книги из ГПНТБ / Вальднер, О. А. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория учеб. пособие

ваттметры с поглощающей стенкой и мостовые схемы с термо­ резисторами. Определенное распространение получили электрон­ ные ваттметры, ваттметры, основанные как на пондеромоторном действии электромагнитного поля, так и на использовании эф­ фекта Холла в полупроводниках [10—12]. По способу включе­ ния в передающий тракт различают ваттметры поглощаемой и проходящей мощностей. Ваттметры первого типа представ­ ляют собой двухполюсники, и вся мощность поглощается внутри прибора. Ваттметры проходящей мощности представляют собой четырехполюсники, и в них поглощается лишь малая часть про­ ходящей мощности.

Все ваттметры диапазона СВЧ по точности измерений отно­

0,8-^-1,5%; образцовые приборы II разряда с погрешностью 1,5-^5%; рабочие измерительные приборы с погрешностью более 5%.

В настоящей работе изучаются особенности измерений малой мощности СВЧ с помощью мостовой схемы с терморезистором. В качестве терморезисторов можно использовать или болометры, или термисторы,, причем последние имеют большую чувствитель­ ность и большую электрическую прочность. При измерениях терморезисторы включены одновременно в две цепи: высоко­ частотную и измерительную цепь постоянного тока. При подаче на них мощности СВЧ нарушается баланс моста по постоянному току из-за изменения сопротивления термистора. Величину поглощаемой термистором мощности СВЧ можно определить по величине мощности постоянного тока или тока низкой частоты, подаваемых на термистор для восстановления баланса моста (схема с уравновешенным или балансным мостом).

При измерении отмечаются значения постоянного тока, соответствующие условиям баланса моста, до подачи мощности СВЧ Г и после подачи /". Измеряемая мощность

где RT— сопротивление термистора в рабочей точке; Р' и Р" —• мощность постоянного тока до и после подачи мощности СВЧ. Очевидно, что точность измерений в основном зависит от точ­ ности отсчета разности токов I' и I".

Можно повысить точность измерений, применяя более слож­ ную схему — схему двойного сбалансированного моста (рис. 7). Такая схема с применением сменных термисторных устройств обеспечивает возможность работы в широком диапазоне частот. В основе ее также лежит принцип замещения мощности СВЧ мощностью постоянного тока или тока низкой частоты. Схема состоит из двух мостов Мі и М2, причем баланс моста М2 обес­ печивает одновременно и баланс моста Мх. Внешний мост Мі предназначен для питания моста М2 постоянным током, для чего

20

к разным диагоналям моста ЛД присоединены основной источ­ ник Е! и компенсирующий источник Е%. Перед началом измере­ ний мосты балансируются выводом сопротивления термистора в рабочую точку. Это достигается подачей фиксированной мощ­ ности постоянного тока Рй от источника и дополнительной мощности от генератора с частотой 60 кгц.

При подаче мощности СВЧ на термистор баланс моста М2 нарушается. Можно скомпенсировать разбаланс моста М2, если включить источник Е2, т о к от которого будет направлен на-

Рис. 7. Функциональная схема двойного сбалансированного моста.

встречу току от источника Еі. В этом случае одновременно оказывается сбалансированным и мост Mt. Момент баланса от­ мечается по прибору И2. Так как при балансе моста ЛД источ­ ники Еі и Е2 развязаны между собой и токи от этих источни­ ков через термистор независимы друг от друга, то измеряемая мощность СВЧ определяется выражением

или, решая это квадратное уравнение относительно Ig, получаем

еѴ Ж

где lg — ток через термистор от источника Е2 при балансировке моста; / т — начальный ток термистора.

Зная Ri и P0 = I * R t:, можно проградуировать шкалу при­ бора Иі в единицах измеряемой мощности СВЧ. Для изменения

21

чувствительности прибора # і при переходе к другому рабочему сопротивлению термистора служит шунтирующее сопротивле­

ние Rm-

Кроме мостовой схемы и термистора измеритель малой мощ­ ности имеет схему термокомпенсации, стабилизаторы источников питания и др. Для одновременного включения термистора в ВЧ-тракт и электрическую схему моста служат специальные термисторные головки, каждая из которых рассчитана на при­ менение в определенном диапазоне частот.

Конструкция термисторной головки должна обеспечивать со­ гласование термистора с выходным сопротивлением линии,,

.а также разделение цепей высокочастотного и постоянного то­ ков. На рис. 8, а приведена типичная волноводная термисторная:

I

ИРис. 8. Схема волноводной термисторной головки (а) и

4 — конденсатор.

головка. Она состоит из волноводного перехода 1, термисторной: вставки 2 и замыкателя 3. Волноводный переход обеспечивает согласование П-образного волновода термисторной вставки с прямоугольным волноводом на входе головки. Устройство тер­ мисторной вставки отражено на рис. 8,.б. Термистор одним своим концом подсоединен к емкостной части вставки, компенси­ рующей индуктивность термистора. Другой конец термистора подсоединен к конденсатору 4, который развязывает цепь тока СВЧ от цепи постоянного или низкочастотного тока термисторного моста.

К достоинствам уравновешенных мостов с термисторными головками, наряду с высокой точностью отсчета, следует от­ нести постоянство сопротивления термистора при измерениях, что, в свою очередь, позволяет получить хорошее согласование

22

■сопротивления с высокочастотным трактом независимо от уровня измеряемой мощности. Однако необходимость балансировки

ния мощности СВЧ с помощью мостовых схем с термистором. Точность измерения зависит от точности реализации метода замещения и от качества согласования измерителя мощности. Выясним сначала погрешности, связанные с погрешностями ме­ тода замещения и с неточностью измерения замещающей мощ­ ности постоянного тока или тока низкой частоты. Эти погреш­ ности обусловлены прежде всего несовершенством термисторных головок, приводящих к неравенству мощности СВЧ и замещаю­ щей мощности из-за потерь мощности СВЧ в контактах головки, потерь замещающей мощности в подводящих проводниках внут­ ри головки и из-за различной чувствительности термистора к мощности СВЧ (S~) и к мощности постоянного тока (S=). Эти погрешности систематические, и для их учета вводится понятие коэффициента преобразования р как отношение замещающей

Здесь А__, А= — относительные потери мощности СВЧ и заме­ щающей мощности. Чувствительность 3 определяется как Л/?т/АР, где АРт — изменение сопротивления термистора.

Коэффициент преобразования головки обычно определяют экспериментально, и тогда измеряемая мощность СВЧ Р_=Р=/р. Заметим, что коэффициент преобразования зависит от частоты, поэтому обычно дается величина р на разных частотах рабо­ чего диапазона головки. Погрешность определения р входит в систематическую погрешность прибора.

Перейдем теперь к рассмотрению погрешностей измерения мощности СВЧ, связанных с рассогласованиями в цепи измере­ ний. Пусть требуется измерить мощность генератора СВЧ с по­ мощью ваттметра поглощающего типа. Генератор и ваттметр рассогласованы. Тогда напряженность поля суммарной волны в линии длиной z, соединяющей генератор и термисторную головку

Гг — коэффициент отражения на выходе генератора; Еп— напря­ женность падающей волны. Положим ехр(—\2ktz) = I. При этом

23

Мощность, рассеиваемая в термисторной головке, запишется так:

Ограничимся оценкой предельных значений погрешностей из­ мерения мощности СВЧ по рассмотренной схеме, поскольку трудно определить фазу коэффициентов отражения от выхода

‘н

Рис. 9. Схема для анализа погрешности изме­ рения мощности вследствие рассогласования.

генератора и входа термисторной головки. Максимальная вели­ чина этой погрешности

Здесь рт и рг — коэффициенты стоячей волны (КСВ) от терми­ сторной головки и выхода генератора.

В том случае, когда возникает задача измерения мощности, рассеиваемой в оконечной рассогласованной нагрузке, опреде­ лить ее можно, заменив нагрузку на измеритель мощности по­ глощающего типа (рис. 9). Искомая мощность определяется по ваттметру с погрешностью, лежащей в пределах между б' и б", где

24

Для уменьшения погрешности измерения между генератором и нагрузкой вводятся развязывающие устройства.

Пределы измерения мощности можно значительно расширить, применив калиброванный направленный ответвитель. В этом случае основной поток мощности направляется в неотражающую нагрузку, а измеряется небольшая часть мощности, ответвляе­ мая из основного тракта. Тогда мощность, рассеиваемая в на­ грузке Ра, связана с мощностью, поступающей на измеритель Ят, соотношением

фициента отражения основного и бокового каналов ответвителя;

с несовершенством направленного ответвителя. Чтобы найти общую погрешность, следует добавить погрешность измерителя мощности и погрешность калибровки направленного ответвителя.

Кроме термисторных мостов для измерений мощности приме­ няются и другие конструкции приборов. Одним из таких простых устройств является детекторная головка, которая используется для относительных, а в некоторых случаях и для абсолютных измерений. Детекторные головки вводятся в ВЧ-тракт с по­ мощью тройников или направленных ответвителей. Погрешность измерения и в этих случаях будет зависеть от качества согласо­ вания исследуемой нагрузки. Так, если детекторная головка свя­ зана с трактом посредством зонда, петли или тройника, то отно­

При выводе формул (18) и (18а) и приведенных ниже предпола­ гается, что характеристики детекторов квадратичны.

Если измерять мощность с помощью двух детекторов, раз­ несенных на расстояние Яв/4 по длине передающей линии, то погрешность измерения среднего значения мощности, вызванная рассогласованием, будет следующей:

Заметим, что фаза коэффициента отражения уже не влияет на показание прибора, связанного с детекторной головкой.

Точность измерений мощности при наличии стоячей волны в основном тракте можно повысить, если подключить детектор­ ную головку через направленный ответвитель:

25

Предварительное задание

1. Используя формулу (15), представить графически зависи­ мость максимальной погрешности измерения мощности, посту­ пающей в нагрузку, от КСВ нагрузки. Считать, что ваттметрсогласован, а КСВ от нагрузки меняется в пределах от 1 до 3. Параметром на графиках должен быть КСВ генератора, рав­ ный 1; 1,2; 1,5; 2. Объяснить характер полученных зависимостей.

2. Рассчитать по формулам (18) — (20) и представить в виде графиков погрешность измерения мощности СВЧ в функции КСВ нагрузки при использовании следующих трех устройств: детекторной головки с волноводным тройником, детекторной головки с направленным ответвителем и двух детекторных голо­ вок, отстоящих друг от друга на расстоянии Ав/4. КСВ нагрузки меняется от 1 до 3. Провести сравнительный анализ полученных зависимостей. Сделать выводы о требованиях к качеству согла­ сования измерителя мощности, необходимому при калибровке детекторных головок с заданной погрешностью.

Описание экспериментальной схемы

Функциональные схемы экспериментальных установок изо­ бражены на рис. 10. Они состоят из следующей стандартной аппаратуры: высокочастотного генератора, мостового измерителя малой мощности, двух измерительных усилителей с детектор­ ными головками, ферритовых вентилей или аттенюаторов, двух детекторных головок, калиброванного направленного ответви­ теля, фазовращателя, согласователей. В процессе измерений, кроме этого, используются комплект исследуемых нагрузок,, фазовращатель с малыми отражениями, диафрагмы, направлен­ ный ответвитель.

В схеме рис. 10, а, с помощью которой производится одно­ временная калибровка двух детекторных головок, выход генера­ тора, а также вход измерителя мощности снабжены аттенюато­ рами с согласующими устройствами. Поэтому значительно уменьшаются коэффициенты отражения от генератора и измери­ теля мощности и тем самым повышается точность калибровки детекторных головок. В боковое плечо волноводного тройника перед детекторной головкой включен аттенюатор. С его по­ мощью при определенном уровне мощности в основном тракте легко получить максимальные показания одновременно обоих измерительных приборов, связанных с соответствующими детек­ торными головками. Заметим, что в последующих измерениях для предотвращения нарушения калибровки головок запре­ щается менять затухание, вносимое указанным аттенюатором.

По схеме рис. 10,6 производится изучение влияния отраже­ ний в тракте на точность измерения мощности с помощью кали­ брованной детекторной головки с волноводным тройником.

26

Отраженная волна создается диафрагмой, установленной перед измерителем мощности, а фаза коэффициента отражения ме­ няется фазовращателем. По аналогичной схеме изучается и из­ меритель мощности, состоящий из детекторной головки с на­ правленным ответвителем.

Мощность, рассеиваемую в оконечной нагрузке, можно изме­ рить по схеме рис. 10, в и по схеме рис. 10, г. В первом случае вместо нагрузки на конце тракта подсоединяется измеритель мощности, а во втором измеритель мощности включен в основ­ ной тракт через калиброванный направленный ответвитель.

Задание и порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой и элементами высокочастот­ ного тракта, относящимися к данной работе.

2.Подготовить к работе измеритель мощности и генератор на частоте, указанной преподавателем.

3.Проградуировать одновременно две детекторные головки, одна из которых связана с основным трактом волноводным тройником, а другая-—направленным ответвителем. Для этого

собрать схему в соответствии с !рис. 10, а. Меняя мощность гене­ ратора и затухание, вносимое аттенюатором в плече волновод­ ного тройника, получить максимальные показания приборов, связанных с детекторными головками. Постепенно и равномерно уменьшая мощность генератора до нуля, снять зависимость показаний выходного тока детекторов от мощности в основном тракте.

4. Исследовать влияние отражений в основном тракте на точность измерения мощности с помощью градуированных детекторных головок, одна из которых включена через тройник, а другая — через направленный ответвитель. Измерения про­ вести в следующем порядке:

а) собрать схему в соответствии с рис. 10,6 и, меняя фазу отраженной волны фазовращателем, получить максимальное показание прибора, связанного с детекторной головкой. Увели­ чить выходную мощность генератора до получения отклонения стрелки прибора на всю шкалу. Измерить мощность, поступаю­ щую в термисторную головку. Далее снять зависимость тока

грузке, и рассчитать погрешность измерений, для этого:

а) собрать схему в соответствии с рис. 10, в. Ввести генера­ тор в рабочий режим. Отметить показания прибора, связанного с детекторной головкой, и показания по измерителю мощ­ ности;

28

б) собрать схему в соответствии с рис. 10, г. Убедиться, что показание прибора, связанного с детекторной головкой, не из­ менилось. В противном случае изменить выходную мощность, генератора до получения исходного показания прибора. По изме­ рителю мощности определить мощность, поступающую в боко­ вой канал направленного ответвителя;

в) провести измерения, описанные в и. 5а) и 56), но с дру­ гой нагрузкой.

Оформление отчета

1.Начертить схемы измерений и привести параметры основ­ ных используемых приборов.

2.Привести данные градуировки двух детекторных головок, построить графики зависимости показаний измерительных при­ боров, связанных с этими головками, от мощности СВЧ.

3.Изобразить графически мощность, измеренную с помощью градуированных детекторных головок, в функции фазы отра­ женной волны. Вычислить максимально возможную погрешность измерения мощности, вызванную данной величиной коэффи­

циента отражения в основном тракте. Привести величины по­ грешностей, найденных по данным измерений и по расчетным формулам. Значение КСВ диафрагмы указывается преподава­ телем. Проанализировать причины различия величин погреш­

погрешности измерений в обоих случаях. Провести сравнитель­ ный анализ результатов измерений. Параметры направленного ответвителя, коэффициента преобразования термисторной го­ ловки и ее КСВ, а также КСВ нагрузки и генератора указы­ ваются преподавателем.

Факультативное задание

1. Провести измерения, аналогичные описанным в п. 4. Задания те же, но с диафрагмой других размеров.

2. Проградуировать устройство, состоящее из двух детекторных головок,

Сравнить полученные значения с данными измерений через волноводный тройник и направленный ответвитель.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются схемы измерения мощности с уравновешенным мо­ стом от схемы с неуравновешенным мостом? Каковы достоинства и недо­ статки этих схем?

29