Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока (стр. 3 из 6)

2.6 Балометры.

Болометр представляет собой мост одно плечо, которого включается балластный резистор или термистор для детектирования, высокочастотной мощности. Балластный резистор представляет собой тонкую проволочку, обычно из платины, с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Проволочка изготовляется очень тонкой и короткой, чтобы поглощение небольшой мощности вызывало существенные
изменение температуры. Балластный резистор рассчитан в зависимости от смещения на рабочее сопротивление от 50 до 400 Ом, обычно он эффективно работает при 200 Ом. Балластный резистор приходится использовать в режиме, близком к перегоранию проволочки, поэтому он может выйти из строя при
случайных перегрузках. В настоящее время балластный резистор в значительной степени вытеснен терморезисторами.

Термистор — полупроводниковый прибор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для измерения высокочастотной мощности термистор изготовляется в виде маленькой бусинки диаметром 0,5 мм с проволочными выводами диаметром около 0,3 мм (рис. 6). Все сопротивление термистора сосредоточено в бусинке и меняется нелинейно (рис. 7), причем каждому термистору присуща собственная нелинейная характеристика.

Рисунок 6 Конструкция термистора для измерения высокочастотной мощности

Термистор монтируется в волноводном или коаксиальном корпусе, совместимом с измерительными линиями, используемыми на ВЧ и СВЧ. Корпус должен обеспечивать согласование с импедансом измерительной линии во всем диапазоне рабочих
частот. Активные и емкостные потери должны быть малы, чтобы большая часть мощности ВЧ рассеивалась в термисторе. Он должен также обладать хорошими изолирующими свойствами, чтобы предотвратить утечки из термистора, обеспечить устойчивость к ударам и вибрациям и экранирование от помех.

На рис. 8 показана коаксиальная термисторная схема, которая используется с приборами Н.Р.478А. Четыре согласованных термистора устанавливаются в теплопроводящем корпусе. Мощность ВЧ рассеивается в паре термисторов R_m, которая последовательно соединена с мостом, предназначенным для НЧ-измерений (зажим А). Для измерений ВЧ-сигнала эти два термистора соединяются параллельно, поскольку конденсатор С₂ — развязывающий. Меняя смещение, устанавливают для каждого термистора сопротивление 100 Ом, так что входное сопротивление для ВЧ-сигнала равно 50 Ом. Конденсатор C₁ обеспечивает связь на ВЧ.

Рисунок 8 Термисторная головка измерителя ВЧ-мощности

Пара термисторов Rc применяется для компенсации температурных вариаций. На них подается смещение от отдельного моста на клемму В, что обеспечивает их сопротивление по 100 Ом. Терморезисторы Rc электрически изолированы от ВЧ сигнала, но смонтированы в том же теплопроводящем корпусе, что и термисторы Rm Термисторный пробник, показанный на рис. 8, сконструирован в коаксиальном корпусе для измерений в диапазоне частот 10 МГц — 10 ГГц с максимальным коэффициентом отражения 0,2.

Для измерения изменений сопротивления балластного резистора или термистора и последующего расчета высокочастотной мощности можно использовать мост Уитстона. Абсолютные измерения изменений сопротивления не практикуются, поскольку и сопротивление, и коэффициент отражения зависят от высокочастотной мощности. Это ограничивает диапазон прибора примерно до 2 мВт. Поэтому для измерения высокочастотной мощности применяют другие методы. В методе уравновешивания моста на него подают постоянное или низкочастотное смещение отсутствие высокочастотного излучения на входе. Мост уравновешивается, затем на него подается высокочастотная мощность, которая нагревает датчик и нарушает равновесие моста. Постоянное смещение уменьшается с целью вернуть сопротивление к его первоначальному значению и уравновесить мост. Затем измеряют уменьшение мощности постоянного смещения, которое равно высокочастотной мощности.

На рис. 9 показана другая схема моста, содержащая два термистора. Термисторы R₃ и R₄ нагревательные резисторы R_h согласованы. Любое нарушение равновесия моста регистрируется и результирующий сигнал подается на R₄, чтобы вернуть мост в равновесие.

Рисунок 9 Упрощенная схема термисторного моста для измерения мощности

Индикатор мощности регистрирует мощность, соответствующую разбалансировке моста, которая равна мощности высокочастотного излучения.

Современный прибор для измерения мощности, например Н.Р.432А, схема которого представлена на рис. 10, содержит два моста и пробник того же типа, что и на рис. 8. Напряжения постоянного смещения V_rf и V_c служат для поддержания моста в равновесии. Изменение сопротивления любого из термисторов нарушает равновесие моста, которое автоматически компенсируется, чтобы привести сопротивление к исходному значению Вовремя калибровки V_с делается равным V_rf в отсутствие высокочастотной мощности на входе. Если теперь подать на прибор высокочастотную мощность Р_г, можно' показать, что значение этой мощности определяется выражением (2.1) и регистрируется
прибором:

(2.1)

Здесь R — сопротивление термистора в равновесии.

Преимущество болометра на основе термистора состоит в том, что он работает при высоком уровне сигнала и поэтому не требует специальной экранировки в производственных условиях.
В приборе используется фундаментальное предположение, что одинаковые уровни высокочастотной и постоянной мощности вызывают одинаковый нагрев в термисторе

Рисунок 10 Прибор для измерения мощности типа Н.Р.432А

3. Измерение импульсной мощности

Для измерения мощности, поступающей в виде импульсов, необходимы четыре метода: метод измерения средней мощности с учетом коэффициента заполнения; метод сравнения с мощностью на постоянном токе; интегрально-дифференциальный метод и метод дискретизации с запоминанием отсчета.

3.1 Метод измерения средней мощности с учетом коэффициента заполнения.

Этот метод проиллюстрирован на рис. 11. Высокочастотный сигнал от генератора импульсов подается через направленный ответвитель к оконечной нагрузке. К направленному ответвителю подключается прибор, который измеряет среднюю мощность последовательности импульсов. Затем он заменяется прибором, измеряющим длительность и частоту повторения импульсов, что позволяет определить коэффициент заполнения.

Рисунок 11 Метод измерения импульсной мощности путём усреднения с учётом коэффициента заполнения.

3.2 Метод сравнения с мощностью постоянного тока.

Этот метод проиллюстрирован на рис. 12. Входной высокочастотный импульс расщепляется в делителе мощности. Часть мощности импульса поступает в диодный пиковый детектор, который вырабатывает постоянный сигнал, пропорциональный максимальному значению высокочастотного импульса. Импульс выводится на экран осциллографа. На диод в детекторе подается прямое смещение, которое переводит его рабочую точку в область требуемых импедансов, чтобы отклик на детектируемую мощность стал почти линейным.

Напряжение с выхода диода поступает на один из входов механического прерывателя. На другой его вход подается регулируемое постоянное напряжение. При правильной синхронизации оба сигнала видны на экране осциллографа. Вначале до прихода импульса обе кривые на экране сливаются на нулевом уровне. Регулятор установки нуля на передней панели прибора позволяет эффективно регулировать уровень постоянного смещения на видеовыходе, а также компенсировать долговременный дрейф диода.

При проведении измерений на вход поступает высокочастотный импульс, и уровень опорного постоянного напряжения регулируется до совмещения с максимумом импульса. Это значение регистрируется прибором на постоянном токе, который прокалиброван в единицах мощности. Для калибровки на вход подключается источник непрерывного высокочастотного сигнала, а оконечная нагрузка заменяется измерителем непрерывной мощности. Теперь можно прокалибровать выход диодного детектора путем сравнения с показаниями измерителя непрерывной мощности.

Метод сравнения с мощностью постоянного тока пригоден для измерений импульсной мощности в диапазоне 50 МГц — 2 ГГц при максимальной длительности импульса 0,25 мкс. Точность измерений лучше, чем ± 1 дБ при частоте повторения импульсов до 2 МГц.

Рисунок 12 Блок-схема измерения мощности на высоких частотах

4. Цифровые измерители мощности

В цифровом измерительном приборе показания представляются в виде дискретных чисел на отсчетном устройстве. Преимущества такого представления связаны с уменьшением субъективных ошибок при снятии отсчетов, отсутствием ошибок из-за параллакса и ускорением считывания. Цифровые измерительные приборы содержат встроенные электронные схемы, обычно микропроцессоры, которые позволяют подсоединить дополнительные устройства. Например, некоторые приборы снабжены программой, которая позволяет выполнять основные вычисления, в частности линеаризовать показания прибора и выводить их на дисплей.