Главная ->  Измерение мощности СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28

5.3. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Повышать ТОЧНОСТЬ измерений можно уменьшая погрешность измерительного блока, учитывая погреиность, обусловленную отражением мощности от входа ваттметра, используя настроечные устройства и учитывая потери в них, а также калибруя приемные преобразователи или рабочие ваттметры в целом с помощью более точной образцовой аппаратуры.

5.3.1. Уменьшение погрешности измерительного блока

Погрешность измерительного блока (инструментальная погрешность) является частной составляющей основной погрешности прибора. В ряде ваттметров погрешность измерительного блока можно уменьшить применяя более точный внешний индикатор (цифровой или по-

Потенциометр Достоянного тока

Рабочий термистор

Ваттметр M3-2Z

Приемный \преобразоВатель\

Рис. 5.11. Использование потенциометра постоянного тока для измерения замещающей мощности.

тенциометрический), а также вводя поправки. Например, в термисторных ваттметрах МЗ-22 и М4-3 потенциометр постоянного тока может быть непосредственно подключен к клеммам рабочий термистор (рис. 5.11). Величину замещающей мощности в милливаттах рассчитывают в этом случае по формуле

Pss.m= (U\-U\)lOyRt., (5-16)

где Ui, и2 - показания потенциометра до и после подачи на преобразователь СВЧ мощности, В.

Используя цифровой отсчет, инструментальную погрешность можно уменьшить до 0,5% и менее, а при измерении замещающей мощностн с помощью потенциометра постоянного тока второго класса - до 0,1%.

5.3.2. Коррекция показаний ваттметра с цепью учета потерь за счет отражения от входа ваттметра

Как уже указывалось в гл. 2, соотношение между мощностью, развиваемой генератором на согласованной нагрузке, и мощностью, измеренной ваттметром поглощающего типа PjKa, может быть представлено уравнением

Я -

1-ГгГв1

1-1 г г-

(5.17)

Пользуясь этим уравнением, можно определить мощность при условии, если известны модули и фазы коэффициентов отражения генератора и ваттметра.

Однако на практике чаще всего бывают известны только модули коэффициентов отражения. В этом случае вычисляют поправочный множитель nzft = 1/(1 - Гв I*) к результату измерения PjKb* введением которого учитывают потери мощности за счет отражения от входа ваттметра. При малых значениях Гв поправочный множитель равен 1 + I Гв р.

После введения поправки результат измерения будет отличаться от Рсогл величину погрешАОсти рассогласования, т. е.

6расс= 1/1-ГгГвР-1. (5.18)

Максимальное значение погрешности рассогласования составит

расе макс = (i г/ Гв )--1 = ±2 Г, 11 Гв . (5.19)

Погрешность рассогласования можно также определить из графика, -приведенного в приложении (рис. П.10).

5.3.3. Использование при измерениях настроечных устройств

С помощью настроечных устройств (трансформаторов сопротивлений) сводят к минимуму отражение от входа ваттметра (Гв 0). следовательно, практически исключают погрешность рассогласования.

(CBW)

Трансформатор сопротивления

Ваттметр

Рис. 5.12. Структурная схема измерения мощности источника с использованием

настроечного устройства.

В этом случае трансформатор (рис. 5.12) совместно с ваттметром представляет собой согласованную нагрузку. Мощность источника, отдаваемая в согласованную нагрузку, равна

Рсогл ~ Рв (1 + ос )/К (5.20)

где а - коэффициент, характеризующий потери в трансформаторе.

Рассмотрим схему установки для измерения потерь и учета их при измерении мощности (рис. 5.13). Установка состоит из генератора СВЧ сигнала /, системы стабилизации его уровня 2 пЗ, системы индикации отраженной волны 4, 5 и выходного индикатора б, 7.

Выходную мощность сигнала генератора устанавливают такой, чтобы обеспечивать режим работы детекторных головок 4 н 7, соответствующий квадратичному участку характеристики. До подачи СВЧ сигнала направленный ответвитель соединяют с образцовым настроечным устройством 8 и после подачи сигнала его настраивают на минимум



отражения по показанию измерительного усилителя 5. Используя ручку установки усиления, устанавливают удобный опорный уровень по измерительному усилителю 6.

Затем в схему включают трансформаторы а и fc, из которых b является испытуемым. Настройка трансформатора Ь должна сохраняться такой, какой она была при измерении мощности. Настраивая трансформатор а, сводят к минимуму показание индикатора 5, что соответствует минимуму отражения. При этом по прибору б отсчитывают

(СВЧ)

~Г1 I Jl. I* 1 Усилитель Усилитель Х ? измерительный измерительный

Х7~ калибровка l образцовое настроеч-- Т-- -Г нов устройство \

Рис. 5.13. Структурная схема для иамарения потерь в настроечлом устройстве: а, Ь, с - однотвповые настроечные устройства, из которых Ь - испытуемое настроечное I устройство.

потери В децибелах, если шкала отградуирована в децибелах, или вычисляют, исходя из соотношения уровней, по формуле

а = lOlg (Ai/A, (5.2l)

где Ai, Az - показания измерительного усилителя б до и после включения устройства аи Ь.

После этого трансформатор а заменяют на с и настраивают на минимум отражения. Снова определяют потери по прибору 6. Аналогичную процедуру повторяют с трансформаторами а и с, настраивая а так же, как и испытуемый Ь. В результате измерений получаем три значения потерь. На основе этих значений составляют три линейных уравнения:

ни>

о + нЬ + не = ни. но + о + НС = ни

fr.. г. г, а. - потери В настроечных устройствах; Аи, В и, Й-Тезульта измГрений), решКв которые, можно определить потери в каждом из устройств:

ни-Дни+ни 2

A n + Bia,-Cm

нс =

C Y+Biai-A 2

Например, если у4ни = 0,1 дБ, Вци = 0,11 дБ, Сди = 0,09 дБ, то на = 0,04 дБ, а ь = 0,06 дБ, = 0,05 дБ.

Если потери определены в децибелах, то в выражение (5.20) подставляют значение 1 + а , найденное из соотношения \ + = = 10 . Следует отметить, что в описанной установке можно использовать серийные рефлектометры, дополненные соответствующими трансформаторами сопротивлений. Потери в согласующих трансформаторах могут иметь немонотонную частотную зависимость. Поэтому измерять потери нужно на рабочей частоте.

5.3.4. Учет потерь в высокочастотных переходах и кабелях

Как правило, при измерении мощности избегают применения СВЧ переходов. Однако иногда приходится измерять мощность источника, имеющего, например, волноводный выход, с помощью ваттметра с коаксиальным входом, и наоборот. В этом случае для соединения ваттметра с источником мощности необходимы переходы. Также не всегда можно исключить применение кабелей. Любой переход или кабель вносит потери и, как правило, дополнительное рассогласование. Поэтому, чтобы сохранить или повысить точность измерений мощности, нужно использовать переходы в сочетании с трансформаторами и учитывать потери в них.

Определять потери в переходе и трансформаторе можно с помощью схемы, приведенной на рис. 5.13, в которой вместо устройств а, Ь, с следует включать сочетания переход и трансформатор . Методика определения потерь аналогична методике, описанной ранее.

Допустимо некоторое упрощение методики. При этом измеряют потери в двух последовательно включенных сочетаниях а и fc, а затем результат измерений делят пополам. При этом принимают, что оба сочетания переход и трансформатор идентичны по потерям. Все сказанное о переходах можно полностью отнести к СВЧ кабелям. При этом следует учитывать, что потери в кабелях значительно больше и зависят, помимо всего, от степени их изгиба при эксплуатации.

5.4. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВНЕШНИХ ОСЛАБИТЕЛЕЙ

Ранее было показано, что динамический диапазон ваттметра можно расширить, используя делители мощности (аттенюаторы) и направленные ответвители. Однако это приводит к нежелательному увеличению погрешности измерения из-за дополнительного рассогласования, вносимого этими элементами, и из-за конечной точности, с которой известно вносимое ими затухание. Покажем в общем виде, насколько увеличится погрешность рассогласования по сравнению с погрешностью, когда отсутствует делитель мощности.

Решая уравнения, описывающие граф схемы, приведенной на рис. 5.14, имеем



f/пад = U p. (5.22)

/Спер = св/(1 - ГгГв, - ГвГв, - /С?вГгГв + ГГвГвГз,) ИЛИ

/Спер = св/[(1 - ГГвJ (1 - ГвГв,) - /С?вГвЗ. (5.23) где /Сев - коэффициент связи, и вводя обозначения

пад = I f/лад о. = I :пep РI г IVo.

Ротр = I пер Р I П Гв flZo , Рсогл = I 1/2ол.

можно записать

р /Ссв1(1-1ГвП

Рв = Рпад- Ротр - согл , pj (, Г Гвыж)-/С?в Гв

(5.24)

ват-

Делатель мощ ности на ре зисторах

hux ц

Ваттметр

Ur Кеб (пщ

[/рил Гв

где Рв - показание тметра.

С учетом потерь за счет отражения погрешность рассогласования составит

Рис. 5.14. Структурная схема измерения мощности с использованием делителей и ее граф.

расс

Рсогл I св I 1

-1 =

=--1-1. (5.25)

I (1-Гр Гвх) (i-Fb Гвы)-л:?з Гг Гв р

Можно показать, что при малом коэффициенте /Сев и малых значениях коэффициентов отражений

брасс акс ± 2 Г, Гв, ± 2 Гв 11 Гв, . (5.26)

Из выражения (5.26) следует, что максимальная погрешность рассогласования увеличивается при включении делителя мощности между генератором и ваттметром.

Аналогично можно показать, что максимальная погрешность рассогласования при использовании направленных ответвителей

брасе макс

= ±2ГЛГв±2Г,Гв. (5.27)

где Г - коэффициент отражения нагрузки основного тракта; Гд - эффективный коэффициент отражения направленного ответвителя, приближенно равный коэффициенту отражения на выходе основного тракта направленного ответвителя плюс 1/N {N - направленность ответвителя в разах), Fg - коэффициент отражения на выходе вторичного тракта направленного ответвителя.

Погрешность из-за неточности калибровки ответвителя или аттенюатора по ослаблению при использовании обычной аппаратуры (например Д1-3) составляет около 0,3 дБ (~7%). U6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Бурное развитие радиоэлектроники и внедрение в производство автоматизированных систем выдвинули ряд новых проблем в области измерений СВЧ мощности, решение которых требует значительных усилий специалистов. Сюда относится прежде всего создание автоматических ваттметров на средние и большие уровни со временем установления показаний порядка 0,1с и менее с цифровым отсчетом, пригодных как для автономного использования, так и для встраивания в автоматические комплексы. Существующие ваттметры средних и больших мощностей поглощающего типа являются главным образом тепловыми и обладают значительной инерционностью.

Решение проблемы авторы видят в резком снижении инерционности тепловых ваттметров за счет применения пленочных поглотителей на подложках с высокой теплопроводностью, а также в создании малоинерционных преобразователей проходящей мощности, базирующихся на различных эффектах в твердом теле.

Второй важной проблемой является создание импульсных (пиковых) ваттметров, работающих в широких диапазонах частот и уровней мощности с погрешностью 4-10%. Часто используемый метод определения импульсной мощности различных радиоустройств по среднему значению мощности и скважности является совершенно не пригодным для случая кодо-импульсной модуляции. Решение проблемы следует искать в разработке новых детекторов на основе эффектов в полупроводниковых, ферромагнитных материалах, пироэлектриках и т. п., а также в создании автоматизированных устройств, позволяющих быстро анализировать параметры импульсов и автоматически вводить поправки в показания ваттметров средней мощности.

Третьей проблемой является создание высококачественных малогабаритных ваттметров проходящей мощности, пригодных для встраивания в автоматизированные системы, а также в другие радиоустройства для непрерывного контроля мощности, проходящей в нагрузку.

Наконец, не менее важно создать автоматизированные системы для поверки ваттметров проходящей и поглощаемой мощности, в том числе импульсной (пиковой). Существующие методы поверки громоздки и связаны с затратой большого времени. Решение этой проблемы может быть разделено на четыре этапа в порядке* их важности:

1. Создание систем для поверки рабочих ваттметров поглощаемой мощности малого и среднего уровня. 2. Создание систем для поверки рабочих импульсных ваттметров малого и среднего уровня..3. Создание- систем для поверки рабочих ваттметров проходящей мощности. 4. Создание систем для поверки рабочих ваттметров поглощаемой мощности большого уровня.

Главная трудность, которую следует ожидать при решении этих задач, связана с автоматизацией процесса измерений, с сохранением характеристик устройств в течение длительного времени и с проблемой контроля долговременной стабильности характеристик.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28