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). *

На постоянном токе и переменном токе низкой частоты непосредственное измерение мощности зачастую заменяется измерением дей-

еиие

и* и

Рис. 1.1. Стоячие волны иаицряжешя и тока в линии передачи без потерь, нагруженной на неюогласовашгую нагрузку.

ствующего значения электрического напряжения н5 нагрузке U, действующего значения тока, протекающего через нагрузку /, и угла сдвига фаз между током и напряжением ф. При этом мощность определяют выражением

Р = UI cos ф.

В СВЧ диапазоне измерение напряжения и тока становится затруднительным. Соизмеримость размеров входных цепей измерительных устройств / с длиной волны К является одной из причин неоднозначности измерения напряжения и тока (рис. 1.1). Измерения сопровождаются значительными частотными погрешностями. Следует добавить, что измерение напряжения и тока в волноводных трактах при некоторых типах волн, например в круглом волноводе, теряет практический смысл, так как продольная составляющая в проводнике ся-

cyicTSyer, 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 1 ООО 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 нагруз- 1 ку (проходящей мощности);

- измерение мощности, которую источник может отдать в согласован- 2 ную 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(f) - 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 Рпид можно измерить непосредственно или определить по формуле исходя из средней мощности Рср, скважности Q и коэффициента формы импульса Кф :

пик = Кф QP,

где Q = lIFx - скважность импульсов; - частота следования импульсов, Гц; Тд - длительность импульсов, с; /Сфи - 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 (Рц). 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 АГфи = 1. В этом случае = Pj = QPj,.

При СВЧ импульсах с огибающей не прямоугольной формы понятие импульсная мощность становится неопределенным из-за отсутствия установившегося подхода к определению длительности импульса (рис. 1.2). -

Несмотря на разнообразие методов измерения СВЧ мощности, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных СВЧ

колебаний в другой вид энергии, доступной для измерения: тепловую,

еТпиб измерения СВЧ мощности наибольшее распространение получили ваттметры, основанные на тепловых методах Используют также ряд других методов-пондеромоторныи, зондовыи и другие.

(СВЧ)

Рис. 1.2. Зависимость Рв 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 = Zl (рис. 1.3).

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 должно быть равно характеристическому сопротивлению линии передачи Zgj,.

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 ватт метра проходящей мощности равны Z.

В реальных приборах условия согласования выполняются с некоторым приближением. Степень согласования импеданса ваттметра

Zon у. Нагрузка Линия передачи.

Рис. 1.3. Упрощенная структурная схема передачи СВЧ .мощности в нагрузку.

С ВОЛНОВЫМ сопротивлением линий передачи характеризуется коэффициентом отражения

T, = (Z,-Z, )/iZs + Z, ). (1.1)

Модуль коэффициента отражения равен отношению амплитуды напряженности поля отраженной волны Ej, к амплитуде напряженности поля падающей волны цад-

r, = £ V , . (1.2)

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

КСВ = (1+ Г)/(1-Г).

(1.3)

В зависимости от класса точности ваттметра КСВ на входе прибора не должен превышать следующих значений [10]:

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 полноводных. Большей ши-рокополосности достигают применяя сменные преобразователи. У наиболее широкополосных коаксиальных и полноводных ваттметров полоса рабочих частот ограничивается возможностями СВЧ тракта. Рабочий диапазон частот принято выражать в мегагерцах на частотах до 1 ООО 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 ответви-тели). 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 - этс погрешность прибора (включая систематическую и случайную состав-

ляющие) 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.

~Аб1 < б < Аб2, (1.4)

где А(,1 и А(,2 - предельно допустимые значения основной погрешности.

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

-At < б < + Лв. (1.5)

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:

Рсвч = Яв/АГпрс или Рсвч = РКэ, (1-6)

где - показание отсчетного устройства измерительной схемы: АГппб. - коэффициенты преобразования и эффективности приемного преобразователя, 8

Коэффициент преобразоЁания 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 тер-мисторных преобразователей /Спро = AR/AP (Ом/Вт) представляет отношение изменения сопротивления преобразователя к вызывающему его изменению мощности на входе преобразователя; для термоэлектрических -/Сцро = тэ.д.с/ (В/Вт), где {/.д.с. - значение тер-мо-э. д. с. на выходе преобразователя, Р - мощность на входе преобразователя; для диодных - /<црб = и/Р (В/Вт), где U - значение напряжения на выходе преобразователя, и т. д. В общем случае /Сцрб 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.

= КпсбСВч/Кпрб кал = Рвак/РсВЧ. (1.7)

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

Пользуясь значением /Сд, измеряемую мощность определяют как

Рсвч = PJKb, (1.8)

где Рв - показание отсчетного устройства ваттметра, Вт.

Основные требования, предъявляемые к при&мным преобразователям ваттметров, - постоянство коэффициентов преобразования и эффективности в рабочем диапазоне частот и уровней и максимальное приближение Kg 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 Ка - ~ 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 си-