гдeZ -модуль импеданса нагрузки;

со5ц> = RJ\Z\ = RjVW+X; (2.42)

R, X - активная и реактивная составляющие импеданса. Если нагрузка активная, мощность можно выразить в виде

Р = ip/p. -(2.43)

Аналогично выражение для мощности, рассеиваемой в нагрузке, сопротивление которой активно и равно волновому сопротивлению линии передачи, т. е. Zh = Zj,:

где Uo - действующее значение напряжения на согласованной нагрузке; - волновое сопротивление линии.

Резистор СВЧ

ГСВЧ

Резистор СВЧ

К измерительному блоку

к иэмери--*~ тельному блоку

Рис. 2.57. Схемы включения детекторной голоьки.

Измерение мощности СВЧ, таким образом, может быть сведено к измерению напряжения на согласованной нагрузке с помощью высокочастотного вольтметра, шкала которого откалибрована в единицах мощности. Этот метод измерения мощности принято называть методом вольтметра. Измерение напряжения в цепях g распределенными постоянными на частотах свыше 100 МГц связано с рядом трудностей.

Во-первых, практически не удается получить нагрузку с импедансом, равным волновому сопротивлению линии передачи, т. е. Zh Ф Z . Следовательно,

ВДл Ф UIIZ , (2.45)

где f/ - напряжение, измеренное на входе нагрузки.

Во-вторых, величина измеренного напряжения f/ зависит:

а) от согласования импеданса нагрузки и генератора с линией

передачи и места включения вольтметра в передающий тракт, т. е.

f/н = f/o (1 + Г )/(1 - ГгГн),

(2.46)

где Г - комплексные коэффициенты отражения от генератора

и РУ дцух свойств детекторного преобразователя (головки)

вольтметра.

Чтобы уменьшить влияние указанных факторов на погрешность измерений или их частично компенсировать, применяют ваттметры, у которых детекторную головку как часть приемного преобразователя устанавливают либо непосредственно на входе согласованной нагрузки или на ее части (рис. 2.57). При таком включении длина соединительных проводников может быть сделана минимальной и зависимость показаний от ,ины волны снижается до приемлемых значений.

2.5.1. Детекторные преобразователи и измерительные блоки ваттметров

В качестве преобразующего элемента преобразователи применяют как полупроводниковые, так и вакуумные диоды. Детекторные преобразователи (головки) на базе вакуумных диодов позволяют измерять

Поглощающий . Са

слой резистора QnPimnna jn

, Полупроводник /электрод / конструктивная

емкость

Рис. 2.58. Конструкция (а) и эквивалентная схема (б) детекторной головки.

МОЩНОСТИ больших уровней-от нескольких ватт до нескольких сотен киловатт. Полупроводниковые диоды используют для измерения мощности относительно малых уровней.

Калибровка ваттметров на реальных уровнях мощности с помощью образцовых приборов позволяет учесть значительные частотные погрешности детекторной головки. В результате калибровки к прибору прилагают график частотных поправок, которым следует пользоваться при измерении мощности. Наиболее высокочастотные вакуумные диоды, например 6Д13Д, позволяк)т применить метод вольтметра до 2 ГГц. Полупроводниковые диоды можно использовать на более высоких частотах, но также с графиками частотных поправок. Они обладают меньшей устойчивостью к перегрузкам и их выпрямляющие свойства зависят от температуры окружающей среды.

Б последнее время получают распространение детекторные вставки, состоящие из полупроводникового диода, пленочного СВЧ резистора и конструктивной емкости, объединенных в один узел. Резистор служит нагрузкой линии передачи. В такой вставке (рис. 2.58, а) поглощающий слой резистора в виде тонкой металлической пленки наносят на наружную поверхность керамической трубки, внутри которой укрепляют диод. Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы в сочетании с динамическим сопротивлением диода получить

сопротивление, близкое к волновому сопротивлению линии передачи. Рассматриваемая конструкция обеспечивает сравнительно равномерную частотную характеристику. Неравномерность составляет 1-2 дБ в диапазоне частот до 12-18 ГГц.

Эквивалентная схема детекторной головки (рис. 2.58, б) состоит из индуктивности электродов диода Lb, активного сопротивления электродов диода Гв, сопротивления СВЧ резистора /?, емкости диода Сд, сопротивления диода Ri и конструктивной емкости С , параллельно которой включено сопротивление. нагрузки детектора R. Входное сопротивление схемы в общем виде представляет собой комплексную величину, зависящую от частоты, что является одной из причин непостоянства коэффициента преобразования детекторной головки (чувствительности) в диапазоне частот.

В зависимости от характеристики диода и уровня сигнала различают два вида детектирования - линейное и квадратичное. В режиме линейного детектирования обычно работают детекторы на ламповых диодах при напряжении на входе от 1-2 до 100 В и более. Квадратичное детектирование применяют для измерения малых мощностей (уровень входного напряжения до 50-70 мВ) при использовании полупроводниковых диодов.

Аналитическая связь между током / и напряжением U при квадратичном детектировании может быть выражена в виде ряда Тейлора: I=f{U) + r (U)AU + г {U) (Ш2\) + .... (2.47)

где / (U) = dl/dU - G - электрическая проводимость диода в рабочей точке, / {11) ~ S p - мера кривизны характеристики. Если к детектору подводится постоянное U и переменное t/ cos tof напряжения, то для тока можно записат1г выражение

/ = /о + Gm COS (О/ + COS 2Ы.

(2.48)

Вследствие нелинейности характеристики появляется вторая гармоника тока, а постоянная составляющая увеличивается на Д/ = (S p/4) и1г = У2 {S.p/G)AP, (2.49)

где АР - подведенная к детектору СВЧ мощность. Чувствительность детектора по току

AI/AP = S p/2G (2.50)

зависит от положения рабочей точки на характеристике детектора. Подавая на диод ток смещения, можно изменять рабочую точку. Смещение позволяет стабилизировать рабочую точку и чувствительность в интервале температур.

В зависимости от выбранного значения сопротивления нагрузки детектора различают детекторные преобразователи действующих (эффективных) и пиковых (амплитудных) значений. Для измерения средних значений мощности применяют преобразователи эффективных и амплитудных (значений, для измерения импульсной мощности - только амплитудных.

Напряжение, снимаемое с нагрузки полупроводникового детектора, обычно невелико. Поэтому его усиливают до 1-10 В, что обеспечивает удобную индикацию и возможность использования метода вольтметра в системах автоматизированного контроля.

Специфическим требованием, предъявляемым к усилителям, является постоянство входного сопротивления во всем динамическом диапазоне. При квадратичном детектировании не следует выбирать усилитель с большим входным сопротивлением, чтобы не уменьшать динамический диапазон со стороны больших уровней 1721:

(2.51)

где ki - коэффициент пропорциональности, б - допустимая относительная погрешность неквадратичности; R - сопротивление нагрузки детектора (входное сопротивление усилителя).

При уменьшении уменьшается коэффициент преобразования и увеличивается минимальная мощность, необходимая для получения-на нагрузке детектора напряжения,Достаточного для работы усилителя (индикатора). Полагая, что напряжение сигнала на нагрузке детектора превышает напряжение шума в несколько раз, динамический диапазон квадратичного детектора можно определить как 172]

(2.52)

где - коэффициент пропорциональности.

Иногда непосредственно в цепь нагрузки детектора включают чувствительные микроамперметры (гальванометры). Чтобы входное сопротивление нагрузки оставалось неизменным при переключении пределов измерений, между детектором и индикаторным прибором включают Т-образные делители.

При квадратичном детектировании выходной сигнал детектора линейно связан с мощностью измеряемого сигнала, а при линейном детектировании зависимость имеет квадратичный характер. Для линеаризации сигнала применяют специальные схемы промежуточных преобразователей с нелинейностью, обратной нелинейности характеристики детектора. -

Рассмотрим в упрощенном виде конструкцию преобразователя на вакуумном диоде, которая представляет собой единый узел с высокочастотным делителем мощности ( рис. 2.59). Преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии, Г-образного делителя и лампового диода 6Д13Д. Катод диода замыкается на корпус через конденсатор Ск-Делитель включает в себя резистор R, являющийся продолжением внутреннего проводника коаксиала,. и резисторы Rz, включенные между собой параллельно и замыкающие делитель на корпус. Входное сопротивление делителя выбирают равным волновому сопротивлению линии передачи. Анод диода 6Д13Д подключают к делителю через антирезонансное сопротивление Rg, благодаря чему слабее проявляются резонансные явления, обусловленные индуктивностью подводящих проводов и междуэлектродной емкостью анод-катод диода. Сопро-

тивление Rs рассчитывакя- по приближенной формуле [73] /?з = (0.5...2) 2п/резСа-к,

(2.53)

где /р,з - резонансная частота диода, Гц; Q-k - междуэлектродная емкость анод-катод, Ф.

Катод

накала

Рис. 2.59. Коисттрукцня детекторной головки с вакуумным диодом 6Д13Д.

Полученное значение уточняют экспериментально. Степень влияния антирезонансного сопротивления на частотные характеристики детекторного преобразователя-с диодом 6Д13Д иллюстрирует рис. 2.60 (кривая /). Здесь PJPob - отношение показаний рабочего прибора

к мощности, измеренной образцовым прибором.

Следует отметить, что частотная характеристика детекторного преобразователя на вакуумных диодах определяется не только резонансными свойствами диодов, но и такими параметрами, как амплитуда измеряемого сигнала и величи- -на зазора катод-анод в диоде. Вследствие того, что электро-I ны, испускаемые катоДом диода, 2,0 f,rrq могут пролетать зазор катод-анод за время, соизмеримое с периодом СВЧ колебаний, происходит спад частотной характеристики. Он увеличивается с ростом частоты, увеличением зазора и уменьшением амплитуды измеряемого сигнала [75]. Так как этот спад может быть значительным, то для уменьшения частотной погрешности ваттметра пользуются экспериментально снятыми при калибровке кривыми амплитудно-частотных поправок. Определяя же погрешность метода (прибора), учитывают неисключенный остаток частотной погрешности (погрешности поправочного графика). Рабочие ваттметры калибруют с помощью образцовых ваттметров и установок. 74

Рис 2 60. Частотные характеристики ваттметра МЗ-9 с антирезонансньш сопротивлением (/) и без него

2.5.2. Возможности и достоинства метода

Метод вольтметра применим до 18 ГГц с полупроводниковыми, до 2 ГГц - с вакуумными диодами. Минимальный уровень измеряемых мощностей - сотые доли микроватта, максимальный - до нескольких сотен киловатт при наличии внешних делителей.

Погрешность измерений СВЧ мощности определяется следующими основными составляющими:

- погрешностью калибровки прибора (погрешностью построения графика частотных поправок). Ее максимальное значение в зависимости от уровня мощности и используемых при этом образцовых приборов может колебаться в пределах ± (4-10%);

- погрешностью калибровки внешнего делителя 62. ее максимальное значение при пользовании установками для измеренияэслабления Д1-3 или Д1-6 составляет ±7%;

- пофешностью, обусловленной неравномерностью коэффициента преобразования в динамическом диапазоне, бд. Ее максимальное значение зависит от типа диода и степени приближения его действительной характеристики к выбранной; в динамическом диапазоне 10 дБ нетрудно обеспечить значения погрешности порядка ± (1-3%);

- погрешностью, обусловленной рассогласованием, Ь; максимальное значение этой погрешности (см. приложение 3) составляет

расе маис = (1 ± I )=/(1 Т Г, [ Г )==- 1.

(2.54)

Если прокалибровать прибор по образцовому ваттметру в значениях падающей мощности, то погрешность измерений уменьшится и составит

б;асе акс=1/(1±ГгГ,)-1

(2.55)

(см. номограммы для определения погрешности рассогласования, приведенные на рис. П.10, П. 11 приложения).

При малых значениях и Гв выражение (2.55) упрощается и приобретает вид

брасс макс -

±2ГгГ,.

(2.56)

Согласно выражению (2.15) максимальное значение относительной погрешности измерений для рассматриваемого стучая без учета погрешности рассогласования составляет б = ± (6,5-11) %. С учетом погрешности за счет рассогласования максимальное значение относительной погрешности значительно возрастает и при Г = 0,33 и Гв = 0,2 может достигнуть ± (20-25)% даже при использовании поправочных графиков.

Кроме того, следует учитывать, что при наличии гармонических составляющих в измеряемом сигнале возникает дополнительная погрешность. Максимальное значение дополнительной погрешности зависит от соотношения амплитуд гармоники и основного сигнала, коэффициентов преобразования на основной частоте и частоте гармоники, сдвига фаз между основной и гармонической составляющими и вида