Меню

Измерение мощности свч колебаний

Измерение мощности СВЧ – колебаний. Калориметры статические (адиабатические), калориметры проточные (неадиабатические)

Измерение мощности СВЧ сигналов основано на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения.

Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (неадиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные – средние и большие значения мощности

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид:

В случае статического калориметра время измерения много меньше постоянной и мощность СВЧ равна:

Основными элементами статических калориметров являются термоизолированная нагрузка и прибор для измерения температуры. Нетрудно рассчитать поглощаемую мощность СВЧ по измеренной скорости повышения температуры и известной теплоемкости нагрузки.

Основными элементами поточного калориметра являются: нагрузка, где энергия электромагнитных колебаний превращается в тепло, система циркуляции жидкости и средства для измерения разности температур входящей и выходящей жидкости, протекающей через нагрузку.

Поточные калориметры различают по типу циркуляционной системы (открытые и замкнутые), по типу нагрева (прямой и косвенный) и по методу измерения (истинно калориметрические и замещения).

Устройство, принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической системы.

Устройство и принцип действия. Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.

При прохождении тока I по катушке на каждый из ее проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку при-

бора на некоторый угол ?. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то

где c1 — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре).

Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. В частности, на э.п.с. и тепловозах их используют в качестве амперметров и вольтметров. В амперметрах и вольтметрах катушка прибора имеет различное сопротивление и включается по различным схемам

Из принципа действия магнитоэлектрического прибора следует, что направление отклонения его стрелки зависит от направления тока I, проходящего по катушке. Следовательно, при включении этих приборов в цепь постоянного тока должна быть соблюдена правильная полярность, при которой стрелка отклоняется в требуемую сторону. Для переменного тока магнитоэлектрические приборы непригодны, так как при питании катушки переменным током среднее значение создаваемого ею вращающего момента равно нулю и стрелка прибора будет стоять на нуле, испытывая чуть заметные колебания.

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются равномерность шкалы, высокая точность и независимость показаний от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся непригодность для измерения переменного тока, необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут сгореть).

БИЛЕТ 17

Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 378 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник



Методы измерения мощности СВЧ

date image2015-03-27
views image6464

Читайте также:  Увеличение мощности ниссан альмера классик

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

ЧАСТЬ 1

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ

Введение.

Измерения на СВЧ можно разбить на две группы:

а) Измерения параметров пассивных цепей .

6) Измерения характеристик и параметров СВЧ приборов .

Для измерения параметров пассивных цепей используется СВЧ генераторы, измерители частоты, мощности, коэффициента отражения (или КСВ) и т.д. Рассмотрим методы измерения в следующей последовательности .

Измерение мощности СВЧ генераторов .

Измерение частоты СВЧ генераторов .

Измерение качества согласования ( КСВ) и других параметров пассивных цепей .

Методы измерения мощности СВЧ

В зависимости от методов измерения мощности приборы принято делить на четыре группы :

Измерители больной мощности от 10 Вт до 10 МВт .

Измерители средней мощности от 100 мВт до 10 Вт .

Измерители малой мощности от 10 мкВт до 100 мВт .

Измерители весьма малой мощности менее 10 мкВт .

Мощность измеряется двумя способами :

а) Измерение методом поглощения всей мощности в приборе (ваттметры поглощаемой мощности);

6) Измерение проходящей мощности, когда почти вся энергия поступает в реальный оконечный элемент (антенна и т.д.), а измерение проводится почти без поглощения этой мощности ( см. рис.1) .

1) Калориметрические методы

Для измерения больших и средних мощностей первым способом широко используется калориметрический метод . На вход СВЧ измерителя по фидеру (коаксиальная линия, волновод) поступает энергия СВЧ колебаний. В приборе эта энергия поглощается в оконечной нагрузке. В результате возрастает температура поглощающего элемента. Измеряя каким — то способом эту температуру, мы можем судить о величине мощности .

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид :

где: P— мощность СВЧ на нагрузке; T— температура нагрузки; Θ- температура окружающей среды; C и V – теплоемкость и объем калориметра; Н- коэффициент теплового рассеяния.

Решниие ( 1 ) имеет вид: где

Практически используются два метода :

а) метод быстрого измерения (при t → 0) :

б) метод инертного измерения (при t → ∞):

Первый метод требует, чтобы постоянная H была достаточно мала. Достоинство таких измерителей в том, что проста их градуировка – достаточно знать лишь теплоемкость нагрузки. Недостаток – необходимо периодически отключать СВЧ мощность от измерителя.

Более широкое применение получили приборы инертного измерения мощности. В этих приборах через калориметрическую нагрузку пропускают калориметрическую жидкость (воду), которая нагревается и уносит тепло .

Мощность подсчитывают по формуле:

P = 4,19GCDDT.

где: ∆T — разность температур входящего и выходящего потока жидкости; P — измеряемая мощность в Вт; D — расход калориметрической жидкости см/сек; G — плотность калориметрической жидкости г/сек; С— теплоемкость калори-метрической жидкости кал/г град .

Разность температур измеряется термопарой ( см рис. 2 ), погрешность метода менее 10 % . Источники ошибок :

а) непостоянство расхода воды;

б) рассогласование нагрузки и фидера и т.д.

Существуют другие разновидности калориметрического метода (микрокалориметрический и другие).

2) Измерение малых уровней мощности .

При измерении малых уровней мощности используютсяболометрические и термисторныеизмерители мощности.

Болометр — стеклянный баллон (вакуум или инертный газ) с впаянными в стекло выводами. Внутри болометра между выводами — тонкая плати­новая нить. Ее толщина порядка 0,5 — 5 мкм.

Термисторы — полупроводники,обладающие отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в отли­чии от болометров с положительным ТКС . Полупроводник, как и платино­вая нить, помещается в стеклянный баллон.

Размер полупроводникового элемента 0.2 мм в диаметре и 1 мм в длину (рис. 3)

Принцип действия измерителей состоит в том, что при наличии СВЧ мощности, которая поглощается в термочувствительном элементе, растет его температура и меняется сопротивление. Для повышения чувствительности термочувствительный элемент включается в плечо мостовой схемы (рис 3).

Перед началом измерений проводится балансировка моста сопротивлением Rи . Изменяя это сопротивление, мы устанавливаем стрелку индикатора на нуль.

Затем проводят установку чувствительности. Для этого к точкам моста подключается напряжения от генератора низкой частоты ( 50 — 100 кГц ). В результате прохождения переменного тока через термистор он нагревается, его сопротивление падает и баланс моста нарушается (стрелка индикатора отклоняется). Мощность, выделяемая переменным током в термисторе известна (обычно 1 милливатт). Чувствительность калибруется с помощью сопротивления R. Изменяя его, мы устанавливаем стрелку в положение «1» милливатт. Генератор переменного напряжения отключают и прибор готов для измерений мощности.

Читайте также:  Мощность двигателя некоторых автомобилей

Следует отметить, что измерители весьма чувствительны к температуре окружающей среды . Поэтому при каждом измерении необходима балансировка и калибровка. С целью уменьшения этой зависимости используются схемы с термокомпенсацией и термостабилизацией . Заметим также , что для повышения точности измерений необходимо согласование сопротивления термочувствительного элемента со входом фидерного тракта (рис. 4).

3) Другие методы измерений .Существует другие способы ( на эффекте Холла и на основе пондемоторного эффекта ), описанные в литературе.

С целью расширения пределов измерения, а также для проведения измерений проходящей мощности используется направленные ответвители ( с ос­лаблением 20 — 30 дБ ), к которым подключается обычный измеритель мощности. Здесь можно раздельно измерять проходящую и отраженную от нагрузки мощность.

Источник

ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ НА СВЧ

Предисловие

Совершенно очевидно, зачем нужно измерять мощность генерируемых, излучаемых, проходящих некоторый тракт, принимаемых сигналов, поскольку мощность – один из основных параметров сигналов, а в диапазоне СВЧ – главный и единственный энергетический параметр, т. к. вследствие волновой природы сигналов понятия тока и напряжения в этом диапазоне вообще не «работают».

В скалярном анализаторе цепей (САЦ) и скалярном спектроанализаторе (СА) мощность – единственный измеряемый параметр сигналов (зондирующих, опорных, отраженных, пропущенных, калибровочных), в векторном анализаторе цепей (ВАЦ) и векторном анализаторе спектра (ВАС) кроме него измеряются еще фазы многочисленных сигналов. Ошибки оценки мощностей в первом случае и мощностей и фаз – во втором напрямую определяют ошибки итоговых результатов: характеристик цепей и сигналов.

Хотя измерение мощности в диапазоне СВЧ – очень «старая» задача, ее решение во все новых разработках всегда не банально, т. к. должно удовлетворять все более высоким и взаимно противоречивым требованиям точности, мощностного и временного разрешений, быстродействия, помехоустойчивости, повторяемости, надежности и экономичности. Это становится возможным в основном благодаря технологическому прогрессу сенсоров мощности и развитию техники оцифровки и компьютерной обработки сигналов. Вторжение элементов цифровой и вычислительной техники произвело революцию в технике измерения мощности, как и вообще в измерительной технике.

Все измерительные приборы диапазона СВЧ должны измерять мощность тех или иных колебаний – в узкой сканирующей полосе или в широкой полосе, на коротком интервале времени («мгновенная»), или на длинном интервале («средняя»), непрерывных или импульсных сигналов.

В этом ряду приборов ВАЦ и САЦ имеют только одну «поблажку»: поскольку эти приборы основаны на принципе зондирования, в них измеряются мощности сигналов с высоким уровнем априорной информации. В частности, как правило, известны временная, частотная и модуляционная структуры сигналов. Зато ряд других требований выступают в ужесточенной форме. Это особенно относится к требованию широкого динамического диапазона (в особенности в ВАЦе) в сочетании с малым временем измерения мощности, обусловленным быстрым и широкодиапазонным сканированием или переключением частоты.

Другое жесткое требование – предельно малая случайная ошибка в условиях ограниченности времени измерения и невысокого отношения сигнал-шум. Это иногда не вполне осознанное требование возникает в связи с предпринимаемыми большими усилиями по согласованию трактов и калибровке и коррекции систематической ошибки (особенно в ВАЦе): случайная ошибка не должна превалировать над малой скорректированной систематической ошибкой.

Перечисленные выше факторы эффективности измерения мощности взаимно противоречивы, поэтому требуется знать, как методически и аппаратурно оптимально разрешить эти противоречия. Например, общая ошибка измерения мощности складывается из ряда парциальных ошибок, обусловленных различными взаимопротиворечивыми факторами, и понижение общей ошибки есть результат методических и конструктивных компромиссов.

Читайте также:  Как усилить мощность андроида

С другой стороны, точность и чувствительность, точность и динамический диапазон мощностей и т. д. предъявляют противоположные требования к параметрам аппаратуры, и требуются многочисленные оптимальные конструктивные решения. Ясно, что лучший способ разрешения всех этих проблем – обобщить исторический опыт создания измерителей мощности, накопленный по мере прогресса технологий и последовательного наступления тенденций микроминиатюризации, цифровых технологий, компьютеризации, – с одной стороны, и по мере развития техники скоростной связи, радиолокации, радионавигации и других, и, следовательно, умеренного усложнения структуры сигналов, – с другой стороны.

Вопрос измерения мощностей опорных и тестовых сигналов ВАЦ, САЦ, СА, ВАС тесно связан с энергетическим балансом прибора, то есть с уровнем мощности генератора, чувствительностью и полосой ПЧ приемников, динамическим диапазоном при тестировании различных устройств, как линейных, так и нелинейных. Учет и увязка этих факторов с эффективностью прибора и экономическими реалиями – столь сложная задача требует выработки определенной концепции оптимизации измерительных приборов СВЧ, которая, в свою очередь, нуждается в усвоении мирового опыта измерения мощности СВЧ-сигналов.

Основные понятия

Ватт. Международная система единиц СИ устанавливает в качестве единицы мощности ватт (Вт) [21.1]: один Вт есть один джоуль в секунду.

Децибелы. Во многих случаях удобно пользоваться относительной мощностью, то есть отношением мощности к некоторой опорной мощности . Относительная мощность безразмерна. В свою очередь, относительную мощность удобно выражать в децибелах (дБ):

Использование децибелов дает два преимущества. Во-первых, сокращается диапазон используемых чисел; например, диапазон от +63 дБ до -153 дБ более компактен, чем диапазон от до . Во-вторых, вместо умножения чисел в натуральных величинах суммируются числа в децибелах, что удобно, например, при каскадном соединении усилителей или последовательном соединении аттенюаторов и т. д.

дБм. Это популярная и удобная логарифмическая единица абсолютной мощности. Формула для мощности в этих единицах получается из (21.1.1) при =1 мВт:

Смысл исчисления абсолютной мощности в этих единицах: «столько-то дБ выше одного мВт» (отсутствие знака означает «плюс», при отрицательном значении смысл: «столько-то дБ ниже 1 мВт»). Преимущества исчисления абсолютной мощности в дБм те же, что исчисления относительной мощности в дБ.

Только для сигнала в виде постоянного тока (напряжения) термин мощность имеет прозрачный смысл, не требующий пояснений: мощность равна произведению тока и напряжения. В остальных случаях в зависимости от временной структуры сигнала и опорного масштаба времени различают «среднюю мощность», «импульсную мощность» и «пиковую мощность огибающей».

Для идеализированной модели сигнала в виде периодического переменного напряжения (тока) бесконечной длительности термин «мощность» относится к постоянным составляющим тока и напряжения; здесь опорный масштаб времени бесконечен. В более реалистической модели сигнала в виде синусоидальных тока и напряжения на сопротивлении (в общем случае – комплексном) длительностью в целое число периодов используется средняя мощность, понимаемая как среднее по времени от произведения переменных тока и напряжения на длительности сигнала:

Здесь – круговая частота, – амплитуды напряжения и тока, – фазовый угол между током и напряжением. Вычисление интеграла в (21.1.3) дает:

Если длительность сигнала в этой модели составляет очень много периодов , то можно усреднение проводить на любом интервале , причем неважно, включает ли он целое или нецелое число периодов , так как разница между этими случаями исчезающее мала. В той же синусоидальной модели среднюю мощность можно выразить и через среднеквадратичные напряжение и ток :

В еще более реалистической модели с током и напряжением, имеющими полосовой спектр, измерение средней мощности должно включать усреднение по интервалу , составляющему очень много периодов нижней частоты спектра: . Если спектр узкополосный, можно заменить на период центральной частоты . Если сигнал имеет амплитудную модуляцию, усреднение должно проводиться по многим периодам нижней модуляционной частоты.

Источник

Adblock
detector