ГЛАВА ДЕВЯТАЯ. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

9-1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В этой главз пойдет речь об измерении мощности на высоких и сверхвысоких частотах. Краткие сведения об измерении мощности на постоянном токе и токе промышленной частоты приведены постольку, поскольку они необходимы для описания методов и средств измерений на более высоких частотах.

Измерение мощности в электрических цепях является распространенным видом измерения, характеризующим работу электрических устройств. В технике СВЧ в связи с соизмеримостью размеров цепей и длины волны — это единственный способ однозначной оценки интенсивности электромагнитного поля. Пределы измеряемых мощностей в радиотехнических устройствах чрезвычайно широки — от до Условились называть мощности очень большими, если их значения превышают большими — от 10 до 1000 Вт; средними — от 0,1 до 10 Вт; малыми — от 1 мкВт до 0,1 Вт и очень малыми — меньшие 1 мкВт.

В цепях постоянного тока мощность, потребляемая нагрузкой, равна произведению тока и напряжения и ее можно определить косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра или прямым — с помощью электродинамического ваттметра.

В цепях переменного синусоидального тока различают активную (среднюю за период) мощность

и реактивную мощность где действующее значение напряжения на нагрузке; действующее значение тока, протекающего через нагрузку; фазовый сдвиг между напряжением и током.

Преимущественно измеряется значение активной мощности.

В цепях с током промышленной частоты активная мощность измеряется с помощью электродинамических ваттметров, показания которых соответствуют формуле Применяя вольтметр и амперметр переменного тока, можно определить значение полной мощности которое при чисто активной нагрузке совпадает с значением активной мощности

В цепях высоких и сверхвысоких частот используют сигналы импульсной формы — радио- или видеоимпульсы. В этом случае представляет интерес не только средняя мощность, но и импульсная. При прямоугольной огибающей импульса (рис. 9-1, а) импульсная мощность и ее среднее значение за период повторения импульсов связаны соотношением

где длительность импульса; скважность последовательности импульсов.

Практически измеряют среднюю мощность и по формуле определяют импульсную Если форма импульса отлична от прямоугольной (рис. 9-1, б), мощность определяют по эквивалентному прямоугольному импульсу той же высоты, длительность которого равна интервалу времени между точками огибающей импульса на уровне половины его высоты.

Рис. 9-1. К определению средней и импульсной мощности

Иногда представляется необходимым измерить среднюю мощность за период несущей частоты импульсно-модулированного сигнала в точке его максимальной высоты. Такая мощность называется пиковой мощностью и определяется из формулы :

отношение максимальной высоты импульса к высоте эквивалентного прямоугольного импульса.

Погрешность измерения мощности колеблется в широких пределах: от при измерении мощностей на постоянном токе и токе промышленной частоты до и более при измерении мощностей на СВЧ. Это объясняется возможностями применяемых методов и средств измерений в различных частотных диапазонах.

Рис. 9-2. Структурные схемы измерения мощности

В диапазоне СВЧ измеряют поглощаемую нагрузкой мощность или мощность, проходящую к нагрузке. В соответствии с этим существуют ваттметры поглощаемой и проходящей мощности. Поглощаемую мощность измеряют тогда, когда надо определить мощность, отдаваемую источником в согласованную нагрузку. В этом случае реальная нагрузка обычно заменяется эквивалентной, часто находящейся в ваттметре, т. е. нагрузкой генератора (рис. 9-2, а) является сам ваттметр измеряющий поглощаемую им же мощность. Проходящая мощность измеряется в линии передачи энергии (рис. 9-2, б) при определении мощности, рассеиваемой в произвольной нагрузке

При измерении мощности ее значение выражают в ваттах (или его кратных и дольных значениях) или децибел-ваттах (децибел-милливаттах). Последнее значение определяется выражением где а — число децибел-ватт со знаком плюс, если

и со знаком минус, если абсолютное значение мощности в ваттах; исходный уровень мощности, равный Так, например, ноль децибел-ватт соответствует мощности Если исходный уровень равен то соответствуют а соответствуют Относительные единицы мощности удобно использовать при определении уровней мощности в различных точках тракта передачи энергии, содержащего устройства, поглощающие или усиливающие мощность.

При измерении мощности на высоких и сверхвысоких частотах определяющую роль играет согласование полных сопротивлений в тракте передачи энергии. От качества согласования зависит уровень мощности, получаемой от генератора или усилителя, значение отражений в тракте генератор — линия — нагрузка и мощность, поглощаемая нагрузкой. Если нагрузка с полным сопротивлением подключена к генератору непосредственно, то, как известно, генератор с внутренним сопротивлением отдает в эту нагрузку мощность

где действующее значение напряжения на выходе генератора.

Наибольшую мощность генератор будет отдавать нагрузке при комплексно-сопряженном согласовании их сопротивлений, т. е. при Эта мощность называется располагаемой мощностью генератора, и ее значение определяется из формулы : Если нагрузка подключена к генератору через линию передачи, то согласование усложняется. Электромагнитная энергия передается от генератора к нагрузке, как правило, по однородной линии с распределенными параметрами, определяющими ее волновое сопротивление Для простоты считают, что такие линии вносят потери настолько малые, что ими можно пренебречь, и тогда мощность, отдаваемая генератором в согласованную с его сопротивлением линию, нагруженную на любое сопротивление определяется по формуле

где коэффициент отражения от нагрузки по напряжению.

Если волновое сопротивление линии передачи согласовано с сопротивлением нагрузки то коэффициент отражения равен нулю и к нагрузке поступает максимальная мощность. В общем случае, когда и генератор и нагрузка не согласованы, мощность в последней представляется так:

Следует иметь в виду, что в зависимости от электрической длины линии передачи физическая длина линии, длина волны) мощность, поступающая в нагрузку, может принимать любые значения в некоторых пределах, определяемых фазовыми сдвигами между напряжениями отраженной и падающей волн на выходе генератора и входе нагрузки. Это явление объясняется тем, что фазовый сдвиг изменяется от конца линии к ее началу и в соответствии с этим коэффициенты отражения также меняют свое значение.

Широкий диапазон частот, большие пределы значений мощности и различие допустимых погрешностей вызвали применение значительного числа методов измерений и основанных на них ваттметров.

Мощность на высоких частотах определяют косвенным методом путем измерения тока или напряжения на соответствующих резисторах с известными сопротивлениями. На частотах до этот метод применяют в виде «метода вольтметра», на основе которого выпускается ваттметр для измерения поглощаемой мощности. В диапазоне СВЧ электромагнитную энергию преобразуют в другой вид энергии, более удобный для измерения. Наибольшее применение находит преобразование электромагнитной энергии в тепловую, на базе которого разработаны методы: калориметрический, терморезисторный (болометрический и термисторный) и термоэлектрический. Находят применение пондеромоторный метод, основанный на механическом действии электромагнитного поля, и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.

Любой ваттметр (рис. 9-3) состоит из приемного измерительного преобразователя измерительного узла и отсчетного устройства Конструкция приемного преобразователя зависит от метода измерения и диапазона частот. Ваттметры характеризуются коэффициентом стоячей волны входной цепи приемного преобразователя, диапазоном частот, пределами измеряемой мощности, временем установления показаний, эффективностью приемного преобразователя и классом точности.

Рис. 9-3. Структурная схема ваттметра СВЧ