книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

тирующих триггеров представляет собой результат измерения в двоичном коде, который при необходимости преобразуется в деся­ тичный и фиксируется цифровым индикатором или другим реги­ стрирующим устройством. Импульс на последней шине диодной распределительной матрицы возвращает коммутирующие триггеры и, следовательно, всю схему в исходное состояние. Быстродействие подобных приборов составляет ІО2—ІО4 измерений в секунду.

Погрешность вольтметров поразрядного кодирования опреде­ ляется количеством разрядов цифрового кода, неточностью и не­ стабильностью амплитуд ступенек компенсирующего образцового напряжения, а также погрешностью сравнивающего устройства.

Абсолютная величина а погрешности дискретности, которая зави­ сит от количества разрядов, равна амплитуде ступеньки младшего разряда. Полная относительная погрешность определяется той же формулой, что и для вольтметров время-импульсного преобразо­ вания:

Величина погрешности может быть доведена до 0,01% от преде­ ла измерения. По принципу поразрядного кодирования, в частно­

части сравнивающего устройства, где применены две электромет­ рические лампы типа ЭМ-8. Позволяет автоматизировать процесс измерения напряжения и отношений двух напряжений, а в комп­ лекте с преобразователями и ряда других величин. Например, в комплекте с преобразователем ВК2-21 позволяет измерять токи, сопротивления и относительные отклонения этих величин от за­ данных значений. Прибор предназначен для использования в сис­

Коротко остановимся на принципах построения импульсных цифровых вольтметров. Измерение импульсных напряжений (вклю­ чая одиночные импульсы) основано на преобразовании амплитуды импульса во временной интервал с последующим измерением этого интервала методом дискретного счета. Преобразование осуществ­ ляется так. За время действия импульса конденсатор заряжается до пикового значения напряжения, а по окончании импульса раз­

130

ряжается током, величину которого поддерживают постоянной (разряд через токостабилизирующий элемент). Так как разряд при этом происходит по линейному закону, длительность разряда (интервал) пропорциональна амплитуде импульса.

Примером цифрового вольтметра для измерения амплитуды импульсов описанным способом является прибор В4-13, имеющий

Вольтметр измеряет также напряжения переменного и постоян­ ного тока в том же диапазоне величин с погрешностью, не превы­ шающей + (0,005£/х +0,02) В.

Г Л А В А 8

ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА

§ 8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение силы тока на радиочастотах имеет ряд особенностей, связанных с неравномерностью распределения тока в отдельных элементах цепи, влиянием распределенных емкостей и индуктив­ ностей самого прибора, излучением электромагнитной энергии, по­ терями, обусловленными поверхностным эффектом и т. д.

Например, при измерении тока в цепи, размеры которой соиз­ меримы с длиной волны, показания прибора будут зависеть от места его включения и от характера изменений в распределении тока, вносимых прибором. Погрешность измерения в ряде случаев становится настолько большой, что измерение тока вообще теряет смысл и приходится переходить к измерению мощности СВЧ, на­ пряженности поля или полного сопротивления. Чем выше частота, тем сильнее проявляются эти особенности. Практически измерение токов производится на частотах до 2000 МГц.

К амперметрам, работающим на радиочастотах, предъявляется основное требование — малая зависимость показаний от частоты в возможно более широком ее диапазоне. Отсюда вытекают частные требования: паразитные емкости прибора должны быть минималь­ ными; а размеры рабочей части прибора должны быть малы по сравнению с длиной волны.

К метрологическим характеристикам радиочастотных ампер­ метров относятся пределы измерения, рабочий диапазон частот, до­ пустимая погрешность измерения и сопротивление амперметра (активная и реактивная составляющие).

Влияние паразитных парамётров на погрешность измерения можно уяснить, рассмотрев высокочастотную эквивалентную схему амперметра (рис. 8.1). На рис. 8.1 введены обозначения:

/?п — активное сопротивление рабочей части прибора, кото­

прибора и емкости зажимов относительно корпуса.

132

Из схемы следует, что чем выше частота измеряемого тока, тем меньше показания прибора и тем сильнее влияет включение прибо­ ра на режим исследуемой цепи. Дей­ ствительно, чем выше частота, тем

большие токи протекают через пара­ 4 г ~ Н Ь зитные емкости, минуя рабочую часть амперметра, по сравнению с током /х.

Кроме того, на частоте

один из его зажимов был соединен с корпусом (землей). В этом случае влияние паразитных емкостей на показания прибора и на режим цепи будет минимальным.

Очевидно, что электродинамические и электромагнитные ам­ перметры, применяемые в цепях промышленной и низкой частоты, для измерения токов ВЧ и СВЧ непригодны, главным образом, из за большой величины индуктивного сопротивления прибора и боль­ шой межвитковой емкости его катушек.

На радиочастотах для измерения силы тока могут применяться:

1)термоэлектрический метод, основанный на преобразовании тока высокой частоты в постоянный ток с помощью термоэлемен­ тов;

2)индукционный метод (исторически утвердился термин «электродинамический»), основанный на непосредственном дейст­ вии переменного магнитного поля на замкнутую цепь в виде коль­ ца или рамки, подвешенной на кварцевой нити над проводником,

по которому протекает измеряемый ток; 3) фотоэлектрический метод, основанный на преобразовании

измеряемого тока в световое излучение, интенсивность которого измеряется с помощью фотоэлемента и магнитоэлектрического ин­ дикатора.

Из этих методов наиболее широко применяется термоэлектриче­ ский. Фотоэлектрические преобразователи, главным образом, при­ меняются для измерения мощности и будут рассмотрены в главе 9.

§ 8.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

Термоэлектрический амперметр состоит из термопреобразова­ теля (термоэлемента) и индикатора — магнитоэлектричеокого мик­ роамперметра (рис. 8.2). Термоэлемент содержит подогреватель 1, по которому протекает измеряемый ток высокой частоты, и термо­ пару 2, в которой возникает э.д.с. постоянного тока. Величина по­

133

стоянного тока / о определяется температурой нагретого спая, сле­ довательно, шкала индикатора 3 при использовании данной тер­

пропорционально квадрату измеряемого то­ ка, т. е.

Q 0.24 Г- R„ і.

Поэтому термоэлектрический амперметр из­ меряет действующее значение переменного тока любой формы,а его шкала близка к квадратичной. Лучшая равномерность шка­ лы достигается применением мер конструк­ тивного характера.

Термопара и подогреватель, как правило, конструктивно объе­ динены в одну деталь, называемую термоэлементом. Термоэлемен­ ты характеризуются чувствительностью, максимальной величиной тока (или максимально допустимой температурой спая термопа­ ры), рабочим диапазоном частот, сопротивлением подогревателя и термопары, механической прочностью и сроком службы.

Чувствительнсть определяется изменением т.э.д.с., соответствую щим изменению температуры спая на один градус. Она зависит от материала термопары и равна обычно десяткам микровольт на

градус. Например, термопара медь — константан имеет чувстви­ тельность 50 мкВ/сС и допустимую температуру спая 400°С.

Подогреватель представляет собой тугоплавкую нить из ме­

талла с высоким удельным сопротивлением — константана, платиноиридия и др. Сечение нити определяется максимальным зна­

чением измеряемого тока, а длина обычно составляет 5—10 мм и должна быть короче длины волны по крайней мере в несколько раз.

Верхняя граница частотного диапазона определяется влиянием поверхностного эффекта в нити подогревателя, а также зависит от

паразитных емкостей и индуктивностей вводов. Для уменьшения влияния поверхностного эффекта подогреватель прибора на ма­

лые токи (до 100 мА) делают как можно тоньше, чтобы сопротив­

глубины погружения тока в требуемом диапазоне частот. Это по­

134

Термоэлементы выпускаются на токи от 0,1 мА до 50 А. Сопро­ тивление магнитоэлектрического индикатора обычно выбирается равным сопротивлению термопары.

Погрешности термоэлектрических амперметров

Наибольшее значение имеют температурные и частотные по­ грешности. Температурные ошибки определяются температурой среды, прогревом прибора и составляют 0,5—1%.- Частотная поірешность определяется влиянием поверхностного эффекта и пара­ зитными параметрами (главным образом, емкостью относительно корпуса).

Для уменьшения влияния паразитных емкостей применяют бесконтактные термоэлементы, в которых термопара и подогрева­ тель механически соединены через изолятор-бусинку (рис. 8.3).

Вследствие очень малой емкости С6 между подогревателем и спаем термопары (0,1—0,5 пФ) цепь индикатора слабо связана с исследуемой цепью. Однако такой элемент имеет малую чувствительность (по сравнению с контактным), так как тепло от подогревате­ ля к спаю поступает не непосредственно, а через материал бусинки. Для повышения чув­ ствительности иногда соединяют несколько бесконтактных термоэлементов последова­ тельно. Использование бесконтактных термо­ элементов позволяет расширить частотный диапазон измерения тока.

Конструктивно приборы выполняются в двух вариантах: с термоэлементом, помещен­ ным внутри корпуса индикатора, и отдельным выносным термоэлементом. Во втором вариан­

те термоэлемент включают непосредственно в измеряемый тракт (например, в коаксиальную линию), а индикатор располагают на пульте управления радиотехническим устройством (например, передатчиком).

К достоинствам термоэлектрических амперметров относится вы­ сокая чувствительность, большой диапазон измеряемых величин и простота устройства.

Недостатками термоамперметров являются неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры и недопустимость перегрузки. Обычно допускаемая перегрузка не превышает 50%, так как для повышения чувствительности и уменьшения тепловой инерции подогреватели рассчитываются на токи, незначительно отличающиеся от предельно допустимых. При перегрузке в первую очередь сгорает подогреватель.

Для расширения пределов измерения термоамперметров при­ меняются измерительные трансформаторы тока, подобные по прин­ ципу действия трансформаторам, используемым на промышлен­

135

ных частотах. Трансформатор рассчитывается так, чтобы активным сопротивлением его обмоток можно было пренебречь по сравнению с их реактивным сопротивлением. На высоких частотах первич­ ная обмотка выполняется в виде стержня, а вторичная — в форме тороидальной катушки, охватывающей стержень.

Промышленные типы термоамперм^тров рассчитываются на то- «чи от 100 мкА до нескольких десятков ампер и используются для измерения переменного тока в диапазоне частот до 200 МГц с по­ грешностью 1—5%.

136

Г Л А В А 9

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

§ 9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Непосредственное измерение мощности в цепях переменного то­ ка низких и высоких частот встречается сравнительно редко, так как проще измерять напряжение, ток и сопротивление, чем мощ­ ность. Особо важное значение имеет измерение мощности на СВЧ, так как контроль работы радиотехнических устройств на этих час­ тотах по напряжению и току либо затруднен, либо вообще невоз­ можен. Та«, например, в сантиметровом диапазоне волн, где ис­ пользуются волноводы и энергия передается в форме электромаг­ нитного поля, измерение напряжения и тока практически теряет смысл. Ниже рассматриваются основные методы измерения мощ­ ности на частотах от сотен МГц до десятков ГГц.

Измерение мощности в этом диапазоне встречается при эксп­ луатации радиопередающих устройств, их монтаже и наладке, при выполнении регламентных работ на аппаратуре, в процессе ре­ монта, градуировки и поверки измерительных генераторов СВЧ, при разработке новых генераторов и т. д.

Работа радиоэлектронных устройств этого диапазона связана с использованием мощностей, изменяющихся в очень широких пре­ делах. Все возможные значения используемых мощностей приня­ то условно делить на три группы:

— малые мощности от ІО-17 до 0,1 Вт;

—средние мощности от 0,1 до 10 Вт;

—большие мощности от 10 до ІО7 Вт.

Впрактике радиотехнических измерений используются .как аб­ солютные единицы мощности ( ватт и его производные: мкВт, мВт, кВт, МВт), так и относительные.

Относительные единицы (дБВт, дБмВт) определяют данный

137

Здесь Р — абсолютная величина измеряемой мощности в ваттах или милливаттах.

Например, если за уровень сравнения принять Яо=1 Вт, а из­ меряемая мощность Р=1000 Вт, то эта мощность больше условно­ го уровня на 30 дБ или, что то же самое, равна 30 дБВт. Особенно удобно применение относительных единиц, когда в исследуемом тракте СВЧ имеются градуированные аттенюаторы. В частности, если 1000 Вт — мощность генератора, то для получения показания ваттметра 1 Вт между генератором и ваттметром нужно ввести за­ тухание, равное 30 дБ.

Методы измерения мощности СВЧ основаны на преобразовании энергии электромагнитных колебаний в энергию какого-либо дру­ гого вида, удобного для измерения и индикации.

Чаще всего измеряемая мощность или ее часть преобразуется в тепло. В этом случае измерители фиксируют мощность непрерыв­ ных колебаний, либо среднюю мощность Яср импульсных колеба­ ний. Если же необходимо вычислить мощность в импульсе Ри, то для этого надо знать скважность импульсов Q и их форму. При прямоугольной форме периодических импульсов величина Ра оп­ ределяется формулой

где <2=7Ут; Т и т — соответственно период следования и длительность им­

пульсов.

На практике применяются следующие методы измерения мощ­ ности СВЧ;

—метод, основанный на использовании терморезисторов;

—калориметрический метод;

—метод, основанный на измерении падения напряжения на известном сопротивлении;

—фотометрический метод;

—метод, основанный на использовании пондеромоторного дей­ ствия электромагнитных волн.

Наибольшее распространение получили два первых метода. Метрологические характеристики измерителей мощности вклю­

чают:

—пределы измерения мощности;

—рабочий диапазон частот;

—допустимую погрешность измерения мощности;

—коэффициент стоячей волны входа измерителя мощности

(или модуль коэффициента отражения).

§ 9.2. МЕТОД, ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

При использовании этого метода об измеряемой мощности су­ дят по изменению сопротивления терморезистора в результате по­ глощения им электромагнитной энергии. В качестве терморезис­

138

торов используются термисторы или болометры. Независимо от типа терморезистора такие измерители мощности обычно назы­ вают термисторными. Измерители с термисторами применяются для измерения малых мощностей, а измерители с болометрами —• средних.

Термистор — это полупроводниковый резистор с отрицатель­ ным температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление термистора резко зависит от температуры, а следовательно, от величины поглощаемой им мощности (рис. 9.1). Эта зависимость является наиболее важной характеристикой термистора.

Конструктивно термистор для измерения мощности СВЧ пред­ ставляет собой бусинку из полупроводника с электронной прово­ димостью (например, смеси окислов металлов) диаметром 0,1—■ 0,5 мм, в которую заварены два платиновых проводника диамет­ ром 0,02—0,03 мм. Платиновые проволочки припаиваются к более толстым выводам. Вся конструкция помещается в стеклянный бал­ лон (рис. 9.2).

Когда термистор поглощает мощность СВЧ или мощность по­ стоянного тока, он нагревается и его сопротивление изменяется. Ра­ бочая точка выбирается на участке характеристики /?Т= / ( Р ) с большой чувствительностью. Чувствительность термисторов

_dRI

°r dP

велика и достигает 100 Ом/мВт, вследствие чего они применяются для измерения мощностей от единиц мкВт до единиц мВт. Сопро­ тивление термистора в рабочей точке обычно лежит в пределах 100—300 Ом. Так как сопротивление холодного термистора состав­ ляет величину от единиц до сотен килоом, то для получения тре­ буемого режима термистор предварительно нагревают постоян­ ным или низкочастотным током. Термисторы выдерживают значи­ тельные перегрузки. Недостатком термисторов является сильная зависимость их сопротивления от температуры среды, поэтому в измерителях с термисторами применяют термокомпенсацию.

Болометр — это терморезистор с положительным температур­ ным коэффициентом сопротивления. В настоящее время наиболее

139