книги / Электрорадиоизмерения

Из этой формулы следует, что при постоянстве скорости протекания воды через калориметр измеритель разности температур можно проградуировать непосредственно в еди­ ницах мощности.

На рис. 12-36 изображена упрощенная схема калори­ метрического ваттметра, работающего на принципе сравне­ ния, заключающемся в следующем.

Измеряемая мощность СВЧ поглощается согласованной водяной нагрузкой, т. е. калориметром. Нагретая вода из калориметра поступает в нагреватель, в котором выделя­ ется такая же мощность переменного тока промышленной частоты, измеряемая ваттметром W.

АЪ

Рис. 12-36. Упрощенная схема калориметрического ваттмет­ ра, работающего на принципе сравнения.

Разность температур на входе и выходе нагрузки Д7\ и нагревателя ДГ2 измеряется включенными встречно термопарами, т. е.

АТ! = Г2 — 7Y,

АТъ— Тц—Тз.

Регулировкой напряжения, питающего сопротивление R нагревателя, устанавливается одинаковый перепад темпе­ ратур калориметра и нагревателя, т. е.

A7\ = ATV

Очевидно, что измеряемая мощность высокочастотных колебаний, потребляемая нагрузкой, будет равна мощ­

ности рассеивания на сопротивлении т. е. показанию

ваттметра W.

Калориметрический метод может применяться в любом диапазоне частот. Например, измеритель мощности МЗ-11 имеет частотный диапазон от 1 МГц до 11,5 ГГц, а М3-13/1 — от 2,6 до 16,65 ГГц и от 36,5 до 37,2 ГГц (К <1 1 см).

В зависимости от конструкции калориметрических ватт­ метров и их схемы погрешность измерения мощности сос­ тавляет примерно 7—10%.

Погрешность измерения мощности калориметрическими ваттметрами определяется погрешностью определения раз­ ностей температур воды, неполным согласованием сопро­ тивления нагрузки с волновым сопротивлением линии передачи энергии, погрешностью определения скорости протекания воды и недостаточной теплоизоляцией.

Примером измерителя мощности, использующего метод калори­ метра, является прибор М3-13, основные технические характеристики

4.Мощность в импульсе не более 400 кВт.

5.КСВ 1,3.

6.Выход 75 Ом (40x11,5 мм).

Пондеромоторный метод. В основе пондеромоторного метода измерения мощности (П. Н. Лебедев, 1899 г.) лежит явление механического давления электромагнитных волн на металлическую поверхность, отражающую их энергию.

Это механическое давление пропорционально вектору Умова — Пойнтинга, т. е. количеству электромагнитной энергии, проходящей ежесекундно через 1 см2 плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения энергии.

Следовательно, измеряя каким-либо способом такое механическое давление, можно измерить и мощность элек­ тромагнитной энергии, проходящей по какому-либо каналу (по волноводу или коаксиальной линии).

Пондеромоторный метод измерения мощности СВЧ полу­ чил практическое применение лишь в настоящее время, когда существует возможность передачи большой плот­ ности электромагнитной энергии от передатчика к антенне. Пондеромоторные ваттметры являются ваттметрами про­ ходящей мощности.

На рис. 12-37 схематически представлена одна из воз­ можных конструкций пондеромоторного ваттметра, исполь­ зующего вращающий момент металлической пластинки, расположенной в волноводе.

Ваттметр такого типа представляет собой волноводную секцию 7, в которой расположена металлическая плас­ тинка 2, укрепленная на стеклянном стержне 3, подве­ шенном на тонкой кварцевой нити 4 диаметром около 10 мк к установочной шкале 5. Нижний конец стеклянного стер­ жня, изогнутый в виде крючка, помещен в масляный амор­ тизатор 6. На стеклянном стержне вне волновода укреплено также зеркальце 7, которое в сочетании с источником

ка, а соответственно и зеркальце под влиянием крутящего момента поворачиваются и

световой зайчик на шкале ваттметра дает определенный отсчет мощности.

Достоинствами пондеромоторного ваттметра являются: сравнительно небольшая погрешность измерения мощности (около 1,5%), широкие пределы измерения (от десятков милливатт до сотен киловатт), нечувствительность к пере­ грузкам, малая потребляемая мощность и хорошее согла­ сование с исследуемым объектом.

К недостаткам пондеромоторного измерителя мощности следует отнести его чувствительность к механическим сотрясениям и значительное увеличение погрешности изме­ рения мощности при рассогласовании.

Пондеромоторный ваттметр другой конструкции пред­ ставляет собой волновод, у которого часть его стенки заме-

йена тонкой упругой металлической пластинкой, связан­ ной с каким-либо датчиком, например с пьезоэлектричес­ ким, по величине э. д. с. которого можно судить о вели­ чине проходящей по волноводу мощности. Такая конструк­ ция выгодна при измерении мощности миллиметровых волн. В этом случае для канализации энергии используют волноводы малого сечения, в которых давление энергии на стенки больше, чем в волноводах большего сечения при той же передаваемой мощности.

<0

Исследуемый — — генератор Ответвитель Нагрузка

Аттенюатор

связи

Аттенюатор с переменным — Ваттметр затуханием

<9

Рис. 12-38. Схемы включения ваттметров непосредственно (а) и через направленный ответвитель (б) при измерении мощности СВЧ.

Схемы включения ваттметров. При измерении мощности

емой линии или же подключение через направленный ответ­ витель. Последний из этих способов позволяет вести кон­ троль передаваемой к нагрузке мощности, не отключая ее от линии передачи энергии.

В зависимости от схемы включения ваттметра послед­ ний может являться измерителем поглощающего типа или измерителем проходящей мощности.

При непосредственном измерении мощности (рис. 12-38, а) вместо действительной нагрузки, например антенны, под­

ключается ваттметр поглощающего типа — калориметри­ ческий, термисторный и пр. При этом измеряемая мощность отсчитывается непосредственно по шкале ваттметра.

При измерении проходящей мощности, т. е. при работе исследуемого генератора на реальную нагрузку (антенну), ваттметр подключается к передающему тракту, например к волноводу, через направленный ответвитель и аттенюа­ торы, имеющие определенное затухание (рис. 12-38, б). Направленный ответвитель служит частью передающего волноводного тракта или же используется из комплекта измерительных приборов. В качестве аттенюатора связи может быть применен, например, волноводно-коаксиаль­ ный переход. Аттенюатор с переменным затуханием имеется обычно в микроваттметре. Такой способ измерения мощ­ ности применяется чаще всего при использовании милли­ ваттметров и микроваттметров, имеющих пределы измере­ ния значительно меньше мощности исследуемого генератора.

Результат измерения мощности определяется по пока­ занию прибора, например милливаттметра, с учетом зату­ хания, вносимого ответвителем и аттенюаторами.

кой?

3. Объясните устройство и работу вспомогательных элементов фидерного и волноводного трактов, используемых при измерениях на СВЧ.

4.Каким образом можно расширить диапазон измерения мощ­ ности термисторным ваттметром?

5.Объясните применение термисторных и болометрических голо­ вок и дайте их сравнительную оценку.

нагружена на сопротивление Z = (30 — /50), Ом. Пользуясь круговой диаграммой, определите величину ожидаемых в линии КСВ и КБВ.

Ответ. КСВ » 4, КБВ « 0,25.

8. Пользуясь круговой диаграммой, определите полное сопро­ тивление нагрузки измерительной линии с волновым сопротивлением 75 Ом, если в результате измерения получено: КБВ = 0,33 и I = 0,35Х.

Ответ. Z = (63 + /45), Ом.

9.В чем заключается преимущество измерения КСВ при помощи рефлектометра?

10.Объясните принцип работы резонансного частотомера с объем­

ным резонатором.

11. Определите мощность на выходе аттенюатора, имеющего затухание 7 дБ, если на вход подана мощность 220 Вт.

Ответ. 44 Вт*

12. Определите мощность, подводимую к ваттметру, показываю­

через 0,1 своего номинала. Какие показания должны иметь аттенюа­

Г Л А В А Т Р И Н А Д Ц А Т А Я

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ И ПОМЕХ

13-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение напряженности поля и помех имеет большое практи­ ческое значение. Оно необходимо при снятии диаграмм направленности

Коэффициент пропорциональности между Е и Н зависит от свойств среды, т. е. от ее диэлектрической и магнитной проницаемости, и пред­ ставляет собой волновое сопротивление свободного пространства бегу­ щей электромагнитной волне р0, т. е.

120л = р0 = 376,6 Ом.

Закон изменения Е и Н бегущей волны электромагнитного поля, существующей в свободном пространстве, одинаков, поэтому обычно рассматривают в теории и измеряют на практике лишь одну из этих составляющих, а именно напряженность электрического поля Е.

Напряженность электрического поля количественно определяется величиной э. д. с., наведенной полем в одном метре действующей высоты антенны, зависящей от ее конструкции. Поэтому Е измеряется в вольтах на метр (В/м), милливольтах на метр (мВ/м) или чаще всего в микровольтах на метр (мкВ/м). Такое определение напряженности поля очень удобно, так как оно вытекает из зависимости между наве­ денной электромагнитным полем э. д. с. ЕА в антенне, напряженностью

Е этого поля и действующей высотой антенны Лд:

(131)

Это соотношение практически и используется в приборах, измеряю­ щих напряженность поля. При этом в диапазоне длинных, средних и коротких волн ЕА определяется вольтметром по выходному напря­

жению эталонной антенны прибора, а в метровом и дециметровом (до 30 см) диапазонах — амперметром по току в антенне.

На волнах меньше 30 см напряженность электрического поля может быть определена по измеренной мощности на согласованной нагрузке приемной антенны с точно известной ее эффективной пло­

боры, которые делятся на две основные группы: индикаторы поля и измерители напряженности поля.

Основным назначением индикаторов поля является обнаружение сравнительно мощных электромагнитных полей (десятки мВ/м) и определение их относительной напряженности или плотности потока мощности.

Относительной напряженностью электрического поля Е/ЕмаКс

при снятии диаграмм направленности антенн называется отношение напряженности поля Е в данной точке к максимальной напряженности поля £ макс в точке такого же удаления от антенны в направлении главного излучения.

При снятии диаграммы направленности вращающейся антенны индикатор поля или измеритель напряженности поля неподвижны, а показания прибора снимаются при определенных значениях угла поворотного устройства исследуемой антенны.

При измерениях индикаторами поля используется метод непосредст­ венного определения напряженности поля £ , называемый методом эталонной антенны.

Измерители напряженности поля служат для измерения слабых полей, т. е. для определения абсолютных значений напряженностей поля и плотностей потока мощности. К этой группе приборов отно­ сятся также измерительные приемники и измерители радиопомех. Характерным свойством всех измерителей напряженности поля является их высокая чувствительность. При практическом использовании этих приборов применяется метод сравнения.

Индикаторы поля представляют собой антенну с резонансным контуром и индикатором. В зависимости от диапазона волн в инди­ каторах поля могут использоваться различные типы антенн, колеба­ тельных контуров и стрелочных указателей.

Вдиапазоне длинных, средних и коротких волн используется рамочная антенна, образующая с переменным конденсатором настройки колебательный контур. Измерительным прибором является электрон­ ный вольтметр.

Вдиапазоне метровых и дециметровых волн в качестве антенны

иколебательного контура применяется симметричный вибратор,

тировка и настройка антенны и так называемый антенный эффект рамки.

Принцип измерения напряженности поля данной схемой осно­ ван на том, что показания вольтметра, подключенного к конденсатору рамочной антенны, пропорциональны величине э. д. с., наводимой электромагнитным полем, а соответственно и величине напряженности поля. Следовательно, вольтметр можно проградуировать непосредст­ венно в значениях напряженности поля.

Порядок измерения, а также определение коэффициента пропор­ циональности между напряженностью поля и показанием вольтметра следующие. Рамку настраивают в резонанс с частотой колебаний исследуемого электромагнитного поля радиопередатчика и вращают ее до тех пор, пока показание вольтметра не будет максимально.

где п — число витков рамки;

S — площадь, охватываемая витком рамки, м2;

X — длина волны исследуемого передатчика, м; Лд — действующая высота антенны, м.

Так как рамка настроена в резонанс, ее резонансный ток равен:

/£» _£Лд

В этом выражении К представляет собой постоянный коэффи­ циент, зависящий от частоты исследуемого радиопередатчика и пара­ метров рамки и определяемый по формуле

Рис. 13-3. Схема индикатора поля с симметричным виб­ ратором.

Поэтому в случае необходимости определения напряженности поля

термоэлектрический прибор с известным сопротивлением RT. Резо­

нансное сопротивление симметричного вибратора (сопротивление излу­ чения Ra) любой длины всегда постоянно и примерно равно 73 Ом.

Следовательно, э. д. с., наведенная исследуемым электромагнитным полем в вибраторе,

£ а= '( * т +Я а) = £ \ ,

где Лд — действующая длина симметричного вибратора; Лд = Х/л. Следовательно,

При использовании индикатора поля вибратор располагают и настраивают так, чтобы наводимая в нем исследуемым электромаг­ нитным полем э. д. с. была максимальна. Настройка вибратора, выпол­ ненного из раздвижных полых трубок, осуществляется изменением его длины.

Примером раздвижной дипольной антенны промышленного типа является измерительная антенна П6-1, рассчитанная на частоты 150— 1000 МГц.

Рис. 13-4. Схема индикатора поля с рупорной антенной.

а — с выпрямительным индикатором; б — с термнсторным измерите­

лем мощности.

Причиной погрешности измерений вибраторных индикаторов полей является неточная ориентировка антенны, а также влияние земли и оператора.

В индикаторах поля диапазона сантиметровых волн обычно при­ меняются рупорные антенны, а для индикации — выпрямительные или термисторные приборы. Иногда при измерении интенсивности поля передатчика, работающего модулированными колебаниями, исполь­ зуется также телефон.

На рис. 13-4 изображена схема индикатора поля сантиметрового диапазона, которая состоит из рупорной антенны, аттенюатора и изме­ рительного устройства, представляющего собой выпрямительный (детекторный) прибор (рис. 13-4, а) или термисторный измеритель мощности (рис. 13-4, б). Согласование волновода с нагрузкой осущест­ вляется при помощи плунжера на конце волновода.

При измерениях индикатором поля с выпрямительным стрелоч­ ным прибором его показания поддерживают постоянными, а отсчет, зависящий от интенсивности поля, получают в децибелах по шкале