Глава 12. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

К измерению мощности в практике электрорадиоизмерений прибегают на всех используемых в радиотехнике диапазоне частотах от постоянного тока до СВЧ. Такие измерения проводят, например, в процессе контроля режима работы радиопередающих устройств и генераторов, а также при измерениях параметров цепей и сигналов на СВЧ.

12.1. ОСОБЕННОСТИ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ МОЩНОСТИ

Для описания энергетических параметров сигналов на низких и высоких частотах в большинстве случаев достаточно знать напряжение и в редких случаях ток, а необходимость измерений мощности возникает сравнительно редко. На СВЧ все энергетические соотношения принято характеризовать мощностью, поэтому ее измерениям уделяют большое внимание.

Мощность и ее характеристики. Для гармонических сигналов и-и со8(а)/ + ф) и / = /costo( мгновенная мощность P{t)=u{t)i[t) (рис. 12.1) -периодический процесс. Обычно мгновенная мощность не представляет интереса и измеряют среднюю .мощность

= P{t)dt.

При этом для немодулированных сигналов время Т выбирают кратным целому числу периодов колебаний, а для сигналов с амплитудной, в том числе и с импульсной, модуляцией время интегрирования выбирают кратным целому числу периодов модулирующего сигнала.

Импульсную мощность Р„ определяют как среднее значение мгновенной мощности за время т„ действия импульса:

р. = \ P{t)dt.

иЛ.Р

Для радиоимпульсов с прямоугольной огибающей (рис. 12.2) импульсная мощность Р» постоянна на интервале т„ и поэтому является средней за время действия импульса. Если же форма огибающей отличается от прямоугольной, то понятие импульсной мощности становится неопределенным из-за отсутствия однозначной оценки длительности импульса т/. Импульсная мощность Р„ может характеризовать некоторое среднее значение, отличное от так называемой пиковой мощности Ртк, соответствующей максимуму огибающей.

Большая часть выпускаемых промышленностью ваттметров предназначена для измерений средней мощности, которую в дальнейшем будем называть просто мощностью. Если форма огибающей исследуемых колебаний известна или визуализирована, например, стробоскопическим осциллографом, то по средней мощности легко рассчитать импульсную и пиковую мощности.

Методы измерений мощности. На низких и высоких частотах для прямых измерений мощности применяют методы, основанные на перемножении мгновенных значений напряжения и тока. Сначала в аналоговой форме вычисляют произведение

и(t)l{t) = UI COS(w/ + ф)С03 iut =

= 0,5(7/ cosq-f 0,5(7/ cos{2o)/-f ф),

a затем с помощью ФНЧ выделяют составляющую 0,5(7/ созф = Р и измеряют ее. На низких частотах перемножение и фильтрацию выполняют приборы электродинамической системы. На высоких частотах для перемножения применяют электронные устройства, а функции фильтрации и измерений выполняют приборы магнитоэлектрического типа.

На СВЧ методы, основанные на измерении тока и напряжения, менее удобны или вовсе неприемлемы. Это обусловлено тем, что в используемых на СВЧ линиях передачи измеренные в произвольном сечении значения тока и напряжения могут отличаться от тока и напряжения на нагрузке. Кроме того, сами измерители тока и напряжения в диапазоне СВЧ сильно влияют на цепь, в которой производится измерение. Поэтому на частотах свыше сотен мегагерц распространены методы, основанные на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие виды, более удобные для измерений, чаше всего в тепловую энергию.

По виду рабочего тела, в котором рассеивается тепло, различают калориметрические, тер.моэлектрические, болометрические или термнсторные ваттметры. Иногда применяют метод вольтметра, который заключается в измерении напряжения на согласованной с линией передачи нагрузке. Менее употребительны методы измерения мощности, использующие пондеромоторное действие электромагнитного поля, эффект Холла, нелинейные свойства ферритов и разогрев носителей в электрическом поле.

Пондеромоторный метод измерений основан на механическом действии электромагнитного поля. В существующих конструкциях ваттметров механическое действие оценивают по углу поворота пластинки, помещенной в линии передачи на кварцевой нити. Для получения малой погрешности измерений, составляющей несколько процентов, требуется высокая точность выполнения элементов конструкции. Ваттметры очень чувствительны к вибрациям, находят ограниченное применение и серийно не выпускаются.

На основе известного из курса физики эффекта Холла можно осуществить перемножение ортогональных составляющих векторов Е и Н электромагнитного поля в линии передачи и таким образом измерить поток мощности. Приемные преобразователи представляют собой полупроводниковые пластины, помещенные в линии передачи. Поверхностный эффект и термоЭДС в точках присоединения выводов ограничивают возможности работы таких устройств в широком диапазоне частот.

Метод, основанный на использовании термоЭДС горячих носителей тока в полупроводниковом элементе, основан на возникновении термоЭДС на потенциальном барьере в переходе металл-полупроводник под действием поля СВЧ. Метод применяют для измерений импульсной мощности при длительностях импульсов Ти> 0,05...0,1 мкс.

Поглощаемая и проходящая мощности. В зависимости от цели эксперимента при измерении мощности могут возникнуть две задачи. Первая заключается в измерении мощности, которую генератор G отдает в согласованную нагрузку (рис. 12.3, а). Нагрузкой является ваттметр поглощаемой мощности с входным сопротивлением, близким к волновому сопротивлению линии передачи.

Вторая задача состоит в измерении мощности, проходящей от генератора к нагрузке (рис. 12.3, б), сопротивление которой Zh может быть произвольным. Такую задачу решают с помощью измерителя проходящей мощности, который ответвляет небольшую часть передаваемой по линии передачи мощности, не нарушая заметно ее режим.

Проходящую мощность часто измеряют с помощью направленных ответвителей WEI и WE2, выделяющих часть мощностей падающей и отраженной волн (рис. 12.3, б). Ответвленную часть