второй способ, электромагнитная волна оказывает давление на помещённый в волновод чувствительный элемент, который поворачивается вокруг оси подвеса на некоторый угол, пропор- циональный мощности СВЧ. Такие ваттметры называются иногда кру- тильными. Они позволяют измерить уровень мощности 0,1…1 Вт.
Достоинствами пондеромоторных ваттметров являются возмож- ность их использования вплоть до миллиметрового диапазона волн, высо- кие перегрузочные характеристики и точность измерений мощности. Так, если ваттметр согласован с трактом (КСВ не более 1,05), то погрешность измерений не превышает ±1,5 %.
Среди недостатков пондеромоторных ваттметров надо отметить за- висимость их показаний от степени согласования нагрузки и чув- ствительность к вибрациям и, следовательно, недостаточную надёжность.
Раздел 2. Измерительная техника
472
Такие ваттметры узкополосны и для повышения точности измерений не- обходимы графики частотных поправок, из-за чего ограничивается их об- ласть применения.
Пондеромоторные ваттметры могут использоваться в качестве встро- енных приборов.
14.11.4. Метод направленных ответвителей
Для измерения проходящей мощности могут быть использованы ваттметры поглощаемой мощности, включаемые в боковые плечи направ- ленных ответвителей. Один из них ориентирован на падающую мощность, а второй – на отражённую.
Наиболее распространённая на практике схема измерения проходя- щей мощности, состоящая из направленного ответвителя и ваттметра ма- лой мощности поглощающего типа, приведена на рис. 14.11.
Значение проходящей мощности
2 2
н пр пад отр пад н
в
2
в н
1 1
1
Г
Р
Р
Р
Р
Г
К
Р
Г Г
,
(14.21) где K – коэффициент передачи направленного ответвителя;
Г
в
, (Г
н
) – коэффициент отражения ваттметра (нагрузки);
Р
в
– показания ваттметра.
Обычно коэффициент передачи K составляет 15…30 дБ (30…1 000 раз).
Применение однонаправленного ответвителя (рис. 14.11) целесооб- разно при нагрузках с небольшим коэффициентом отражения и невысоких требованиях к точности измерения мощности. При нагрузке с коэффици- ентом отражения 0,1 (КСВ равен 1,2) разница между падающей и прохо- дящей мощностью не превышает 1 % и расчет можно вести по приближен- ной формуле
Р
пр
= Р
пад
= K Р
в
(14.22)
Рис. 14.11. Схема измерения проходящей мощности с одним направленным осветителем
2 1
Z
н
К нагрузке
Р
свч
Ваттметр
Глава 14. Измерение мощности
473
Рис. 14.12. Схема измерения проходящей мощности с двумя направленными осветителями
Для уменьшения погрешности измерения проходящей мощности при больших коэффициентах отражения генератора и нагрузки в измеритель- ный тракт включают два идентичных направленных ответвителя:
один ориентирован таким образом, чтобы ответвлять падающую волну, другой – отраженную (рис. 14.12). Вторые выходы направленных ответвителей на- гружают на согласованную нагрузку.
Значение проходящей мощности, которую развивает генератор на реальной нагрузке,
Рпр
=
K1
Рпад
–
K2
Ротр
(
Рпад
–
Ротр
)
K,
(14.23) где
K1
,
K2
– коэффициенты передачи направленных ответвителей.
Обычно
K1
K2
=
K.
Суммарная погрешность метода
2 2
2
к рас
0
(14.24) определяется следующими составляющими:
погрешностью определения переходных ослаблений направлен- ных ответвителей и их зависимостью от частоты (
к
);
погрешностью рассогласования (
рас
);
погрешностью ваттметра поглощаемой мощности (
0
).
Достоинства метода: возможность применения ваттметров погло- щаемой мощности малого уровня для измерения больших уровней прохо- дящей мощности и хорошее согласование с трактом за счёт применения ответвителей с высокой направленностью (в том числе настраиваемых от- ветвителей).
Недостатки метода: необходимость введения частотной зависимо- сти
K в виде графиков или таблиц, увеличение массы и габаритных разме- ров ваттметров за счёт направленных ответвителей.
К нагрузке
Рсвч
Ваттметр
1
Устройство вычитания
Ваттметр
2
Zн
Zн
Раздел 2. Измерительная техника
474 14.12. Измерение весьма малой мощности. Радиометры
В радиотехнической практике иногда возникает необходимость из- мерения таких малых значений мощности СВЧ, на которые не рассчитаны рассмотренные выше методы и ваттметры, например мощности собствен- ного шума высокочувствительных радиоприемников и антенно-фидерных устройств систем космической связи или шумов внеземного происхожде- ния, являющихся основной информацией в радиоастрономии. Если изме- ряемая мощность больше 10
–12
Вт, то измерение выполняют с помощью выпускаемых для этой цели измерителей помех или измерительных при- емников с соответствующими диапазоном частот и чувствительностью.
Если уровень измеряемой мощности ниже уровня собственных шумов из- мерительного устройства, то применяют модуляционный метод измерения в сочетании с методами сравнения и накопления.
Рис. 14.13. Структурная схема метода измерения малой мощности
Шумовой сигнал модулируется синусоидальным напряжением низ- кой частоты с помощью модулятора М и модуляционного генератора МГ
(рис. 14.13) и поступает на широкополосный супергетеродинный СВЧ- приёмник. Напряжение промежуточной частоты после детектирования с помощью квадратичного детектора Д преобразуется в сигнал низкой час- тоты, значение которого пропорционально мощности входного сигнала.
Этот сигнал проходит через узкополосный усилитель низкой частоты
УУНЧ, настроенный на частоту модулирующего напряжения, и затем на синхронный детектор СДДУ. С выхода последнего постоянное напряжение поступает на
фильтр нижних частот Ф с постоянной времени, достига- ющей десятков секунд, и регистрируется выходным магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в единицах мощности и
kT. P Преобра- зователь-
ПФ
ДМ
УУНЧ
СДДУ
ГНЧ
МГ
ГШК
Ф
Pш
μ
W kT
Глава 14. Измерение мощности
475
Выигрыш в чувствительности оценивают по формуле
2
Q
f
, где 2∆f – полоса пропускания приёмника до детектора;
τ – постоянная времени фильтра нижних частот.
Например, при 2∆f = 8 МГц и τ = 60 с Q = 22 000, т. е. выигрыш в чувствительности превышает четыре порядка. Такие высокочувствитель- ные измерители мощности называют
радиометрами. Для определения аб- солютного значения измеренной мощности радиометр необходимо перед каждым измерением тщательно калибровать, для чего предусмотрен ка- либровочный генератор шумовых сигналов ГШК. Чувствительность ра- диометров составляет 10
–15
Вт (0,1 kT
0
), погрешность ±0,5 дБ, число еди- ничных измерений должно быть не менее 10.
По способу измерения сигнала радиометры делятся на компенсаци- онные, модуляционные и корреляционные.
Радиометр компенсационного типа – это чувствительный прием- ник с узкополосным ФНЧ, установленным между детектором и измери- тельным прибором постоянного тока (рис. 14.14). Все узлы радиометра, включая детектор, такие же, как и у обычного супергетеродинного при-
ёмника. Работа прибора сводится к измерению мощности шума, посту- пающего от контролируемого генератора шума через калиброванный ат- тенюатор, который включается в случае высокого уровня измеряемого шума.
Рис. 14.14. Cтруктурная cхема компенсационного радиометра
S
Смеситель
1
Генератор шума
УПЧ
Преобразователь
ФНЧ
Детектор
Прибор измерительный
Гетеродин
Компенсатор
Раздел 2. Измерительная техника
476
При измерении собственного шума радиометра в отсутствие контро- лируемого входного сигнала входные зажимы приёмника закорачиваются и фиксируется показание измерительного прибора. Затем измеряется сам шумовой сигнал по приращению постоянной составляющей, контролируе- мому измерительным прибором. Для увеличения чувствительности радио-
метра постоянную составляющую тока детектора, возникающую за счёт собственных шумов приёмника, компенсируют с помощью источника ста- бильного постоянного напряжения прибора. Однако компенсация собст- венных шумов приёмника не может быть обеспечена в течение продолжи- тельного времени, что и проявляется в виде хаотических колебаний стрел- ки измерительного прибора.
Значительно большее распространение получили
модуляционные радиометры.
В модуляционном радиометре (рис. 14.15) на вход приёмника пооче- рёдно подключаются шумовые сигналы от контролируемого генератора и эталонной меры шума. Переключение этих сигналов осуществляется с частотой модуляции. Модулированные шумовые сигналы усиливаются и поступают на амплитудный детектор. Сигнал на выходе амплитудного детектора имеет спектр, симметричный относительно частоты
f0
. Из этого спектра с помощью фазового детектора выделяется составляющая основ- ной частоты модуляции.
Рис. 14.15. Cтруктурная cхема модуляционного радиометра
Детектор амплитудный
Переключатель ферритовый
УПЧ
Преобразова- тель частоты
Модулятор
Аттенюатор калиброванный
Детектор фазовый
Генератор шума
«Эталон» шума
УЗЧ
Гетеродин
ФНЧ
Прибор измери- тельный
Глава 14. Измерение мощности
477
По способу отсчёта выходного уровня шумового сигнала модуляци- онные радиометры подразделяются
на приборы с непосредственным и нулевым отсчётами. У первой группы приборов отсчёт результата из- мерений производится по измерительному прибору, показания которого пропорциональны амплитуде модулирующего напряжения, которая, в свою очередь, пропорциональна разности уровней шумов генератора и эталонной меры. У второй группы приборов с помощью регулировки уровня шума эталонной меры показания индикатора радиометра устанавливают равными нулю. Отсчёт при этом производится по эталонной мере шума.
Часто в измерительных приёмниках также предусматривается воз- можность работы в режиме модуляционного радиометра. Это не только расширяет область его применения, но и заметно увеличивает чувстви- тельность. Например, у приёмника П5-13 в этом режиме она достигает
3…10
–13
Вт.
Данная глава посвящена измерению мощности. Мощность является энергетическим параметром, удобным для описания сигналов на СВЧ.
Мощность немодулированных колебаний характеризуют ее средним зна- чением за период колебаний. Колебания с импульсной модуляцией описы- вают
средней за время действия импульса мощностью, называемой им- пульсной. Пиковую мощность определяют как среднее за период колеба- ний значение мощности в максимуме огибающей радиоимпульса.
Различают поглощаемую мощность, рассеиваемую в согласованной нагрузке, и мощность, проходящую через данное сечение линии передачи.
Мощности делят на малые (до 10 мВт), средние (от 10 мВт до 10 Вт) и большие (более 10 Вт).
Погрешность измерений поглощаемой мощности зависит от коэффи- циентов отражения от нагрузки и генератора. При известных модулях ко- эффициентов отражения можно оценить предельные значения погрешности.
Наиболее распространены тепловые методы измерений мощности, основанные на нагревании энергией СВЧ рабочего тела и измерении его температуры. Рабочим телом может быть поглощающая нагрузка, термо- пара или терморезистор.
Калориметрические ваттметры, в основном применяемые для изме- рений больших и средних мощностей, разрабатывают на основе проточных или статических калориметров. Наилучшие метрологические характери- стики имеют автоматические калориметрические ваттметры, реализующие метод сравнения.
Для определения малых мощностей, начиная с десятых долей микро- ватт, используют специальные плёночные термопары, о мощности судят
Раздел 2. Измерительная техника
478 по термоЭДС, измеряемой чувствительным вольтметром. Чувствитель- ность приёмного преобразователя с термопарами составляет приблизи- тельно 1 мВ / мВт. Существуют и термоэлектрические измерители прохо- дящей мощности.
Малые мощности можно измерять с помощью терморезисторов – бу- синковых или стержневых термисторов и плёночных болометров. Измере- ние основано на замещении мощности СВЧ равной ей по тепловому дейст- вию образцовой мощностью постоянного тока. О равенстве мощностей су- дят по одинаковым приращениям сопротивления, фиксируемым с помощью мостовых схем.
Наибольшую чувствительность порядка 500 мВ/мВт имеют первич- ные преобразователи с детектором, построенным на диоде Шотки. Ватт- метры с такими преобразователями могут измерять мощности до десятых долей нановатт.
Контрольные вопросы
1. Что собой представляет такая физическая величина, как мощность электрических колебаний?
2. Как записывается аналитическое выражение для активной мощно- сти в случае периодического сигнала?
3. Перечислите основные методы измерения мощностей в различных частотных диапазонах.
4. Каковы особенности измерения мощности электромагнитных ко- лебаний в диапазоне СВЧ?
5. Как создают (разрабатывают) ваттметры поглощающей мощности для диапазона СВЧ?
6. Приведите пример ваттметра поглощающей мощности.
7. В чем заключается терморезисторный метод измерения электриче- ской мощности в СВЧ-диапазоне?
8. Какие типы мостов применяют для измерения мощности с помо- щью терморезисторов?
9. Приведите схему неуравновешенного моста.
10. Приведите схему уравновешенного моста.
11. В чем заключается метод измерения электрической мощности с помощью термопар?
12. На чем основан калориметрический метод измерения мощности?
13. Как работают ваттметры проходящей мощности? Приведите примеры.
14. На каком принципе основаны измерители мощности, исполь- зующие преобразователи Холла?
15. Объясните принцип действия цифрового ваттметра.
Глава 15. Измерение характеристик случайных процессов
479
Глава 15. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
15.1. Общие понятия
Измерения вероятностных характеристик случайных процессов (ста- тистические измерения) составляют один из наиболее быстро развиваю- щихся разделов измерительной техники. В настоящее время область рас- пространения статистических методов исследования и обработки сигналов измерительной информации практически безгранична. Связь, навигация, управление, диагностика (техническая, медицинская), исследование среды и многие другие области немыслимы без знания и использования свойств сигналов и помех, описываемых их вероятностными характеристиками.
Потребность в изучении свойств случайных процессов привела к развитию соответствующих методов и средств (преимущественно элек- трических). Появление анализаторов функций распределения вероятно- стей, коррелометров, измерителей математического ожидания, дисперсио- метров и других видов измерителей вероятностных характеристик открыло новые возможности в области создания современной информационной и управляющей техники.
Рассмотрим необходимые исходные определения и общие сведения о статистических измерениях.
В теории статистических измерений используют следующие понятия и их аналоги, заимствованные из теории случайных функций (аналоги из математической статистики): реализация случайного процесса (выбороч-
ная функция), мгновенное значение (выборочное значение), совокуп-
ность мгновенных значений (выборка); вероятностная характеристи-
ка (предел выборочного среднего).
Введём следующие обозначения: Х (t) – случайный процесс; i – по- рядковый номер реализации случайного процесса Х (t); х
i
(t
j
) – мгновенное значение процесса Х (t), соответствующее значению i-й реализации в j-й момент времени. Случайным называют процесс Х (t), мгновенные значения которого х
i
(t
j
) есть случайные величины.
Совокупность реализаций случайного процесса, воспроизводящих зависимости некоторого параметра Х от времени t, показана на рис. 15.1.
В теории случайных процессов их полное описание производится с помощью систем вероятностных характеристик: многомерных функций распределения вероятности, моментных функций, характеристических функций и т. п. В теории статистических измерений исследуемый случай- ный процесс представляется своими реализациями, причем полное пред-
Раздел 2. Измерительная техника
480 ставление
осуществляется с помощью так называемого ансамбля, т. е. бес- конечной совокупностью реализаций.
Ансамбль – математическая аб-стракция, модель рассматриваемого процесса, но конкретные реализации, используемые в измерительном эксперименте, представляют собой физи- ческие объекты или явления и входят в ансамбль как его неотъемлемая часть.
Рис. 15.1. Ансамбль реализаций случайного процесса
Если случайный процесс представлен ансамблем реализаций
хi(
t)
i = 1, 2, ...,
, то вероятностная характеристика может быть определена усреднением по совокупности, т. е.
1 1
lim
NiNiX tg x tN
,
(15.1) где
g [
хi (
t)] – некоторое преобразование, лежащее в основе определения вероятностной характеристики
. Например, при определении дисперсии
g [
хi (
t)] =
хi2
(
t). При этом полагаем, что процесс характеризуется нулевым математическим ожиданием.
Вместо усреднения по совокупности может быть использовано ус- реднение по времени с использованием
k-й реализации
хk (
t) и тогда
0 1
lim
TiTX tg x t dtT
(15.2)
Например, при определении математического ожидания
0 1
lim
TkTМ X tx t dtT
(15.3)
tj t 0
xi (
t)
xi (
tj)
X Глава 15. Измерение характеристик случайных процессов
481
В общем случае результаты усреднения по совокупности (15.2) и по времени (15.3) неодинаковы. Предел выборочного среднего по совокупно- сти (15.2)
представляет собой вероятностную характеристику, выража- ющую зависимость вероятностных свойств процесса от текущего времени.
Предел выборочного среднего по времени (15.3) представляет собой веро- ятностную характеристику, выражающую зависимость вероятностных свойств процесса от номера реализации.
Наличие и отсутствие зависимости вероятностных характеристик от времени или от номера реализации определяет такие фундаментальные свойства процесса, как стационарность и эргодичность.
Скачать 3.68 Mb.