Все файлы / Метрология / Лабораторные работы / Лабораторная работа №1

1

1 Цель работы

1.1 На примере измерений мощности СВЧ усвоить смысл, содержание, опре-

деления основных понятий радиоизмерений на высоких и сверхвысоких частотах:

-измеряемая физическая величина (ФВ);

-принцип измерений;

-метод измерений, уравнение измерений;

-измерительная задача;

-структура измерительного прибора;

-составные части радиоизмерительного прибора – мера ФВ, преобразователь,

устройство сравнения, устройство визуализации – отображения результата;

-погрешность измерения;

-физические явления, влияющие на результат и погрешность измерения;

-погрешность измерительного прибора;

-условия измерений.

1.2 Изучить и усвоить основные теоретические сведения об измерениях мощ-

ности СВЧ.

1.3 Научиться самостоятельно готовиться к решению поставленной инженер-

ной измерительной задачи.

1.4 Освоить навыки самостоятельной работы с измерителем мощности и гене-

ратором излучения СВЧ.

2 Теоретические сведения

2.1 Мощность, как физическая величина (ФВ), то есть свойство материального объекта, определяется как способность объекта (природного или изготовленного)

производить определённую работу в течение интервала времени определённой длительности. В качестве единицы мощности в системе единиц SI принимается производная единица – ватт, при которой за время 1 с может быть совершена меха-

ническая работа 1 джоуль. Можно также говорить о тепловой мощности, которая называется тепловым потоком, и о мощности излучения – потоке излучения – элек-

тромагнитного, оптического, рентгеновского, радиоактивного (γ – излучения). Раз-

мерность единицы мощности – ватта – [L2MT-3].

Современное состояние техники электрических измерений позволяет привя-

зать единицу всех видов мощности к единице мощности постоянного тока, которая

2

образуется через произведение единицы ампера [I] и вольта [L2MT-3I-1] и которая,

очевидно, имеет размерность ватта.

2.2 Принцип измерений.

Измерители мощности всех видов излучения, включая когерентное электро-

магнитное излучение СВЧ, изучением которого мы займёмся в лабораторной рабо-

те, в конечном счёте привязываются (говорят – получают размер единицы мощно-

сти [Вт]) к эталонным измерителям мощности, которые измеряют мощность на ос-

нове одновременного применения трёх фундаментальных физических законов:

-закона сохранения энергии;

-закона Джоуля-Ленца;

-закона Ома.

При этом в эталонных измерителях мощность любого вида излучения преоб-

разуется в тепловой поток, который сравнивается с тепловым потоком, получен-

ным от источника в виде резистора с известным активным сопротивлением, на ко-

тором измеряется падение напряжения, протекающего через него постоянного то-

ка.

2.3 Метод измерения.

Метод замещения является основным методом измерения, реализуемым в приборах для измерения мощности электромагнитного излучения при сверхвысо-

ких частотах (далее – мощность СВЧ). Метод замещения реализуется в двух видах:

-параллельное (одновременное) автоматическое замещение;

-последовательное замещение в виде калибровки измерителя известной мощ-

ностью, выдаваемой встроенным калибратором, генератором известной мощности.

Уравнение измерения при использовании метода замещения имеет вид:

xизм = xзам,

где xизм – значение измеряемой ФВ;

xзам – значение одноимённой с xизм ФВ, которой замещают (заменяют) xизм для получения неизменных показаний прибора.

2.4 Измерительные задачи. 2.4.1 Об измеряемой величине.

Измерения мощности электромагнитного излучения в диапазоне дециметро-

вых, сантиметровых и миллиметровых волн (в диапазоне сверхвысоких частот) яв-

3

ляются практически единственным способом численного оценивания интенсивно-

сти излучения. Это обусловлено тем, что другие физические величины, потенци-

ально пригодные для количественной оценки интенсивности излучения, например,

ток, напряжение, напряженность электрического или магнитного компонентов, те-

ряют однозначность определения при длинах волн, сравнимых по порядку величи-

ны с поперечными размерами линии передачи или размерами первичных преобра-

зователей измерительных приборов. Когда говорят об измерениях мощности в диа-

пазоне сверхвысоких частот, то фактически подразумевают измерения численного значения среднего за период потока энергии через определенную поверхность. Для волноводных, коаксиальных трактов этой поверхностью является сечение волново-

да плоскостью, перпендикулярной направлению распространения. Привязка к по-

верхности – 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

где E, H – векторы с изменяющейся во времени по синусоидальному закону

амплитудой, – сдвиг фаз между E, H , Em, Hm – скалярные амплитуды.

При наличии неоднородностей имеются волны, распространяющиеся в проти-

воположных направлениях, то есть падающие и отраженные. Соответственно,

можно говорить о падающей PПАД, отраженной PОТР и проходящей PПР мощностях,

причем

PПР = PПАД – PОТР. Заметим, что мощность, проходящая в нагрузку, и мощность,

поглощенная нагрузкой, - это одна и та же мощность. 2.4.2 Две схемы измерения СВЧ мощности.

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ: а) измерение мощности источника (генератора) излучения, когда под мощностью генератора по-

нимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку; б) измерение мощности,

выделяемой в генераторе (см. рисунки 1,а и 1,б). В приведенных случаях исполь-

зуются принципиально различные методы измерения. В случае а) измеряемая

4

мощность, выделяемая генератором, полностью поглощается измерителем погло-

щаемой мощности, являющимся нагрузкой. В случае б) между генератором и на-

грузкой 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.

ГГ ГП

Ваттметр

Генератор поглощаемой мощности

Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, как элемен-

ты электрической цепи, являются двухполюсниками. Идеальный ваттметр погло-

щаемой мощности должен иметь преобразователь с входным сопротивлением ZП,

равным выходному сопротивлению генератора ZГ. В этом случае коэффициент от-

ражения преобразователя ваттметра ГП будет равен нулю. На практике с целью достижения взаимозаменяемости входные и выходные сопротивления всех уст-

ройств, 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 недости-

жимо одновременно на любой произвольной частоте рабочего диапазона частот

5

преобразователя. Реальные ваттметр и генератор имеют комплексные коэффициен-

ты отражения выхода и входа, определяемые относительно стандартного волново-

Вследствие многократных отражений от нагрузки и генератора в линии уста-

навливается режим с наличием падающих и отраженных волн напряженности поля.

Мощность, поглощенная в преобразователе, равна

где РГ – мощность, выдаваемая генератором на согласованную нагрузку. При условии ГП , ГГ 1

Таким образом, мощность, поглощенная преобразователем ваттметра, не рав-

на мощности, выдаваемой генератором в согласованную нагрузку, которая обычно

интересует потребителя. Величина 1 РПОГЛ РГ является систематической методи-

Следовательно, можно ввести поправку в результат измерения, если предваритель-

и знак зависят от соотношения фаз коэффициентов отражения генератора и преоб-

стью. Численное максимально возможное значение этой погрешности может быть оценено, если известны ГП и ГГ . Эта специфическая методическая погрешность называется погрешностью рассогласования. Погрешность рассогласования прису-

ща измерениям всех величин в диапазоне сверхвысоких частот, где в измеритель-

ной схеме существует режим смешанных волн. Она обусловлена зависимостью по-

казаний приборов от соотношения фаз коэффициентов отражения и коэффициен-

тов передачи узлов измерительной схемы. При измерении мощности по схеме б) с

6

помощью ваттметра проходящей мощности погрешность рассогласования также имеется. Показания ваттметра проходящей мощности А в общем виде выражаются приближенной формулой:

где КК – это постоянный для данного ваттметра калибровочный коэффициент,

равный отношению РПАД/А при ГН = 0, С – постоянный для данного ваттметра ко-

эффициент, определяющий степень влияния на показания ваттметра коэффициента отражения нагрузки, В – коэффициент, определяющий вклад в показания ваттметра отраженной мощности, F( Н) – периодическая функция фазы коэффициента отра-

жения.

В зависимости от значения В все ваттметры проходящей мощности подразде-

ляются на три группы. При В = 0 показания ваттметра равны падающей мощности.

Такой ваттметр может быть создан на основе направленного ответвителя с беско-

нечной направленностью и с ваттметром поглощаемой мощности во вторичном плече. Измерения проводятся по схеме, приведенной на рис. 2.

Р и с . 2

Если В = 1, то показания ваттметра равны проходящей (поглощенной на-

грузкой) мощности. Примером может служить измеритель, собранный по схеме рис.3.

7

У В – у с т р о й с т в о в ы ч и т а н и я

Р и с . 3

Он состоит из двух направленных ответвителей с бесконечной направленно-

стью и ваттметрами поглощаемой мощности во вторичных плечах, причем показа-

ния этих ваттметров автоматически вычитаются, так что результат измерений про-

порционален разности PПАД PОТР . Случай 0 В 1 соответствует измерителям с одним или несколькими направленными зондами, реагирующими на квадрат на-

пряженности поля в месте расположения зондов, или ответвителю с конечной на-

правленностью. Так, например, зонд измерительной линии с квадратичным детек-

тором 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

Как и погрешность ваттметра поглощаемой мощности ОТН имеет два сла-

гаемых: первое зависит от ГН и может быть исключено введением поправки, если известно В, второе слагаемое – это погрешность . По аналогии с измерите-

лем поглощаемой мощности для измерителя проходящей мощности вводят некий условный эффективный коэффициент отражения ГЭ, равный С/2. Для измерителя проходящей мощности с направленным ответвителем, обладающим идеальной на-

правленностью, величина ГЭ имеет физический смысл: ее значение равно коэффи-

циенту отражения выхода ответвителя.

2.4.3 Измерения импульсной мощности.

8

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 характери-

стики импульсов прямоугольной формы. В этом случае импульсная мощность PИ и

где И - длительность импульса, Q - скважность последовательности импуль-

сов. На практике измеряют среднюю мощность и по данной формуле определяют

PИ . Среднюю мощность измеряют при помощи преобразователей, у которых по-

стоянные времени нагрева чувствительного элемента много больше периода по-

вторения, то есть они являются хорошими интеграторами. Если интегрирующие свойства преобразователей недостаточны, тогда дополнительное интегрирование осуществляется при помощи измерительного блока. В данной лабораторной работе предстоит измерить среднее значение мощности при модуляции меандром и опре-

делить скважность Q по результатам измерений PСР , считая что PИ PНГ .

2.5 Ваттметры СВЧ.

Для преобразования энергии СВЧ и визуализации результата измерений раз-

рабатывают и выпускают в больших количествах специальные приборы – ваттмет-

ры сверхвысоких частот. Типичный ваттметр состоит из одного или нескольких первичных измерительных преобразователей и одного измерительного блока. На-

значение преобразователей – преобразование измеряемой мощности в напряжение,

ток, термо-ЭДС, сопротивление постоянному току. Назначение блока измеритель-

ного – 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:

9

1) по уровням измеряемых мощностей: ваттметры малых уровней мощности (до 102 Вт), средних уровней (от 10 2 Вт до 10 Вт), больших уровней мощности (более

10Вт);

2)по типу входного соединителя первичного преобразователя: волноводные

(прямоугольный волновод) и коаксиальные; 3) по способу включения в тракт: ваттметры проходного типа (ваттметры про-

ходящей мощности) и ваттметры оконечные (ваттметры поглощаемой мощности);

4)по способу преобразования: тепловые и электронные;

5)отдельную группу составляют импульсные ваттметры, специально предна-

значенные для измерения мощности несущей при импульсно-модулированном сигнале генератора.

2.5.1 Первичные преобразователи.

2.5.1.1 Преобразование измеряемой мощности.

Поскольку электромагнитное излучение СВЧ человеком не ощущается, по-

стольку необходимо частичное или полное преобразование энергии измеряемого СВЧ излучения в другие физические величины, которые в конечном счете подда-

ются визуализации или записи. Преобразование СВЧ всегда многоступенчатое, на-

пример: энергия излучения ток наведенные СВЧ токи тепло.

Возможны и другие виды преобразований. Заметим, что относительно сило-

вой 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.

2.5.1.2 Конструкции первичных преобразователей.

Конструкция первичного преобразователя должна обеспечивать:

1)возможность присоединения к генератору (для ваттметра поглощаемой мощности) или к генератору и нагрузке (для ваттметра проходящей мощности);

2)возможность подключения к блоку измерительному ваттметра;

3)размещение и согласование поглотителя и чувствительного элемента в тре-

буемом диапазоне частот;

10