4.4 Измерение мощности

Общие сведения

Измеряется средняя и импульсная мощность. Для переменных токов наибольший интерес представляет средняя мощность , - мгновенная мощность; t – время в секундах; i – мгновенное значение тока, U – напряжения, в А и В, подводимых к потребителю, Т – период переменного тока в секундах.

Для синусоидальных колебаний ; U, i – действующие значения напряжения и тока; φ – сдвиг фазы. Для периодических несинусоидальных сигналов , где U₀, I₀ – постоянные составляющие напряжения и тока; U_k, I_k – действующие значения напряжения и тока k-й гармоники; R_k – активное сопротивление потребителя для k-й гармоники.

Для чисто активного сопротивления (в цепях постоянного тока) . U, I – действующие значения общего напряжения и тока.

В технике СВЧ приходится иметь дело с импульсно-модулированными колебаниями при разной форме импульса (рис. 4.24)

Рис.4.24 График импульсного сигнала

, .

Если импульс не прямоугольной формы, то его сводят к эквивалентному прямоугольному с той же площадью и длительностью, равной промежутку времени между точками огибающей действительного импульса на уровне половины ее амплитуды (рис. 4.25)

Рис.4.25

Р измеряется в Вт (мВт, мкВт, кВт). Применяются относительные единицы измерения Р – (дбВт, дбмВт), определяются выражением ±α=10lg , где Р – абсолютная величина мощности, Р₀ – исходный уровень мощности (1 Вт, 1 мВт) α – число децибелл со знаком плюс, если Р>Р₀ и минус, если Р<Р₀. Итак: Р=1 Вт соответствует 0 дбВт; и 30 дбВт (относительно 1 мВт).

На НЧ и ВЧ (в цепах с сосредоточенными параметрами) Р оценивают по результатам измерения U и I. Применяются следующие методы измерения Р:

Метод перемножения Р=UIcosφ (измерение U и I с помощью вольтметров и амперметров).

Метод измерения тока в цепи с известным сопротивлением.

Пример: измерение выходной мощности генератора с заменой нагрузки спецрезистором с малой реактивностью. Вместо антенны подключается ее эквивалент – резистор с чисто активным сопротивлением. При этом Р=I²R.

Сравнение мощности Р исследуемого источника переменного тока с мощностью Р постоянного тока.

На частотах (300-1000)МГц, длина волны (1м-30см) измерение U и I возможны с большими погрешностями (причина: в СВЧ линиях передачи значения U и I, измеренные в разных сечениях, отличаются от U и I в нагрузке).

При измерении U и I в цепях с распределенными параметрами (при необходимости) приборы включают таким образом: вольтметр на расстоянии l от нагрузки (l=nλ/2; n – целое число, λ – длина волны); амперметр возможно ближе к нагрузке (при l/λ-0,01; δ≤1%)

Классификация ваттметров СВЧ

По способу включения в тракт передачи СВЧ энергии:

а) ваттметры проходящей мощности (рис.4.26)

Рис. 4.26

1 – генератор СВЧ энергии;

2 – нагрузка (Н);

3 – направленный калиброванный ответвитель;

4 – измеритель проходящей мощности (Р).

Через 3 ответвляется малая доля энергии СВЧ (для примера 0,01 от уровня СВЧ энергии, поступающей от генератора)

Преимущество: непрерывное измерение (контроль) мощности Р без отключения нагрузки.

Недостатки: сложность, дороговизна, меньшая надежность, чем у ваттметров поглощаемой мощности.

б) ваттметры поглощаемой мощности (рис.4.27)

Рис.4.27

По виду преобразования энергии методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в другой вид энергии (чаще тепловую):

- калориметрические;

- термоэлектрические;

- терморезисторные;

- на основе эффекта Холла;

- на основе нелинейных свойств ферритов и разогрева носителей в электрическом поле.

По измеряемому параметру:

- среднего значения Р;

- импульсной Р;

По конструкции (в зависимости от частоты):

- с коаксиальным выходом;

- с волноводным выходом.

По уровню Р:

- малой Р (до 10 мВт);

- средней Р (10 мВт – 10 Вт);

- большой Р (более 10 Вт).

По способу отсчета (метода измерения)

- с прямым отсчетом;

- с косвенным отсчетом.

Ваттметры делятся также на аналоговые и цифровые. Как правило при измерении малых мощностей Р применяют метод терморезистора (приборы ГК4-19, РИП для измерения параметров РЛС в сантиметровом диапазоне), а при измерении больших мощностей Р – калориметрические. Ввиду того, что мощность Р точно измерить трудно для ваттметров установлены специальные классы точности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0. Иногда приходится довольствоваться погрешностью до 50% (пример с измерениями электромагнитного поля в аэропортах с помощью передвижной автолаборатории).

Метод терморезистора

Для измерения мощности Р применяются терморезисторы – болометр и термистор. Конструктивно болометр (рис. 4.28) представляет из себя тонкую нить из вольфрама или платины, помещенную в стеклянный баллон. В баллоне – инертный газ для увеличения рассеиваемой мощности. Размеры болометра невелики: поперечное сечение нити (3-10)мкм для согласования с линией передачи, длина нити l<0,1λ (λ – длина волны, на которой производится измерение. Мощность рассеивания в пределах десятки мВт – единицы Вт. Сопротивление в холодном состоянии единицы Ом – сотни Ом. Температурный коэффициент – положительный.

а) б) в)

Рис. 4.28 Конструкция а), схемное обозначение б) и характеристика в) болометра.

Основная характеристика болометра – зависимость его сопротивления от рассеиваемой в нем мощности Рб=f(Р). Чувствительность болометра Sб=(1,5 ÷ 8) Ом/мВт. Подобные конструкции применяют на частотах до 1 ГГц (λ=30см). Мощность рассеивания – до нескольких Вт. На более высоких частотах используют пленочные болометры. Конструктивно это пластинка из слюды или стекла с нанесенным слоем из платины или нихрома толщиной в доли микрона. Такие болометры применяют в мм диапазоне (частоты до 100 ГГц; λ<5мм). Чувствительность таких болометров понижается с увеличением частоты до (0,2 ÷ 0,3) Ом/мВт.

Конструктивно термистор (рис.4.29 а,б,в) выполняется из полупроводникового материала (кобальт, никель, окись марганца) в виде бусинки диаметром доли мм (~0,5мм); чувствительность – Sт (10 ÷ 100) Ом/мВт. Температурный коэффициент отрицательный. Термисторы применяют для измерения Р от единиц микроватт до единиц милливатт в диапазоне частот то 100 ГГц. Rт в холодном состоянии сотни Ом – сотни кОм.

а) б) в)

Рис. 4.29 Конструкция а); схемное обозначение б); характеристика в) термистора.

Очевидно, Sт>>Sб.

Измерители мощности, в которых применяют терморезисторы состоят из измерительной головки (болометрической или термисторной), мостовой схемы и источника питания.

Конструктивно измерительная головка – это высокочастотное устройство, в котором помещаются терморезистор и элементы согласования его с сопротивлением линии, по которой передается СВЧ энергия. В зависимости от диапазона частот головки выполняют из отрезка коаксиальной либо волноводной линии (рис. 4.30).

Рис. 4.30 Схема термисторной коаксиальной измерительной головки.

Для обеспечения полного рассеивания Ризм (СВЧ) согласующие поршни П устанавливаются на расстоянии нечетного числа четвертей длины волн от термистора, чтобы энергия, отразившись от поршня, возвратилась на термистор в фазе с поступающей для измерения энергией. Емкость С разрыва внешнего проводника коаксиальной линии или тела волновода не мешает прохождению токов СВЧ и обеспечивает прохождение постоянного тока через терморезисторы; без этого разрыва терморезистор закорочен по постоянному току. Коаксиальные головки применяются на частотах от 20 МГц до 6 ГГц, волноводные – до 40 ГГц.

Измерение мощности выполняют двумя методами: балансным (рис. 4.31, а) и разбалансным (рис. 4.31, б)

а) б)

Рис. 4.31 Схема измерения мощности балансным а) и разбалансным б) методом.

Измерение с помощью разбалансного метода

1. До подачи СВЧ энергии в термисторную головку, мост (рис. 4.30 б) уравновешивается на постоянном токе. Для этого изменяя R1 добиваются нулевого показания прибора (микроамперметра) в диагонале моста (равновесие поступает в момент, когда Rт=R, если значения остальных резисторов в плечах моста R).

2. Подают СВЧ энергию в термисторную головку; сопротивление меняется на величину (точка В на рис. 4.32). При этом стрелка прибора в диагонали моста отклоняется пропорционально(но не прямопропорционально, так как характеристика терморезистора нелинейна) разности сопротивлений ΔR=R-R', где R' – сопротивление терморезистора после подачи СВЧ энергии.

Этот способ позволяет непрерывно и непосредственно измерять мощность; схема измерений проста. Однако погрешность велика (~10÷15)%, и больше.

Уменьшить погрешность можно используя балансный метод.

Измерение с помощью балансного метода

Измерения проводят следующим образом:

1. До подачи СВЧ энергии в термисторную головку, мост уравновешивают на постоянном токе и фиксируют значение тока I₁ микроамперметром, соединенным последовательно с переменным резистором R₁ (соответствует точка А на рис.4.32, при этом Rт=R). Так как через термистор протекает половина тока питающего мост, то мощность Р1, рассеиваемая на термисторе равна: .

2. После подачи СВЧ энергии в термисторную головку сопротивление падает, мост выходит из равновесия. Отклонение стрелки прибора в диагонале моста определяется изменением сопротивления термистора R-R' (соответствует перемещению в точку В на рис.5.9).

Рис. 4.32

3. Увеличивая , то есть уменьшая ток от источника питания, протекающий через термистор, мост вторично приводят в равновесие (возвращаемся в точку А, рис.4.32). Обозначим в этом случае постоянный ток от источника питания зафиксированный микроамперметром через . Тогда: .

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

.

Измерения балансным методом является косвенным, т.к. требует вычислений, схема более сложная, время измерения увеличивается.

Однако, точность измерений существенно выше, т.к. сопротивление терморезистора остается неизменным при фиксации результатов измерений (точка А на рис. 4.32) и не зависит от нелинейности характеристики , как это было при разбалансном методе.

На погрешность измерения влияют температура окружающей среды, нестабильность напряжения источника питания, погрешность микроамперметров.

В промышленных приборах применяют дополнительный термокомпенсационный мост, обеспечивающий независимость результата измерения от температуры окружающей среды; либо термостатирование терморезисторных головок, стабильные источники питания. Суммарная погрешность рассматриваемого метода, включающая замещение мощности постоянного тока СВЧ мощностью, ошибки согласования при неполном равенстве волнового сопротивления тракта передачи и сопротивления терморезистора (при этом поглощается не вся энергия СВЧ, поступающая в измерительную головку), погрешностей индикаторных устройств, источника питанияф и др. составляет (5-8)%, т.е. уменьшается в 2-3 раза в сравнении с прямым методом измерения (разбалансным). Значение измеряемой мощности составляет от единиц микроватт до единиц ватт; эти пределы расширяются путем включения градуировочного аттенюатора, ответвителя, делителя мощности. Основным узлом измерительного блока термисторных ваттметров является мост ручной (М3-10А) или автоматической установки баланса (М3-22; М3-28). Ваттметры с автоматической установкой баланса моста, как правило, имеют два моста: рабочий и компенсационный. При этом обеспечивается меньший дрейф нуля прибора при измерении температуры окружающей среды.

Термисторные ваттметры позволяют измерить мощность от единиц мкВт до 10 мВт в диапазоне частот от 20 МГц до 80,33 ГГц

Примеры применения ваттметров СВЧ

1.Измерение интенсивности излучения: в сочетании с измерительными антеннами. Интенсивность излучения в мкВт/см², определяется из выражения: Ризл=Ризм/S, где Ризм – результат измерения мощности ваттметром СВЧ при ориентации антенн на максимум излучения, мкВт; S – действующая площадь антенн,см². При наличии аттенюатора: Ризл=Ризм/S·К_А, где К_А - ослабление, вносимое аттенюатором. Погрешность измерения определяется в основном измерительной антенной и составляет 20÷40%.

2.Определение потерь в четырехполюснике (рис. 4.33)

Рис. 4.33 Структурная схема определения мощности

3.Определение коэффициента усиления усилителя мощности и др.

Метод вольтметра-амперметра (в цепях с сосредоточенными параметрами)

Источник энергии генератор, радиопередающее устройство (Г, РПДУ) нагружается на эквивалент нагрузки (или антенну) с известным сопротивлением.

На НЧ при измерении больших мощностей Р в качестве эквивалента применяют специальные резисторы (проволочные, силикатные, углеродные) (рис.4.34) Для больших мощностей используют водяное или воздушное принудительное охлаждение.

а) б)

Рис.4.34 Схемы измерения мощности РПДУ а) и генератором б)

При согласованной нагрузке Р определяется показанием вольтметра Р=U²/Rн. До 100 МГц – погрешность ±10%. На ВЧ, СВЧ (измерение до f≈1000МГц. Рис.4.35

Резистор заключен в экран особой формы, для согласования с коаксиальной линией передачи.

Рис.4.35 Схема измерения мощности в диапазонах ВЧ, СВЧ.

Генератор Г связан с нагрузкой линией с волновым сопротивлением ρ; на конце линии резистор Rн=ρ. При этом в линии режим бегущей волны. Р – поглощается нагрузкой: . Um – амплитуда напряжения на нагрузке или в любом сечении линии. В качестве измерительного прибора используется пиковый вольтметр (ПВ). Мощность измеряется не только в режиме непрерывной генерации, но и в импульсном режиме. Для расширения пределов измерения у резистора делают отводы, образующие делители с заданным коэффициентом деления. Погрешность (15-20)%.

Измерение импульсной мощности в диапазоне СВЧ

Ваттметры основных типов – терморезисторные, калориметрические, пондеромоторные и с термоэлементами измеряют мощность в режиме непрерывной генерации или среднюю мощность Рср.

Ваттметры, измеряющие среднюю мощность, могут быть использованы для измерения импульсной мощности Ри в соответствии с формулой Ри=РТ/τ, где Т и τ – период следования и длительность импульсов соответственно. При этом используют косвенный метод измерения. Точность измерения зависит от точности измерения Р, Т, τ. Процесс измерения может быть автоматизирован в ваттметрах с применением МП.

Для измерения импульсной мощности применяют пиковый вольтметр и пленочный болометр.

Структурная схема измерителя импульсной мощности представлена на рис.4.36.

Рис. 4.36 Структурная схема ваттметра импульсной мощности.

7 – пиковый вольтметр;

6 – видеоусилитель;

8 – источник питания;

4 – болометрическая головка;

1 – генератор импульсных сигналов;

2 – нагрузка;

3 – направленный ответвитель;

5 – дифференцирующая цепь;

9 – линия передачи.

Работа схемы.

Радиоимпульс от генератора импульсных сигналов (1) длительностью τ_и поступает в нагрузку (2) и в болометрическую головку (4) через направленный ответвитель (3), калиброванный по затуханию.

Пленочный болометр включен в цепь постоянного тока. Если тепловая болометра τ_б>>τ_и и период следования импульсов Тс>τ_б, то температура болометра линейно растет во время импульса и уменьшается по экспоненте в паузе (рис.4.37). Мощность Р_и определяется по скорости изменения сопротивления болометра, поглощающего эту мощность.

а) б)

Рис. 4.37 Напряжение импульсного сигнала а), сигнала на выходе болометра б)

Напряжение на выходе болометра имеет форму пилообразного импульса. Болометр преобразовывает прямоугольный радиоимпульс в пилообразный видеоимпульс. Его пропускают через дифференцирующую цепь (5), восстанавливающую форму прямоугольного импульса. На выходе дифференцирующей цепи – видеоимпульс, соответствующий огибающей радиоимпульса. Амплитуда видеоимпульса пропорциональна импульсной мощности СВЧ. Видеоимпульс усиливается видеоусилителем (6) и поступает на пиковый вольтметр. Болометр играет роль интегратора, преобразующего прямоугольный радиоимпульс в пилообразный видеоимпульс. Пример: болометрический ваттметр М3-12, работающий в диапазоне (0,1-3,1)ГГц.

Калориметрический метод измерения мощности

Основан на преобразовании электромагнитной энергии (в любом диапазоне частот), поглощаемой согласованной нагрузкой, в тепловую. Значение мощности оценивают по изменению температуры нагрузки. Применяют для измерения больших мощностей. ΔТº – разность температур на выходе и входе нагрузки жидкости (обычно воды), протекающей со скоростью .

Если в объем воды W при рассеянии мощности Р выделяется Q калорий тепла, то это тепло нагревает жидкость от T₁º до T₂º: (плотность ρ и теплоемкость С воды равны единице).

Мощность и количество тепла связаны соотношением (из курса физики):

Q=0.24 I² Rt=0.24 Pt; WΔTº=0.24 Pt; ;

t – время (в секундах); W – объем воды в литрах, протекший за время измерения. Измерение Р сводится к измерению разности температур (с помощью термометров либо термопар), расход воды поддерживается постоянным автоматически. Для получения цифрового отсчета используют цифровые термометры.