ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПРИБОРЫ

4.1. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

4.1.1. Принципы и методы измерений

Методы и аппаратура, используемые в области измерений, изменяются в соответствии с природой и величиной исследуемого параметра [17, 63, 126, 151, 193, 308, 310, 333, 351, 352, 364, 365, 371]. Важно, чтобы прибор был не только точным, но и мог бы работать в широкой полосе частот. Методы измерения мощности можно классифицировать как методы, основанные на генерировании, поглощении и контроле мощности. Вторая группа методов позволяет измерять мощность непосредственно, в то время как при третьей группе необходимо знать затухание (ослабление). Измерение мощности может быть относительным; в этом случае необходима калибровка приборов по известным стандартам, или абсолютным когда результаты измерения могут быть непосредственно выражены в принятых единицах [382].

Так как на сверхвысоких частотах мощность часто модулируется импульсами, то должны применяться методы, позволяющие измерять как пиковую, так и среднюю мощность. Если обозначить их соответственно через то

Шкалу мощностей можно разбить на малые мощности — менее средние — от до и большие — свыше Для измерения мощности менее 1 мквт обычно применяется распространенный метод генерирования; это измерение связано с техникой радиоприема, рассмотренной в гл. 16 т. II.

Иногда мощность измеряют [389] путем определения связанных с ней величин тока и напряжения [390]. Коллард [66] описал

электроскоп с золотыми листочками, пригодный для измерения мощности в диапазоне сверхвысоких частот. В этом электроскопе узенькая полоска золота вводилась в щель, прорезанную в стенке линии передачи. Электроскоп можно было отградуировать на низких частотах, чтобы он показывал среднее квадратичное значение напряжения. Отклонение листочка наблюдалось с помощью микроскопа. При использовании резонансных методов на частотах могла быть измерена мощность соответственно 50 и 500 мквт. В варианте этого метода [190] используется тонкая диафрагма, которая резонирует под действием колебаний, модулированных звуковой частотой. Силы, действующие на диафрагму, обусловлены электрическим и магнитным полями, которые, однако, противоположны по направлению.

Рис. 4. 1, Измерение напряжения электронно-лучевым методом: а — расположение применяемых волноводов; б — энергия электрона в зависимости от угла пролета. (См. [265].)

Амплитуда колебаний могла быть измерена благодаря тому обстоятельству, что диафрагма являлась частью конденсаторного микрофона.

Электронно-лучевые методы применяются на практике [134, 144] для измерения средних и больших мощностей. Метод Томаса [265] состоит в ускорении электронного пучка, проходящего поперек вакуумной секции линии передачи; измерительное устройство для волноводов показано на рис. 4.1, а. Если максимум электрического поля в волноводе, фаза, с которой входит электрон, то окончательная энергия будет определяться выражением

где число полупериодов при пролете.

Это соотношение изображено графически на рис. причем время пролета практически выбирается таким, чтобы получить максимальное взаимодействие. Энергия, приобретаемая электронами, измеряется с помощью отрицательного постоянного напряжения смещения, величину которого можно связать с полем. Затем из вектора Пойнтинга вычисляется мощность с учетом различных возмущающих явлений.

Для указания наличия и относительной величины мощности применяются детекторы [245]; типичным примером служит выпрямительный диод. Полупроводниковый диод имеет чувствительность и способен обнаруживать мощность с шириной полосы 100 гц; время отклика составляет 0,5 мксек, а дрейф около Для получения квадратичной характеристики отклика с точностью до 2% входная мощность не должна превышать 1 мквт. Вакуумные диоды стабильны и прочны и применяются в широком диапазоне мощностей. Хороший к. п. д. детектирования получается [127] в диапазоне от до в таких условиях напряжение на выходе детектора достаточно велико и может быть обнаружено на обычном быстродействующем осциллографе без предварительного усиления. С этими диодами можно непосредственно измерять импульсную мощность на сверхвысоких частотах. Диоды в коаксиальной линии работают в диапазоне частот

Рис. 4.2. Измеритель мощности контрольного типа с проволочным сопротивлением. Рабочая частота волновод сечением .

В другом приборе для измерения больших мощностей применяют неоновую лампу тлеющего разряда, слабо связанную с линией передачи. Высота столба тлеющего разряда, или величина тока ионизации, позволяет грубо определять величину мощности.

Следующий измеритель мощности контрольного типа, показанный на рис. 4.2, состоит в основном из двух сопротивлений в виде очень тонких проволочек (диаметром натянутых между широкими стенками волновода. Доля поглощаемой мощности может изменяться выбором положения проволочек в поперечном сечении волновода. Расстояние между осями проволочек равно Один из образцов измерителя на частоте указывал среднюю мощность в пределах от до Такие приборы широкополосны, и их показания в импульсных системах не зависят от формы импульса и частоты повторения. Если нагрузка несогласована, то можно показать, что истинная мощность будет пропорциональна указываемой с коэффициентом пропорциональности

Удобными средствами обнаружения мощности служат термопары, которые питаются от небольшой петли, вводимой в линию передачи [48]. Видоизмененное устройство состоит из двух проволочек,

разнесенных аксиально на и натянутых между узкими стенками волновода. Термопары расположены в центре; в них вводятся потерн за счет нанесения на поверхность небольшого количества аквадага. Большая чувствительность получается при использовании нескольких термопар; в устройстве, работающем на частоте показанном на рис. 4.3, термопары введены только через одну узкую стенку волновода. Чувствительные элементы состоят из пар, содержащих медь со сплавом «Эврика», вмонтированных в стеклянные капсулы с малыми потерями, причем сами пары погружены в смесь аралдита с графитовым порошком. Такие элементы легко устанавливать, и они обладают воспроизводимыми и устойчивыми характеристиками.

Рис. 4.3. Контрольный измеритель мощности с термопарами. Частота волновод сеченнем Среднее значение входной мощности равно Вносимые потери менее 0,4 дб (ваттметр типа 7325); а — вид сбоку со снятой крышкой; б - разрез в среднем [поперечном сечении.

Характеристики узлов сверхвысоких частот на больших уровнях мощности можно имитировать, работая при пониженном давлении или устанавливая большую стоячую волну с регулируемой фазой. Рассогласования нагрузки генератора можно избежать, пользуясь имитирующим устройством [128], состоящим, например, из резонансного кольца (резонатора бегущей волны), питаемого через направленный ответвитель [344]. Могут быть использованы также гибридные кольца [290]: действующая мощность для одного кольца будет в два раза больше номинальной, для N колец множитель будет С такими имитаторами узел подвергается воздействию бегущей волны, так что условия проверки близко соответствуют реальным условиям работы [395].

Мощность гармоник довольно трудно измерить, так как в ниях передачи она может переноситься различными видами колебаний, причем эти виды колебаний при наличии неоднородностей или выводов могут переходить один в другой [396]. Один из методов [306, 307] основан на использовании скользящего электрического зонда, который вводится через широкую стенку волновода, и для анализа электрического поля в волноводе положение зонда изменяется как в продольном, так и в поперечном направлениях.

В таком устройстве трудно избежать электрического пробоя, и для предотвращения дуги всякий раз, когда зонд переводится в новое положение, источник мощности необходимо отключать. В другом методе [305] непосредственное измерение мощности высших видов колебаний оказывается возможным благодаря применению набора калиброванных ответвителей, которые чувствительны к определенным видам колебаний. Диагностика электрических полей может также производиться с помощью [208] ряда небольших калиброванных зондов, укрепленных на узкой и широкой стенках волновода. Использование автоматического вычислительного устройства, запрограммированного для выполнения необходимых математических операций, позволяет получить нужные результаты через полчаса.