Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

СВЧ / метода 1.doc

Скачиваний:

Добавлен:

21.05.2015

Размер:

259.07 Кб

Скачать

☆

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

Часть 1 методы измерений в свч-диапазоне Введение.

Измерения на СВЧ можно разбить на две группы:

а) Измерения параметров пассивных цепей .

6) Измерения характеристик и параметров СВЧ приборов .

Для измерения параметров пассивных цепей используется СВЧ генераторы, измерители частоты, мощности, коэффициента отражения (или КСВ) и т.д. Рассмотрим методы измерения в следующей последовательности .

Измерение мощности СВЧ генераторов .

Измерение частоты СВЧ генераторов .

Измерение качества согласования ( КСВ) и других параметров пассивных цепей .

Методы измерения мощности СВЧ

В зависимости от методов измерения мощности приборы принято делить на четыре группы :

Измерители больной мощности от 10 Вт до 10 МВт .

Измерители средней мощности от 100 мВт до 10 Вт .

Измерители малой мощности от 10 мкВт до 100 мВт .

Измерители весьма малой мощности менее 10 мкВт .

Мощность измеряется двумя способами :

а) Измерение методом поглощения всей мощности в приборе (ваттметры поглощаемой мощности);

6) Измерение проходящей мощности, когда почти вся энергия поступает в реальный оконечный элемент (антенна и т.д.), а измерение проводится почти без поглощения этой мощности ( см. рис.1) .

Рис 1

1) Калориметрические методы

Для измерения больших и средних мощностей первым способом широко используется калориметрический метод . На вход СВЧ измерителя по фидеру (коаксиальная линия, волновод) поступает энергия СВЧ колебаний. В приборе эта энергия поглощается в оконечной нагрузке. В результате возрастает температура поглощающего элемента. Измеряя каким - то способом эту температуру, мы можем судить о величине мощности .

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид :

где: P- мощность СВЧ на нагрузке; T- температура нагрузки; Θ- температура окружающей среды; C и V – теплоемкость и объем калориметра; Н- коэффициент теплового рассеяния.

Решниие ( 1 ) имеет вид: где

Практически используются два метода :

а) метод быстрого измерения (при t → 0) :

б) метод инертного измерения (при t → ∞):

Рис 2

Первый метод требует, чтобы постоянная H была достаточно мала. Достоинство таких измерителей в том, что проста их градуировка – достаточно знать лишь теплоемкость нагрузки. Недостаток – необходимо периодически отключать СВЧ мощность от измерителя.

Более широкое применение получили приборы инертного измерения мощности. В этих приборах через калориметрическую нагрузку пропускают калориметрическую жидкость (воду), которая нагревается и уносит тепло .

Мощность подсчитывают по формуле:

P = 4,19GCDT.

где: ∆T - разность температур входящего и выходящего потока жидкости; P - измеряемая мощность в Вт; D - расход калориметрической жидкости см/сек; G - плотность калориметрической жидкости г/сек; С- теплоемкость калори-метрической жидкости кал/г град .

Разность температур измеряется термопарой ( см рис. 2 ), погрешность метода менее 10 % . Источники ошибок :

а) непостоянство расхода воды;

б) рассогласование нагрузки и фидера и т.д.

Существуют другие разновидности калориметрического метода (микрокалориметрический и другие).

2) Измерение малых уровней мощности .

При измерении малых уровней мощности используются болометрические и термисторные измерители мощности.

Болометр - стеклянный баллон (вакуум или инертный газ) с впаянными в стекло выводами. Внутри болометра между выводами - тонкая платиновая нить. Ее толщина порядка 0,5 - 5 мкм.

Термисторы - полупроводники, обладающие отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в отличии от болометров с положительным ТКС . Полупроводник, как и платиновая нить, помещается в стеклянный баллон.

Размер полупроводникового элемента 0.2 мм в диаметре и 1 мм в длину (рис. 3)

Рис 3

Принцип действия измерителей состоит в том, что при наличии СВЧ мощности, которая поглощается в термочувствительном элементе, растет его температура и меняется сопротивление. Для повышения чувствительности термочувствительный элемент включается в плечо мостовой схемы (рис 3).

Перед началом измерений проводится балансировка моста сопротивлением R_и . Изменяя это сопротивление, мы устанавливаем стрелку индикатора на нуль.

Затем проводят установку чувствительности. Для этого к точкам моста подключается напряжения от генератора низкой частоты ( 50 - 100 кГц ). В результате прохождения переменного тока через термистор он нагревается, его сопротивление падает и баланс моста нарушается (стрелка индикатора отклоняется). Мощность, выделяемая переменным током в термисторе известна (обычно 1 милливатт). Чувствительность калибруется с помощью сопротивления R₀. Изменяя его, мы устанавливаем стрелку в положение «1» милливатт. Генератор переменного напряжения отключают и прибор готов для измерений мощности.

Следует отметить, что измерители весьма чувствительны к температуре окружающей среды . Поэтому при каждом измерении необходима балансировка и калибровка. С целью уменьшения этой зависимости используются схемы с термокомпенсацией и термостабилизацией . Заметим также , что для повышения точности измерений необходимо согласование сопротивления термочувствительного элемента со входом фидерного тракта (рис. 4).

Рис 4

3) Другие методы измерений . Существует другие способы ( на эффекте Холла и на основе пондемоторного эффекта ), описанные в литературе.

С целью расширения пределов измерения, а также для проведения измерений проходящей мощности используется направленные ответвители ( с ослаблением 20 - 30 дБ ), к которым подключается обычный измеритель мощности. Здесь можно раздельно измерять проходящую и отраженную от нагрузки мощность.

Методы измерения частоты

На СВЧ обычно используются резонансные методы измерения частоты, т.е. частота измеряется с помощью резонансных волномеров.

Волномеры малой точности ( ВМТ ) используют резонаторы с добротностью до 2000 . Волномеры средней точности ( ВСТ ) используют резонаторы с добротностью свыше 2000. В см и мм диапазоне как правило используются объемные резонаторы, а в дм и м диапазонах - коаксиальные. Волномер имеет широкий диапазон перестройки. В резонаторах принимаются специальные меры для подавления паразитных резонансов на других типах колебаний .

Схемы включения волномера и индикатора изображены на рис. 6 . При резонансе волномер отсасывает мощность из волновода. Поэтому частота ищется по минимуму показаний индикатора (рис. 6а). В схеме на рис. 6б частота ищется по максимуму показаний индикатора. Перестройка резонатора осуществляется механически с помощью верньерного устройства или микрометрического винта. С целью увеличения точности механизм перемещения настроечного элемента снабжается нониусом. Отсчет частоты проводится по шкале.

а) б)

Рис 6

Грубое измерение частоты может быть произведено с помощью измерительной волноводной линии (ИВЛ). С помощью ИВЛ измеряется длина волны в фидере. Затем, с учетом скорости скорость распространения волн в фидере, рассчитывается длина волны в свободном пространстве и частота колебаний, Обычно точность измерений невелика и составляет доли процента - проценты .

Измерение качества согласования .

Качество согласования оценивается величиной КСВ . Для этого необходимо измерить максимальное и минимальное значение напряженности поля в волноводе (рис. 7).

Рис. 7 Распределение средней напряженности поля вдоль волновода при различных КСВ.

Коэффициент стоячей волны равен :

где: E_max- амплитуда поля в пучности; E_min- амплитуда поля в узле.

Практически считается , что тракт является согласованным, если КСВ не более 1.5.

Измерение КСВ можно провести с помощью измерительной линии. Индикаром служит миллиамперметр или вольтметр соединенные с детекторной секцией. При малых сигналах происходит квадратичное детектирование. Поэтому показания детектора будут пропорциональны моцности , т.е. квадрату амплитуды поля . Поэтому КСВ следует определять по формуле:

где α_max, α_min - максимальное и минимальное показания индикатора.