Рис. 12.15

Рис. 12.16

Аналоговое дьшисла-тельное устройство

W ООО

лений других плеч моста, поэтому перед измерениями мост балансируют. Для этого при отсутствии мощности СВЧ и при выключенном генераторе G2 тока компенсации /к регулировкой генератора G1 изменяют ток подогрева /п до получения баланса моста, при котором Rj = R. Баланс фиксируют по нулевому отсчету а индикаторного прибора в диагонали моста. В состоянии баланса рассеиваемая на термисторе мощность Pj = llR.

Затем к приемному преобразователю подводят мощность СВЧ. Термистор разогревается, его сопротивление уменьшается и нарушается состояние баланса, что фиксируют по показанию индикаторного прибора. Баланс снова восстанавливают, уменьшая постоянный ток через термистор. Для этого включают ток компенсации /к, направленный противоположно току подогрева. Регулируя ток компенсации, восстанавливают баланс. Рассеиваемая на термисторе мощность Pj = P-\-[I„~lfR. Исключив Pj из приведенных выражений, получим:

Р=/к(2/„-/к)/?.

(12.5)

Следовательно, измерив токи подогрева и компенсации, можно вычислить мощность. Возможность их раздельного измерения обеспечена за счет развязки генераторов G1 и G2, создаваемой сбалансированным мостом.

Рассмотренной схеме построения ваттметра свойственны ряд недостатков. Основной недостаток заключается в необходимости ручной балансировки моста при установке нуля и при проведении измерения. В схеме отсутствует термокомпенсация, и поэтому установку нуля и балансировку приходится проводить часто. Для вычисления мощности необходимо измерить два тока, а затем произвести вычисления по формуле (12.5), что может усложнить

построение цифрового прибора на основе рассмотренной схемы Все эти недостатки устранены в автобалансных ваттметрах, выпускаемых промышленностью.

Автобалансный ваттметр. Ваттметр содержит два одинаковых моста: измерительный Ml и опорный М2 (рис. 12.16). Одно из плеч измерительного моста образовано рабочим термистором а в опорный мост введен термокомпенсационный термистор Rtk- Мосты с помошью УПТ все время автоматически балансируются: появление сигнала ошибки в диагоналях мостов вызывает изменение выходного напряжения УПТ, приводяшее мосты в состояние баланса.

Если мосты одинаковы, то при отсутствии мощности СВЧ выходные напряжения Uko=Uoq УПТ одинаковы. Рассеиваемая на рабочем термисторе мощность Pj-= Ulo/R. Это состояние практически не изменяется при изменении внешней температуры из-за одинаковых приращений температуры рабочего и термокомпенсационного термисторов.

Подключение мощности СВЧ к рабочему термистору за счет действия системы автоматического балансирования приведет к уменьшению выходного напряжения до значения U\. Рассеиваемая на термисторе мощность Pt=UI\/ARР, откуда P = {Ulo - - Ul\)/4R. Разность квадратов определяют аналоговыми методами с помощью вычислительного устройства, а затем с помощью АЦП преобразуют в код. Мощность отсчитывают в цифровой форме по шкале прибора W.

Автобалансные термнсторные и болометрические ваттметры широко применяют для измерений мощности в диапазоне частот 30 МГц...78 ГГц. Диапазон измеряемых мощностей составляет 10 мкВт...10 мВт и может быть расширен применением делителей мощности. Погрешность измерений для большинства ваттметров 6... 10 % и может быть уменьшена до 2...3 %. При измерениях по шкале с верхним пределом 10...100 мкВт погрешность возрастает до 10...25 %.

12.5. МЕТОД ВОЛЬТМЕТРА

Метод вольтметра заключается в измерении поглощаемой мощности по напряжению на согласованной нагрузке и может применяться при измерении как средней, так и импульсной мощностей.

Режим пикового детектирования. При измерении мощности используют диодные детекторы, построенные на вакуумных или полупроводниковых диодах. Наилучшие по частотным свойствам вакуумные диоды позволяют проводить измерения на частотах до 2 ГГц. В зависимости от входного напряжения возможна реализация как пикового, так и квадратичного режимов детекти-

рования. В режиме пикового детектирования появляется погрешность, обусловленная высшими гармониками измеряемого сигнала.

Пример 12.4. Оценим погрешность измерений мощности колебания и = = (УС03й)/+(/зсозЗш/ с помощью пикового детектора. Амплитуды напряжений fii = l В; (/з = 0,05 В. Выходное напряжение пикового детектора при заданных фазовых соотношениях между колебаниями первой и третьей гармониками (/я=6/] + 6з и измеренная мощность Р„ = Ui /2R - {Ui + из)/2Я, где R - сопротивление нагрузки, В действительности мощность P = (U\-\-Ul)/2R. Относительная погрешность измерения мощности

при проведении точных измерений должна учитываться.

Заметим, что влияние гармоник на результат измерения мощности зависит от их начальных фаз. На СВЧ легко поддаются измерениям только амплитудные соотношения, поэтому в каждом конкретном случае погрешность вычислить не удается и ее оценивают предельным значением для наихудшего случая. Ваттметры с вакуумными диодами находят ограниченное применение, и в настоящее время промышленность их не выпускает.

Весьма перспективными оказались полупроводниковые диоды с низким потенциальным барьером перехода - диоды Шотки с током насыщения до 10 мкА, работающие в квадратичном режиме.

Квадратичный режим. Как известно, для малых сигналов вольт-амперную характеристику диода описывают полиномом

f = ao + ai (и-[/о) + а2 (и -t/o)-f

где ао, fli, а2 - постоянные коэффициенты; t/o - напряжение в рабочей точке. Под влиянием переменного напряжения ы = = t/m cos(i)+t/o возникнет постоянная составляющая /о = ао + + a2t/m/2 + 3a4t/V8 + ... При малых амплитудах U п1 из-за малости третьего слагаемого ток можно представить в виде /о = = ao + a2t/o /2.

Следовательно, независимо от значений всех коэффициентов разложения кроме при малых сигналах детектор является квадратичным. У полупроводниковых диодов ао = 0 и рабочая точка соответствует нулевому напряжению. Мощность измеряют по падению напряжения, вызванному током /о на сопротивлении нагрузки.

Предназначенные для измерений мощности диоды Шотки сохраняют свою работоспособность до частот 17 ГГц. Основное достоинство приемных преобразователей с диодами - очень высокая чувствительность, составляющая до 500 мВ/мВт, что на несколько порядков превышает чувствительность преобразователей с термопарами (1 мВ/мВт).