Рис. 12.19

оси у. Следовательно, намагничивающее поле изменяется во времени с низкой частотой по закону Wo + WmCOsU! (рис. 12.18, б). Это приведет к периодическим колебаниям магнитного момента My во времени с амплитудой, пропорциональной измеряемой мощности Я„, и периодом, вдвое меньшим периода изменений магнитного поля 7=2n/Q. Под действием колебаний Му в катушке наводится ток, форма которого повторяет зависимость йМу {t)/dt. Мощность измеряют по амплитуде гармоники тока с частотой 2Q., которую выделяют узкополоеным фильтром, настроенным на эту частоту.

Структурная схема анализатора спектра. Упрощенная схема панорамного ваттметра, основанного на кроссмодуляции, показана на рнс. 12.19. Генератор G1 создает ток подмагничивания с частотой Q. Фильтр Z выделяет полезный сигнал второй гармоники, который после усиления узкополосным усилителем и детектирования детектором подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Смещение луча по оси абсцисс, а также изменение напряженности поля Ну осуществляются с помощью генератора развертки G2. Следовательно, в каждый момент отклонение луча по оси Y пропорционально мощности СВЧ поля, а положение луча по оси X характеризует частоту колебаний СВЧ.

Основное назначение таких приборов - измерение мощности в импульсе, калибровка производится в непрерывном режиме. Погрешность измерения составляет до 10...15 %.

Выводы

Мощность является энергетическим параметром, удобным для описания сигналов на СВЧ. Мощность немодулированных колебаний характеризуют ее средним значением за период колебаний. Колебания с импульсной модуляцией описывают средней за время действия импульса мощностью, называемой импульсной. Пиковую мощность определяют как среднее за период колебаний значение мощности в максимуме огибающей радиоимпульса.

Различают поглощаемую мощность, рассеиваемую в согласованной нагрузке, и мощность, проходящую через данное сечение

линии передачи. Мощности делят на малые (до 10 мВт), средние (от 10 мВт до 10 Вт) и большие (более 10 Вт).

Погрешность измерений поглощаемой мощности зависит от коэффициентов отражения от нагрузки и от генератора. При известных модулях коэффициентов отражения можно оценить предельные значения погрешности.

Наиболее распространены тепловые методы измерений мощности, основанные на нагревании энергией СВЧ рабочего тела и измерении его температуры. Рабочим телом может быть поглощающая нагрузка, термопара или терморезистор.

Калориметрические ваттметры в основном применяемые для измерений больших и средних мощностей, строят на основе проточных или статических калориметров. Наилучшие метрологические характеристики имеют автоматические калориметрические ваттметры, реализующие метод сравнения.

Для определения малых мощностей, начиная с десятых долей микроватт, используют специальные пленочные термопары, о мощности судят по термоЭДС, измеряемой чувствительным вольтметром. Чувствительность приемного преобразователя с термопарами составляет приблизительно 1 мВ/мВт. Существуют и термоэлектрические измерители проходящей мощности.

Малые мощности можно измерять с помощью терморезисторов - бусинковых или стержневых термисторов и пленочных болометров. Измерение основано на замещении мощности СВЧ равной ей по тепловому действию образцовой мощностью постоянного тока. О равенстве мощностей судят по одинаковым приращениям сопротивления, фиксируемым с помощью мостовых схем.

Наибольшую чувствительность порядка 500 мВ/мВт имеют первичные преобразователи с детектором, построенном на диоде Шотки. Ваттметры с такими преобразователями могут измерять мощности до десятых долей нановатт.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличаются мгновенная, средняя, импульсная и пиковая мощности? Постройте структурную схему прибора для измерений импульсной и пиковой мощностей, состоящую из ваттметра средней мощности и осциллографа, позволяющего наблюдать огибающую импульса.

2. Выведите соотношение для расчета погрешности из-за несогласованности нагрузки и генератора. Почему погрешность зависит от коэффициента отражения от генератора? Что такое погрешность рассогласования и как ее учесть?

3. Какие тепловые методы измерений мощности Вам известны и чем они отличаются? Что такое адиабатический и неадиабатический режимы и как измеряют мощность в каждом режиме? Чем определяется тепловая постоянная времени рабочего тела и что оиа характеризует?

4. В чем сущность погрешности из-за неэквивалентности теплового действия токов СВЧ и постоянного тока? Как учитывают эту погрешность?

5. Перечислите недостатки калориметрического ваттметра, изображенного на рис. 12.5. Как их устраняют? Чем определяется постоянная времени проточного калориметра? Чем определяется время установления показаний в ваттметре, основанном на методе сравнения?

6. Покажите характер распределения температуры по длине пленочной термопары с резистивным слоем под действием токов СВЧ. Для чего в термопару вводят изолирующий и металлический слои?

7. Постройте структурную схему термоэлектрического ваттметра. В чем состоит особенность используемого УПТ? Чем определяется время установления показаний прибора?

8. Что такое термопара стержневой конструкции и как с ее помощью измеряют проходящую мощность? Рассчитайте предельные значения погрешности из-за неполного согласования нагрузки. Как уменьшают эту погрешность?

9. Изобразите упрощенную конструкцию бусинкового термистора. Сравните основные характеристики термисторов и пленочных болометров. Постройте упрощенную схему ваттметра со сбалансированным мостом. Как можно осуществить термокомпенсацию?

10. В чем заключается метод вольтметра? Какие режимы детектирования применяют в ваттметре? Почему при малом сигнале режим можно считать квадратичным независимо от коэффициентов ai, аз, at, ... разложения вольт-амперной характеристики диода?

ЗАДАЧИ

1. Выведите соотношения между средней, импульсной и пиковой мощностями для радиоимпульсов с импульсной модуляцией при трех формулах модулирующего напряжения: прямоугольной, треугольной и косинусоидальной с углом отсечки 90°. Длительности импульсов определены по нулевому уровню. Рассчитайте среднюю и импульсную мощности на нагрузке 50 Ом, если значение напряжения в максимуме огибающей 6= 1 В, длительность импульсов т„=1 мкс, а их период 7"= 10 мкс.

2. Сигнал генератора СВЧ модулирован по гармоническому закону. Выведите формулу для расчета коэффициента модуляции, если измерены средние мощности Ри модулированного и Р немодулированного колебаний. Рассчитайте коэффициент модуляции, если Р„=1,1 мВт, Р=1 мВт.

3. Для приведенных в табл. 12.1 значений КСВ определите предельные значения погрешности из-за несогласованности нагрузки и генератора, если Рг = 0,05.

4. К калориметрическому рабочему телу с тепловой постоянной времени т = 1 с в момент / = 0 подведена мощность СВЧ колебаний. Какое время измерений необходимо в неадиабатическом режиме, чтобы погрешность, обусловленная процессом установления температуры, не превысила 1 %?

5. К калориметрическому рабочему телу с тепловой постоянной времени Tj.= 10 мс подведен прямоугольный импульс с длительностью т=1 мс. Изо-