентная схема СВЧ диода




АВтоношен-сационный. преобразователь

Выход

Рис. 3.39. Схема датчика на полупроводниковом диоде

бражена на рис. 3.38. Параллельно внутреннему сопротивлению диода включена межэлектродная емкость С. Последовательно Ri включены индуктивность и сопротивление вводов rj. Выражение, показывающее связь между током и напряжением, может быть представлено в следующем виде:

I = f{U) + nU)AU + f"{U)hUI2\+...,

где /([/) =rf rfl/-проводимость; f"(U}-крутизна характеристики.

Максимально подводимая средняя мощность может составлять 10" Вт и не более нескольких ватт в импульсе при длительности импульса 1 МКС и частоте повторения 1000 Гц. Зависимость сопротивления диодов от выпрямленного напряжения затрудняет их согласование в щироком диапазоне частот, поскольку диод представляет собой комплексное сопротивление. Схема датчика на полупроводниковом диоде, предназначенного для контроля импульсного значения проходящей мощности, представлена на рис. 3.39. В состав схемы входят направленный ответвитель с детекторной головкой и автокомпенсационный преобразователь. Проходящая по высокочастотному тракту электромагнитная энергия через направленный ответвитель проходит на полупроводниковый диод С выходного диода видеоимпульсы поступают на усилитель с отрицательной обратной связью.

Амплитуда видеоимпульсов при работе на квадратичном участке характеристики диода пропорциональна мошности измеряемых радиоимпульсов. В схемах датчиков могут применяться диоды типов Д 605 и др. Благодаря использованию нулевой точки вольт-амперной характеристики диода в режиме компенсации значительно уменьшается влияние температуры и разбросов характеристик от детектора к детектору на погрешность измфения мощности. Динамический диапазон, так же как и частотный, в основном определяется характеристиками применяемых диодов. Для полупроводниковых диодов, работающих на квадратичном участке, динамический диапазон составляет не бо-

лее 20 дБ, для ламповых диодов в линейном режиме он может превьпиать 30 дБ.

Погрешность измерения мощности автокомпенсационным методом определяется следующими составляющими:

частотной погрешностью диодного датчика, которая может составлять в зависимости от точности калибровки от 6 до 10%;

погрешностью, обусловленной нелинейными свойствами диода. Для различных диодов эта погрешность может составлять

t-3%;

погрешностью из-за измерения параметров импульсов (длительности и частоты следования), которая может составлять 2-3% при длительности импульсов более 1 мкс и частотах следования от 100 Гц до 10 кГц;

погрешностью измерения компенсирующего напряжения постоянного тока, которая в зависимости от выбранного метода индикации может не превышать долей процента;

погрешностью, обусловленной наличием гармонических составляющих в спектре сигнала;

погрешностью рассогласования.

Пользуясь известными методами, можно показать, что максимальная погрешность для данного случая составит 8 - 12% без учета погрешности рассогласование Уменьшение погрешности за счет гармонических составляющих в измеряемом сигнале осуществляется применением источников с хорошей фильтрацией (до 60 дБ).

Метод, использующий эффект изменения проводимости полупроводника в СВЧ поле. Большое значение при измерении импульсной проходящей мощности имеют явления, которые происходят в полупроводниках под действием электромагнитного поля в СВЧ диапазоне частот. Эти явления пока еще исследованы недостаточно. Однако некоторые из них уже находят широкое применение в технике измерений. Эффект разогревания носителей тока в сильном электромагнитном поле может существенно изменять сопротивление полупроводника практически безынерционно, что можно использовать при измерении импульсной мощности в СВЧ диапазоне.

Если полупроводниковый образец поместить в волновод, то можно предположить, что для проходящей в волноводе СВЧ мощности он представляет собой чисто активную нагрузку, и изменение проводимости происходит безынерционно. Мгновенное значение напряженности поля Е в полупроводнике будет зависеть от проходящей в волноводе мощности Р следующим образом: E = {Pp{E)/V)\



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


0.0098