9-2. ИЗМЕРЕНИЕ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ

Метод вольтметра и амперметра. Этот метод применяется в том случае, когда при измерении значение тока, проходящего через амперметр и нагрузку, одинаково и напряжения на нагрузке и вольтметре равны. В цепях с распределенными параметрами эти условия выполняются только в определенных местах цепи измеряемого объекта. Амперметр следует включать возможно ближе к нагрузке, так, чтобы расстояние (рис. 9-4, а) было, по крайней мере, в сто раз меньше длины волны При погрешность от включения не превышает Вольтметр нужно включать на расстоянии от нагрузки, где любое целое число; в этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению в месте измерения.

При измерении мощности источников энергии (генераторов, радиопередатчиков, усилителей) обычно используют эквивалент согласованной нагрузки и один прибор — амперметр или вольтметр (рис. 9-4, в), а мощность вычисляют по формулам: или где показания амперметра и вольтметра. Эквивалент нагрузки, рассчитанный на необходимую мощность, подключают непосредственно к выходным зажимам источника. Если при измерении мощности передатчика допускается излучение, то измеряется ток в антенне (рис. 9-4, б), сопротивление которой известно. В качестве эквивалента нагрузки применяют прецизионные резисторы (проволочные, силикатные, карборундовые, углеродистые). При измерении больших мощностей предусматривают принудительное охлаждение нагрузки воздухом или водой.

Выбор измерительного прибора — амперметра или вольтметра — определяется диапазоном частот, значением измеряемой мощности и сопротивления нагрузки, допустимой погрешностью измерения. Так, например, на частотах до при заданной погрешности измерения до можно применить термоэлектрический амперметр и электронный вольтметр класса точности 1,0 и 2,5 соответственно. Таким образом измеряют значения мощностей от единиц ватт до сотен киловатт.

Рис. 9-4. Схемы измерения мощности методом вольтметра и амперметра

На более высоких частотах используют прямопоказывающий ваттметр (рис. 9-5), в приемном преобразователе которого помещен поглощающий резистор с сопротивлением 75 Ом, рассчитанный на включение в коаксиальную линию с помощью коаксиального входа 1. Резистор заключен в экран 2 специальной формы, улучшающий условия согласования ваттметра с линией передачи. В качестве измерительного узла используется диодный пиковый вольтметр 3, отсчетное устройство которого градуировано в единицах мощности. Для расширения пределов измерения пиковый вольтметр подключается к части резистора. Погрешность измерения таким ваттметром составляет Ваттметр измеряет среднюю мощность, поэтому при импульсных сигналах мощность определяется в соответствии с формулой (9 2).

Рис. 9-5. Ваттметр с пиковым вольтметром

Калориметрический метод. Этот метод относится к наиболее точным измерениям высокочастотной мощности больших и средних значений практически на любой частоте. Он основан на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую. Калориметрический ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором расположена нагрузка, поглощающая электромагнитную энергию. При этом выделяется теплота, нагревающая некоторое рабочее тело. С помощью измерительного узла измеряется температура рабочего тела, и по ее значению определяется значение мощности. Ваттметры выполняются с твердым или, чаще, с жидким рабочим телом, работают в адиабатном режиме (без теплоотдачи во внешнюю среду) или при постоянной температуре рабочего тела.

Наибольшее распространение получили проточные (поточные) калориметрические ваттметры с непрерывно циркулирующей жидкостью — водой или кремннйорганической смесью (рис. 9-6). Здесь значение

мощности функционально связано с разностью температур жидкости на входе и выходе преобразователя, соответственно, В установившемся режиме количество теплоты, выделяемой на нагрузке равно количеству отводимой жидкостью теплоты: откуда удельная теплоемкость, объем жидкости). Измеряемая мощность

При постоянных удельной теплоемкости и скорости протекания жидкости измеряемая мощность прямо пропорциональна разности температур: Для измерения применяют батареи термопар, термоЭДС которых определяется с помощью магнитоэлектрического милливольтметра. Если термобатареи включить последовательно и встречно, то показание милливольтметра будет пропорционально и его шкалу можно градуировать в единицах мощности — ваттах.

Погрешность измерения мощности калориметрическим методом возникает вследствие изменения удельной теплоемкости жидкости при ее значительном нагревании, дополнительного нагрева жидкости за счет трения, изменения скорости и характера движения жидкости, потерь теплоты на излучение. Для уменьшения погрешности используют метод сравнения, в котором тепловой эффект, вызванный СВЧ-энергией, сравнивается с тепловым эффектом, вызванным энергией постоянного тока или тока низкой частоты.

Рис. 9-6. К измерению мощности калориметрическим методом

Рис. 9-7. Упрощенная схема проточного калориметрического ваттметра

Для примера на рис. 9-7 приведена упрощенная схема проточного калориметрического ваттметра, работающего по методу сравнения. Приемный преобразователь представляет собой камеру 1, в которую помещен нагрузочный СВЧ-резистор В аналогичной камере 2 находится резистор на который подается мощность постоянного тока. Оба резистора омываются непрерывно циркулирующей жидкостью. Процесс измерения мощности СВЧ заключается в измерении мощности постоянного тока, значение которой устанавливается оператором таким образом, чтобы температура вытекающей из обеих камер жидкости

была одинаковой. Равенство температур определяется по нулевому показанию чувствительного микроамперметра постоянного тока, соединенного последовательно с двумя термобатареями 3, 4, которые включены встречно друг другу. Теплообменник 5 выравнивает температуру жидкости на входах обеих камер. Очевидно, что в таком калориметрическом ваттметре не требуется определять скорость течения жидкости, ее удельную теплоемкость и температуру. Погрешность зависит от точности измерения мощности постоянного тока и от коэффициента эффективности преобразователя значение которого для каждого ваттметра известно. Измеряемую мощность определяют как

Метод терморезистора. Этот метод основан на измерении сопротивления болометра или термистора, изменяющегося под влиянием мощности СВЧ, поэтому его часто называют болометрическим или термисторным методом.

Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом. Поперечное сечение нити а длина .. К нити припаяны выводы для включения в измерительную схему. Допустимая мощность рассеивания для нитевидных болометров находится в пределах от до чувствительность от 1,5 до рабочая частота ниже сопротивление нити в холодном состоянии Ом. На частотах выше используются пленочные болометры. Тонкая платиновая или палладиевая пленка наносится в вакууме на подложку из стекла или слюды, соизмеримую с сечением волновода. Для включения в измерительную цепь края подложки покрываются серебром. Пленочные болометры хорошо согласуются с волноводным трактом, их конструкция удобна для включения, и, что очень ценно, они могут применяться до частот миллиметрового диапазона волн. Чувствительность при работе на частотах ниже на более высоких частотах она снижается. Рабочее сопротивление несколько сот ом. Температурный коэффициент болометров положительный.

Термистор представляет собой бусинку (или диск) спрессованной смеси окиси марганца, никеля и кобальта, покрытую тонким слоем стекла. Бусинка заключена в стеклянный баллончик между более жесткими выводами, чем впрессованные в бусинку платиновые проволочки. Материал, из которого изготавливают термисторы, является полупроводником, поэтому их температурный коэффициент отрицательный. Чувствительность термисторов много выше чувствительности болометров — до они широко применяются для измерения малых и очень малых мощностей на частотах до Сопротивление термисторов в холодном состоянии колеблется от сотен ом до сотен килоом. Рабочая точка устанавливается предварительным подогревом постоянным током или током низкой частоты и выбирается для согласования с волноводным трактом в несколько сот ом.

Основными характеристиками болометров и термисторов являются зависимость их сопротивления и чувствительности от поглощаемой мощности и максимальная допустимая мощность рассеивания.

Терморезнсторный ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором размещены болометр или термистор и элементы согласования; измерительного узла в виде моста постоянного тока для измерения сопротивления терморезистора; отсчетного устройства с цифровой или стрелочной индикацией; стабилизированного блока питания.

Приемный преобразователь в зависимости от диапазона частот изготавливается из отрезка коаксиальной или волноводной линии.

В коаксиальном преобразователе (рис. 9-8, а) терморезистор, например термистор, включается в разрыв центрального проводника 1 в конце линии. Для максимального поглощения мощности СВЧ предусматривается возможность перемещения термистора в пределах четверти длины волны. Термистор одновременно включен в цепь СВЧ-тракта и в цепь постоянного тока — одно из плеч моста. Для развязки этих цепей предусмотрен дроссель 2, предохраняющий мост от проникновения в него энергии СВЧ и обеспечивающий прохождение постоянного тока через термистор. Внешний проводник коаксиальной линии преобразователя имеет разрыв со слюдяной прокладкой, без которого термистор был бы замкнут накоротко по постоянному току. Разрыв представляет собой конструктивный конденсатор через емкость которого энергия СВЧ замыкается беспрепятственно. Коаксиальные приемные преобразователи применяются при измерении мощности в диапазоне частот 20 МГц-6 ГГц. На более высоких частотах используют преобразователи волноводной конструкции.

Рис. 9-8. Приемные измерительные преобразователи терморезисторных ваттметров

Волноводньш приемный преобразователь (рис. 9-8, б) представляет собой отрезок короткозамкнутого прямоугольного волновода, в конце которого помещен терморезистор, закрепленный в цилиндрических патрубках, перпендикулярных широкой стороне волновода. Для согласования термистора с волноводом он должен располагаться на расстоянии от замкнутого конца волновода. Для установки этого расстояния (настройки согласования) предусмотрен поршень 3. Прохождение по термистору постоянного тока обеспечивается разрывом в одном из патрубков.

Измерение сопротивления терморезистора (а следовательно, и мощности) производится с помощью моста постоянного тока. В одно плечо моста включается болометр или термистор, а в остальные — постоянные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Такой равноплечий мост обладает наибольшей чувствительностью.

Измерение мощности можно выполнять при неуравновешенном или уравновешенном состоянии моста. Схема ваттметра с неуравновешенным мостом представлена на рис. 9-9, а. Измерение выполняют следующим образом. Сначала, до включения энергии СВЧ, мост приводят в равновесие на постоянном токе. Для этого, изменяя сопротивление резистора в цепи питания моста, добиваются нулевого показания на шкале микроамперметра в диагонали моста. Это свидетельствует о равенстве сопротивления терморезистора всем остальным сопротивлениям плеч. Затем на вход преобразователя подают измеряемый

сигнал, мощность которого нагревает терморезистор; сопротивление его изменяется, мост выходит из равновесия и стрелка микроамперметра отклоняется. Шкала микроамперметра градуируется заранее по мощности постоянного тока, и потому его показания соответствуют измеряемой мощности СВЧ.

Ваттметр с неуравновешенным мостом позволяет непрерывно и непосредственно измерять мощность; схема его проста и надежна в работе. Однако он имеет ряд недостатков: необходимость предварительной градуировки и ее периодической проверки; значительную погрешность, превышающую Причины погрешности заключаются в рассогласовании тракта СВЧ с сопротивлением терморезистора, так как последнее изменяется в зависимости от измеряемой мощности, температуры окружающей среды и нестабильности напряжения источника питания.

Рис. 9-9. Схемы терморезисторных ваттметров

Ваттметр с уравновешенным мостом (рис. 9-9, б) обеспечивает лучшее согласование, и потому его погрешность значительно меньше. Измерение производится в два этапа. Сначала мост приводят в равновесие на постоянном токе изменением сопротивления резистора и замечают значение постоянного тока Через термистор протекает половина питающего мост тока, поэтому мощность, рассеиваемая термистором

Затем подается СВЧ-сигнал, термистор дополнительно нагревается, его сопротивление уменьшается и мост выходит из равновесия. Увеличивая сопротивление т. е. уменьшая постоянный ток через термистор, мост вторично приводят в равновесие, которое наступит при значении постоянного тока Теперь мощность постоянного тока, рассеиваемая на термисторе, согласно формуле

Очевидно, что уменьшение мощности постоянного тока равно приложенной сверхвысохочастотной мощности т. е.

Измерение мощности с помощью ваттметра с уравновешенным мостом является косвенным, так как требует вычислений. Преимущество этого ваттметра перед ваттметром с неуравновешенным мостом состоит в том, что сопротивление терморезистора остается неизменным и согласование не нарушается. Недостатком является необходимость двух операций уравновешивания моста в процессе одного измерения и выполнение вычислений.

Прямопоказывающий ваттметр с уравновешенным мостом, в котором измеряется разность токов не имеет этих недостатков. Подставим в формулу значение После элементарных преобразований получаем

Если поддерживать значения тока и сопротивления постоянными, то значение мощности СВЧ однозначно определяется приращением постоянного тока: . В этом случае шкалу миллиамперметра в цепи питания моста можно градуировать в единицах мощности. Однако градуировка может нарушаться при изменении температуры окружающей среды или замене термистора, когда для первоначальной балансировки моста требуется установка другого значения тока Для обеспечения постоянства градуировки мост питают от двух автономных источников тока — постоянного и переменного низкой частоты. Постоянный ток получают от стабилизированного по току источника и устанавливают несколько меньшим, чем нужно для уравновешивания моста. Точное равновесие получают путем ручной регулировки мощности генератора низкой частоты, переменный ток которого косвенно подогревает термистор. В процессе измерения первоначальное равновесие моста устанавливают и его изменения от внешних влияющих величин устраняют только изменением переменного тока, а начальное значение постоянного тока не меняется.

Рис. 9-10. Структурная схема прямопоказывающего ваттметра с уравновешенным мостом

На рис. 9-10 приведена упрощенная схема прямопоказывающего ваттметра с уравновешенным мостом. Равноплечий мост питается от источника постоянного напряжения через стабилизатор тока Перед измерением мост уравновешивают с помощью переменного тока, получаемого от генератора низкой частоты Затем на вход приемного преобразователя подается измеряемая мощность, мост выходит из равновесия и на диагонали моста 1—2 появляется напряжение. Это напряжение после усилеиия в УПТ подается на базу регулирующего транзистора включенного параллельно второй диагонали моста, и вызывает в транзисторе увеличение тока Так как значение тока измениться не может, то соответственно уменьшается ток через термистор в приемном преобразователе и мост уравновешивается. Приращение тока транзистора (уменьшение тока термистора) фиксируется на шкале миллиамперметра, градуированной в единицах мощности.

Промышленность выпускает ваттметры поглощаемой мощности со сменными приемными преобразователями и мостовыми измерительными узлами с ручной и автоматической установкой состояния равновесия. Эти ваттметры перекрывают весь диапазон частот, используемый в настоящее время; значение измеряемой мощности составляет от единиц микроватт до единиц ватт. Эти пределы легко расширить с помощью внешних аттенюаторов или направленных ответвителей. Класс точности выпускаемых ваттметров связан с КСВ входной цепи приемного преобразователя и в соответствии с соотношения их следующие:

Термоэлектрический метод. Сущность термоэлектрического метода заключается в преобразовании энергии СВЧ в термоЭДС с помощью высокочастотных термопар, включаемых в приемный преобразователь в качестве поглощающей нагрузки. Конструкции термоэлектрических, преобразователей различны, но электрическая схема их может быть представлена рисунком 9-11. Две термопары соединены для СВЧ-тракта параллельно, а для цепи постоянного тока — последовательно. Термопара состоит из двух тонких пленок (висмут—сурьма или хромель—копель), напыленных в вакууме на диэлектрическую подложку. Общее сопротивление двух соединенных параллельно термопар должно равняться волновому сопротивлению линии передачи: Конструктивный конденсатор разделяет цепи СВЧ и постоянного тока. На выходе приемного преобразователя включается непосредственно или через усилитель постоянного тока магнитоэлектрический измеритель Так как шкалу измерителя градуируют в единицах мощности (коэффициент преобразования термопары

Рис. 9-11. Схема термоэлектрического приемного преобразователя

К достоинствам термоэлектрического метода относятся: широкий диапазон частот; малое время измерения; малая зависимость показаний от температуры окружающей среды; широкие пределы измеряемой мощности, которые можно расширить применением внешних аттенюаторов и направленных ответвителей на входе преобразователя и высокочувствительных усилителей постоянного тока на выходе.

Рис. 9-12. Структурная схема тер. моэлектрического ваттметра

Термоэлектрический ваттметр со стрелочным индикатором легко превратить в ваттметр с цифровым отсчетом. Для этого вместо магнитоэлектрического измерителя нужно включить цифровой микровольтметр постоянного тока.

Структурная схема одного из выпускаемых промышленностью ваттметров с термоэлектрическим преобразователем приведена на Набор из нескольких приемных преобразователей обеспечивает измерения в диапазоне частот от до Конструкция преобразователей подобна рассмотренным выше терморезисторным преобразователям (см. рис. 9-8). Возникшую под влиянием мощности через фильтр подают на электронный ключ с помощью которого она преобразуется в переменное напряжение. После усиления переменное напряжение выпрямляется в синхронном детекторе и через усилитель постоянного тока УПТ воздействует на магнитоэлектрический миллиамперметр, шкала которого градуирована в единицах мощности. Электронный ключ и синхронный детектор синхронизируются с помощью вспомогательного генератора . В измерительном узле осуществлена глубокая отрицательная обратная

связь, стабилизирующая коэффициент преобразования ЭДС в ток. Для проверки градуировки шкалы ваттметра в его состав входит калибратор К.