Погрешности измерений. Измерение токов и напряжений. Приборы анализа электрических сигналов. Измерение напряженности поля и помех, страница 9

Измерение мощностей в высокочастотных цепях

В измерительной технике средств связи под высокими частотами (в/ч) понимают область частот от 100 кГц до 30 МГц, где работают обычные радиовещательные станции, а конструктивно эти приборы строятся на контурах с сосредоточенными параметрами (Lк и Cк), в то время как на более высоких частотах используются отрезки линий (контура с распределенными параметрами).

Для измерения мощности в/ч сигналов чаще всего используются косвенные методы измерений, одним из них является метод с использованием вольтметра с квадратичной характеристикой (вольтметра действующих значений). При этом искомая величина мощности , так как сопротивление нагрузки в технике связи имеет вполне определенные значения:                          (50, 75, 600, 6000) Ом, то шкалу квадратичного вольтметра градуируют сразу на определенное R_н. Погрешность такого измерения , где  - относительная погрешность вольтметра, а  - относительная погрешность измерения R_н (или возможная величина его разброса).

Более широкополосные измерения мощности на высоких частотах выполняется на логических элементах с использованием алгоритма: . Структурная схема такого ваттметра с квадраторами приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1

На вход первого сумматора подается напряжение на нагрузке R_н, а значение тока нагрузки получают путем деления U_н на известное сопротивление. Сочетание аналоговых ИМС позволяет измерять мощность в/ч сигналов в диапазоне частот, в которых выполняются логические преобразования (10 МГц). Собранный по указанной схеме ваттметр МЗ-2 позволяет измерять мощность  в диапазоне 1 – 100 мВт с погрешностью ±1%.

Измерение мощности в СВЧ диапазоне производится путем преобразования СВЧ энергии в тепловую, при этом обеспечивается хорошее согласование линии с нагрузкой. В качестве нагрузки может быть или входное сопротивление  приемного устройства, или сопротивление излучения антенны. Важно отметить, что в любом случае передача энергии осуществляется с помощью длинной линии, размеры которой превышают рабочую длину волны λ, а ее волновое сопротивление равно ρ. При этом из-за неполного согласования ρ и z_н (рисунок 3.2) возникают отражения от z_н. При этом происходит суммирование падающей и отраженной энергии и в линии наблюдаются узлы и пучности напряжений.

При этом коэффициент отражения по напряжению: . Модуль коэффициента

                        Рисунок 3.2        отражения может быть найден также в виде: , где  - коэффициент стоячей волны напряжений (КСВН),  - коэффициент бегущей волны (КБВ). КСВН может меняться от 1 до , а КБВ – от 0 до 1. При КБВ=1 (или КСВН) в линии устанавливается полное согласование , при котором отсутствуют отражения и нет максимумов и минимумов напряжений, а присутствует одна U_m. Таким образом  в диапазоне СВЧ возникают две проблемы: измерение падающей (полезной) мощности и измерение коэффициента отражения с целью обеспечения наилучших условий передачи СВЧ энергии.

            Измерение поглощаемой мощности в диапазоне СВЧ (свыше 500 МГц) с наиболее высокой точностью производится путем преобразования ее в тепловую. При этом возможно практически полное преобразование СВЧ в согласованной нагрузке в количество теплоты по закону Джоуля-Ленца: , где R – сопротивление нагрузки, I – протекающий ток, а t – время измерения.

Если сопротивление нагрузки (рисунок 3.3) охлаждать протекающей жидкостью (обычно водой) объемом W, то появится разность температур жидкости на входном и выходном патрубке , при этом количество теплоты в Джоулях (Ваттах) будет определятся как , где С – теплоемкость охлаждающей жидкости (для Н₂О С=1). Приравняв правые части обоих выражений, и учтя, что  - есть скорость протекания в л/мин, получим для калориметров:  (Вт). Таким образом, необходимо только обеспечить постоянную скорость протекание жидкости  1 л/мин и замерить разность температур, чтобы обеспечить измерение поглощенной на нагрузке мощности. Измерение разности температур производится с помощью двух одинаковых терморезисторов, включенных в мостовую схему и обтекаемых входным и выходным потоком жидкости.