Все файлы / Метрология / Лабораторные работы / Лабораторная работа №2

Лабораторная работа №2

Измерение отношения мощностей и ослаблений

Содержание

1 Цель работы

Усвоить понятия относительных измерений, безразмерных относительных ве-

личин, единиц измерений.

Изучить методы измерений отношения мощностей на СВЧ.

Освоить навыки работы с измерительными приборами для измерения ослаб-

лений, способами обработки n результатов и оценивания погрешностей.

2 Теоретические сведения

2.1Один из центральных вопросов при разработке, производстве, испытаниях

иэксплуатации радиосистем – определение изменений параметров устройств и сигналов в зависимости от времени и влияющих факторов. Когда измеряются свой-

ства устройств, влияющие на амплитуду напряжений или параметры сигнала, вы-

ражаемые через отношение амплитуд, то для количественного выражения таких свойств используют специальные относительные безразмерные величины. В ра-

диоэлектронных измерениях большинство измеряемых величин относятся именно к безразмерным отношениям однородных величин. К таким величинам относятся,

например:

- компоненты матриц рассеяния – ослабление, коэффициент отражения, ха-

рактеризующие потери энергии;

- важнейшие параметры антенн – коэффициент усиления, уровни боковых ле-

пестков и другие параметры диаграмм направленности, коэффициент отражения;

-коэффициент шума;

-энергетический потенциал радиосистем;

-коэффициент гармоник, уровень искажений и помех;

-коэффициент усиления активных устройств и потери в пассивных устройст-

вах;

- коэффициент полезного действия передающих устройств.

Анализ всех величин, имеющих самостоятельные названия и специальные термины, измеряемых только в радиосвязи (а их более 400) показывает, что более

50% величин выражаются через безразмерные отношения амплитуд напряжений.

Для устройств, работающих с излучением высоких и сверхвысоких частот, когда длины волн сравнимы с характерными размерами объектов, важнейший частный

случай – это линейные устройства с неизменным и нормируемым волновым сопро-

2

тивлением. Для таких устройств измерение отношения амплитуд напряжения и пе-

редаваемой мощности связаны зависимостью: мощность P пропорциональна квад-

рату напряжения (или квадрату напряжённости поля амплитуды волны) P U 2 .

Поэтому для таких устройств измерения отношений взаимозаменяемы.

2.2 Единицы измерений отношений.

Для измерений отношений в большом диапазоне значений величин, исчис-

ляемом порядками, более удобны логарифмические шкалы, в которых применяют-

ся десятичные (или натуральные) логарифмы отношений двух значений величины,

где U1 и P1, U2 и P2 – это соответствующие друг другу значения напряжения и мощности.

AP 2AU

Поскольку оба числа АP и 2AU выражают одно и то же свойство объекта, на-

пример потери энергии в линии или коэффициент усиления напряжения, или ко-

эффициент нелинейных искажений, то удобно выражать одно и то же отношение одним числом в логарифмической шкале. Для АP и AU единице безразмерного от-

ношения для мощностей и напряжений дано имя Бел (от фамилии учёного Белла).

Соответственно кратная Белу в десять раз меньшая единица отношения называется

децибел (дБ) и выражается:

Ещё раз подчеркнём, если:

- измерить два значения мощности P1 и P2 в двух точках пространства (цепи);

- измерить напряжения U1 и U2 в тех же точках пространства (цепи);

Такое численное совпадение исключительно удобно для выполнения расчётов режимов цепей и параметров сигналов. Поскольку позволяет использовать одну и

3

ту же единицу (дБ) для таких внешне не совпадающих свойств системы как, например, чувствительность приёмника, потери в линии передачи, коэффициент шума, коэффициент усиления антенны и усилителя для численного определения свойства, характеризующего систему в целом – энергетический потенциал системы.

2.3. Единицы измерений мощности и напряжения в логарифмических шкалах. Практическое удобство применения единицы отношений в логарифмической шкале стимулировало применение логарифмических шкал для выражения результатов измерений мощностей и напряжений в виде выраженного в дБ отношения значения мощности или напряжения к единице, измерения ватт или вольт. Словами число выражается как: «отношение данной мощности PX к единице мощности 1 ватт равно 10 дБ», или PX равно 10дБ относительно одного ватта, или PX = 10 дБВт. Таким образом вместо мощности генератора 100 мВт можно сказать мощность ге-

нератора +20 дБм, то есть на 20 дБ больше чем 1 мВт.

С другой стороны, вместо «чувствительность приёмника 1мкВ» можно сказать, «чувствительность приёмника минус 120 дБм, то есть 10-6∙Вт = 1 мкВт. Потенциал системы равен +20 – (–120) = 140 дБ.

Важно подчеркнуть:

1.Введение децибела оправдано только ввиду удобства находить и выражать отношения величин в системах, причём там, где одновременно приняты различные параметры – силовые (ток, напряжение) и энергетические.

2.Введение удобно для волновых процессов, когда P U 2 .

3 Содержание лабораторной работы

3.1 Содержанием лабораторной работы является выполнение каждым исполнителем трёх лабораторных заданий.

Задание №1 «Градуировка шкалы волноводного аттенюатора методом отношения мощностей».

Задание №2 «Градуировка шкалы встроенного аттенюатора генератора Г4-

82(83) методом отношения мощностей».

Задание №3 «Градуировка шкалы волноводного аттенюатора методом замещения».

3.2 Отчёт должен содержать:

4

-таблицы первичных показаний;

-данные расчётов результатов;

-графики по трём заданиям, пригодные для определения ослабления каждого аттенюатора в соответствии с его шкалой и графики поправок по заданию №2;

-график разности результатов, полученных для волноводного аттенюатора по заданиям №1 и №3;

-ответы на вопросы домашнего задания.

4 Описание лабораторной установки

4.1 Состав лабораторной установки приведён в таблице 1.

Таблица 1 – Состав лабораторной установки

4.2 Генератор В качестве источника излучения применяется генератор Г4-83.

Генератор имеет следующие технические характеристики.

4.2.1Диапазон частот От 7,5 до 10,5 ГГц.

4.2.2Режим модуляции несущей:

- амплитудная импульсная, внутренняя и внешняя;

-внешняя частотная;

-внутренняя модуляция "меандр". 4.2.3 Выходная мощность:

-выход mWI не менее 3 ·10-3 Вт;

-пределы регулировки мощности ручкой на соединителе "выход mWI" не ме-

нее 50 дБ, от 3 ·10-3 Вт до 3 ·10-8 Вт;

- пределы регулировки мощности на соединителе "выход" от 3 ·10-3 Вт до 3 ·10-15 Вт (не менее 120 дБ).

4.2.4 Встроенный калиброванный аттенюатор (ручка «-dB») по соединителю

«выход»: от 0 до 120дБ.

Разрешающая способность при установке ослабления аттенюатора (-dB):

0,01дБ.

6

Управление генератором.

Установка частоты – ручка «MHz» соединённая с механическим отсчётным устройством настройки частоты генератора.

Разрешение по частоте 0,1 MГц.

Установка значения мощности по выходу «выход mWI» ручкой над соедини-

телем «выход mWI». По часовой стрелке – увеличение мощности. Крайнее поло-

жение против часовой стрелки – минимальная мощность (обычно менее 1,5мкВт).

Управление режимом модуляции – кнопочный переключатель слева внизу на лицевой панели (5 кнопок).

Включение сети – тумблер «сеть» слева вверху. 4.3 Ваттметр проходящей мощности (ВПРМ)

Выход генератора Г4-83 коаксиальным кабелем соединяется со входом волно-

водного ваттметра проходящей мощности (ВПРМ) через коаксиально-волноводный переход (ПВК). Назначение ВПРМ – измерение мощности, падающей в плоскости I

на нагрузку.

В состав ВПРМ входят:

-волноводный направленный ответвитель (НО);

-ваттметр поглощаемой мощности (ВПМ), присоединённый ко вторичному каналу НО, состоящий из первичного преобразователя (ПП, термисторной головки

4.681.471) и блока измерительного Я2М-66.

К выходу ВПРМ в плоскости I присоединён переменный волноводный атте-

нюатор (А), позволяющий изменять мощность в плоскости II. Совокупность НО+ПП+БИ+А образует ВПРМ с регулируемым калибровочным коэффициентом

(КК).

Управление аттенюатором – ручка на верхней горизонтальной плоскости кор-

пуса. Отсчёт показаний по круговой шкале в делениях. Цена деления не определе-

на.

4.4 Ваттметр поглощаемой мощности (ВПМ) М3-10А

4.4.1 К выходу ВПРМ в плоскости II подключён ВПМ типа М3-10А в составе первичного преобразователя М5-41 и термисторного моста Я2М-64. Он использу-

ется в лабораторной установке для измерения мощности падающей с выхода ВПРМ на нагрузку. Основные его технические характеристики:

7

-диапазон измерений мощности от 5 ·10-5 Вт до 10-2 Вт (50мВт÷10мВт);

-диапазон частот от 6,85 до 9,93 ГГц.

-инструментальная погрешность ваттметра без учёта погрешности калибро-

вочного коэффициента КК, зависящего от частоты ±1,5 PK %, где PК - конечное зна-

PX

чение предела измерений мощности; PX - измеряемая мощность;

-погрешность значений калибровочного коэффициента ±6%;

-КСВН преобразователя в диапазоне частот не более 1,3.

Измеритель мощности М3-10А построен по схеме уравновешивающего пре-

образования. Схема поддерживает автоматически значение сопротивлекния терми-

стора RT, равное заданному, то есть является замкнутой автоматической системой стабилизации сопротивления термистора с отрицательной обратной связью.

Она изменяет автоматически мощность подогрева термистора постоянным то-

ком в зависимости от внешнего возмущающего воздействия в виде изменения внешней температуры или поглощённой мощности СВЧ.

Устройством сравнения служит мостовая схема (Уинстона), в которой изме-

нение сопротивления термистора RT на значение приводит к появлению напряже-

ния резонанса e в диодном мосте. Напряжение разбаланса моста усиливается и преобразуется в такое изменение тока через термистор, при котором начальный ба-

ланс мостовой схемы восстанавливается.

Материализованной мерой мощности замещения PЗАМ является совокупность меры тока в виде стабилизатора тока подогрева термистора с известным начальным значением I0, значения сопротивления RT, при котором автоматически поддержива-

ется баланс мостовой схемы и измерителя приращений постоянного тока I. Из-

вестные номинальные значения I0, RT позволяют отградуировать шкалу измерите-

ля I в значениях мощности замещения PЗАМ на основе соотношения:

PЗАМ I02 RT (I0 I )2 RT 2I I I 2

Отметим, что при малых значениях I ≤ 0,04 I0 можно с погрешностью, мень-

шей 0,1%, считать, что значение PЗАМ пропорционально результату измерения I,

то есть шкала измерения PЗАМ линейная. Следует, однако, обратить внимание, что шкала измерений PЗАМ в диапазоне до 10мВт у БИ Я2М-64 нелинейная.

8

4.4.2 Схема блока Я2М-64

Принцип действия блока измерительного Я2М-64 поясняется схемой, приве-

денной на рис.1.

Блок измерительный состоит из уравновешенного термисторного моста «МТ»,

в одно плечо которого включен термистор, расположенный в преобразователе,

вспомогательного генератора «Г» с частотой 3 кГц, стабилизатора тока «Ст» и схе-

мы автоматического управления балансом моста, состоящей из усилителя посто-

янного тока «УПТ», регулирующего элемента «РЭ» – транзистора, в эмиттерную цепь которого в качестве нагрузки включен индикаторный прибор «ИП» с шунта-

ми.

Питание термисторного моста и регулирующего элемента, включенных па-

раллельно, осуществляется от стабилизатора тока. При этом строго постоянная ве-

личина тока, выдаваемого стабилизатором, распределяется между мостом и «РЭ» в

зависимости от сопротивления РЭ.

Начальный баланс моста отмечается индикаторным прибором «ИП», ток че-

рез который в это время равен нулю (после установки нуля ваттметра). Таким обра-

зом при начальном балансе вся мощность рассеивается на «МТ».

Рис.1 – Принцип действия блока измерительного Я2М-64 9

При нагреве терморезистора мощностью СВЧ баланс моста нарушается, и на-

пряжение разбаланса подается на вход УПТ. Усиленное напряжение разбаланса с выхода УПТ поступает на РЭ, ток через который увеличивается, вызывая умень-

шение мощности постоянного тока, выделяемой в терморезисторе. Возрастание то-

ка через РЭ и, следовательно, уменьшение мощности постоянного тока в терморе-

зисторе будет происходить, пока мост не придет в баланс. Таким образом, осуще-

ствляется автоматическая балансировка моста. Мощность постоянного тока на терморезисторе уменьшается на величину, приблизительно равную поглощенной мощности СВЧ (приближенность этого равенства обусловлена отличием KЭ преоб-

разователя от единицы).

Шкала «ИП» отградуирована в разностях мощностей постоянного тока, опре-

деляемых формулой

PЗАМ = I12 I 22 RТ ,

где I1, I2 – ток в терморезисторе при начальном балансе и балансе при наличии мощности СВЧ, RТ – сопротивление терморезистора.

4.4.3 Органы управления блока Я2М-64 и их назначение

Перечень органов управления блока Я2М–64, расположенных на передней

панели, приведен в Таблице 2.

Таблица 2