30. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

Оконечный измеритель мощности

Активную мощность на сверхвысоких частотах можно измерить, преобразуя ее в тепло и определяя количество последнего. В качестве основных элементов таких измерителей мощности, представляющих собой оконечные нагрузки линий передачи, могут использоваться, например, болометры — тонкие проводники, в частности, проводники в лампочках накаливания или полупроводниковые элементы (термисторы), электрическое сопротивление которых изменяется в результате нагрева их преобразованной в тепло сверхвысокочастотной активной мощностью [41].

Рис. 30.1. Принципиальная схема оконечного измерителя мощности.

На рис. 30.1 изображено одно из устройств подобного рода. Подлежащая измерению активная мощность разогревает тонкую нить лампочки. Путем использования мостовой схемы или просто с помощью постоянного тока измеряется электрическое сопротивление нити и его изменение, вызванное нагревом. Цепь постоянного тока отделена от сверхвысокочастотной цепи соответствующей емкостью, которая на сверхвысоких частотах представляет собой короткое замыкание. Изменение сопротивления нити является мерой поглощаемой ею сверхвысокочастотной активной мощности. Градуировку можно произвести, подавая в отсутствие мощности сверхвысоких частот на нить или полупроводник такую мощность постоянного тока, при которой изменение сопротивления будет таким же, как и при подаче измеряемой мощности сверхвысоких частот. При этом можно считать, что мощность постоянного тока, которую легко измерить, равна искомой сверхвысокочастотной активной мощности.

При измерении очень малых мощностей, в частности, можно поступать следующим образом:

термочувствительный элемент, на который подается мощность сверхвысоких частот, включается по постоянному току в мостовую схему (рис. 30.1), причем последняя балансируется путем изменения сопротивления В этом случае на термочувствительный элемент поступает как измеряемая сверхвысокочастотная мощность так и мощность постоянного тока причем величина постоянного тока измеряется с помощью прибора, изображенного на рис. 30.1. Затем подачу высокочастотной мощности прекращают и путем изменения сопротивления 5 увеличивают постоянный ток до такого значения при котором мост, разбалансировавшийся ранее, окажется снова сбалансированным.

При этом можно записать

и, следовательно,

Что касается измерителя мощности с нитью, которая нагревается до свечения, то в этом случае мощность можно, в частности, измерять путем сравнения яркости этой нити с яркостью нити другой лампочки, накал которой осуществляется постоянным током. Имеется ряд вариантов этого метода. На больших мощностях можно воспользоваться также калориметрическим методом.

При измерении мощности предполагается, что распределение тепла по всему термочувствительному элементу примерно такое же, каким оно является при подаче постоянного тока во время градуировки, следовательно, точность измерителя мощности зависит от того, насколько строго выполняется это предположение. При измерении мощности с помощью лампочки накаливания погрешности возникают и вследствие того, что на сверхвысоких частотах в противоположность постоянному току нагревается также и стекло. Кроме того, лишь при оченй короткой по сравнению с длиной волны нити ток высокой частоты по ее длине будет постоянным.

С помощью описанных выше оконечных измерителей мощности можно, например, определять максимальную мощность, отдаваемую передатчиком, для чего измерительный прибор подключается через соответствующие

трансформирующие устройства, отрегулированные таким образом, чтобы в этот прибор поступала как раз максимальная мощность.

Высокочастотное входное полное сопротивление измерителя мощности часто трансформируется в сопротивление, равное волновому сопротивлению подключаемой линии. В таком выполнении прибор применяется в качестве «эквивалента антенны». Он предназначается для определения мощности, отдаваемой передатчиком в антенну, входное сопротивление которой согласовано с волновым сопротивлением линии.

Измеритель проходящей мощности и напряжения

Оконечные измерители мощности могут применяться для градуировки измерителей проходящей мощности и напряжения. В качестве последних можно, например, использовать измерительную линию.

Если к выходу этой линии подключить измеритель мощности, то устройство можно отградуировать и использовать в качестве абсолютного вольтметра. Для узла или пучности напряжения будет выполняться равенство

где передаваемая по линии активная мощность, величина которой определяется посредством оконечного измерителя мощности. Значения определяются с помощью измерительной линии. Используя полученные данные и выражение (30.1), можно рассчитать эффективное напряжение в пучности и в узле Если затем вместо измерителя выходной мощности подключить к выходу линии какую-то другую нагрузку, то можно изменить и на основании градуировки определить абсолютные значения напряжений по которым в дальнейшем можно рассчитывать активную мощность, поступающую в нагрузку.

Поскольку величина напряжения, снимаемого с зонда измерительной линии, в большей или меньшей степени зависит от частоты, то необходима градуировка на различных частотах.

Определять таким образом проходящую мощность и рассчитывать из распределения напряжения довольно

сложно. Применение фиксированного зонда, расположенного в какой-либо точке линии, с непосредственным отсчетом величины мощности было бы значительно удобнее. Такой способ измерений можно осуществить в действительности при условии, если линия нагружена на свое волновое сопротивление так как в этом случае напряжение вдоль линии остается постоянным. После соответствующей градуировки зонда оказывается возможным непосредственный отсчет мощности

Если же нагрузка обусловливает отражения, характеризуемые коэффициентом отражения то напряжение в максимуме будет равно а в минимуме Так как входное сопротивление в точке максимума напряжения равно то мощность, передаваемая по линии, будет определяться выражением

В то же время, если зонд расположен в максимуме, показания будут а при его размещении в минимуме Таким образом, возможна следующая ошибка

Ниже в § 40 исследуются свойства важных элементов схем, так называемых направленных ответвителей, применение которых позволяет сделать показания зависящими только от амплитуды падающей волны Направленный ответвитель с успехом может быть использован в качестве одного из основных элементов измерителя проходящей мощности. Показания такого измерителя мощности вне зависимости от его положения будут и ошибка составит только Напрймер, при коэффициенте отражения соответствующем коэффициенту стоячей волны максимальная ошибка в случае применения направленного ответвителя составляет 4%, в то время как при использовании обычного зонда она достигает 40%.