4.2 Измерение мощности электрического тока на высоких и сверхвысоких частотах
Мощность электрического тока высокой частоты (до 200 МГц) измеряется косвенным и прямым методами.
При косвенном методе определение мощности, например, генератора или передатчика производится путем измерения с помощью амперметра среднеквадратического значения тока I, протекающего через нагрузочное сопротивление Rн, или измерение с помощью вольтметра среднеквадратического значения напряжения U на нагрузке (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Косвенное измерение мощности тока высокой частоты
В дальнейшем мощность может быть вычислена по формулам
P = I2Rн
P = U2/Rн
При измерении мощности косвенным методом в качестве амперметров в основном применяются термоэлектрические амперметры, а в качестве вольтметров – электронные стрелочные и цифровые вольтметры.
На частотах свыше 200 МГц мощность измеряется только прямыми методами, из которых известны:
калориметрический метод;
метод терморезистора;
термоэлектрический метод;
метод на основе использования направленных ответвителей;
пондеромоторный метод и т.д.
4.2.1 Термоэлектрический метод
Термоэлектрический метод основан на преобразовании с помощью термопар энергии высокочастотных колебаний в тепловую и измерения возникающей термо э.д.с. ЕТ, пропорциональной рассеиваемой в термопаре мощности. Таким образом, термопары одновременно выполняют функции согласованной нагрузки и термометра.
Термоэлектрический метод применим для измерения малых уровней мощности.
Структурная схема термоэлектрического ваттметра изображена на рис. 5.3.
Рис. 4.7. Структурная схема термоэлектрического ваттметра
Входной сигнал Uвх., мощность которого необходимо измерить, подается на вход термопары (ТП) (обычно это термоэлектрическая головка), на выходе которой формируется термо э.д.с. Uтэдс. Напряжение с выхода термоголовки поступает на вход измерительного устройства (ИУ), в качестве которого может применяться вольтметр постоянного тока, шкала которого проградуирована в единицах мощности. В реальных схемах в качестве ИУ применяют как аналоговые, так и цифровые вольтметры. В результате по шкале ИУ отсчитываются показания измеренной мощности входного сигнала.
Калибратор мощности (КМ) представляет собой стабилизированный генератор меандра частоты 20 – 50 кГц. С его помощью происходит калибровка ваттметра перед началом измерений и после смены термоголовки.
Как видно из структурной схемы, основным блоком измерительного прибора является термоэлектрическая головка, эквивалентная схема которой, поясняющая принцип работы, изображена на рис. 5.4.
С2
Рис. 4.8. Эквивалентная схема термоэлектрической головки
В составе схемы имеются две термопары, включенные дифференциальным способом. Такое включение повышает чувствительность термоголовки. Этому способствует также особое включение ветвей термоголовки. Как видно из схемы, по постоянному току термопары включены последовательно, а по переменному току – параллельно. Это достигается с помощью конструктивного конденсатора С2. Конденсатор С1, также конструктивный, предназначен для развязки цепей постоянного тока и тока высокой частоты. Значения RT1 и RT2 подбираются из условия согласования головки. Термопары для целей измерения мощности высокой частоты конструктивно выполняют в виде пленок (металлические пленки напыляются на диэлектрические подложки).
Основной характеристикой термоэлектрического преобразователя является его амплитудная характеристика ЕТ(РХ), типичный вид которой изображен на рис. 4.9.
Рис. 4.9. Амплитудная характеристика термоэлектрического преобразователя
Достоинства термоэлектрических вольтметров:
термо э.д.с. практически не зависит от температуры окружающей среды, следовательно, отпадает необходимость термокомпенсации;
термопары не требуют предварительного подогрева, обладают высокой чувствительностью;
в качестве измерительного устройства могут использовать простые приборы.
Недостатки:
малые пределы измерений;
невысокая устойчивость к перегрузкам.