Глава 4

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ

Как известно, импульсную мощность можно определять исходя из измеренного значения средней мощности и скважности импульсов, огибающая которых имеет прямоугольную форму. Однако такая методика является неприемлемой, если скважность импульсов непостоянна.

В этом случае применяют методы непосредственного измерения импульсной (пиковой) мощности. Среди них самым распространенным и наиболее простым является метод пикового детектора. Другие методы, описываемые в этой главе, используют в основном при научных исследованиях и в образцовой аппаратуре.

4.1. МЕТОД ПИКОВОГО ДЕТЕКТОРА (ВОЛЬТМЕТРА)

Сущность метода заключается в измерении напряжения сигнала на выходе пикового детектора, которое пропорционально импульсной мощности, подводимой к детектору. Детектор считают пиковым, если напряжение продетектированного сигнаЛаТтропорционально амплитуде СВЧ импульса.

Рассмотрим простейшую схему пикового детектора (рис. 4Л). В этой схеме сопротивление нагрузки детектора выбирают на несколько порядков больше внутреннего сопротивления диода. Однако и при высокоомной нагрузке нельзя получить пиковый детектор, если скважность импульсов большая. Используя отношение, решаемое графоаналитическим путем.

Рис. 4.1. -Простейшая схема пикового детектора.

tg Фот - Фот = nRi/fTRn,

(4.1)

где (pot - угол отсечки; - частота следования импульсов; т - длительность импульсов; Ri-внутреннее сопротивление диода; i? -сопротивление нагрузки детектора, можно приближенно оценить коэффициент передачи детектора {Кпер = cos фо,).

Так, при Rn = 50 МОм, Ri = 500 Ом (для диода 6Д13Д) коэффициент передачи составит: 0,98 при скважности l/Fjr ~ 100 и 0,90 при скважности 1000.

Аналогичные результаты получаются при расчете погрешности измерения амплитуды напряжения радиоимпульса по формуле

S =- - vwmMF:: (4.2)

при условии, что обратное сопротивление диода намного больше сопротивления нагрузки [2], т. е. 6 = -2,2% при скважности 100 и б = -10,4% при скважности 1000.

Таким образом, схеме детектора (рис. 4.1) присуща существенная зависимость показаний от скважности импульсов при постоянстве уровня сигнала, подводимого к детектору. Указанный недостаток можно в значительной степени уменьшить, применив схему автокомпенсационного вольтметра.

Приведем наиболее распространенную функциональную схему диодного автокомпенсационного вольтметра (рис. 4.2). Поступающий на вход схемы импульсный СВЧ сигнал с амплитудой t/ образует

Рис. 4.2. Функциональная схема диодного автокомпенсационного вольтметра.

на нагрузке диода импульсы, которые, усиливаясь, открывают ключ, обеспечивая при этом ступенчатый заряд конденсатора С© постоянным напряжением f/. Одновременно по цепи обратной связи через резистор Ri напряжение заряда конденсатора в качестве компенсирующего подается на диод Д, выполняющий функцию дискриминатора. Это на- . пряжение сравнивается с амплитудными значениями измеряемого сигнала. После прихода п-то импульса величина компенсирующего напряжения становится равной амплитуде измеряемого сигнала или больше нее нряолДх запирается. Начинается разряд конденсатора Со и продолжается до тех тюр, пока диод не откроется вновь. Таким образом, напряжение будет колебаться вблизи значения Um, причем величина отклонений определяется чувствительностью схемы и параметрами сигнала. Среднее значение И, близкое к Dm, измеряется вольтметром постоянного тока, отсчетный прибор которого отградуирован в единицах мощности.

4.1.1. Возможности и достоинства метода

Метод пикового детектора применим до-2-2,5 ГГц при использовании вакуумных диодов и до 18 ГГц-полупроводниковых диодов. Ограничение диапазона частот сверху обусловлено большими значениями частотных погрешностей, которые теоретически учесть невозможно. Градуировка прибора на частотах, близких к предельным, малоэффективна из-за большого разброса характеристик диодов; при замене диодов градуировку нужно проводить вновь.

Динамический диапазон, так же, как и частотный, зависит от характеристик применяемых диодов. При построении детектора на полупроводниковых диодах, работающих в квадратичном режиме, днна-

мический диапазон составляет порядка 20 дБ (от единиц и долей до десятков микроватт) для случая ламповых диодов (в линейном режиме) - от десятых долей ватта до 200 Вт. Применяя внешние делители, верхний предел можно увеличить до 500-1000 кВт.

Максимальная погрешность метода при автокомпенсационной схеме определяется следующими составляющими:

- максимальным значением частотной погрешности детекторного приемного преобразователя fi (при калибровке ваттметра с помощью образцовых средств за частотную погрешность принимают погрешность определения поправочных коэффициентов; в зависимости от применяемой образцовой аппаратуры максимальная относительная погрешность 6 обычно составляет ± (6-10)%);

- максимальной погрешностью, обусловленной чувствительностьюусилителя, fig (на практике эта погрешность обычно сказывается при малых уровнях измеряемых сигналов; в остальном участке динамического диапазона прибора ею можно пренебречь);

- максимальной погрешностью, вызванной нелинейными свойствами детектора,. бд (при использовании ламповых высокочастотных диодов 6Д13Д эта погрешность составляет 2-3% при амплитуде измеряемых импульсов от 2 до 10 В; при увеличении амплитуды сигнала эта погрешность уменьшается);

-максимальной погрешностью из-за изменения длительности и частоты следования импульсов 64 (может достигать 2-3% при частотах следования от 100 Гц до 10 кГц и длительности импульсов более 1 мкс);

- максимальной погрешностью измерения компенсирующего напряжения постоянного тока 65 (может принимать значения от 1 до 3% при использовании обычных стрелочных индикаторов и пренебрежимо мала при использовании цифрового отсчета); *

- максимальной погрешностью рассогласования брасс- Поскольку ваттметры калибруют по образцовому прибору, данная погрешность составит

6расс=±2ГгГе1. (4.3)

Пользуясь выражением (2.15), можно показать, что максимальная погрешность измерения импульсной мощности методом вольтметра составит: 6 а с = 8 ... 12% без учета погрешности рассогласования, бякс - 17 ... 20% с учетом погрешности рассогласования (при Г = = 0,33; Гв = 0,2). Если динамический диапазон расширяют с помощью внешних делителей, погрешность измерения в случае поэлементной калибровки прибора соответственно возрастает.

Методу пикового детектора свойственна специфическая дополнительная погрешность, обусловленная наличием гармонических составляющих в спектре сигнала. Влияние этой погрешности рассмотрено в гл. 2.

К достоинствам метода относится его простота и высокая надежность. Недостатками являются: низкая точность измерения мощности; ограниченный сверху диапазон рабочих частот; зависимость показаний прибора от величины гармонических составляющих в измеряемом сигнале. 114

4 1 i Приборы, основанные на меюде пикового детектор*

Согласованное нагрузочное сопротивление

Резистор

Детекторная головка

АВтокомпенса ционная цепь с отсчетным устройством

Пиковый Вольтметр

Рис. 4.3. Общий ввд (а) фу кциоиальная схема (б) ваттметра МЗ-ЗА.

сопротивление (рис. 4.3, б) и детекторную головку, присоединенную к некоторой части нагрузочного сопротивления (делителю). Напряжение высокой частоты на выходе делителя, пропорциональное подводимой к прибору мощности, измеряется пиковым вольтметром, собранным по автокомпенсационной схеме. В схеме детектора применен высокочастотный диод 6Д13Д.

При измерении мощности непрерывных колебаний индикаторная часть прибора упрощается. С помощью переключателя пиковый вольтметр превращается в обычный диодно-конденсаторный вольтметр с усилителем постоянного тока. К прибору прилагается график поправок, учитывающий амплитудные и частотные свойства прибора. Аналогичную схему имеет прибор МЗ-5А.

Основные характеристики приборов МЗ-ЗА, МЗ-5А приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

4.2. ИНТЕГРАЛЬНО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД

В литературе иногда этот метод называют бареттерным . Структурная схема прибора, основанного на интегрально-дифференциальном методе, приведена на рис. 4.4.

Болометричесиш преобразователь

Калибратор

Дифференцирующий усилитель

Источник тока смещения

Рис. 4.4. Структурная схема боло.метричеокого импульсного ваттметра.

Ваттметр работает следующим образом. При воздействии импульса СВЧ мощности на болометр приемного преобразователя его сопро-116

тивление изменяется во времени в соответствии с выражением

А?г = А?Гмакс(1-е- /-б).

(4.4)

где Ai?( MaKc - максимальное изменение сопротивления болометра в установившемся режиме при подаче мощности сигнала непрерывной генерации, равной пикоюй мощности; тр - тепловая постоянная времени болометра.

Если длительность импульса намного меньше тепловой постоянной времени болометра, то сопротивление болометра в течение импульса изменяется практически линейно, т. е.

(4.5)

Рис. 4.5. Форма импульса на входе н выходе болометрического преобразователя.

Таким образом, болометр ведет себя в данном случае как идеально интегрирующая система.

За счет протекающего через болометр / тока смещения при воздействии .на него * импульсной мощности на выходе преобразователя образуются пилообразные видеоимпульсы (рис. 4.5). Угол наклона прямой AL/Rf к оси абсцисс определяется импульсной мощностью, ТОКОМ смещения, чувствительностью и постоянной времени болометра. Пилообразные видеоимпульсы поступают на вход дифференцирующего

усилителя, гдеони преобразуются в импульсы прямоугольной формы, повторяющие огибающую высокочастотного импульса.

Амплитуда видеоимупульсов, пропорциональная импульсной мощности, измеряется пиковым вольтметром, шкала которого проградуи-рована непосредственно в единицах импульсной мощности.

Для исключения погрешности ваттметра за счет неидентичности болометров и изменения параметров устройства индикации, в приборе предусмотрена калибровка, для чего служит встроенный калибратор, представляющий собой генератор высокочастотных импульсов с фиксированным значением амплитуды и длительности. Уровень мощности сигнала калибровки контролируется с помощью пикового вольтметра. Ввиду того, что постоянная времени используемых болометрических преобразователей мала, они чувствительны к перегрузкам.

Приборы, в основу которых положен интегрально-дифференци- альный метод, позволяют измерять импульсную мощность от 10 мВт до 1 Вт с погрешностью 10-15% в диапазоне частот 0,1-10 ГГц.

Достоинством метода является прямой отсчет импульсной мощности. К недостаткам можно отнести: сравнительно невысокую точ- \ ность (10-15)%; малый динамический диапазон 15-20 дБ; повышен- V ную чувствительность болометрического преобразователя к перегрузкам.