4.3. ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ МОЩНОСТИ И РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОЙ ПО ИЗВЕСТНОЙ СКВАЖНОСТИ

Импульсную (пиковую) мощность можноопределить, измеряя среднее значение мощности, ширину импульсов и частоту повторения для данного метода. Характерны две разновидности структурных схем измерений [6].

Рассмотрим первую из них (рис. 4.6, а). С помощью ответвителя и подключенной к его вторичному пЛечу детекторной головки выпрямленный сигнал подается на осциллографдля определения длительности и частоты следования импульсов. Ваттметр измеряет среднее значение СВЧ мощности.

-{>h

Ваттметр поглощаемой мощности

Ваттметр

поглощаемой

мощности

Рис. 4.6. Структурные схемы для измерения средней мощности н параметров пм-

ПуЛЬС01В.

Импульсную мощность определяют по формуле

Рп = PjFuTu. (4.6)

Погрешность метода при такой схеме включает следующие составляющие:

- погрешность измерения среднего значения мощности, определяемую классом ваттметра поглощаемой мощности; в зависимости от типа ваттметра может составлять ±(4-10)%;

- погрешность измерения длительности импульсов; при осцилло-графическом измерителе временных интервалов типа И2-17 может лежать в пределах ±(1-2)%;

- погрешность измерения частоты следования импульсов; используя недорогостоящие приборы, измерение частоты следования импульсов можно обеспечить с погрешностью ±(1-2)%. А

Согласно формуле (2.15) погрешность определения импульсной мощности при огибающей импульса прямоугольной формы и постоянной скважности без учета погрешности рассогласования составит ±(5-11)%.

Границы диапазона частот в каждом отдельном случае определяются типом ваттметра поглощаемой мощности. Метод применим в диапазоне от метровых до миллиметровых длин волн. Пределы измерений также определяются типом применяемого ваттметра поглощаемой мощности. Динамический диапазон - от долей милливатт до сотен киловатт импульсной мощности. 118

Вторая разновидность схемы для данного метода измерения (рис. 4.6, б) отличается тем, что ваттметр поглощаемой мощности включен в боковое плечо ответвителя. Импульсная мощность падающей волны в этом случае определяется по формуле

/и = Рср/( т -10-дБ/1 ). (4.7)

где /СдБ - коэффициент передачи направленного ответвителя, дБ.

Погрешность данной разновидности метода измерения импульсной мощности больше и состоит из следующих частных составляющих:

- погрешности измерения среднего значения мощности ваттметром поглощаемой мощности;

- погрешности измерения длительности импульсов;

- погрешности измерения частоты следования импульсов;

- погрешности определения коэффициента передечи направленного ответвителя. При измерении коэффициента передачи с помощью установок Д1-3, ДК1-6 обеспечивается погрешность порядка ±(0,2- 0,3) дБ для значений коэффициента передачи до 50-60 дБ. Таким образом, увеличение погрешности измерения обусловлено применением направленного ответвителя.

Рассматриваемый метод измерения применим в диапазоне от метровых до миллиметровых длин волн. Вторая разновидность метода обеспечивает измерение более высоких уровней мощностн, чем первая. Пределы измерений ограничиваются характеристиками ваттметров поглощаемой мощности, мощностью рассеяния нагрузки и электрической прочностью передающей линии. Погрешности обеих разновидностей метода увеличиваются, если форма импульсов отличается от прямоугольной.

К достоинствам метода относятся: возможность измерения высо- \ ких уровней импульсной мощности и применимость в широком диапа- зоне частот. Недостатками являются: отсутствие прямого отсчета; неприменимость для случаев переменной скважности; необходимость точно определять параметры импульсов; сравнительно большое время измерений.

4.4. МЕТОДЫ СРАВНЕНИЯ С.ОПОРНЫМ СИГНАЛОМ

Существует несколько разновидностей метода [6]: сравнение с опорным СВЧ сигналом непрерывной генерации; сравнение с опорным СВЧ сигналом непрерывной генерации с провалом на время действия СВЧ импульса (метод щели ); сравнение вырезок или метод проб. Все они основаны на сравнении импульсного СВЧ сигнала (или вырезанной части импульсного СВЧ сигнала) с опорным сигналом. В качестве опорного соответственно принимают СВЧ сигнал непрерывной генерации, сигнал непрерывной генерации с провалом на время действия СВЧ импульса или вырезанную часть СВЧ сигнала непрерывной генерации, равную по длительности вырезанной части импульсного сигнала.

Сравнение производится с помощью детекторной головки и наблюдается на осциллографе. При этом частоты несущей СВЧ импульсного сигнала и сигнала непрерывной генерации должны быть равны, чтобы гарантировалось постоянство коэффициента передачи детекторной головки пи приеме обоих сигналов.

4.4.1. Метод сравнения с опорным СВЧ сигнвпом непрерывной генерации

Иногда в литературе этот метод называют методом прямого измерения импульсной мощности, хотя, как будет показано, прямой отсчет импульсной мощности невозможен. Сущность метода поясняется структурной схемой, приведенной на рис. 4.7.

(CBV) -2

Развязывающий аттенюатор

tt

Ваттметр поглощаемой мощности

Рис. 4.7. Структурная схема устройства для измерения импульсной мощности методом сравнения с опорным сигналом НГ без провала .

На вход детекторной головки осциллографического индикатора подается поочередно мощность от источника импульсной мощности к СВЧ генератора, работающего в режиме НГ. При этом регулировкой выходной мощности генератора НГ устанавливают равенство сигналов на осциллографе. После этого измеряют мощность сигнала НГ на выходе развязывающего аттенюатора.

Мощность на выходе источника рассчитывают по формуле

Р = Рв/ТСпер. (4.8)

где Рв - мощность сигнала НГ, измеренная ваттметром;

Л: ср = -Рг/Рпад (4.9)

- коэффициент передачи направленного ответвителя; - мощность, ответвляемая во вторичный канал направленного ответвителя; Рпад - падающая мощность на выходе основного канала направленного ответвителя.

Погрешность метода состоит из следующих составляющих: - погрешности измерения мощности сигнала НГ; в зависимости от типа ваттметра может быть равна ±(4-6)%;

- погрешности сравнения уровня постоянной составляющей продетектированного сигнала НГ с амплитудой импульсного сигнала по осциллографу, которая не превышает ±(1,0-1,5)%;

- погрешности определения коэффициента передачи направленного ответвителя; при измерении коэффициента передачи с помощью установок Д1-3, ДК1-6 обеспечивается погрешность порядка ±(4-7)% для значений коэффициента передачи до 50-60 дБ;

- погрешности, обусловленной перестыковкой соединительных разъемов (или погрешность за счет переключателя) - около 1 %.

Таким образом, погрешность метода без учета погрешности рассогласования составит ±(5-8)%.

Метод применим в диапазоне от метровых до миллиметровых длин волн. Динамический диапазон - от единиц милливатт до сотен киловатт. Достоинства метода состоят в сравнительно высокой точности измерения и применимости при любых скважностях. Его недостатки: отсутствие прямого отсчета и необходимость применения специальных приборов.

4.4.2. Метод щепи

Сущность метода заключается в следующем. Амплитуду ослабленного импульсного СВЧ сигнала сравнивают с амплитудой сигнала от стробированного генератора СВЧ мощности по осциллографу

Ваттметр , поглощаемой мощности

Рис. 4.8. Структурная схема устройства для измерения импульсной мощности методом щели ..

(рис. 4.8). Мощность сигнала НГ, прерываемого на время действия радиоимпульса, измеряют ваттметром поглощаемой мощности. Импульсную мощность рассчитывают по формуле

Р = Рв С ер. (4-10)

где Рв - мощность сигнала НГ (с провалом ), измеренная ваттметром поглощаемой мощности; ТСцер - коэффициент передачи направленного ответвителя .

Схемой управляет генератор видеоимпульсов. Одновременно с синхроимпульсом, запускающим источник импульсной мощности, подается запирающий импульс, срывающий колебания СВЧ генератора НГ. По окончании синхроимпульса СВЧ генератор НГ возвращается в режим непрерывной генерации. Через направленные ответви-тели /, , / сигналы от источника импульсной мощности и СВЧ генератора поступают на детекторную головку осциллографа. На рис. 4.8 показана примерная осциллограмма продетектированного сигнала, поступающего на вход осциллографа. Показания ваттметра поглощаемой мощности фиксируются в момент, когда амплитуды сигналов от СВЧ генератора и от источника импульсной мощности становятся равными (выравнивание осуществляют изменяя уровень выходной мощности СВЧ генератора НГ).

Приведенный метод применяют в тех случаях, когда скважность импульсов достаточно велика и срыв СВЧ генератора НГ на время действия импульса мало сказывается на величине средней мощности. В отличие от схемы, приведенной на рис. 4.7, в данном случае не требуется переключения каналов СВЧ.

Составляющие погрешности метода те же, что и для метода сравнения с опорным уровнем сигнала непрерывной генерации без провала, за исключением погрешности СВЧ переключателя.

Метод применим в диапазоне от метровых до миллиметровых длин волн. Динамический диапазон - от единиц милливатт до сотен киловатт. Достоинство метода - сравнительно высокая точность измерений. Недостатки - отсутствие прямого отсчета; громоздкость и необходимость использования сложной аппаратуры.

4.4.3. Метод проб

Этот метод отличается от предыдущих методов сравнения тем, что позволяет исследовать СВЧ импульсный сигнал в любой части его длительности. Наибольшая погрешность метода не превышает 3-5%. Метод громоздкий и требует специальной аппаратуры.

4.5. МЕТОД, ОСНОВАННЫЙ НА ИЗМЕНЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СВЧ ПОЛЯ

Известно, что в полупроводниках в отсутствие электрического поля электроны и дырки совершают хаотическое движение. Сталкиваясь с кристаллической решеткой, электроны и дырки изменяют не только направление своего движения, но и скорость. Изменение скорости обусловливается изменением энергии, которая в одном случае отдается решетке, а в другом случае воспринимается от нее. Однако средняя скорость электронов сохраняется неизменной, если температурные условия, в которых находится полупроводник, неизменны.

По-иному обстоит дело, если поместить полупроводник в электрическое поле [9]. В этом случае на хаотическую траекторию движения электронов будет накладываться составляющая упорядоченного движения и подвижность электронов будет определяться следующим выражением:

ы = (е/тэ) [ (f + f )], (4. И)

где е - заряд электрона; Шд - масса электрона; / - длина свободного пробега; - тепловая скорость электронов; - дрейфовая скорость электронов.

Из выражения (4.И) видно, что подвижность существенно изменяется, если дрейфовая составляющая скорости Vд становится сравни-

ПиноВый дольтметр

И нагрузке

Волновод

Полупроводниковый элемент

Рис. 4.9. Схема устройства для измерения импульсной мощности с использованием полупровоисниковых элементов.

мой С тепловой скоростью. Происходит это в сильных электрических полях. Электрическое поле, воздействуя на электроны проводимости в полупроводниках, увеличивает их кинетическую энергию. При этом , направленное действие поля не приводит к упорядоченному движению электронов. Электроны, соударяясь с так называемыми центрами рассеяния , изменяют направление своего движения практически) без уменьшения приобретенной скорости. Таким образом, при нало- жении электрического поля увеличивается средняя хаотическая скорость электронов, что эквивалентно повышению их температуры от носительно температуры решетки.

Описанное явление называют разогревом электронов. Результа-Л том разогрева электронов является уменьшение их подвижности, 1 а значит, и проводимости.

Схема устройства для измерения импульсной мощности, в которой используется явление разогрева электронов под действием СВЧ поля, может иметь вид, показанный на рис. 4.9. Уменьшение подвижности электронов в полупроводниковом элементе, включенном в цепь постоянного тока, при поступлении импульса СВЧ приводит к образованию видеоимпульса на полупроводниковом элементе. Амплитуду видеоимпульса, пропорциональную импульсной мощности, измеряет пиковый вольтметр, откалиброванный в единицах мощности.

Достоинства метода - простота конструкции; малая инерционность, порядка 10- -10 с; пригодность для измерения проходящей импульсной мощности.