Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Общее состояние современной радиотехники в значительной мере определяется уровнем развития методов измерения и оснащенностью измерительными приборами. Хорошо известно, что различные области радиотехники, имеющие огромное практическое значение, как, например, радиолокация, телевидение, телемеханика и др., тесно связаны с разработкой точных и надежных методов измерения и измерительных приборов.



1. Общие сведения о приборах для измерения мощности

Мощность в общем виде есть физическая величина, которая определяется работой, производимой в единицу времени. Единица мощности ватт (Вт) соответствует мощности, при которой за одну секунду выполняется работа в один джоуль (Дж).

Рисунок 1 - Стоячие волны напряжения и тока в линии передачи без потерь, нагруженной на несогласованную нагрузку

На постоянном токе и переменном токе низкой частоты непосредственное измерение мощности зачастую заменяется измерением действующего значения электрического напряжения на нагрузке U, действующего значения тока, протекающего через нагрузку I, и угла сдвига фаз между током и напряжением ц. При этом мощность определяют выражением:

В СВЧ диапазоне измерение напряжения и тока становится затруднительным. Соизмеримость размеров входных цепей измерительных устройств l с длиной волны л является одной из причин неоднозначности измерения напряжения и тока (рисунок 1).

Измерения сопровождаются Значительными частотными погрешностями. Следует добавить, что измерение напряжения и тока в волноводных трактах при некоторых типах волн, например Н01 в круглом волноводе, теряет практический смысл, так как продольная составляющая в проводнике отсутствует, а разность потенциалов между концами любого диаметра сечения волновода равна нулю. В связи со сказанным на частотах начиная с десятков мегагерц предпочтительным и более точным становится непосредственное измерение мощности, а на частотах свыше 1000 МГц - это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интенсивность электромагнитных колебаний. Для непосредственного измерения мощности СВЧ применяют методы, основанные на фундаментальных физических законах, включающие метод прямого измерения основных величин: массы, длины и времени.

При этом различают два основных случая:

· измерение мощности, проходящей от источника в данную нагрузку (проходящей мощности);

· измерение мощности, которую источник может отдать в согласованную нагрузку (поглощаемой мощности).

В первом случае применяют ваттметры проходящей мощности, во втором - ваттметры поглощаемой мощности.

Для характеристики источников СВЧ мощности в большинстве случаев достаточно знать среднее значение выходной мощности. В общем виде среднее значение выходной мощности можно записать как:

где Т - период усреднения, p(t) - мгновенное значение мощности.

Генераторы импульсно-модулированных сигналов часто характеризуют пиковой мощностью. Под пиковой мощностью понимают усредненное значение СВЧ мощности за период частоты несущей, приходящийся на максимум огибающей импульса мощности. Пиковую мощность Рпик можно измерить непосредственно или определить по формуле исходя из средней мощности Рср, скважности Q и коэффициента формы импульса Кфи:

где Q = 1 /Fифи - скважность импульсов; Fи - частота следования импульсов, Гц; фи - длительность импульсов, с; Кфи - коэффициент формы, равный отношению максимального уровня (пиковой мощности) действительного импульса мощности к уровню эквивалентного прямоугольного импульса той же ширины и площади.

На практике часто используют термин «импульсная мощность» (Ри). При этом речь идет о среднем значении мощности в импульсе при огибающей СВЧ импульса прямоугольной формы. Для СВЧ импульсов с огибающей прямоугольной формы пиковая и импульсная мощности равны, так как Кфи = 1. В этом случае Ри = Рпик = QPср.

При СВЧ импульсах с огибающей не прямоугольной формы понятие «импульсная мощность» становится неопределенным из-за отсутствия установившегося подхода к определению длительности импульса
(рисунок 2).

Несмотря на разнообразие методов измерения СВЧ мощности, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных СВЧ колебаний в другой вид энергии, доступной для измерения: тепловую, механическую
и т. д. Среди приборов для измерения СВЧ мощности наибольшее распространение получили ваттметры, основанные на тепловых методах. Используют также ряд других методов - пондеромоторный, зондовый и другие.

Рисунок 2 - Зависимость Ри от условно принятой длительности импульса произвольной формы.

Рассмотрим основные характеристики, свойственные ваттметрам, их основные узлы и требования, предъявляемые к ним.

1.1. Основные характеристики

Входной импеданс и согласование.

Известно, что одним из параметров, которым характеризуется источник СВЧ колебаний, является его выходная мощность. Эта мощность зависит от импеданса нагрузки и достигает максимума при комплексно-сопряженной нагрузке, т. е. при (рисунок 3).

Рисунок 3 - Упрощенная структурная схема передачи СВЧ мощности в нагрузку

Под выходной мощностью источника СВЧ колебаний принято понимать мощность, которую он может развить на согласованной нагрузке. В связи с этим приборы, предназначенные для измерения выходной мощности генераторов (ваттметры поглощаемой мощности), должны являться эквивалентами согласованной нагрузки и их входное сопротивление ZB должно быть равно характеристическому сопротивлению линии передачи Z0Л. Аналогичное требование предъявляют к ваттметрам проходящей мощности. Их включают между генератором и нагрузкой, и, следовательно, они не должны нарушать условия передачи мощности. Это достигается в том случае, когда входной и выходной импедансы ваттметра проходящей мощности равны Z0Л.

В реальных приборах условия согласования выполняются с некоторым приближением. Степень согласования импеданса ваттметра с волновым сопротивлением линий передачи характеризуется коэффициентом отражения

(1)

Модуль коэффициента отражения равен отношению амплитуды напряженности поля отраженной волны Еотр к амплитуде напряженности поля падающей волны Епад

(2)

На практике чаще измеряют коэффициент стоячей волны (КСВ), который связан с коэффициентом отражения соотношением

(3)

В зависимости от класса точности ваттметра КСВ на входе прибора не должен превышать следующих значений

класс точности 1,0 1,5 2,5 4,0 6,0 10,0 15,0 25,0

КСВ, не более 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,7

Рабочий диапазон частот.

Рабочий диапазон частот ваттметра - это полоса частот, в которой характеристики ваттметра, в частности основная погрешность, не превышают нормируемых значений. В рабочем диапазоне частот, как правило, ваттметры не перестраивают по частоте. Исключение составляют так называемые избирательные ваттметры, которые при изменении частоты необходимо перестраивать. Рабочий диапазон частот таких ваттметров определяется пределами регулировки настроечных элементов.

Основным требованием, предъявляемым к диапазонным ваттметрам, является следующее: коэффициент перекрытия ( отношение максимальной частоты к минимальной) должен быть менее 2 для коаксиальных ваттметров, и не менее 1,4 - 1,5 для волноводных. Большей широкополосности достигают применяя сменные преобразователи. У наиболее широкополосных коаксиальных и волноводных ваттметров полоса рабочих частот ограничивается возможностями СВЧ тракта. Рабочий диапазон частот принято выражать в мегагерцах на частотах до 1000 МГц и в гигагерцах на более высоких частотах.

Пределы измерений. Динамический диапазон.

Пределы измерений мощности выражают либо в ваттах (дольных и кратных единицах), либо в децибеллах относительно уровня 1 мВт. Динамический диапазон ваттметров обычно не превышает 30-40 дБ, в то время как диапазон измеряемых мощностей составляет более 140 дБ. Динамический диапазон отдельных ваттметров расширяют применяя сменные преобразователи, внешние делители (аттенюаторы, направленные ответвители). При этом, однако, возникают трудности принципиального характера, не позволяющие с помощью одного прибора и набора делителей к нему измерять мощность во всем динамическом диапазоне хотя бы в узкой полосе частот.

Основная погрешность.

Основная погрешность измерения - это погрешность прибора (включая систематическую и случайную составляющие) в нормальных условиях (нормальные условия оговорены в ГОСТ 9763-67). Она определяется как разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины. Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, пользуются так называемым действительным значением измеряемой величины. Под действительным значением измеряемой величины понимают значение, настолько приближающееся к истинному, что его можно принять за истинное.

Действительное значение измеряемой величины, как правило, определяют экспериментально с помощью образцовой аппаратуры, имеющей погрешность, по крайней мере в три раза меньшую нормируемой основной погрешности поверяемого прибора.

Основную погрешность данного типа приборов нормируют, чтобы разность между показанием любого экземпляра ваттметра и действительным значением измеряемой величины находилась в пределах гарантированного интервала с определенной доверительной вероятностью, т. е.

(4)

где Ад1 и А д2 - предельно допустимые значения основной погрешности.

Для приборов, имеющих невысокую точность, нормы на допустимое значение основной погрешности задают в виде

(5)

Основная погрешность ваттметра для конечного значения установленного предела измерений, выраженная в процентах, не должна превышать его класса точности.

Дополнительные погрешности.

Дополнительной погрешностью является изменение показаний прибора при отклонении одного из влияющих факторов за пределы нормальной области значений. В зависимости от влияющих факторов различают следующие дополнительные погрешности: из-за изменения температуры, влажности, давления, напряжения питания и др. Дополнительная температурная погрешность нормируется обычно в процентах на 10° С, а остальные в процентах на весь интервал изменения, например на Предельно допустимое отклонение от номинала напряжения сети 220 В, 50 Гц.

Коэффициент преобразования, коэффициент эффективности измерительного (приемного) преобразователя.

Эти характеристики определяют качество приемных преобразователей. Значения коэффициентов преобразования и эффективности используют для определения измеряемой мощности в тех случаях, когда измерительную схему ваттметра калибруют на постоянном токе или переменном токе низкой частоты

(6)

где Рв т - показание отсчетного устройства измерительной схемы; Кпрб, Кэ - коэффициенты преобразования и эффективности приемного преобразователя.

Коэффициент преобразования в общем случае есть отношение сигнала на выходе преобразователя, отображающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу на входе преобразователя (ГОСТ 16263-70).

Для ваттметров СВЧ коэффициент преобразования есть отношение сигнала на выходе приемного преобразователя (или изменение его выходного параметра) к вызывающей его мощности на входе (или изменению мощности на входе). В частности, для болометрических и термисторных преобразователей представляет отношение изменения сопротивления преобразователя к вызывающему его изменению мощности на входе преобразователя:

(Ом/Вт).

Для термоэлектрических

(В/Вт),

где Uтэ.д.с - значение термо-э.д.с. на выходе преобразователя, Р - мощность на входе преобразователя.

Для диодных:

(В/Вт)

где U - значение напряжения на выходе преобразователя, и т. д. В общем случае Кпрб зависит от уровня мощности и частоты сигнала.

На практике наиболее употребим коэффициент эффективности, который в основном зависит от частоты. В отличие от коэффициента преобразования коэффициент эффективности есть безразмерная величина. Он представляет собой отношение коэффициента преобразования, измеренного на СВЧ, к коэффициенту преобразования, измеренному на постоянном токе или переменном токе низкой частоты (т. е. при сигнале калибровки измерительной схемы) при одинаковом эффекте на выходе преобразователя.

Для болометрических и термисторных преобразователей коэффициент эффективности есть отношение замещающей мощности к СВЧ мощности, поглощенной в приемном преобразователе, т. е:



(7)

Коэффициент эффективности характеризует преобразователь с точки зрения потерь в передающей линии, излучения, а также неэквивалентности замещения мощности СВЧ мощностью тока калибровки.

Пользуясь значением КЭ, измеряемую мощность определяют как:

(8)

где Рв - показание отсчетного устройства ваттметра, Вт.

Основные требования, предъявляемые к приемным преобразователям ваттметров, - постоянство коэффициентов преобразования и эффективности в рабочем диапазоне частот и уровней и максимальное приближение КЭ к единице.

При этом, когда не требуется высокая точность измерений, коэффициент эффективности можно условно принять равным единице, если его действительное значение отличается от единицы не более чем на 1/2 нормированного значения основной погрешности ваттметра. Применяемые на практике приемные преобразователи имеют КЭ = 1,0...0,7 в диапазоне частот 0,03-37,5 ГГц. Следует отметить, что ранее вместо термина «коэффициент эффективности» употребляли термин «коэффициент преобразования». Изменение терминологии обусловлено введением в действие стандарта 16263-70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения».

Время установления показаний.

Эта характеристика особенно важна при использовании ваттметра в автоматических системах. Под временем установления показаний понимают время с момента подачи измеряемого сигнала на вход прибора до того момента, когда разность между показанием отсчетного устройства и установившимся значением окажется меньше нормированной. По ГОСТ 13605-75 нормируемая разность не должна превышать 1/2 основной погрешности. При экспоненциальном характере установления процесс считается установившимся спустя время, равное (5-6) ф, где ф - постоянная времени.

Существует еще ряд параметров, характеризующих качество ваттметров: устойчивость к перегрузкам, степень экранировки, время безотказной работы, габаритные размеры, масса и др.

В целях обеспечения единства измерений мощности классификация, перечень параметров ваттметров и приемных преобразователей к ним, нормы на их основные технические характеристики, методы испытаний изложены в действующих стандартах.

1.2. Основные узлы ваттметров

Основными узлами любого ваттметра являются приемный (первичный) измерительный преобразователь(или комплект преобразователей) и измерительный блок, включающий в себя измерительное и отсчетное устройства (рисунок 4, 5).

Рисунок 4 - Структурная схема ваттметра поглощаемой мощности.

Приемный преобразователь.

В приемном преобразователе энергия электромагнитных СВЧ колебаний преобразуется в тепловую, механическую энергию или в электрический сигнал, доступный для дальнейшего преобразования и измерения низкочастотными устройствами.

В ваттметрах СВЧ применяют следующие виды преобразователей:

· тепловые - калориметрические (в том числе сухие калориметры), болометрические ( термисторные), термоэлектрические и др.;

· пондеромоторные;

· электронные - детекторные на вакуумных и полупроводниковых диодах, газоразрядные, на основе эффекта «горячих» носителей, эффекта Холла и др.;

· ферритовые, использующие эффект ферромагнитного резонанса.

Приемные преобразователи полностью определяют входное сопротивление ваттметра СВЧ и степень его согласования с волновым сопротивлением передающего тракта. При этом различают две группы приемных преобразователей: преобразователи ваттметров поглощаемой (рисунок4) и проходящей (рисунок 5) мощности. Принципиальное отличие этих групп заключается в том, что приемные преобразователи в первом случае рассеивают всю подводимую СВЧ мощность, а во втором, как правило, потребляют незначительную часть мощности, проходящей в нагрузку.

Рисунок 5 - Типовые структурные схемы ваттметров проходящей мощности

Соотношение между мощностью, отдаваемой источником в согласованную нагрузку, и мощностью, рассеиваемой в приемном преобразователе ваттметра поглощающего типа, может быть выражено как

(9)

где Гг, Гв - комплексные значения коэффициентов отражения генератора и приемного преобразователя.

Из уравнения (9) следует, что для повышения точности измерения мощности коэффициенты отражения приемных преобразователей должны быть минимальными. В идеальном случае Гв = 0.

Влияние неоднородностей, создаваемых чувствительными элементами приемных преобразователей ваттметров проходящего типа и нагрузкой, на точность измерений более подробно будет показано в гл. 3.

Кроме важнейших метрологических характеристик (коэффициента преобразования, или коэффициента эффективности, КСВ), приемные преобразователи характеризуются также предельной измеряемой мощностью (для болометрических и термисторных преобразователей - максимальным и минимальным значением мощности смещения), динамическим диапазоном, степенью линейности, устойчивостью к перегрузкам и т. д.

Под мощностью смещения понимают мощность постоянного тока или переменного тока низкой частоты, подводимую к преобразователю, при которой сопротивление чувствительного элемента преобразователя (болометра или термистора) становится равным рабочему.

Измерительное устройство.

Как правило, оно включает узлы и блоки, преобразующие выходной сигнал приемного преобразователя в сигнал, удобный для индикации и подачи на отсчетное устройство, калибратор (при необходимости) и другие вспомогательные узлы. В зависимости от типа приемного преобразователя измерительным устройством может служить самобалансирующийся мост или мост с ручной балансировкой (для болометрических и термисторных ваттметров), усилитель постоянного или переменного тока, импульсный усилитель, механическая измерительная система и т. д.

Основные требования, предъявляемые к измерительному устройству:

· постоянство коэффициента передачи в рабочих условиях эксплуатации ( линейная амплитудная характеристика);

· малая инерционность;

· малая нестабильность показаний (в том числе дрейф нуля);

· удобное и (или) автоматизированное управление.

Отсчетное устройство индицирует мощность, рассеиваемую преобразователем, в аналоговой или цифровой форме. Обычно отсчетное устройство совмещают с измерительным.

1.3. Классификация ваттметров

В зависимости от целевого назначения и способа включения в передающий тракт различают две основные группы ваттметров:

· проходящей мощности (условное обозначение М2- ...),

· поглощаемой мощности (условное обозначение М3- ...).

Кроме того их делят:

· по виду используемых первичных измерительных преобразователей на тепловые (калориметрические, термоэлектрические, термисторные и болометрические), пондеромоторные, электронные (диодные, на эффекте Холла и др.), ферритовые и др.;

· по характеру измеряемой мощности на ваттметры среднего значения мощности непрерывных и (или) импульсно-модулированных сигналов, импульсной мощности (мощности в импульсе);

· по уровню средних значений измеряемых мощностей на ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (свыше 10 мВт до 10 Вт), большой мощности (свыше 10 Вт до 10 кВт);

· поточности на классы: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0;

· по типу СВЧ тракта на коаксиальные и волноводные.

ГОСТ 13605-75 допускает относить широкодиапазонные и многопредельные ваттметры к различным классам точности на различных участках диапазона частот и при различных пределах измерений.



2. Измерение силы тока

Количество достаточно точных, простых и удобных в эксплуатации приборов для измерения силы тока на сверхвысоких частотах еще очень ограничено. Это объясняется тем, что такие измерения связаны с большими трудностями: неравномерностью распределения силы тока в отдельных элементах цепи, влиянием распределенных индуктивностей и емкостей, влиянием геометрических размеров прибора, излучения, потерь в диэлектриках, потерь, обусловленных поверхностным эффектом, и т. д.

Указанные трудности до некоторой степени преодолеваются при измерениях на метровых и дециметровых волнах, но на более коротких волнах, - в диапазоне сантиметровых волн, - они в ряде случаев настолько велики, что приходится отказаться от измерения силы тока и пользоваться другими величинами, более доступными для измерения: мощностью, энергией, напряженностью поля и др.

2.1 Общие сведения

В большинстве случаев измеряемый ток пропускается через амперметр, при этом часть электрической энергии преобразуется в какой-либо другой вид энергии (механическую, тепловую, световую или химическую), которая регистрируется индикатором прибора и служит мерой величины силы тока. Любой амперметр сверхвысоких частот содержит элемент, преобразующий энергию высокочастотного тока в другой вид энергии, доступной для измерения и индикации.

Таким образом, применение амперметров связано с большим или меньшим потреблением энергии в измеряемой цепи.

В зависимости от того, измеряется ли сила тока в отдельном участке электрической цепи или в нагрузке, амперметр включается последовательно с этим участком цепи или с нагрузкой.

Определим выражение для силы тока в отдельных элементах цепи, показанной на рисунке 6а, при низкой и сверхвысокой частотах.

а) При токах низкой частоты (в пределах звукового диапазона) схема цепи, показанная на рисунке 6а, может быть с большой степенью точности заменена эквивалентной схемой для постоянного тока (рисунок 6б).

Рисунок 6 - Схема включения амперметра: а)А - амперметр; З - точка заземления; Г - источник электрического тока; R - сопротивление нагрузки; а-а и б-б - соединительные провода. б) Эквивалентная схема цепи с включенным амперметром при токах низкой частоты

Ток в цепи определяется электродвижущей силой источника и активными сопротивлениями цепи. Пренебрегая сопротивлением соединительных проводов, силу тока можно определить по закону Ома:

(10)

Где Е - э.д.с. источника тока;

R - сопротивление нагрузки;

Ri - внутреннее сопротивление источника;

Rn - внутреннее сопротивление прибора.

Отсюда видно, что для измерения силы постоянного тока амперметр может быть включен в любой участок цепи, и везде он покажет одно и то же значение.

б) При токах сверхвысокой частоты схема (рисунок 6б) не является эквивалентной схемой цепи по следующим причинам:

· Амперметр нельзя заменить одним активным сопротивлением; эквивалентная схема амперметра имеет вид, показанный на рисунке 7. С увеличением частоты возрастает значение реактивных составляющих сопротивления прибора.

Рисунок 7 - Эквивалентная схема амперметра при токах сверхвысокой частоты

· При прохождении по цепи токов сверхвысокой частоты распределенная индуктивность и емкость соединительных проводов приобретают существенное значение; поэтому эквивалентная схема цепи с включенным в нее амперметром может быть представлена так, как это показано на рисунке 8.



Рисунок 8 - Эквивалентная схема цепи с включенным амперметром при токах сверхвысокой частоты

Из эквивалентной схемы (рисунок 8) видно, что сила тока в отдельных участках цепи неодинакова. Следовательно, при измерении силы тока сверхвысокой частоты имеет значение место включения амперметра в цепь.

· Собственные емкости Сп и С0 и индуктивность Ln прибора при частоте

или близкой к ней образуют резонансный контур; поэтому ток в линии может сильно отличаться от тока в приборе.

· Даже в однородной линии с равномерно распределенными вдоль проводов емкостями и индуктивностями, но с сопротивлением нагрузки, отличным от волнового сопротивления, в цепи возникают стоячие волны. В этом случае сила тока в разных точках цепи различна, и место включения амперметра в цепь также играет существенную роль.

волномер диэлектрический напряжение ваттметр



2.2 Методы измерения

Различные методы, положенные в основу измерения силы тока, применяются в зависимости от силы тока, диапазона частот и назначения приборов. Ниже приводятся наиболее распространенные способы измерения силы тока на радиочастотах и кратко указываются преимущества и недостатки их применения.

Тепловой способ

Способ измерения силы тока основан на явлении удлинения металлической нити, нагреваемой измеряемым током.

Этот способ не нашел применения на сверхвысоких частотах вследствие значительных геометрических размеров нитей тепловых амперметров и слишком большой потребляемой мощности, что оказывает сильное влияние на величину тока в цепи. Кроме того, измерения при помощи тепловых приборов связаны с большими ошибками установки на нуль при колебаниях температуры окружающей среды. В технике тепловые амперметры применяются на частотах до 10 МГц для измерения токов от 60 мА до 5А.

Термоэлектрический способ

Способ измерения силы тока основан на превращении тока высокой частоты в постоянный ток, обусловленный термоэлектродвижущей силой, возникающей при нагревании контакта между двумя разнородными проводниками. Этот способ пригоден для измерения больших и малых величин силы тока в широком диапазоне частот (от звуковых до 3000 МГц).

Термоэлектрические амперметры нашли самое широкое распространение в диапазоне сверхвысоких частот. Подробное рассмотрение их приводится дальше.

Электродинамический способ

Основан на явлении взаимодействия полей токонесущих проводников. Принципиально электродинамические амперметры могут быть построены для диапазона сверхвысоких частот (известны конструкции для частот до 2000 МГц с расчетной ошибкой измерения порядка 8%). Однако подобные амперметры имеют сложную конструкцию и поэтому не получили распространения в измерительной технике.

Кристаллические детекторы

Редко применяются для измерения силы тока вследствие трудности изготовления их с одинаковыми и устойчивыми характеристиками. Благодаря высокой чувствительности кристаллические детекторы часто используются в качестве индикаторов силы тока.

Измерение силы тока по падению напряжения на известном сопротивлении

Преимущественно используется для измерения импульсных токов, так как измерить импульсы напряжения легче, чем импульсы тока (см. главу «Измерение напряжений").

Другие способы измерения силы тока

Например - фотометрический способ или с использованием газового термометра болометра и др., могут быть применены для измерений тока на сверхвысоких частотах. Большее распространение они получили при измерении мощности.

Из вышеприведенного краткого обзора видно, что термоэлектрический метод измерения силы тока на сверхвысоких частотах нашел наибольшее распространение. Термоэлектрические амперметры, представляющие собой сочетание термоэлемента с прибором постоянного тока, еще задолго до изобретения радио использовались физиками для индикации электромагнитных колебаний высокой частоты. Преимуществами их являются: высокая чувствительность, надежность в работе и компактность конструкции, допускающей включение прибора в высокочастотную цепь.



3. Измерение напряжений

Измерения напряжения на сверхвысоких частотах производятся чаще, чем измерения токов. Измерение напряжений в различных участках цепей позволяет оценить и проверить режим работы высокочастотных каскадов радиотехнических устройств. Измерением напряжений сверхвысокой частоты пользуются также при многочисленных косвенных измерениях различных электрических величин: напряженности поля, добротности контуров, полных сопротивлений и т. п.

При измерении напряжения в области сверхвысоких частот следует применять те же меры предосторожности, что и при измерении тока, обращая внимание на размеры, форму и расположение соединительных проводов, а также на конструкцию самого измерительного прибора.

Активная и реактивная составляющие входного сопротивления вольтметра должны быть большими, чтобы устранить шунтирующее действие и расстройку высокочастотной цепи. Измерение напряжений производится во всем диапазоне сверхвысоких частот до 3000 МГц.

Использование ламповых вольтметров для измерений на более коротких волнах ограничивается пределами применения обычных электронных ламп при соответствующих частотах. Кроме того, само понятие о напряжении между двумя точками при электромагнитных колебаниях с длиной волны порядка 10 см (и меньше) становится неудобным и неопределенным. При этих длинах волн в качестве передающих линий и контуров используются волноводы и электромагнитные (объемные) резонаторы со сложным распределением напряжения и токов. Поэтому целесообразнее в таких ' цепях пользоваться понятиями напряженности поля, мощности и других величин, которые легче измерить, чем напряжение.

В практике радиотехнических измерений применяется большое количество разнообразных вольтметров, отличающихся диапазонами частот и пределами измеряемых величин.

3.1 Методы измерения напряжений

Различные принципы, положенные в основу методов измерения напряжения, определяются величиной напряжения, диапазоном частот и назначением приборов.

Ниже рассматриваются наиболее распространенные методы измерения напряжения на сверхвысоких частотах и кратко указываются их преимущества и недостатки.

Ламповые вольтметры

Ламповые вольтметры нашли самое широкое распространение при измерении напряжений на сверхвысоких частотах.

Ламповым вольтметром называется электроизмерительный прибор для измерения напряжения по изменению величины анодного тока детекторной лампы в соответствии с напряжением, приложенным ко входу лампы.

На рисунке 9а показана блок-схема наиболее распространенного типа лампового вольтметра. Основными элементами его являются: лампа, используемая в качестве детектора, и индикаторный прибор магнитоэлектрического типа. Емкость С служит для шунтирования высокой частоты.

Рисунок 9 - а) Блок-схема лампового вольтметра. б) Схема подключения термовольтметра с удлинительной линией.

В ламповых вольтметрах применяется анодное, диодное и сеточное детектирование.

Кривая, выражающая зависимость тока, протекающего через индикаторный прибор, от переменного напряжения U на входе прибора, является одной из основных характеристик лампового вольтметра.

Термоэлектрические вольтметры

Термоэлектрические вольтметры тоже широко применяются на практике. Термоэлектрический способ измерения напряжения на сверхвысоких частотах позволяет конструировать компактные, переносные вольтметры. Эти приборы обладают обычно невысокой точностью. Термоэлектрический вольтметр аналогичен термоамперметру, но отличается от него тем, что в термовольтметре последовательно с подогревателем включается добавочное сопротивление.

Если пределы диапазона частот термоэлектрического вольтметра недостаточны, то их можно значительно расширить, но при этом несколько усложняется конструкция прибора. На рисунке 9б показана упрощенная схема термовольтметра с удлинительной линией, позволяющей расширить диапазон частот. Длину подводящих проводников 1 и 2, образующих с прибором последовательную цепь, можно изменять. При измерениях на различных частотах можно устанавливать такую длину l, при которой входное сопротивление вольтметра велико по сравнению с сопротивлением измеряемого участка цепи. Входное сопротивление термовольтметра при изменении длины подводящих проводов определяется выражением:

Где W - волновое сопротивление удлинительной линии;

Rn - сопротивление подогревателя термоэлемента;

Rл - сопротивление удлинительной линии.

Входное сопротивление термовольтметра достигает сотен тысяч Ом. Если сопротивление подогревателя настолько мало, что им можно пренебречь, т. е. можно считать удлинительную линию короткозамкнутой, то напряжение, прикладываемое к входу вольтметра

Где m - волновое число;

л - длина волны;

I - сила тока.

При ml = 90° напряжение

или

(11)

т. е. напряжение на нагрузке равно произведению волнового сопротивления удлинительной линии на силу тока.

Таким образом, измерение напряжения сводится к измерению силы тока I, так как волновое сопротивление легко определяется при известных геометрических размерах удлинительной линии.

Электростатические вольтметры

Электростатические вольтметры основаны на принципе взаимного притяжения и отталкивания проводников, несущих заряды противоположных и одноименных знаков.



Рисунок 10 - Схема статического вольтметра.

На рисунке 10 показана конструкция статического вольтметра. Он имеет неподвижные и вращающиеся металлические пластины; при подаче напряжения подвижные пластины притягиваются к неподвижным пластинам, вращаясь вокруг своей оси, на которой закреплена стрелка и один конец спиральной пружины. Последняя противодействует вращающему моменту пластин.

Зависимость между вращающим моментом подвижных пластин и приложенным напряжением выражается уравнением:

(12)

Где М - вращающий момент;

f(б) - коэффициент, зависящий от угла поворота б стрелки;

U - действующее значение измеряемого напряжения.

Электростатические вольтметры могут быть использованы для измерения постоянного и переменного тока частотой до 10 МГц. Применение подобных вольтметров для сверхвысоких частот затруднительно вследствие: а) большой входной емкости, изменяющейся при повороте стрелки; б) сравнительно длинных соединительных проводов.

Статические вольтметры часто применяются в схемах ламповых вольтметров в качества индикаторных приборов, когда необходимо иметь прибор с большим входным сопротивлением по постоянному току
(50-100 МОм).

Кристаллические детекторы

Кристаллические детекторы находят широкое применение в диапазоне сверхвысоких частот, но в основном только как индикаторы напряжения. Это объясняется трудностью изготовления кристаллических детекторов с устойчивыми и однородными характеристиками.

В настоящее время напряжения на сверхвысоких частотах измеряются преимущественно ламповыми вольтметрами.



4. Измерение длины волны или частоты

Измерение длины волны или частоты является одной из основных задач измерительной техники. Развитие радиотехники сверхвысоких частот потребовало разработки специальных приборов для измерения длины волны в этом диапазоне.

Измерители сверхвысоких частот весьма разнообразны. По принципу работы и назначению они подразделяются на резонансные, гетеродинные, интерференционные, волномеры для измерения критических волн, стоячих волн, волномеры, основанные на избирательном поглощении радиоволн некоторыми средами, и ряд других.

Наиболее широко применяются резонансные волномеры и гетеродинные измерители частоты.

Работы советских ученых имели решающее значение для разработки и усовершенствования методов измерения длины волны и частоты. Академик Л. И. Мандельштам предложил абсолютный метод градуировки волномеров, который в настоящее время получил наибольшее распространение. М. С. Нейман, Б. К. Шембель, В. И. Бунимович, Г. А. Кьяндский, А. А. Глаголева-Аркадьева и многие другие наши ученые и инженеры являются основоположниками ряда методов измерения длины волны в диапазоне сверхвысоких частот.

4.1 Резонансные волномеры

Длина волны и частота колебаний связаны соотношением:

(13)

Где f - частота;

л - длина волны колебаний в среде;

х - фазовая скорость распространения электромагнитных колебаний в среде.

Для свободного пространства х =c, где с - скорость распространения света.

В волноводах х ?c и л зависит от поперечных размеров волновода.

Таким образом, величины скорости распространения колебаний и длины волны не являются постоянными, а частота колебаний не зависит от условий распространения.

Понятием «длина волны» удобно пользоваться потому, что размеры колебательных систем сверхвысокочастотного диапазона соизмеримы с длиной волны. Это позволяет во многих случаях сводить измерение длины волны к измерению линейных размеров. В тех случаях, когда точность измерения линейных размеров недостаточна, преимущественно пользуются измерениями частоты путём сравнения с гармониками стабильных источников колебаний.

Приборы для измерения длины волны и частоты электромагнитных колебаний, основанные на резонансных явлениях колебательных систем, называются резонансными волномерами.

Основными элементами резонансного волномера являются колебательная система, элемент связи, индикатор и элемент настройки.

Блок-схема резонансного волномера показана на рисунке 11. При измерении частоты или длины волны колебательная система волн мера возбуждается колебаниями исследуемого источника через элемент связи. Настройка волномера на частоту измеряемых колебаний отмечается индикаторным устройством с ламповым или кристаллическим детектором или другими индикаторами. Индикаторное устройство включается непосредственно в колебательную цепь волномера или связывается с ней индуктивной или емкостной связью.



Рисунок 11 - Блок-схема резонансного волномера

При использовании контуров с сосредоточенными постоянными настройка волномера осуществляется при помощи переменной емкости (реже индуктивностью). В колебательных цепях с распределенными постоянными (отрезки линии, объемные резонаторы) настройка производится изменением геометрических размеров цепи.

Погрешности измерений при помощи резонансных волномеров различных конструкций составляют от 0,01 до 2-3%.

4.2 Схемы резонансных волномеров

В зависимости от диапазона измеряемых частот, требований к точности и условий эксплуатации применяют различные схемы волномеров. Последние различаются по типу колебательных контуров. В волномерах применяются контуры следующих типов:

· обычные контуры (с сосредоточенными постоянными);

· контуры смешанного типа;

· контуры с распределенными постоянными в виде отрезков концентрической или двухпроводной линии;

· контуры в виде электромагнитных (объемных) резонаторов.

Волномеры с контурами обычного типа.

Обычные резонансные контуры с сосредоточенными постоянными L и С применяются при частотах до 1000 МГц, если не требуется большая точность и чувствительность измерений.

Волномеры с колебательными контурами смешанного типа

Колебательные контуры смешанного типа содержат сосредоточенные и распределенные постоянные L и С. Обычно емкость сосредоточена, а индуктивность распределена. Такие колебательные контуры имеют широкий диапазон настройки и хорошие электрические данные (высокую добротность) при малых геометрических размерах в диапазоне частот 100-1000 МГц.

Рисунок 12 - Колебательный контур смешанного типа

На рисунке 12 показан один из вариантов смешанного колебательного контура, состоящего из переменного конденсатора и индуктивности, распределенной по ободу статора.

При повороте ротора емкость меняется вследствие изменения площади перекрытия ротора и статора, а индуктивность - вследствие введения пластин ротора в поле обода. При этом изменения емкости и индуктивности имеют одинаковый знак, т. е. при введении ротора величины С и L уменьшаются, а при выведении - увеличиваются. Благодаря этому достигается перекрытие широкого диапазона частот при помощи одного конура.

На рисунке 13 приведены кривые зависимости емкости С, индуктивности L и частоты f от угла поворота ротора б.

Рисунок 13 - Зависимость С, L и f от угла поворота б в колебательном контуре смешанного типа

Максимальная индуктивность контура определяется формулой:

(14)

где R, b и h - радиус, ширина и толщина обода статора, выраженные в см.

Емкость С контура определяется по известной формуле для конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком.

Волномеры с контурами в виде короткозамкнутых отрезков линий

Отрезки линий широко применяются в качестве колебательных контуров в диапазоне сверхвысоких частот. Они имеют высокую добротность, достигающую 5000-6 000 при вполне приемлемых габаритах.

В качестве контуров с распределенными постоянными применяют концентрические и двухпроводные отрезки короткозамкнутых линий.

На рисунке 14 показан волномер с отрезком концентрической линии. Задней стенкой служит поршень 1 для изменения длины l. Положение поршня фиксируется микрометрическим винтом (не показан на схеме). Связь волномера с источником колебаний осуществляется при gjмощи петли связи 2. Вблизи передней стенки другой петлей связи 3 отрезок линии связан с кристаллическим детектором 4 и микроамперметром МКА. Передвигая поршень 1, добиваются максимального отклонения стрелки микроамперметра. При этом длина линии l кратна целому числу полуволн, так как

где n - любое целое положительное число.

Продолжая перемещение поршня в сторону укорочения или удлинения линии, получают на приборе повторные показания настройки контура в резонанс.

Очевидно, что расстояние между двумя положениями поршня, при которых отмечается резонанс, равно половине длины волны. Точность волномера с таким контуром может быть существенно повышена, если поршень можно перемещать в пределах нескольких полуволн.

Рисунок 14 - Волномер с отрезком концентрической линии.

Добротность Q такого контура с учетом тепловых потерь, обусловленных поверхностным эффектом, определяется формулой

(15)

Где д - глубина проникновения тока в стенки линии в см;.

р - удельное сопротивление, в Ом·см;

м - магнитная проницаемость материала стенок, в системе единиц MKS;

л - длина волны, в см;

D и d - наружный и внутренний диаметр отрезка линии, в см;

l - длина линии, в см;

п - целое положительное число.

На рисунке 15 показано распределение магнитного Н и электрического Е полей внутри короткозамкнутого отрезка концентрической линии.

Электрические силовые линии направлены радиально, магнитные - по концентрическим окружностям вокруг внутреннего провода.

Подобные волномеры нашли применение для измерения длины волны в диапазоне 3-12 см при точности измерения 0,05-0,1 %. Для более длинных волн эти волномеры не применяются ввиду больших геометрических размеров колебательной системы. При волнах короче 3 см такие волномеры тоже не применяются вследствие резонанса контура на других типах волн, затрудняющего измерение.

Рисунок 15 - Распределение полей внутри короткозамкнутого отрезка концентрической линии.

На рисунке 16 показан волномер с контуром в виде разомкнутого отрезка линии длиной (в положении настройки). Настройка волномера производится изменением длины внутреннего стержня, связанного с микрометрическим механизмом. Шкала микрометра градуируется в длинах волн, или волномер снабжается градуировочной кривой.



Рисунок 16 - Волномер с контуром в виде отрезка разомкнутой линии.

Диапазон волномеров с контурами в виде отрезков концентрических линий может быть значительно расширен в сторону более длинных волн. Это достигается введением дополнительной емкости.

На рисунке 17 дана принципиальная схема такого волномера. В качестве колебательного контура используется замкнутая на обоих концах концентрическая линия, нагруженная емкостью С.

Емкость можно помещать в любом месте (на оси внутреннего проводника). Если она находится точно в середине, то колебательный контур симметричен. При настройке в резонанс геометрическая длина линии, нагруженной на емкость, меньше л/4. Условия резонанса в этом волномере выполняются при:

(16)

Это трансцендентное уравнение можно решить графически путем совмещения на общем чертеже графиков, выражающих зависимости:

(17)

где у1 - гипербола, а у2 - тангенсоида.

Рисунок 17 - Волномер с контуром в виде отрезка концентрической линии, нагруженной на емкость

Абсциссы точек пересечения этих кривых дают значения резонансных частот щ1, щ2, щ3…, по которым находят собственные волны л1, л2, л3… рассматриваемой системы.

При заданных l и W резонансная длина волны есть функция емкости.

На рисунке 18 показано распределение электрического и магнитного полей внутри контура волномера. Волномеры этого типа конструктивно просты, удобны в эксплуатации и компактны; они позволяют производить измерения длины волны с точностью порядка 0,5% и применяются для волн длиной от 20 см до 2 м и более.

Рисунок 18 - Распределение электрического и магнитного полей внутри отрезка концентрической линии, нагруженной на емкость

Волномеры с объемными резонаторами

На рисунке 19 дана принципиальная схема резонансного волномера с цилиндрическим объемным резонатором.

Волномер состоит из металлического цилиндра, передняя стенка которого имеет отверстие для связи с источником колебаний. Задней стенкой служит поршень, при помощи которого изменяется длина l резонатора при настройке. На боковой стенке, вблизи отверстия связи, помещается петля для связи с индикаторным устройством.



Рисунок 19 - Резонансный волномер с цилиндрическим объемным резонатором

Другая схема резонансного волномера с объемным резонатором показана на рисунке 20. В отличие от. предыдущей схемы, в качестве колебательного контура использован прямоугольный объемный резонатор.

Рисунок 20 - Резонансный волномер с прямоугольным объемным резонатором

Волномеры с объемными (полыми) резонаторами нашли применение при измерении длины волны в диапазоне волн 1-15 см при точности измерения 0,01-0,05%.



5. Понятие об измерении диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материалов

Материалы в виде твердых диэлектриков широко применяются в радиотехнических устройствах на сверхвысоких частотах. Они используются для электроизоляции и крепления токонесущих элементов (фидеры, электровакуумные приборы), для излучающих систем (диэлектрические антенны), трансформирующих устройств (втулочные трансформаторы) и т. д., поэтому измерение параметров диэлектрических материалов имеет большое практическое значение.

Пригодность диэлектриков для применения на сверхвысоких частотах характеризуется следующими основными показателями: диэлектрической проницаемостью, тангенсом угла потерь, электрической и механической прочностью и теплостойкостью. Решающее значение при выборе диэлектриков имеют величины диэлектрической проницаемости (постоянной) и угла потерь. Обе эти величины определяют электрическую прочность материала, теплостойкость и механическую прочность в рабочем режиме.

Ниже рассматриваются основные методы измерения диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь твердых диэлектриков.

5.1 Общие сведения

Не останавливаясь на физической стороне явлений, отметим, что от свойств диэлектрической среды зависят скорость распространения, а следовательно, и длина волны электромагнитных колебаний и величина потери мощности при их распространении. Поэтому, например, твердый диэлектрик, помещаемый между проводниками, окруженными воздухом, создает неоднородность, причем реактивный характер этой неоднородности определяется диэлектрической проницаемостью, а активный - тангенсом угла потерь. В общем случае диэлектрическая проницаемость ?* является комплексной величиной и определяется в системе MKSM выражением:

(18)

где з' - действительная часть диэлектрической проницаемости, измеряемая на практике и называемая абсолютной диэлектрической проницаемостью;

з'' - мнимая часть диэлектрической проницаемости;

у - проводимость диэлектрика;

f - частота электромагнитных колебаний.

Тангенс угла потерь характеризуется отношением:

(19)

Диэлектрическая проницаемость чаще всего выражается как относительная величина:

(20)

где ?0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства.

В системе MKSM диэлектрическая проницаемость свободного пространства ?0 численно равна 8,854?10-12 ф\м.

Приборы, служащие для измерения ? и tgд на сверхвысоких частотах, называются измерителями диэлектриков. В основу этих приборов положены разнообразные методы измерений, из которых наиболее широко применяются: резонансный метод, метод измерительной линии (по характеру распределения поля в линии), интерференционный метод, метод отражения и поглощения при расположении диэлектрика в свободном пространстве и др.

При конструировании измерителей диэлектриков встречаются значительные трудности, связанные с необходимостью обеспечения: высокой стабильности по частоте и мощности источника сверхвысокочастотных колебаний, большой точности отсчета частоты (и приращения частоты во время измерения), удобства и простоты изготовления измеряемых образцов диэлектрика и смены их в приборе, а также выполнения ряда других требований, присущих почти всем измерителям диэлектриков.

Отсюда следует, что к измерителям диэлектриков предъявляются повышенные требования в отношении высокой стабилизации источников питания, большой точности и разрешающей способности отсчетных механизмов, ослабления влияния внешней среды (температуры и влажности) на измерения и т. п.

Кроме того, измерения необходимо производить с большой точностью настройки и отсчета; при изготовлении образца из испытуемого материала - обеспечить соблюдение необходимых размеров, формы, чистоты поверхности и т. п. Незначительное отклонение от выполнения этих требований приводит к большим погрешностям измерения. Ниже приводится описание основных методов измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь; указываются также главные их преимущества и недостатки.

Существующие методы измерения в диапазоне сверхвысоких частот допускают измерение диэлектрической проницаемости в пределах от 1,01 до 100 при точности, достигающей 1,5%, и тангенса угла потерь (5?10-4-5?10-1) при точности 10-20%.



Таблица1

Обычно более высокая точность измерения диэлектрической проницаемости достигается при малых значениях тангенса угла потерь, измерение угла потерь облегчается при малых значениях диэлектрической постоянной.

Конкретное представление о порядке величин диэлектрической проницаемости и угла потерь на сверхвысоких частотах, а также электрической прочности и теплостойкости некоторых наиболее распространенных материалов можно получить при рассмотрении таблицы 1. В этой таблице значения ? и tgд приведены для температуры +25°С.

Числовые значения величин, приведенных в таблице, составлены по разнообразным литературным данным, из которых некоторые требуют еще уточнения (отмечены в таблице знаком ~) и могут считаться лишь приближенными.

5.2 Схемы и основные элементы резонансных измерителей диэлектриков

Резонансный метод измерения диэлектрических постоянных основан на использовании изменения резонансных свойств колебательных систем при введении в них образцов испытуемого диэлектрика. Например, изменение диэлектрической проницаемости ? изменяет частоту, а угол потерь tg д - затухание колебательной системы.

Схемы измерителей диэлектриков можно классифицировать по диапазонам длин волн (для метровых, дециметровых и сантиметровых волн).

Удобство такой классификации связано с использованием для каждого из этих диапазонов различных колебательных систем: обычных контуров с сосредоточенными постоянными, отрезков концентрических линий и объемных резонаторов.

Резонансный измеритель диэлектриков для диапазона сантиметровых волн

Блок-схема одного из вариантов резонансного измерителя диэлектриков с объемным резонатором показана на рисунке 21. Цилиндрический объемный резонатор возбуждается волной типа Е0,1,0 . Для ослабления связи генератор развязывается с резонатором при помощи аттенюатора. Испытуемый образец диэлектрика изготовляется в виде цилиндрического стержня с диаметром, в несколько раз меньшим внутреннего диаметра резонатора. Длина образца выбирается по длине резонатора.