Лекция Электронные осциллографы Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа
 Скачать 1.39 Mb.
|
|
. Структурная схема такого фазометра имеет вид: Рисунок 11.9 Г П – генератор коротких импульсов с частотой следования f Г ; Вр. сел. – временной селектор (электронный ключ, электронный коммутатор); Сч – счетчик импульсов; Тг – триггер; Ар.Ус. – арифметическое устройство; БФ – блок формирования интервала Δ t φ (см. предыдущую схему). Рисунок 11.10 Выразим фазовый сдвиг через показания счетчика: T t N N k T t 360 (11.8) 100 здесь k – коэффициент пропорциональности. Источники погрешности: - погрешность, вносимая БФ; - погрешность дискретизации (квантования) (11.9) Из формул видно, что с ростом частоты исследуемого сигнала f погрешность дискретизации увеличивается и на высоких частотах становится недопустимо большой. 11.4.3. Цифровой фазометр с время-импульсным преобразованием за несколько периодов (с постоянным временем измерения) Рисунок 11.11. Структурная схема цифрового фазометра средних значений ДЧ – делитель частоты в n раз – формирует временной интервал T ИЗМ , в течение которого происходит измерение; ЦОУ – цифровое отсчетное (отображающее) устройство; остальные обозначения соответствуют предыдущей схеме. Работа схемы проиллюстрирована временными диаграммами (рис.11.12): Рисунок 11.12 Количество пачек импульсов на выходе Вр.сел2 m: Т T m ИЗМ (11.10) 101 Количество импульсов в пачке N пач : N пач = Δ t φ f Г Тогда общее количество импульсов, накопленное в счетчике за время измерения T ИЗМ : (11.11) Если коэффициент деления частоты f Г n=360, то 1 импульс счетчика будет соответствовать 1 градусу фазового сдвига и показания счетчика будут равны фазовому сдвигу. Для повышения точности измерения достаточно увеличить коэффициент деления частоты до 3600или 36000 и погрешность индикации уменьшится до 0,1φ или 0,01φ соответственно. Погрешность дискретизации определяется двумя факторами: случайным временным положением интервалов Δ t φ относительно счетных импульсов δ д1 и случайным положением интервала T ИЗМ относительно интервалов Суммарная погрешность дискретизации равна: Источники погрешности: - погрешность дискретизации; - погрешность формирования интервала Δ t φ (БФ). Контрольные вопросы 1. Что такое фазовый сдвиг двух синусоидальных сигналов? 2. Как измерить фазовый сдвиг с помощью осциллографа: - методом линейной развертки; - методом синyсоидальной развертки? 3. Каковы частотные границы и погрешности осциллографических методов измерения фазового сдвига? 4. В чем сущность метода преобразования фазового сдвига во временной интервал? 5. Каков принцип работы цифровых фазометров: - с преобразованием в постоянное напряжение; - с время-импульсным преобразованием за один период; - с время-импульсным преобразованием за несколько периодов? 102 Лекция 12. Измерение мощности электрических сигналов 12.1. Общие положения Измерение мощности электрических сигналов относится к одной из важных проблем систем связи, радиотехники и любых радиоэлектронных средств (РЭС). На практике мощность измеряют в широком частотном диапазоне — от постоянного тока до оптических волн, и в пределах уровней — от 10 -18 до 10 8 Вт. Мощность электромагнитных колебаний. Электрическую мощность определяют работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Мощность в ваттах: 1Вт =1 Дж/с. Измерение мощности в различных частотных диапазонах имеет определенные особенности. Измерители мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой действующей системы учета потребления электрической энергии в быту и народном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограниченное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков мегагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдвиги, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжений и токов теряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. Поскольку поток мощности через любое поперечное сечение ли- нии передачи всегда остается неизменным, то основным параметром, характеризующим режим работы практически любого устройства СВЧ, становится мощность. Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле P = UI cosφ, (12.1) где U, I — средние квадратические значения напряжения и тока; (р - сдвиг фазы между их мгновенными значениями. Если нагрузка R Н в электрической цепи активная (φ = 0), то мощность переменного тока Р= UI = 1 2 R Н = U 2 / R Н . (12.2) Для периодического сигнала произвольной формы электрическую мощность можно оценить с помощью ряда Фурье: Р = U 0 I 0 + U 1 I 1 cosφ 1 + U 2 I 2 cosφ 2 +…+ U n I n cosφ n , (12.3) где U 0, I 0 — постоянные составляющие; U n, I n - средние квадратические значения гармоник напряжения и тока; φ n - фазовый сдвиг между гармониками напряжения U n и тока I n . Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосредственно с помощью специальных приборов — ваттметров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные выше соотношения. Принцип действия ваттметров основан на реализ ации операции перемножения. Для измерения мощности электрических колебаний применяются устройства как прямого, так и косвенного перемножения. Примерами устройств прямого перемножения являются измерительные механизмы ваттметров электродинамической системы. Прямое пере- множение напряжений или токов можно обеспечить с помощью преобразователей Холла (Холл Э.Г., 1855-1938, амер. физик) или специальных схем на полевых транзисторах и т. д. В устройствах косвенного перемножения произведение величин находят путем сложения (вычитания), возведения в степень, логарифмирования, интегрирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные перемножители. Современные ваттметры на частоты 1... 10 103 МГц создают на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей. 12.2. Измерение мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний В диапазоне частот 1...10 кГц при измерениях электрической мощности используют ваттметры электродинамической системы. Как и у всех приборов электродинамической системы, принцип действия ваттметра основан на том, что угол поворота а рамки (со стрелкой) измерительного механизма пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла φ между ними: α = k I 1 I 2 cosφ, (12.4) где k — постоянный для данного прибора коэффициент. Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой Z H к которой приложено среднее квадратическое значение гармонического напряжения U H и через нее протекает ток со средним квадратическим значением I H сдвинутый по фазе на угол φ по отношению к напряжению. Схема включения катушек ваттметра показана на рис. 12.1. Неподвижную катушку, сопротивление которой должно быть мало, включают последовательно с нагрузкой, а цепь рамки, состоящую из обмотки рамки и добавочного резистора R доп , — параллельно нагрузке. Рисунок 12.1 Если R доп >> Z H , то ток в неподвижной катушке I 1 ≈ I H , а в подвижной — I 2 ≈U H /R ДОБ Поэтому угол отклонения стрелки α с учетом формулы (12.4) будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р: α ≈ (k I H U H / R ДОБ ) cosφ ≈ kP (12.5) Ваттметры электродинамической системы можно применять для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока. Для измерения мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний применяют ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях. Интегральный перемножитель реализует передаточную функцию p ВЫХ = k a u 1 u 2 , (12.6) где k a — масштабный коэффициент; u 1 u 2 — напряжения. Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового интегрального перемножителя двух напряжений, в основу работы которого заложен метод перемножения с воспроизведением квадратичной зависимости (рис. 12.2). В этой схеме: + - сумматор; – - вычитающее устройство; Кв — устройство возведения в квадрат; :4 — делитель напряжения на четыре. Фактически выходная величина перемножителя пропорциональна квадрату значения, приложенного к входу. В технике измерения мощностей данную схему называют квадратором. Подвижная катушка U Н U Неподвижная катушка R ДОП I 2 Z Н I 1 =I Н 104 При перемножении двух напряжений выполняют операции: • суммирование — u 1 + u 2 , ; • вычитание — u 1 - u 2 ; • возведение в квадрат — (u 1 + u 2 ) 2 , (u 1 - u 2 ) 2 ; • вычитание квадратов — (u 1 + u 2 ) 2 - (u 1 - u 2 ) 2 = 4 u 1 u 2 ,; • деление напряжения на четыре — 4 u 1 u 2 / 4 = u 1 u 2 ; u 1 u 1 +u 2 (u 1 -u 2 ) 2 + К В - 4 u 1 u 2 :4 u 1 u 2 -- К В и 2 и 1 -и 2 (и 1 -и 2 ) 2 Рисунок 12.2. Упрощенная структурная схема аналогового перемножителя При использовании перемножителя сигналов в схеме ваттметр на выходе последнего следует включать низкочастотный фильтр. Если входные перемножаемые напряжения u 1 = U m cosωt и u 2 = I m R cos (ωt – φ), где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе перемножителя: Р вых = k a U m I m R (cosωt) [cos(ωt- φ)]. Приняв коэффициент k a = 1, R = 1 Ом и учитывая формулу произведения косинусов, получим Р вых = 0,5U m I m cos φ + 0,5U m I m cos (2ωt- φ). Выделенная фильтром постоянная составляющая пропорциональна измеряемой мощности Р 0 = 0.5U m I m cos φ = UI cos φ (12.7) где U, I— средние квадратические значения напряжения и тока. В перемножителях применяют идентичные, со стабильными параметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные вольтамперные характеристики. Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты. По уровню измеряемой электрической мощности все измерители мощности делятся на ваттметры малой (до 10 мВт), средней (10 мВт... 10 Вт) и большой мощностей (свыше 10 Вт). 12.3. Измерение мощности СВЧ-колебаний Методы измерения мощности СВЧ-колебаний (часто проще, СВЧ-мощности, мощности СВЧ) существенно отличаются от рассмотренных выше. Фактически все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Косвенные методы, изложенные ранее, не находят применения, поскольку значения токов и напряжений могут быть различны в разных сечениях линии передач (так называемые стоячие волны) и подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне используют методы преобразования энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. 105 В телекоммуникационных системах используют два основных метода измерения мощности СВЧ-колебаний. Средства измерения мощности СВЧ подразделяют на измерители (ваттметры) поглощаемой и проходящей мощностей. Ваттметры поглощаемой мощности включают в СВЧ-тракт вместо фактических нагрузок. Поэтому с их помощью нельзя измерять мощность в реальных условиях работы систем, так как полное сопротивление ваттметра в общем случае всегда отличается от полного сопротивления нагрузки, вследствие чего возникает так называемая погрешность рассогласования. Однако в связи с большой простотой схемных решений и методик измерения ваттметры поглощаемой мощности получили более широкое распространение. Ваттметры проходящей мощности позволяют измерять мощность, проходящую к нагрузке, в реальных условиях эксплуатации систем. В этом заключается их несомненное преимущество. Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами поглощающего типа. Согласно общепринятому определению, под мощностью генератора электрических колебаний понимают мощность, отдаваемую им в согласованную нагрузку (рис. 8.3, а). В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. а б Рисунок 12.3.Способы измерения мощности ваттметром: а — поглощающего типа; б — проходящей мощности Такие измерители мощности называют ваттметрами поглощающего типа. Поскольку нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенной нагрузке. Результат измерения наиболее точен, если входное сопротивление измерителя полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора, а выходное — с волновым сопротивлением линии передачи ρ. Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности. При этом полное сопротивление нагрузки может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включают специальное устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса ее передачи (рис. 12.3, б). 12.3.1. Измерение мощности СВЧ – колебаний ваттметрами поглощающего типа Измерение мощности СВЧ-колебаний резистивными термочувствительными элементами. Наиболее распространенным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод изме рения сопротивления резистивного термочувствительного элемента (терморезистора) при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов используют болометры, сопротивление которых растет с повышением температуры (положительный температурный коэффициент сопротивления), и термисторы, чье сопротивление с ростом температуры падает. Основные преимущества термисторов перед болометрами — более высокая чувствительность и, большая устойчивость к перегрузкам. Для удобства монтажа в тракта передачи мощности и обеспечения требуемого Генератор Нагрузка Измеритель поглощаемой мощности Нагрузка – измеритель поглощаемой мощности Генератор 106 режима измерении мощности терморезисторы монтируются в специальные конструктивные элементы (коаксиальные и волноводные вставки). Термистором называют терморезистор, изготовленный из специального полупроводникового материала, обладающего большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Применяют два типа термисторов: стержневой и бусинковый. Стержневые термисторы обладают более высокой электрической прочностью. Термисторы бусинкового типа при прочих равных условиях имеют меньшую поверхность охлаждения и поэтому характеризуются большей чувствительностью (10... 100 Ом/мВт). Для получения высокой чувствительности рабочую точку термистора выбирают на участке с максимальной крутизной характеристики. Болометр — проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой, помещенный в стеклянный (вакуумный или наполненный инертным газом) баллон. Для увеличения чувствительности нить выполняют из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные характеристики, не зависящие от температуры окружающей среды. Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение сопротивления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии обычно измеряют с помощью мостовых схем. Ис- пользуют два метода измерения сопротивления термистора: с помощью неуравновешенного и уравновешенного мостов. Неуравновешенные мосты применяют для построения измерителей мощности по типу приборов прямого действия, уравновешенные — в ваттметрах, основанных на методе сравнения. Схема неуравновешенного моста с терморезисторомпредставлена на рис. 12.4. Исходное уравновешивание моста (т. е. при отсутствии на его входе измеряемой мощности СВЧ- колебаний) обеспечивается схемой температурной компенсации, состоящей из потенциометра К плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выходных колебаний 50...100 кГц. При равновесии моста ток в измерительной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Измеряемая мощность СВЧ Р ВХ попадает на термистор R 1 , в ре- зультате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах электрической мощности, используя калиброванный источник постоянного тока Е ПИТ . Индуктивность L препятствует протеканию переменного тока генератора в цепь моста постоянного тока. Рисунок 12.4.Схема неуравновешенного моста с терморезистором К преимуществу измерителя электрической мощности, построенного на основе неуравновешенного моста с терморезистором, относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку — сравнительно малая точность измерений. Последнее объясняется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности СВЧ- колебаний изменение сопротивления терморезистора влечет за собой нарушение согласования сопротивлений термисторной камеры и линии передачи электромагнитных колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от нагрузки, а значит, неполное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Во-вторых, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается 107 установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности СВЧ-колебаний. Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ-колебаний сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Одна из таких схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлена на рис. 12.5. Рисунок 12.5.Схема уравновешенного моста с терморезистором Терморезистор R t , находящийся в измерительной головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R 1 , R 2 , R 3 , равные по значению условному сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания Е на уравновешенный мост подают через резистор R 4, , сопротивление которого велико, и поэтому через него протекает достаточно малый ток питания I 0 . Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R 5 , R 6 . Резистор R 6 представляет собой реостат, с движком которого связана измерительная шкала (для упрощения на рис. 8.5 не показана); через этот резистор протекает ток I ш , отсчитываемый по шкале. От сопротивления резистора R 6 зависит ток 1 Rt , протекающий через терморезистор. Поскольку ток питания моста I М = I 0 - I ш , то при уравнове- шенном мосте ток терморезистора I Rt = 0,5I М. До подачи мощности СВЧ-колебаний мост балансируют двумя источниками питания: напряжениями постоянного тока Е и переменного тока генератора Г. При этом положение движка реостата R 6 устанавливают так, чтобы его сопротивление было максимальным, если используют термистор, или минимальным, если используют болометр. При подаче мощности СВЧ-колебания баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста с помощью сопротивления R 6 и источника питания Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т. е. уменьшать сопротивление реостата R 6 , а для болометров — наоборот. Обычно шкалу движка реостата R 6 градуируют в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора позволяет исключить влияние температуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене. Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую абсолютную погрешность порядка 4... 10 %. Измерение мощности СВЧ-колебаний с помощью термопар. Этот метод измерения мощности СВЧ-колебаний основан на регистрации значения термо-ЭДС, возникающей при нагревании термопары СВЧ-энергией. Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобразователя и измерительной части. Основным элементом термопреобразователя является блок высокочастотных дифференциальных термопар, одновременно выполняющих функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне применяются термопары в виде тонких металлических пленок, напыленных на специальную диэлектрическую подложку. Измерительная часть такого прибора содержит вольтметр постоянного тока с цифровым дисплеем. К преимуществам ваттметров с термопарами следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и короткое время подготовки прибора к работе. Недостатки ваттметров — ограниченный верхний уровень 108 динамического диапазона измерения и слабая устойчивость к перегрузкам, ограничивающая допустимое значение средней мощности при измерении импульсных сигналов. Практически стандартные термисторы способны выдерживать без физического разрушения уровни мощности, не превышающие 75... 100 мВт. Уровень измеряемой мощности можно несколько увеличить, если перед термисторной камерой поместить калиброванный аттенюатор. Аттенюатор — СВЧ-устройство, у которого выходная мощность Р вых в заданное число раз меньше входной мощности Р вх . Результат измерения СВЧ-мощности равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора: k осл = Р вх / Р вых . Ат- тенюаторы различают по принципу действия (поглощающие, предельные) и конструкции (волноводные, коаксиальные, полосковые). Они бывают с фиксированным или изменяемым (в том числе и нецелочисленным) коэффициентом ослабления (затухания). Аттенюаторы СВЧ- диапазона существенно отличаются от аттенюаторов, упоминавшихся выше при описании схем вольтметров и универсальных осциллографов (они работают на частотах ниже СВЧ- диапазона), которые выполняются на элементах с сосредоточенными параметрами. Волноводный поглощающий аттенюатор состоит из отрезка металлического волновода, внутри которого помещен слой специального вещества, эффективно поглощающего СВЧ- энергию. Коэффициент ослабления (поглощения) энергии определяют свойства вещества, а также размеры и расположение поглощающего слоя относительно электрической составляющей электромагнитного поля волновода. В предельных аттенюаторах используют явление экспоненциального затухания электромагнитного поля вдоль волновода, поперечные размеры которого для рабочей длины волны должны быть выбраны меньше критических. Аттенюаторы с плавным изменением коэффициента затухания и шкалой, проградуированной в децибелах, чаще всего применяются в приборах, в которых результат измерения фиксируется в относительных единицах. Калориметрический измеритель мощности СВ Ч-колебаний. Калориметрический метод измерения мощности является наиболее универсальным и его используют во всем радио- техническом диапазоне частот как для малых, так и для больших мощностей. Он отличается от других методов повышенной точностью измерения. Калориметрический метод основан на преобразовании энергии электромагнитных колебаний, поглощаемых согласованной нагрузкой, в тепловую. Поглощение энергии поглотителем, являющимся основным элементом прибора, можно зарегистрировать либо непосредственно по изменению его температуры, либо косвенно как изменение объема, давления или других характеристик. Калориметрические измерители состоят из двух частей: поглощающей нагрузки и измерителя температуры. Наиболее распространены нагрузки с проточной водой. Для определения величины уровня мощности используют формулу P ≈ 4.17 cGd∆T, (12.8) где для калориметрической воды ваттметра: с — удельная теплоемкость, кал/(г · град); G — расход, см 3 /с; d — удельная масса, г/см 2 ; ∆T — разность температур на входе и выходе калориметра, град. Структура водяной поглощающей калориметрической нагрузки показана на рис. 12.6. Внутри отрезка волновода 1 закреплен стеклянный конус 2, через который протекает вода. В основание конуса впаяны две трубки 3 и 4. Вода входит в трубку 4, а вытекает через трубку 3. Нагрузку соединяют с источником измеряемой мощности соединительным фланцем 5. Заполненный водой конус представляет собой нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряют тер мопарами, включенными на входе и выходе воды в нагрузку. Термо- пары включены встречно, так что индикаторный прибор фиксирует разность температур. 109 Погрешности образцовых калориметров составляют около 1%, а промышленные калориметры обеспечивают погрешность 2,5... 5%. Рисунок 12.6. Структура водяной поглощающей нагрузки калориметрического ваттметра 12.3.2. Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности Под проходящей мощностью Р пр понимают разность мощностей падающей Р пад и отраженной Р отр электромагнитных волн: Р пр = Р пад + Р отр. (12.9) Измерение мощности с помощью направленных ответвителей. Проходящую мощность можно измерить с помощью направленных ответвителей. Направленным ответвителем называется СВЧ-устройство из двух отрезков волноводов, в котором часть энергии электромагнитной волны, распространяющейся в основном волноводе, посредством элементов связи ответвляется во вспомогательный волновод и передается в требуемый канал. Наряду с направленными ответвителями в ваттметрах применяются приборы, действие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители мощности на преобразователях Холла, ваттметры с поглощающей стенкой и др. В последние годы для измерения мощности СВЧ-колебаний начали использовать эффект так называемых горячих носителей тока в полупроводниках. В волноводных измерителях мощности падающие и отраженные волны СВЧ-энергии разделяют волноводным направленным ответвителем, структурная схема которого показана на рис. 12.7. Конструкция, классического волноводного направленного ответвителя состоит из двух волноводных линий: главной А и вспомогательной В, имеющих общую стенку. По главной волноводной линии распространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная от нагрузки к генератору. Вспомогательная волноводная линия работает в режиме согласования с обеих сторон. Рисунок 12.7. Структурная схема волноводного направленного ответвителя: А — главная; В — вспомогательная Между главной и вспомогательной волноводов линиями в общей стенке проделаны отверстия. Расстояние между отверстиями с - d равно четверти длины волны, 110 распространяющейся в главной линии. Через отверстия c и d падающая и отраженная волны проникают во вспомогательную линию, однако фазовые сдвиги этих волн таковы, что около отверстия d падающие волны складываются — точка 1, а отраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2. Около отверстия с, наоборот, складываются отраженные волны — точка 3 и взаимно компенсируются падающие волны — точка 4. В результате падающая волна поступает на ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5. Таким образом измеряют мощность падающей волны. Измерение мощности отраженной волны, необходимое для определения проходящей мощности, можно осуществить тем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180 °. Достоинствами ваттметров, построенных на основе волноводных направленных ответвителей, являются достаточно широкие пределы измеряемой мощности (10 -4 ...10 5 Вт); возможность раздельного измерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон рабочих частот составляет 0,03...40 ГГц, пределы допускаемых погрешностей — 2,5... 10 %. Измерение мощности ваттметрами с преобразователями Холла. Прямое перемножение сигналов при измерении мощности также можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей Холла (рис. 12.8). а б Рисунок 12.8. Преобразователи Холла: а — возникновение эффекта в электромагнитном поле; б — принцип измерения мощности в волноводе Если специальную полупроводниковую пластину, по которой протекает ток I (показан штриховой линией на рис. 12.8, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Я (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла): U X = kEH, (12.10) где k — коэффициент пропорциональности. Согласно общеизвестной в физике теоремы Умова — Пойнтинга (Н.А. Умов, 1846-1915, русск. физик; Дж. Пойнтинг, 1852-1914, англ, физик), плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в нет которой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П = [Е * H]. Этот вектор является вектором плотности потока электрической мощности — вектором Пойнтинга, указывающим направление распространении электромагнитных волн. Из приведенных рассуждений следует, что если ток I будет функции ей электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощности: U X = gР, где g — постоянный коэффициент, характеризующий образец (частоту, проводимость и пр.) Для измерения такой мощности пла- стину полупроводника — пластинку Холла (ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 12.8, б. 111 Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами: • может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной; • высокое быстродействие ваттметра позволяет применять его при измерении импульсной мощности. Однако практическая реализация ваттметров, построенных на эффекте Холла, — достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее разработаны такие ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %. Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока. Из курса физики известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заряда (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление называют разогревом носителей зарядов. При неоднородном «разогреве» полупроводниковой пластины возникнет поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». При этом оказывается, что ток в замкнутой цепи практически равен нулю, что свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей движению потока носителей зарядов. Значение возникшей ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины. Для усиления описанного эффекта, неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, кон- центрация носителей в котором пространственно неоднородна. Если «разогрев» осуществляют энергией СВЧ-поля, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульсную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс. Основные узлы ваттметра на эффекте «горячих» носителей тока — приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифровым отсчетом. Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) ваттметра основано на использовании давления электромагнитных волн. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Пондеромоторные ваттметры обладают высокой точностью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. К их недостаткам можно отнести необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности. |