Измерение поглощаемой мощности на высоких и сверхвысоких частотах

Измерение поглощаемой мощности наиболее распространено на ВЧ и СВЧ. Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности являются эквивалентом согласованной нагрузки и, как видно из рис. 4.1, а, включаются на конце передающей линии. Для измерения поглощаемой мощности может быть использовано боль­шинство методов, перечисленных в § 4.1.

ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ

 

Тепловые методы основаны на преобразовании электромагнит­ной энергии в тепловую с последующим измерением количества вы­деленного тепла (приращения температуры) либо замещающей мощности постоянного тока (низкой частоты), вызывающей экви­валентное приращение температуры. Основным достоинством теп­ловых ваттметров является возможность калибровки и аттестации их на постоянном токе, что способствует достижению высокой точ­ности измерения мощности.

Калориметрический метод

 

Калориметрический метод является одним из наиболее точных методов измерения мощности на ВЧ и СВЧ. Устройство калоримет­рических ваттметров весьма разнообразно и определяется уровнем измеряемой мощности, диапазоном частот и требуемой точностью. Однако во всех случаях первичным преобразователем ваттметра является калориметр, где и осуществляется преобразование электро­магнитной энергии в тепловую. Все калориметры подразделяются на калориметры с переменной и постоянной температурой.

Калориметры с переменной температурой могут конструктивно выполняться как статические и проточные. В статических калориметрах рабочее тело, где электромагнитная энергия превра­щается в тепловую, неподвижно и в процессе измерений не изменяет формы и физических свойств. Рабочим телом могут служить вода и твердые (объемные или пленочные) поглотители. В первом случае калориметр представляет собой сосуд Дьюара, а калориметры с твердыми поглотителями называют «сухими». Сухие калориметры наиболее распространены и конструктивно представляют собой коаксиальные (рис. 4.3, а) или волноводные (рис. 4.3, б) согласованные нагрузки, в которых повышение температуры рабочего тела измеряется с помощью термопар. Калибровка в таких калоримет­рах осуществляется постоянным током, который проходит либо не­посредственно по нагрузке (СВЧ резистор на рис. 4.3, а), либо по специальному подогревателю (обмотка на рис. 4.3, б).

Рис. 4.3. Схематическое устройство сухого калориметра:

а — коаксиального: 1 — внутренний проводник; 2 — внешний проводник; 3 — СВЧ ре­зистор; 4 — экран; б — волноводного; 1 — волновод; 2 — экран; 3 — подогреватель; 4 —поглотитель.

В проточных калориметрах рабочее тело представляет со­бой циркулирующую жидкость, а процесс измерения мощности сво­дится к измерению приращения температуры и расхода этой жид­кости. Такие калориметры также могут быть коаксиальными (рис. 4.4, а) и волноводными (рис. 4.4,6). В качестве жидкости используется вода, кремний-органическая жидкость и др.

Рис. 4.4. Схематическое устройство проточного калориметра:

а — коаксиального: 1—диэлектрическая шайба; 2— корпус нагрузки; б— волноводного: / — корпус нагрузки; 2 — диэлектрический клин.

Вторая группа калориметров — калориметры с постоянной температурой — представлена в настоящее время калориметрами с фазовым переходом, компенса­ционными калориметрами и калориметрами, основанными на методе замещения. В калориметрах с фазовым переходом электромагнитная энергия, превращенная в тепловую, определяется по количеству твердого вещества (например, льда), перешедшего в жидкое состояние. В компенсационных калориметрах одновремен­но и с одинаковой скоростью протекают процессы выделения и эквивалентного поглощения тепла. Для калориметров, основанных на методе замещения, харак­терен предварительный подогрев рабочего тела постоянным или переменным то­ком. После подачи Р_х тепловой режим рабочего тела поддерживают неизменным, уменьшая мощность подогрева, а значение Р_х определяют по изменению этой мощности.

В ИУ калориметрических ваттметров может быть реализован как метод прямого преобразования путем измерения приращения температуры рабочего тела, так и метод сравнения путем измере­ния замещающей мощности постоянного или переменного тока. Ка­лориметрические ваттметры прямого преобразования почти не при­меняются из-за малой чувствительности и низкой точности. Рассмот­рим поэтому калориметрический ваттметр с проточным калоримет­ром, реализующий метод сравнения.

 

Рис. 4.5. Структурная схема калориметрического ваттметра с проточным калориметром.

 

Как видно из рис. 4,5, в процессе измерения осуществляется срав­нение теплового воздействия измеряемой мощности Р_х, подаваемой в первичный преобразователь I, с тепловым воздействием мощно­сти постоянного тока, подаваемой в опорную нагрузку 4. Процесс измерения замещающей мощности автоматизирован благодаря замкнутой циркуляционной системе. Рабочая и опорная нагрузки последовательно омываются одним потоком жидкости, причем за счет теплообменника 5 обеспечивается равенство температур жид­кости на входах обеих нагрузок. В конструкции нагрузок предусмот­рено размещение терморезисторов 2 и 3, которые совместно с рези­сторами R1 и R2 образуют мост, питаемый от генератора низкой частоты. При отсутствии Р_х температура терморезисторов одинако­ва и мост сбалансирован. После подачи Р_х мост разбалансируется, и сигнал разбаланса через усилитель переменного тока поступает на детектор, где преобразуется в постоянное напряжение компенса­ции. Это напряжение через УПТ подается в опорную нагрузку и одновременно измеряется магнитоэлектрическим прибором. Сопротивления терморезисторов в результате изменения температуры опорной нагрузки выравниваются, баланс моста восстанавливается, а показание прибора оказывается пропорциональным измеряе­мому значению Р_х. Таким образом, мы получаем прямоотсчетный калориметрический ваттметр с автоматической термобаланси­ровкой.

Основными достоинствами калориметрических ваттметров явля­ются исключительно широкий частотный диапазон, широкие преде­лы и высокая точность измерений, определяемая в основном по­грешностью измерения мощности замещения (напряжения компен­сации) и параметрами рабочей нагрузки, которые точно известны для каждого ваттметра. Поэтому на базе калориметрического ме­тода разработаны государственные специальные эталоны единицы мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных и волноводных трактах, утвержденные ГОСТ 8.073—73, ГОСТ 8.102—73 и ГОСТ 8.277—78. Они обеспечивают воспроизведение ватта при СКО не более 0,15 % и неисключенной систематической погрешности, не превышающей 0,5 %. Недостатки калориметрических ваттметров: большая инерционность (время установления показаний может достигать и нескольких минут) и сложность в эксплуатации.