5-3. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОХОДЯЩЕЙ МОЩНОСТИ

По определению, проходящую мощность можно выразить следующей формулой:

где мощность падающей и отраженной волн соответственно, а коэффициент отражения от нагрузки.

Ваттметр проходящей мощности включают в линию передачи между генератором и нагрузкой; его включение не должно вызывать искажений структуры электромагнитного поля в линии или его ослабления. Несоблюдение этих требований приводит не только к значительной погрешности измерения, но и к нарушению режима работы нагрузки.

Для измерения проходящей мощности применяют методы ответвления, поглощающей стенки волновода, зондовый, попдеромоторный и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике. Порядок перечисления соответствует степени распространенности методов.

Рис. 9-13. Структурная схема измерения проходящей мощности методом ответвления

Метод ответвления реализуется с помощью любых ваттметров поглощаемой мощности в совокупности с направленными ответвителями. Последние подробно изучаются в технической электродинамике. Здесь уместно напомнить, что они характеризуются переходным ослаблением (РП/АР") и коэффициентом направленности где значение падающей мощности в основном тракте; значения ответвленной мощности падающей и отраженной волн в измерительном тракте. Коэффициент обычно составляет

Одна из возможных схем реализации этого метода приведена на рис. 9-13. Направленные ответвители с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последовательно в линию передачи. Ответвленные мощности падающей и отраженной волн измеряются поглощающими ваттметрами Результат измерения каждым ваттметром подается на вычитающее устройство на выходе которого включен магнитоэлектрический измеритель, градуированный в единицах мощности. Его показания, в соответствии с формулой пропорциональны проходящей мощности.

Метод поглощающей стенки реализуется в конструкции, состоящей из отрезка волновода, часть боковой стенки которого заменена поглощающей платиновой пленкой. При прохождении по волноводу энергии СВЧ-пленка нагревается, ее сопротивление изменяется. Измерительный узел, выполняемый обычно по мостовой схеме, позволяет измерить проходящую мощность СВЧ, замещая ее мощностью постоянного

тока. Метод позволяет измерять малые, средние и большие мощности на участках рабочих диапазонов частот волноводов. Метод прост и надежен. Большим недостатком метода является инерционность и значительная погрешность измерения. Для уменьшения погрешности применяют предварительную калибровку на постоянном токе.

Зондовый метод основан на измерении напряженности электромагнитного поля (обычно его электрической составляющей) в нескольких точках линии передачи и определении проходящей мощности по известным соотношениям. Напряженность поля измеряется зондами, представляющими собой миниатюрные преобразователи с элементами связи. Зонды характеризуются коэффициентом преобразования и амплитудной характеристикой. В большинстве случаев применяют зонды в виде металлических или полупроводниковых термопар, которые погружаются в полость волновода на 0,1-0,2 мм в определенном порядке. Число зондов колеблется от двух до восьми. Мощность СВЧ вызывает нагрев термопар, и на их выходных (холодных) концах появляется термоЭДС, пропорциональная проходящей мощности. Метод прост, позволяет измерять средние и большие мощности; индикация возможна простым стрелочным прибором. К недостаткам следует отнести значительную погрешность (больше 10 %), зависимость показаний от точности согласования, узкополосносгь и необходимость калибровки на рабочих уровнях мощности.

Пондеромоторный метод обеспечивает высокую точность (погрешность меньше 1 %), однако ваттметры малонадежны, неудобны в работе. Метод используется преимущественно в метрологических исследованиях.

Метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике, пока не нашел применения в серийно выпускаемых приборах в силу малой чувствительности, большой зависимости от температуры окружающей среды и малой точности [9].