Общая характеристика методов измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах

С увеличением частоты возникают трудности с измерением тока и напряжения. Поэтому в диапазоне 0,001 – 37,5 ГГц измерение мощности является одним из распространенных видов измерений. По своему назначению ваттметры, работающие в этом диапазоне, делятся на две подгруппы: ваттметры поглощаемой мощности (МЗ) и ваттметры проходящей мощности (М2).

Ваттметры поглощаемой мощности применяются, когда необходимо измерить мощность в нагрузке, согласованной с линией передачи или источником сигнала. В этом случае в роли нагрузки выступает сам ваттметр. Ваттметры проходящей мощности служат для измерения мощности в линиях передачи, работающих на произвольную нагрузку. В этом случае ваттметр поглощает лишь незначительную часть энергии, проходящей по линии передачи.

По уровню измеряемых мощностей ваттметры делятся на ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (10 мВт – 10 Вт) и большой мощности (свыше 10 Вт). По точности (по пределу основной приведенной погрешности) ваттметры подразделяются на восемь классов: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0. По измеряемому параметру они делятся на ваттметры средней мощности и ваттметры импульсной мощности.

В диапазоне СВЧ важное значение имеет согласование измерителя мощности с генератором и соединительной линией. При измерении максимальной мощности, которую можно получить от генератора или усилителя, используется ваттметр поглощаемой мощности. Включение ваттметра поглощаемой мощности показано на рис. 7.5.

	Мощность, поступающая в линию и поглощаемая в нагрузке, зависит от электрической длины линии, т. е. от соотношения между геометрической длиной линии и длиной волны колебаний, происходящих в линии.
Рис. 7.5. Ваттметр поглощаемой мощности

В диапазоне СВЧ геометрическая длина линии оказывается соизмеримой с длиной волны.

В случае присоединения нагрузки к генератору через линию передачи, волновое сопротивление которой отличается от полного сопротивления нагрузки, происходит отражение электромагнитной волны от нагрузки ( на рис. 7.5) и в линии возникают стоячие волны. При измерении мощности падающей волны , отдаваемой генератором, необходимо обеспечить полное согласование выходного сопротивления исследуемого генератора с линией передачи и с входным сопротивлением ваттметра. Показания ваттметра в этом случае соответствуют выходной мощности генератора .

Большинство ваттметров имеет нагрузочные элементы, в которых преобразуется не вся мощность, следовательно

(7.12)

где – коэффициент преобразования мощности ваттметра; – показания ваттметра.

Если с линией передачи не согласована только нагрузка ваттметра, падающая мощность, отдаваемая генератором, определяется по формуле

, (7.13)

где – коэффициент стоячей волны напряжения, обусловленной отражением от нагрузки ваттметра.

Зависимость от коэффициента стоячей волны (КСВ) отношения мощности , поглощаемой нагрузкой ваттметра, к мощности генератора описывается выражением

. (7.14)

	Графически эта зависимость показана на рис. 7.6. Из графика видно, что максимальная мощность, поглощаемая в нагрузке, соответствует = 1, т.е. случаю согласования.
Рис. 7.6. Зависимость коэффициента стоячей волны

В общем случае, когда с линией передачи не согласованы ни генератор, ни нагрузка ваттметра, возникают многократные отражения от ваттметра и генератора. При этом падающая мощность, воздействующая на ваттметр, будет зависеть от коэффициентов стоячей волны и , которые определяются значениями коэффициентов отражения от нагрузки и от генератора. Если известны и , оценивают среднюю мощность

, (7.15)

где и – наибольшие отклонения измеряемой мощности от среднего значения, определяемые из соотношений

; (7.16)

Для измерения проходящей мощности ваттметр включается в разрыв линии передачи генератор – нагрузка (рис. 7.7). При таком включении волны, отраженные от ваттметра проходящей мощности,
	Рис. 7.7. Ваттметр проходящей мощности

генератора и нагрузки, могут вызывать значительную погрешность измерений.

В отличие от ранее рассмотренного случая отражения могут возникать от обоих концов ваттметра. Ваттметрами поглощаемой мощности можно измерять проходящую мощность, если в разрыв линии генератор – нагрузка включить направленный ответвитель. Для обеспечения согласования выпускаемые генераторы обычно имеют стандартное выходное сопротивление, равное волновому сопротивлению стандартных фидеров (коаксиальных линий) и волноводов.