Глава 6. Средства измерения мощности

6.1. Общие сведения, классификация

Измерение мощности в электрических цепях является распространенным видом измерений, а в радиотехнике --одним из основных. В передающих, приемных, измерительных и других радиотехнических устройствах диапазон измеряемых мощностей очень велик --от 10⁸до 10^-8Вт [11]. Мощности свыше 1000Вт условно считаются очень большими, от 1000до 10Вт --большими, от 10до 0,1Вт -- средними, от 0,1до 10^-6Вт --малыми и от 10^-6Вт и меньше --очень малыми.

В цепях постоянного тока потребляемая нагрузкой мощность равна произведению тока и напряжения. В цепях переменного тока мгновенная мощность p= Ui, гдеUиi -мгновенные значения напряжения и тока. В цепях, питающихся синусоидальным током, различают активную и реактивную (среднюю за период) мощность – две составляющие комплексной характеристики. В технике обычно используется активная составляющая, которая вычисляется по формуле:

(30)

На СВЧ методы, основанные на измерении тока и напряжения, менее удобны или вовсе неприемлемы. Это обусловлено тем, что в используемых на СВЧ линиях передачи измеренные в произвольном сечении значения тока и напряжения могут отличаться от тока и напряжения на нагрузке. Кроме того, сами измерители тока и напряжения в диапазоне СВЧ оказывают сильное влияние на цепь, в которой производится измерение, поэтому на частотах выше сотен мегагерц распространены способы, основанные на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие виды, более удобные для измерения, чаще всего в тепловую энергию.

По виду нагрузки, в которой рассеивается тепло, различают калориметрические, термоэлектрические, болометрические или термисторные ваттметры. Менее употребительны виды измерения мощности, использующие пондеромоторное действие электромагнитного поля, эффект Холла, нелинейные свойства ферритов и разогрев носителей в электрическом поле. На частотах менее 10ГГц применяют косвенный способ, который заключается в измерении напряжения на согласованной с линией передачи нагрузке.

Мощность на СВЧ можно измерять как при непрерывном, так и при импульсном сигнале. В первом случае измеряют среднюю за период СВЧ колебания мощность, и к быстродействию первичных преобразователей мощности не предъявляется жестких требований. Возможность работы ваттметра в импульсном режиме зависит от быстродействия первичного преобразователя. Первичные преобразователи, работа которых основана на эффекте нагревания, как правило, весьма инерционны, поскольку процесс переноса тепла протекает медленно. Постоянная времени таких преобразователей составляет от минут до десятых долей секунды, лишь в специальных конструкциях удается уменьшить постоянную времени до 1мс. При всех видах измерения мощность преобразуется на известном или измеряемом сопротивлении нагрузки.

6.2 . Калориметрический измеритель мощности свч

Калориметрический измеритель – наиболее универсальный способ измерения мощности СВЧ в пределах от единиц милливатт до сотен киловатт. Наиболее широко его используют для точных измерений относительно больших мощностей СВЧ.

Для измерения мощностей в десятки ватт и выше применяют жидкостные калориметры, охлаждаемые проточной жидкостью, например водой. При постоянном ее расходе Вмощность определяют по приращению температурыжидкости в калориметре:

Упрощенная схема с жидкостным калориметром показана на рис. 6.1

Рис. 6.1. Калориметрический измеритель мощности

P_H = kВ, (30а)

где k- постоянный коэффициент, зависящий от теплоемкости жидкости.

Малый коэффициент отражения от калориметра достигается выбором конфигурации трубки и ее длины. Обычно применяется замкнутая система циркуляции воды с насосом, регулятором расхода и теплообменником для охлаждения нагретой в калориметре воды.

Расход поддерживают постоянным, а приращение температуры воды измеряют с помощью термобатареи из последовательно включенных термопар. Шкала магнитоэлектрического прибора, измеряющего ток термобатареи, проградуирована в единицах мощности. Если в таком приборе точно известен расход жидкости, то можно непосредственно измерить мощность. Однако при этом необходимо устройство, измеряющее расход. Погрешность измерения расхода является одной из составляющих погрешности измерения мощности. Значительная часть погрешности также обусловлена неконтролируемыми потерями тепла из калориметра, не вызывающими нагрева жидкости. В частности, такие потери вызваны охлаждением воды в трубке за счет конвекции и теплопроводности в местах контакта трубки с волноводом. Эта составляющая увеличивается с ростом температуры жидкости в калориметре.

Составляющую, обусловленную потерями тепла, можно существенно уменьшить, если измерять мощность методом замещения. Для этого в калориметр вводят нагреватель, на который может поступать известная мощность от источника постоянного тока или переменного тока низкой частоты. При заданном постоянном расходе сначала градуируют шкалу магнитоэлектрического прибора по известной мощности подогрева, затем источник подогрева отключают и измеряют мощность СВЧ. Неконтролируемые потери тепла при калибровке и во время измерений близки и погрешность оказывается малой.

В схеме (рис .6.2) можно реализовать нулевой (компенсационный) метод, если компенсирующую мощность в подогреватель подключить одновременно с измеряемой, а индикатором фиксировать нулевую разность температур. Измеряемая мощность определяется по градуированной шкале генератора мощности подогрева.

Калориметрический метод применяется и в оптическом диапазоне для измерения мощности лазеров. В этом случае калориметрическое тело в виде круглого конуса помещено в массивный тепловой экран с отверстием для входа измеряемого излучения (рис .6.3).

Рис .6.2. Метод компенсации Рис .6.3. Измеритель лазерного излучения

Оптическое изучение поступает в конусообразную нагрузку и после многократных отражений от внутренней поверхности конуса поглощается, нагревая нагрузку. В такой нагрузке поглощается 97 - 99%измеряемого изучения, если луч направлен аксиально оси конуса. При этом положение луча относительно оси конуса несущественно, важно лишь, чтобы вся энергия попадала в конус.

Приращение температуры конуса измеряется с помощью батареи термопар, горячие спаи которых равномерно распределены по его поверхности. Холодные спаи термопар находятся в тепловом контакте с массивными медными пластинками, тепловые постоянные времени которых близки к тепловой постоянной времени конуса. Хотя при измерениях различные участки конуса нагреваются неодинаково, величина термо-э.д.с. оказывается пропорциональной некоторой средней температуре, зависящей от энергии лазера.

Между рядами термоэлементов размещены подогреватели, предназначенные для калибровки прибора по известной мощности. Ваттметры подобного типа служат для измерения малых мощностей, погрешность измерений составляет 5-15%.