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

При этом мощность СВЧ, потребляемая водяной нагрузкой, прак­ тически равна мощности, рассеиваемой в сопротивлении и измеряе­ мой низкочастотным ваттметром, т. е. ЯХ= Я„Ч.

В калориметрических измерителях мощности высокой точности применяется также метод замещения. Суть его заключается в сле­ дующем (рис. 9.9). Сначала к водяной нагрузке подводят измеряе­

В ы ход ё о д ы

Рис. 9.9.

мую мощность и фиксируют разность т.э.д.с. термопар, укреплен­ ных на входном и на выходном фланцах канала с водой. Затем вместо мощности СВЧ в дополнительный нагреватель, установ­ ленный непосредственно перед водяной нагрузкой, подают низко­ частотный ток для нагрева воды. Значение тока подбирают таким, чтобы разность т.э.д.с. была той же, что и при подаче измеряемой мощности. В этом случае Рх = Рнч. При таком способе, как и в предыдущем случае, нет необходимости измерять абсолютное зна чение разности температур. Подогреватель должен быть устроен так, чтобы вся низкочастотная мощность поглощалась водой. Мощ­ ность низкой частоты, так же как в приборе с косвенным отсчетом, измеряется электродинамическим ваттметром.

На этом принципе строятся образцовые измерители мощности, погрешность которых составляет примерно ±1% . Такие измерите­ ли представляют собой сложные стационарные установки.

—- пределы измерения мощности 0,003—10 Вт;

—погрешность измерения + (6 —12)%;

—коэффициент стоячей волны входа не более 1,3 на частотах

до 5 ГГц;

—коэффициент стоячей волны входа не более 1,5 на частотах до 10 ГГц;

—коэффициент стоячей волны входа не более 1,7 на частотах свыше 10 ГГц.

150

§ 9.4. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

ПО ПАДЕНИЮ НАПРЯЖЕНИЯ НА РЕЗИСТОРЕ

ИЗВЕСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Этот метод используется для измерения мощности как непре­ рывных, т,ак и импульсных колебаний. Если генератор и нагрузоч­ ный резистор связаны между собой фидером, волновое сопротивле­ ние р которого равно сопротивлению нагрузки /?н, в линии имеет место режим бегущей волны. При этом мощность незатухающих колебаний, поглощаемая нагрузкой,

трактом у нагрузочного резис­ тора делают отводы, образующие делитель. Если измеряется амп­

литуда Uml, на части нагрузки R ь то мощность, поглощаемая на­ грузкой Ян, будет равна

рRu

2 /?,2 '

Такой измеритель удобен для измерения мощности импульсных колебаний и может быть проградуирован в значениях мощности в импульсе. Примером может служить ваттметр МЗ-9, который имеет следующие метрологические характеристики:

—диапазон частот 150—3000 МГц;

--пределы измерения мощности: средней 1—5 Вт; в импуль­ се ] Вт—5 кВт;

—погрешность измерения ±20%;

—коэффициент стоячей волны не более 1,25,

151

\\ние в качестве фотоэлемента полупро­ водникового фотодиода, работающего с обратным смещением, а на рис. 9.11,6 —

цепи.

Согласованной нагрузкой, поглощаю­ щей измеряемую мощность, служит лам­

па накаливания, помещенная в тракт СВЧ. Шкала индикаторного прибора та­

кого измерителя должна быть заранее проградуирована по другому ваттметру.

Подобные измерители мощности наиболее просты по схеме и конструкции. Их недостатками являются узкий диапазон измеряе­ мых прибором мощностей, зависимость сопротивления нагрузки от поглощаемой мощности и, следовательно, необходимость подст­ ройки для обеспечения согласования нагрузки с трактом СВЧ.

Фотометрические измерители применяются для измерения сред-

IIIних и больших мощностей (от 0,1 Вт до 150 Вт) на частотах до 2—3 ГГц. Погрешность измерения составляет іЬ(Ю —15)%.

Воснове пондеромоторного метода измерения мощности ле­

жит явление механического давления электромагнитного поля ли­ бо на стенки волновода (коаксиальной линии, объемного резонато­ ра), либо на отражающий элемент, помещенный в волноводе или

объемном резонаторе. Чаще используется второй принцип. В каче­ стве отражающего элемента применяются пластинки, отрезки про­ водника или рамки, подвешенные на тонкой кварцевой нити в

поперечном сечении тракта. Угол поворота отражающего элемента пропорционален проходящей по тракту мощности. Такие приборы

потребляют весьма незначительную мощность, не боятся перегру­ зок и являются одними из самых точных. Погрешность пондеромо-

торных ваттметров не превышает 1—2%, поэтому они применяют­ ся в качестве образцовых приборов. Их недостатками являются

малая виброустойчивость, необходимость тщательного согласова­ ния и изготовления деталей по высокому классу точности.

152

§ 9.6. ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ

При измерении мощности СВЧ применяются вспомогательные элементы измерительных схем, выполненные в коаксиальном или волноводном варианте. К важнейшим из них относятся аттенюа­ торы, направленные ответвители, нагрузочные резисторы, согла­ сующие и соединительные элементы. Принципы действия этих устройств известны из курса теории электромагнитного поля, поэ­ тому здесь рассматривается только их назначение и основные ха­ рактеристики.

А т т е н ю а т о р ы

Аттенюаторы предназначены для уменьшения мощности элект­ ромагнитных колебаний в известное число раз. Затухание, вноси­ мое аттенюатором в тракт, определяется формулой

Д а - l O l g ^ - , ДБ.

Здесь Р1 — мощность на входе аттенюатора; Р2 — мощность на выходе аттенюатора.

Аттенюаторы выполняются либо с постоянным, либо с перемен­ ным затуханием, причем последние градуируются в децибелах. Погрешность затухания, вносимого аттенюатором, определяется погрешностями градуировки и отсчета.

Для коаксиальных и волноводных трактов используется два основных типа аттенюаторов: поглощающие и предельные. Погло­ щающие аттенюаторы выполняются в коаксиальном и волновод­ ном вариантах. Принцип их действия основан на явлении погло­ щения энергии электромагнитных колебаний материалами с боль­ шим коэффициентом поглощения (резина, полистирол, графит и др.). На рис. 9.12 схематически показано устройство аттенюаторов с постоянным затуханием (на рис. 9.12,а — коаксиальный атте­ нюатор, на рис. 9.12,6 — волноводный), а на рис. 9.13 показано

устройство волноводных аттенюаторов с переменным затуханием (рис. 9.13,а — ножевого типа, рис. 9.13,6 — пластинчатого типа).

153

Форма вставок и пластин выбирается та«, чтобы обеспечить хорошее согласование с обоих концов аттенюатора. Поглощающие аттенюаторы обеспечивают затухание в пределах 0,5—50 дБ и гра­ дуируются по образцовым аттенюаторам с погрешностью

(0,2-1) дБ.

К поглощающим относится также аттенюатор поляризационно го типа (рис. 9.14). Средняя секция (круглый волновод) может

6ращогоіцо9с%

Рис. 9.14.

вращаться относительно крайних. Когда поглощающие пластины располагаются горизонтально (Ѳ = 0), аттенюатор почти не вносит затухания (так как вектор Е расположен перпендикулярно пласти­ нам и поглощение отсутствует).

При повороте средней секции на 90° (Ѳ==90°) поглощение бу­ дет максимальным. Затухание в децибелах, вносимое таким атте­ нюатором, определяется формулой

Да = — 40 lgcos ѳ -f A,

где A — начальное затухание.

К достоинствам такого аттенюатора относятся независимость затухания от частоты, большие пределы затухания (0,5—70 дБ) и малая погрешность (0,02 Д а). Основные недостатки — сложность конструкции, нелинейность шкалы и большие габариты.

Предельные аттенюаторы основаны на затухании электромаг нитного поля в волноводах с поперечными размерами меньше кри­ тических. Затухание вдоль волновода изменяется по экспоненци­ альному закону.

Наиболее широко распространены переменные предельные ат­ тенюаторы в виде отрезка круглого волновода, на входе и выходе которого включены отрезки коаксиальной линии. Возбуждающий и приемный элементы связи выполняются в форме дисков или пе­ тель (соответственно емкостная связь для возбуждения колебаний чипа £оі и индуктивная для возбуждения волн типа Н п ). Затуха­ ние зависит от размеров волновода (диаметр должен быть меньше критического для данной длины волны) и типа волны. На рис. 9.15 показан предельный аттенюатор с емкостными элементами связи. Один диск закреплен неподвижно, а второй может переме­ щаться микрометрическим винтом, имеющим шкалу затухания, проградуированную в децибелах. Согласование волновода с отрез­

154

ками линий осуществляется с помощью согласующих диэлектриче­ ских шайб.

Для такой конструкции затухание колебаний типа Е0і в деци­

Отсюда видно, что затухание является линейной функцией рас­

хание в прямом направлении (0,1—1 дБ) и большое (20—30 дБ) — в обратном. Вентильные свойства аттенюатора позволяют осуще­ ствить развязку генератора от нагрузки без заметного поглощения мощности.

Волноводные направленные ответвители

Направленный ответвитель — устройство, предназначенное для ответвления части мощности, распространяющейся по линии пере­ дачи, в определенном направлении. Направленный ответвитель во вспомогательном волноводе разделяет падающую и отраженную волну.

Основной (первичный) волновод включается в линию, по ко­ торой мощность поступает в нагрузку, а небольшая часть мощно­ сти, ответвляющая во вспомогательный (вторичный) волновод, ис­ пользуется для целей измерения. Направленные ответвители харак­ теризуются переходным затуханием, направленностью и коэффи­ циентом стоячей волны.

Переходное затухание — это отношение мощности прямой вол­ ны в основном волноводе (Я, пр) к мощности ответвленной вол­ ны, распространяющейся во вспомогательном волноводе в том же

155

Направленность ответвителя — это отношение мощностей волн зо вспомогательном волноводе, распространяющихся в прямом

чина измеряется при чисто бегущей волне в основном волноводе и также выражается в децибелах:

дит в поверхностном слое или во всем объеме поглотителя. Погло­ тителем мощности служит углеродистый состав, нанесенный на ке­ рамическое основание. Согласование сопротивления с линией (ко­

156

аксиальной или волноводной) достигается подбором формы сопро­ тивления и формы наружного экрана. В волноводных конструк­ циях поглотитель имеет форму клика (рис. 9.17) или пластин с заостренными концами, чем обеспечивается хорошее согласование.

В качестве примеров нагрузочных резисторов можно привести коаксиальный резистор Э9-13 (сопротивление 50 Ом, коэффициент стоячей волны не более 1,05 в диапазоне частот 1—5 ГГц) и волне - водный резистор Э9-5 (мощность до 250 Вт, коэффициент стоячей волны не более 1,1 в диапазоне частот 36,14—52,6 ГГц).

§ 9.7. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

При измерении мощности СВЧ применяют два способа подклю­ чения ваттметров:

1)подключение в линию передачи мощности взамен реальной нагрузки;

2)подключение к тракту через направленный ответвитель.

Впервом случае ваттметр является измерителем поглощающе­ го типа — он поглощает всю мощность, передаваемую по иссле­

измерения мощности чаще всего применяются термисторные ваттметры малой мощности (микро­

ваттметры), потребляющие очень малую часть мощности, пере­ даваемой по тракту в нагрузку. Результат измерения в схеме (рис. 9.18,6) определяется по показанию ваттметра с учетом затухания, вносимого ответвителем и аттенюатором.

При работе передатчика на несогласованную нагрузку (напри­ мер, антенну УКВ, сопротивление которой сильно зависит от со­ стояния атмосферы) удобно использовать двунаправленный от­ ветвитель. Такой ответвитель позволяет измерить отдельно мощно­

157

сти прямой (Рпр) и обратной (/^0бР) волны и, следовательно, вы­ числить мощность, поглощаемую нагрузкой:

158

меняют два метода — временной и спектральный. Наблюдение и исследование сигналов как временных функций осуществляется с помощью осциллографа. Частотный способ описания и исследо­ вания сигналов основан на представлении сложного колебания в виде суммы ряда гармонических составляющих. Распределение амплитуд или мощностей этих составляющих по частоте дает со­ ответственно амплитудный или энергетический спектр исследуе­ мого колебания.

Измерив параметры спектра, можно решить ряд задач: устано­ вить, какую полосу частот занимает спектр исследуемого колеба­ ния; найти относительное распределение энергии между состав­ ляющими спектра; определить параметры модуляции; оценить ка­ чество сигнала, например, магнетронного генератора и т. д. При этом в большинстве случаев нужно знать лишь относительные ве­ личины амплитуд и разности частот, соответствующие отдельным составляющим или участкам спектра. Для этого, в свою очередь, достаточно иметь визуальное изображение спектра и знать его частотный масштаб. Приборы, предназначенные для эксперимен­ тального исследования спектра, называются анализаторами спект­ ра. Анализаторы спектра используются в диапазонах низких, вы­ соких и сверхвысоких частот.

В ряде случаев требуется измерить амплитуды и частоты от­ дельных составляющих спектра, т. е. провести гармонический ана­ лиз сигнала. Приборы, предназначенные для этой цели, называ­ ются анализаторами гармоник. Они применяются в основном для исследования низкочастотных колебаний.

В случаях, когда отклонения формы исследуемого колебания от синусоидальной невелики, представляет интерес определение па-

159