Министерство образования и науки РФ

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ (КНИТУ-КАИ)

Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций

Кафедра нанотехнологии в электронике

Виртуальное измерение мощности

Методические указания к лабораторной работе №1

по курсу “Радиоизмерения”

Выполнили: студенты группы 5307 Назметдинов А.З.,

Мартемьянов В.К.

Руководитель: с.пр. к.т.н. Аюпов Т.А. .

Лабораторная работа Виртуальное измерение мощности

1. Цель работы.

При выполнении студентом лабораторной работы «Виртуальное измерение мощности» ставятся следующие цели.

Изучение конструкции и принципа действия измерителя мощности.

1. Овладение навыками работы с измерителем мощности .

2. Овладение методами и практическими приемами обработки результатов наблюдений, способами оценивания систематических и случайных погрешностей.

3. Измерение мощности с помощью датчика мощности Z-85

2. Содержание работы.

   1. При подготовке к работе необходимо:

• изучить описание работы;

• изучить материал по пособию;

• подготовить ответы на контрольные вопросы;

• самостоятельно подготовить методику выполнения контрольного лабораторного задания.

1. Продолжительность работы 2 часа. В течение этого времени исполнитель должен:

• научиться настраивать лабораторную измерительную установку (частоты, уровни мощности, пределы измерений, режимы модуляций);

• выполнить учебное лабораторное задание в соответствии с настоящим описанием.

1. При подготовке к сдаче работы необходимо:

• подготовить интерпретацию полученных результатов;

• если результаты не соответствуют ожидаемым, подготовить объяснение, перечислить факторы, повлиявшие на результаты;

• подготовить ответы на контрольные вопросы;

• уметь объяснить техническую сущность манипуляций органами управления приборов.

3. Теоретические сведения

   1. Об измеряемой величине.

Измерение мощности электромагнитного излучения в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн (в диапазоне сверхвысоких частот) являются практически единственным способом численного оценивания интенсивности излучения. Это обусловлено тем, что другие физические величины, потенциально пригодные для количественной оценки интенсивности излучения, например, ток, напряжение, напряженность электрического или магнитного компонентов, теряют однозначность определения при длинах волн, сравнимых по порядку величины с поперечными размерами линии передачи или размерами первичных преобразователей измерительных приборов. Когда говорят об измерениях мощности в диапазоне сверхвысоких частот, то фактически подразумевают измерения численного значения среднего за период потока энергии через определенную поверхность. Для волноводных, коаксиальных трактов этой поверхностью является сечение волновода плоскостью, перпендикулярной направлению распространения. Привязка к поверхности – существенна! Поэтому имеет смысл говорить об измерениях мощности только в определенной плоскости (при определенной координате оси). Понятно, что поток энергии равен поверхностному интегралу вектора Пойнтинга, так что мощность

, или

,

где - векторы с изменяющейся во времени по синусоидальному закону амплитудой,  - сдвиг фаз между , E_m, H_m – скалярные амплитуды.

При наличии неоднородностей имеются волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, то есть падающие и отраженные. Соответственно, можно говорить о падающей P_пад, отраженной P_отр и проходящей P_пр мощностях, причем Р_пр= Р_пад – Р_отр. Заметим, что мощность, проходящая в нагрузку, и мощность, поглощенная нагрузкой, - это одна и та же мощность.

2. Преобразование измеряемой мощности.

Поскольку электромагнитное излучение СВЧ человеком не ощущается, постольку необходимо частичное или полное преобразование энергии измеряемого СВЧ излучения в другие физические величины, которые, в конечном счете, поддаются визуализации или записи. Преобразование СВЧ всегда многоступенчатое, например: энергия излучения  ток  наведенные СВЧ токи  тепло.

Возможны и другие виды преобразований. Заметим, что относительно силовой характеристики поля обязательно присутствует нелинейное преобразование либо при детектировании, либо по закону Джоуля-Ленца, либо по закону Кулона. Нелинейное преобразование обязательно для измерения мощности, ибо в исходном определении потока энергии поля также присутствует нелинейное преобразование. Подавляющее большинство приборов для измерения мощности СВЧ основаны на преобразовании энергии излучения в тепло.

3. Ваттметры СВЧ.

Для преобразования энергии СВЧ и визуализации результата измерений разрабатывают и выпускают в больших количествах специальные приборы – ваттметры сверхвысоких частот. Типичный ваттметр состоит из одного или нескольких первичных измерительных преобразователей и одного измерительного блока. Назначение преобразователей – преобразование измеряемой мощности в напряжение, ток, термо-эдс, сопротивление постоянному току. Назначение блока измерительного – дальнейшие преобразования: усиление или деление сигнала, вычисление различных функций измеряемой величины, преобразование в цифровую форму, преобразование в код, обеспечение интерфейсных функций при работе совместно с другими приборами в информационных измерительных системах.

Все ваттметры СВЧ, работающие в диапазоне частот от 10⁷ Гц до 10¹¹ Гц, подразделяются по следующим основным признакам:

1. по уровням измеряемых мощностей: ваттметры малых уровней мощности (до 10^2 Вт), средних уровней (от 10 ^2 Вт до 10 Вт), больших уровней мощности (более 10 Вт);

2. по типу входного соединителя первичного преобразователя: волноводные (прямоугольный волновод) и коаксиальные;

3. по способу включения в тракт: ваттметры проходного типа (ваттметры проходящей мощности) и ваттметры оконечные ( ваттметры поглощаемой мощности);

4. по способу преобразования: тепловые и электронные;

5. отдельную группу составляют импульсные ваттметры, специально предназначенные для измерения мощности несущей при импульсно-модулированном сигнале генератора.

4. Две схемы измерения СВЧ.

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ: а) измерение мощности источника (генератора) излучения, когда под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку; б) измерение мощности, выделяемой в генераторе (см. рисунки 1,а и 1,б). В приведенных случаях используются принципиально различные методы измерения. В случае а) измеряемая мощность, выделяемая генератором, полностью поглощается измерителем поглощаемой мощности, являющимся нагрузкой. В случае б) между генератором и нагрузкой включается ваттметр проходящей мощности, отбирающий лишь малую часть мощности. Идеальный ваттметр проходящей мощности не должен вносить никаких изменений в передачу энергии от генератора к нагрузке.

Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, как элементы электрической цепи, являются двухполюсниками. Идеальный ваттметр поглощаемой мощности должен иметь преобразователь с входным сопротивлением Z_п, равным выходному сопротивлению генератора Z_г. В этом случае коэффициент отражения преобразователя ваттметра Г_п будет равен нулю. На практике с целью достижения взаимозаменяемости входные и выходные сопротивления всех устройств, а особенно измерительных приборов СВЧ, стремятся сделать равными друг другу и равными характеристическому (волновому) сопротивлению стандартного идеального волновода Z₀. Этот идеальный случай никогда не достигается даже на отдельных фиксированных частотах. Тем более идеальное согласование недостижимо одновременно на любой произвольной частоте рабочего диапазона частот преобразователя. Реальные ваттметр и генератор имеют комплексные коэффициенты отражения выхода и входа, определяемые относительно стандартного волновода, соответственно равные

Г_г= , Г_п= в плоскостях входа и выхода.

Вследствие многократных отражений от нагрузки и генератора в линии устанавливается режим с наличием падающих и отраженных волн напряженности поля. Мощность, поглощенная в преобразователе, равна

,

где Р_г – мощность, выдаваемая генератором на согласованную нагрузку. При условии 1

.

Таким образом, мощность, поглощенная преобразователем ваттметра, не равна мощности, выдаваемой генератором в согласованную нагрузку, которая обычно интересует потребителя. Величина является систематической методической погрешностью. Причем слагаемое имеет вполне определенный знак. Следовательно, можно ввести поправку в результат измерения, если предварительно определить Г_п. Что касается второго слагаемого , то модуль и знак зависят от соотношения фаз коэффициентов отражения генератора и преобразователя, так что величина может принимать любое значение в пределах . При неизвестных значениях _г и _п , как это всегда бывает на практике, величина остается неучтенной систематической погрешностью. Численное максимально возможное значение этой погрешности может быть оценено, если известны и . Эта специфическая методическая погрешность называется погрешностью рассогласования. Погрешность рассогласования присуща измерениям всех величин в диапазоне сверхвысоких частот, где в измерительной схеме существует режим смешанных волн. Она обусловлена зависимостью показаний приборов от соотношения фаз коэффициентов отражения и коэффициентов передачи узлов измерительной схемы. При измерении мощности по схеме б) с помощью ваттметра проходящей мощности погрешность рассогласования также имеется. Показания ваттметра проходящей мощности А в общем виде выражаются приближенной формулой

,

где К_к – это постоянный для данного ваттметра калибровочный коэффициент, равный отношению Р_пад/А при Г_н= 0, С – постоянный для данного ваттметра коэффициент, определяющий степень влияния на показания ваттметра коэффициента отражения нагрузки, В – коэффициент, определяющий вклад в показания ваттметра отраженной мощности, F(_н) – периодическая функция фазы коэффициента отражения.

В зависимости от значения В все ваттметры проходящей мощности подразделяются на три группы. При В = 0 показания ваттметра равны падающей мощности. Такой ваттметр может быть создан на основе направленного ответвителя с бесконечной направленностью и с ваттметром поглощаемой мощности во вторичном плече. Измерения проводятся по схеме, приведенной на рисунке 2.

Если В = 1, то показания ваттметра равны проходящей (поглощенной нагрузкой) мощности. Примером может служить измеритель, собранный по схеме рис.3.

Он состоит из двух направленных ответвителей с бесконечной направленностью и ваттметрами поглощаемой мощности во вторичных плечах, причем показания этих ваттметров автоматически вычитаются, так что результат измерений пропорционален разности . Случай 0  В  1 соответствует измерителям с одним или несколькими направленными зондами, реагирующими на квадрат напряженности поля в месте расположения зондов, или ответвителю с конечной направленностью. Так, например, зонд измерительной линии с квадратичным детектором также можно применить для измерения проходящей мощности, хотя и с большой погрешностью рассогласования.

Рассмотрим методическую погрешность измерения проходящей мощности. Пусть измеряется падающая мощность. В этом случае относительная погрешность равна

.

Как и погрешность ваттметра поглощаемой мощности _отн имеет два слагаемых: первое зависит от Г_н и может быть исключено введением поправки, если известно В, второе слагаемое – это погрешность . По аналогии с измерителем поглощаемой мощности для измерителя проходящей мощности вводят некий условный эффективный коэффициент отображения Г_э, равный С/2. Для измерителя проходящей мощности с направленным ответвителем, обладающим идеальной направленностью, величина Г_э имеет физический смысл: ее значение равно коэффициенту отражения выхода ответвителя.

3.5. Измерения импульсной мощности

Большинство радиолокационных систем СВЧ работает с импульсно-модулированными сигналами. Поэтому измерения импульсной мощности имеют большое практическое значение. Под импульсной мощностью понимают среднюю за время импульса мощность. Это значение мощности используют для характеристики импульсов прямоугольной формы. В этом случае импульсная мощность и ее среднее значение за период повторения импульсов связаны соотношением

,

где - длительность импульса, - скважность последовательности импульсов. На практике измеряют среднюю мощность и по данной формуле определяют . Среднюю мощность измеряют при помощи преобразователей, у которых постоянные времени нагрева чувствительного элемента много больше периода повторения, то есть они являются хорошими интеграторами. Если интегрирующие свойства преобразователей недостаточны, тогда дополнительное интегрирование осуществляется при помощи

измерительного блока.