7. Измерения ослабления

Масштабное преобразование величин x_изм и x_д необходимо в большинстве радиоизмерительных приборов, измеряющих интенсивность или амплитуду сигналов. Поскольку для решения измерительных задач необходимо иметь масштабные преобразователи с калиброванными, точно известными и стабильными коэффициентами преобразования, то в качест­ве таких преобразователей предпочтительны либо делители (аттенюато­ры) в цепи прямого преобразования, либо усилители с калиброванными делителями в цепи обратной связи. Отсюда следует как широкое приме­нение калиброванных делителей напряжения и аттенюаторов в радиоизме­рительных приборах, так и важность измерений ослабления, обеспечива­ющих калибровку делителей и аттенюаторов.

Ослаблением A называют отношение мощности P_1н, передаваемой через идеальный соединитель ИС от согласованного генератора Г в согласованную нагрузку Н, к мощности P_2н, передаваемой в ту же нагрузку через исследуемый четырехполюсник ИЧ (рис. 7.1), выражаемую в децибелах

при Г_г = 0; Г_н = 0, (7.1)

где Г_г и Г_н - коэффициенты отражения генератора и нагрузки соответственно.

И

деальный соединитель - это устройство, не вносящее дополнительных отражений и потерь, но дающее фазовый сдвиг, кратный 2πn ( n = 0, 1, 2, 3, ...). Практической реализацией идеального соединителя служит непосредственное соединение генератора с нагрузкой, соответствующее случаю n = 0.

Преобразуем формулу (7.1) в виде суммы двух слагаемых, учитывая, что ,(здесь Γ - модуль коэффициента отражения входа ИЧ; P₁ - мощность, передаваемая от ге­нератора в четырехполюсник; S - коэффициент передачи четырехпо­люсника по напряжению),

. (7.2)

Такая запись дает наглядную интерпретацию смысла физической величины "ослабление". Первое слагаемое определяет уменьшение мощности, передаваемой в нагрузку, за счет отражения от входа четырехполюсника, а второе - уменьшение мощности в силу внутренних потерь в нем.

7.1. Метод отношения мощностей

Для измерения ослабления в соответствии с определением этой физической величины необходимо реализовать схему рис. 7.1, в которой заменить нагрузку измерителем мощности, и измерить мощность, поглощенную измерителем мощности, в двух положениях: при непосредственном соединении измерителя мощности с выходом генератора (мощность P_1н) и при включении между генератором и нагрузкой исследуемого четырехполюсника (мощность P_2н). Затем рассчитать ослаб­ление по формуле (7.1). Этот метод называется методом отношения мощ­ностей. Метод отношения мощностей лежит в основе всех устройств и схем измерений ослабления, так как в любом устройстве для измерения ослабления имеется измеритель мощности либо для определения численного значения отношения мощностей (напряжений), либо используемый в качестве устройства сравнения, фиксирующего неизменность этого отношения. Второй случай реализуется при наличии меры ослабления, используемой в качестве x_д в методе замещения (методе сравнения). Для реализации метода замещения (рис. 7.2) необходима мера ослабления (эталонный аттенюатор), отградуирован­ная на той же частоте, при которой измеряется ослабление исследуемого четырехполюсника A_x.

Исследуемый и эталонный аттенюаторы A_x и A_э включаются поочередно между генератором и измерителем мощности. Регулируя мощность генератора добиваются определенных показаний измерителя мощности. Затем A_x заменяется мерой A_э. Если в качестве A_э использовать многозначную меру ослабления, то поддерживая регулировкой неизменные показания измерителя мощности при условии неизменности уровня сигнала, выдаваемого генератором, можно отсчитать по шкале A_э измеряемую величину A_x. В данном случае измеритель мощности является устройством сравнения, A_э - мерой x_д, ослабление A_x - величиной x_изм. Источниками инструментальных погрешностей такого метода являются нестабильность мощности генератора за время измерения, погрешность величины A_э.

О

сновной методической погрешностью является погрешность рассогласования. Рассмотрим природу, основные источники и пределы изменения этой погрешности. В реальных условиях, когда Γ_г ≠ 0, Γ_им ≠ 0, Γ_э ≠ 0, мощность, поглощаемая измерителем мощности, зависит от отражений сигналов от каждого из узлов схемы и в схеме рис.7.2 определяется формулами

; (7.3)

, (7.4)

где P_г - мощность, выдаваемая генератором на согласованную нагрузку;

, - комплексные коэффициенты отражения входа и выхода эталонного аттенюатора;

, - комплексные коэффициенты отражения генератора и измерителя мощности;

, - комплексные коэффициенты отражения входа и выхода исследуемого аттенюатора;

, - комплексные коэффициенты передачи эталонного и исследуемого аттенюаторов.

Эту формулу можно получить, используя матрицы рассеяния всех устройств. Все коэффициенты являются комплексными величинами. Поскольку при реализации процедуры метода сравнения ,то можно записать

, (7.5)

где A_x - ослабление исследуемого аттенюатора.

Пренебрегая величинами второго порядка малости можно написать:

(7.6)

или

. (7.7)

Величину называют погрешностью рассогласования Δ_расс. Поскольку в выражение для Δ_расс входят комплексные величины, то их сумма зависит от соотношения их фаз. При неизвестных фазах максимальное значение Δ_расс считают как сумму максимальных значений модулей ее составляющих, то есть

. (7.8)

В качестве измерителя мощности в методе сравнения могут применяться ваттметры СВЧ малой мощности, импульсные ваттметры, вольтметры, импульсные вольтметры, селективные вольтметры, измерительные приемники, измерители коэффициента шума. Поскольку они используются в качестве устройства сравнения, то главное требование к ним - это высокая разрешающая способность и собственная стабильность показаний во времени.

В практике часто необходимо измерять не только ослабление, вносимое четырехполюсником в цепь, но и изменение ослабления. Эта задача особенно часто встречается при градуировке переменных аттенюаторов, то есть измеряется ослабление, соответствующее разности отсчетов по шкале переменного аттенюатора. В этом случае метод сравнения реализуется схемой последовательного замещения (рис. 7.3). В ней эталонный аттенюатор, вносящий ослабление A_э в схему, и градуируемый аттенюатор с неизвестным ослаблением A_x включаются один за другим, что исключает необходимость пересоединения приборов.

Д

ля определения действительного значения разности ослабления между началом и градуируемой отметкой шкалы аттенюатораA_x сначала устанавливают в положение "0 дБ", а эталонный аттенюатор - в положение с несколько большим ослаблением A^'_э, чем проверяемая отметка шкалы A_x. Регулируют мощность генератора, добиваясь определенных показаний измерителя мощности. Затем переводят A_x в положение, в котором контролируется его ослабление, а изменением ослабления эталонного аттенюатора до A^''_э восстанавливают прежние показания измерителя мощности. Значение A_x =( A^''_э – A^'_э) дБ.

Погрешность измерения величины ослабления A_x обусловлена стабильностью генератора сигнала, разрешением измерителя мощности, погрешностью образцового аттенюатора, погрешностью рассогласования. Для данного случая максимальное значение погрешности рассогласования при пренебрежении членами второго порядка малости определяется формулой

, (7.9)

где ,,,- модули коэффициентов отражения эталонного и исследуемого аттенюаторов в первом и втором положениях соответственно; , - модули коэффициентов отражения генератора и измерителя мощности.

В случае, если не удается подобрать генератор и измеритель мощности с малыми коэффициентами отражения, часто применяют согласующие фиксированные аттенюаторы с ослаблением 3...10 дБ, которые сами имеют малые коэффициенты отражения и, благодаря этому, уменьшают вклад отражений от генератора и измерителя мощности в погрешность рассогласования.