Измерительные задачи.

При измерении мощности СВЧ чаще всего решают следующие измерительные задачи.

Измерительная задача №1. Имеется генератор, выдающий мощность СВЧ с выхода, представляющего собой стандартизированный волновод. Необходимо определить какая мощность ЭМИ падает на нагрузку, то есть какую мощность “выдает” генератор на СН. Отметим, что и генератор, и нагрузка представляют собой двухполюсники, то есть энергия вне системы генератор+нагрузка никуда не попадает.

Пусть - мощность генератора, которая падает с его выхода на вход бесконечного однородного волновода стандартизованного поперечного сечения, а , - комплексные коэффициенты отражения, определяемые как отношения комплексных амплитуд , электрического поля отраженных и падающих волн, т. е.

, .

Можно показать, что

(7.1)

Вариант №1. Необходимо определить , если . Подключают измеритель мощности - ваттметр, который представляет собой нагрузку, то есть двухполюсник с коэффициентом отражения . Очевидно, ваттметр измерит

(7.2)

пренебрегая значениями величин порядка , можно считать меньше

.

Если модули и фазы комплексных коэффициентов отражений , неизвестны, то можно принять за результат измерения значение , допустив методическую погрешность .

На практике обычно приводится в паспорте на прибор, так что в результате может введена поправка со знаком плюс, равная . В то же время значение величины , обычно неизвестно из-за незнания фаз коэффициентов отражения. Поэтому рассматривая мощность генератора по формуле , допускается методическая погрешность, которую называют погрешностью рассогласования. Предельное значение . Инженер, измеряющий мощность генератора всегда должен помнить о наличии этой погрешности.

Вариант №2. Необходимо определить мощность, поглощенную нагрузкой, присоединенной к выходу генератора. Например, к выходу антенно-фидерного тракта в плоскости II присоединена антенна c коэффициентом отражения (рис. 7.1а), представляющая собой нагрузку генератора.

Рис.7.1. Подключение измерителей мощности

Задачу решают, присоединяя в плоскости II взамен антенны ваттметр В (рис. 7.1,б).

Запишем (2) для двух случаев рис. 7.4а и б.

(7.3а);

(7.3б).

Решая совместно (7.3а), (7.3б), если считать, что мощность генератора не изменилась, т.е. , получим:

(7.4).

Если предварительно измерить , , внести поправки, что , то погрешность рассогласования

(7.5).

Отметим, что в обоих вариантах решения задачи №1 применяются ваттметры СВЧ, представляющие собой двухполюсники. Такие ваттметры по действующей в России классификации называют ваттметрами поглощаемой мощности. Иногда в технической документации их называют ваттметрами “оконечного типа”, но это нестрогое название.

Вариант №3. Для непрерывного контроля (мониторинга) генератора передатчика, включенного в радиотехнический, объект удобно применять измерители в виде 4-хполюсника, постоянно включенного между генератором и антенной и представляющего собой в схеме СВЧ фидера отдельный узел. В составе такого измерителя так же, как и в составе измерителя поглощаемой мощности должны быть преобразователи и другие составные части, обеспечивающие визуализацию показаний в единицах мощности [Вт], проходящей из генератора в антенну (нагрузку). Шкалу таких ваттметров, по классификации, действующей в России, называемых ваттметрами проходящей мощности, градируют в единицах либо мощности, падающей в выхода ваттметра на вход нагрузки , либо в значениях мощности, поглощенной нагрузкой, то есть в значениях . Если показания такого ваттметра проходящей мощности равны , то результат измерений поглощенной нагрузкой мощности определен с погрешностью . Соответственно, если ваттметр отградуирован в значениях мощности, поглощенной нагрузкой и его показания равны , то погрешность измерения падающей мощности равны также .

Если же измеритель проходящей мощности, градуируемый в значениях или реагирует не только на падающую, но частично и на отраженную мощность, тогда

; (7.6)

; (7.7)

, (7.8)

где - комплексный коэффициент отражения нагрузки;

- комплексное число, представляющее собой комбинацию комплексных коэффициентов рассеяния, характеризующих ваттметр проходящей мощности как генератор известного значения мощности, которое в мировой измерительной практике принято называть эффективным коэффициентом отражения ваттметра проходящей мощности.

Физические явления, приводящие к тому, что и, следова­тельно, будут далее.

Понятно, что значения мощности падающей на вход ваттметра проходящей мощности . Значение характеризует неизбежные потери мощности в ваттметре проходящей мощности. Желательно иметь , то есть минимально возможным.

По результатам краткого рассмотрения измерительной задачи №1 отметим:

инженер должен помнить, что при выборе ваттметра необходимо проверить следующие технические характеристики.

1. Диапазон частот ваттметра должен быть не менее чем диапазон частот испытуемого генератора передатчика. Лучше, если диапазон частот ваттметра хотя бы на (25)% шире диапазона генератора. Например, если диапазон генератора , то .

2. Диапазон ожидаемых значений измеряемой мощности ни в коем случае не должен превышать максимальных для ваттметра допустимых значений мощности или , что то же самое: диапазон мощности, измеряемый выбранным ваттметром, всегда должен превышать максимальное ожидаемое значение измеряемой мощности. В противном случае ваттметр выйдет из строя - “сгорит”.

3. Сумма погрешности ваттметра, указанной в его технической документации и погрешности рассогласования , определенной по формулам (7.6), (7.7) или (7.8), не должна превышать требуемой для инженера погрешности результата измерений. Поскольку значения определяются только при известных фактических или предельно допустимых значениях , , , , то измерения мощности проводимые ваттметрами, у которых отсутствуют паспортные значения , , , - неправильные. Инженер, проводящий измерения, обязан рассчитать сумму погрешностей ваттметра и погрешности рассогласования .

4. Недопустимо применять ваттметры проходящей мощности, у которых в их руководствах по эксплуатации не указан способ определения , , способ определения и способ суммирования ее с основной погрешностью ваттметра.

Измерительная задача №2. Имеется радиотехнический объект, включающий передатчик, фидер и нагрузку (например, антенну). Необходимо определить мощность, излучаемую антенной в пространство. Мощность, излучаемая антенной с коэффициентом отражения тождественна мощности, поглощенной нагрузкой с коэффициентом отражения . Измерения можно выполнять двумя способами.

Вариант №1. Отключить антенну и вместо нее присоединить в плоскости I ваттметр поглощаемой мощности. Задача полностью совпадает с Вариантом №2 измерительной задачи №1. Расчет погрешности рассогласования производится по формуле (7.6).

Вариант №2. Между антенной и генератором включить ваттметр проходящей мощности и провести измерения как в Варианте №3 Измерительной задачи №1. Погрешности рассогласования рассчитать по формуле (7.8).