Файл: Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения.pdf

Из схемы следует, что чем выше частота измеряемого тока, тем меньше показания прибора и тем сильнее влияет включение прибо­ ра на режим исследуемой цепи. Дей­ ствительно, чем выше частота, тем

большие токи протекают через пара­ 4 г ~ Н Ь зитные емкости, минуя рабочую часть амперметра, по сравнению с током /х.

Кроме того, на частоте

один из его зажимов был соединен с корпусом (землей). В этом случае влияние паразитных емкостей на показания прибора и на режим цепи будет минимальным.

Очевидно, что электродинамические и электромагнитные ам­ перметры, применяемые в цепях промышленной и низкой частоты, для измерения токов ВЧ и СВЧ непригодны, главным образом, из за большой величины индуктивного сопротивления прибора и боль­ шой межвитковой емкости его катушек.

На радиочастотах для измерения силы тока могут применяться:

1)термоэлектрический метод, основанный на преобразовании тока высокой частоты в постоянный ток с помощью термоэлемен­ тов;

2)индукционный метод (исторически утвердился термин «электродинамический»), основанный на непосредственном дейст­ вии переменного магнитного поля на замкнутую цепь в виде коль­ ца или рамки, подвешенной на кварцевой нити над проводником,

по которому протекает измеряемый ток; 3) фотоэлектрический метод, основанный на преобразовании

измеряемого тока в световое излучение, интенсивность которого измеряется с помощью фотоэлемента и магнитоэлектрического ин­ дикатора.

Из этих методов наиболее широко применяется термоэлектриче­ ский. Фотоэлектрические преобразователи, главным образом, при­ меняются для измерения мощности и будут рассмотрены в главе 9.

§ 8.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

Термоэлектрический амперметр состоит из термопреобразова­ теля (термоэлемента) и индикатора — магнитоэлектричеокого мик­ роамперметра (рис. 8.2). Термоэлемент содержит подогреватель 1, по которому протекает измеряемый ток высокой частоты, и термо­ пару 2, в которой возникает э.д.с. постоянного тока. Величина по­

133

стоянного тока / о определяется температурой нагретого спая, сле­ довательно, шкала индикатора 3 при использовании данной тер­

пропорционально квадрату измеряемого то­ ка, т. е.

Q 0.24 Г- R„ і.

Поэтому термоэлектрический амперметр из­ меряет действующее значение переменного тока любой формы,а его шкала близка к квадратичной. Лучшая равномерность шка­ лы достигается применением мер конструк­ тивного характера.

Термопара и подогреватель, как правило, конструктивно объе­ динены в одну деталь, называемую термоэлементом. Термоэлемен­ ты характеризуются чувствительностью, максимальной величиной тока (или максимально допустимой температурой спая термопа­ ры), рабочим диапазоном частот, сопротивлением подогревателя и термопары, механической прочностью и сроком службы.

Чувствительнсть определяется изменением т.э.д.с., соответствую щим изменению температуры спая на один градус. Она зависит от материала термопары и равна обычно десяткам микровольт на

градус. Например, термопара медь — константан имеет чувстви­ тельность 50 мкВ/сС и допустимую температуру спая 400°С.

Подогреватель представляет собой тугоплавкую нить из ме­

талла с высоким удельным сопротивлением — константана, платиноиридия и др. Сечение нити определяется максимальным зна­

чением измеряемого тока, а длина обычно составляет 5—10 мм и должна быть короче длины волны по крайней мере в несколько раз.

Верхняя граница частотного диапазона определяется влиянием поверхностного эффекта в нити подогревателя, а также зависит от

паразитных емкостей и индуктивностей вводов. Для уменьшения влияния поверхностного эффекта подогреватель прибора на ма­

лые токи (до 100 мА) делают как можно тоньше, чтобы сопротив­

глубины погружения тока в требуемом диапазоне частот. Это по­

134

Термоэлементы выпускаются на токи от 0,1 мА до 50 А. Сопро­ тивление магнитоэлектрического индикатора обычно выбирается равным сопротивлению термопары.

Погрешности термоэлектрических амперметров

Наибольшее значение имеют температурные и частотные по­ грешности. Температурные ошибки определяются температурой среды, прогревом прибора и составляют 0,5—1%.- Частотная поірешность определяется влиянием поверхностного эффекта и пара­ зитными параметрами (главным образом, емкостью относительно корпуса).

Для уменьшения влияния паразитных емкостей применяют бесконтактные термоэлементы, в которых термопара и подогрева­ тель механически соединены через изолятор-бусинку (рис. 8.3).

Вследствие очень малой емкости С6 между подогревателем и спаем термопары (0,1—0,5 пФ) цепь индикатора слабо связана с исследуемой цепью. Однако такой элемент имеет малую чувствительность (по сравнению с контактным), так как тепло от подогревате­ ля к спаю поступает не непосредственно, а через материал бусинки. Для повышения чув­ ствительности иногда соединяют несколько бесконтактных термоэлементов последова­ тельно. Использование бесконтактных термо­ элементов позволяет расширить частотный диапазон измерения тока.

Конструктивно приборы выполняются в двух вариантах: с термоэлементом, помещен­ ным внутри корпуса индикатора, и отдельным выносным термоэлементом. Во втором вариан­

те термоэлемент включают непосредственно в измеряемый тракт (например, в коаксиальную линию), а индикатор располагают на пульте управления радиотехническим устройством (например, передатчиком).

К достоинствам термоэлектрических амперметров относится вы­ сокая чувствительность, большой диапазон измеряемых величин и простота устройства.

Недостатками термоамперметров являются неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры и недопустимость перегрузки. Обычно допускаемая перегрузка не превышает 50%, так как для повышения чувствительности и уменьшения тепловой инерции подогреватели рассчитываются на токи, незначительно отличающиеся от предельно допустимых. При перегрузке в первую очередь сгорает подогреватель.

Для расширения пределов измерения термоамперметров при­ меняются измерительные трансформаторы тока, подобные по прин­ ципу действия трансформаторам, используемым на промышлен­

135

ных частотах. Трансформатор рассчитывается так, чтобы активным сопротивлением его обмоток можно было пренебречь по сравнению с их реактивным сопротивлением. На высоких частотах первич­ ная обмотка выполняется в виде стержня, а вторичная — в форме тороидальной катушки, охватывающей стержень.

Промышленные типы термоамперм^тров рассчитываются на то- «чи от 100 мкА до нескольких десятков ампер и используются для измерения переменного тока в диапазоне частот до 200 МГц с по­ грешностью 1—5%.

136

Г Л А В А 9

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

§ 9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Непосредственное измерение мощности в цепях переменного то­ ка низких и высоких частот встречается сравнительно редко, так как проще измерять напряжение, ток и сопротивление, чем мощ­ ность. Особо важное значение имеет измерение мощности на СВЧ, так как контроль работы радиотехнических устройств на этих час­ тотах по напряжению и току либо затруднен, либо вообще невоз­ можен. Та«, например, в сантиметровом диапазоне волн, где ис­ пользуются волноводы и энергия передается в форме электромаг­ нитного поля, измерение напряжения и тока практически теряет смысл. Ниже рассматриваются основные методы измерения мощ­ ности на частотах от сотен МГц до десятков ГГц.

Измерение мощности в этом диапазоне встречается при эксп­ луатации радиопередающих устройств, их монтаже и наладке, при выполнении регламентных работ на аппаратуре, в процессе ре­ монта, градуировки и поверки измерительных генераторов СВЧ, при разработке новых генераторов и т. д.

Работа радиоэлектронных устройств этого диапазона связана с использованием мощностей, изменяющихся в очень широких пре­ делах. Все возможные значения используемых мощностей приня­ то условно делить на три группы:

— малые мощности от ІО-17 до 0,1 Вт;

—средние мощности от 0,1 до 10 Вт;

—большие мощности от 10 до ІО7 Вт.

Впрактике радиотехнических измерений используются .как аб­ солютные единицы мощности ( ватт и его производные: мкВт, мВт, кВт, МВт), так и относительные.

Относительные единицы (дБВт, дБмВт) определяют данный

137

Здесь Р — абсолютная величина измеряемой мощности в ваттах или милливаттах.

Например, если за уровень сравнения принять Яо=1 Вт, а из­ меряемая мощность Р=1000 Вт, то эта мощность больше условно­ го уровня на 30 дБ или, что то же самое, равна 30 дБВт. Особенно удобно применение относительных единиц, когда в исследуемом тракте СВЧ имеются градуированные аттенюаторы. В частности, если 1000 Вт — мощность генератора, то для получения показания ваттметра 1 Вт между генератором и ваттметром нужно ввести за­ тухание, равное 30 дБ.

Методы измерения мощности СВЧ основаны на преобразовании энергии электромагнитных колебаний в энергию какого-либо дру­ гого вида, удобного для измерения и индикации.

Чаще всего измеряемая мощность или ее часть преобразуется в тепло. В этом случае измерители фиксируют мощность непрерыв­ ных колебаний, либо среднюю мощность Яср импульсных колеба­ ний. Если же необходимо вычислить мощность в импульсе Ри, то для этого надо знать скважность импульсов Q и их форму. При прямоугольной форме периодических импульсов величина Ра оп­ ределяется формулой

где <2=7Ут; Т и т — соответственно период следования и длительность им­

пульсов.

На практике применяются следующие методы измерения мощ­ ности СВЧ;

—метод, основанный на использовании терморезисторов;

—калориметрический метод;

—метод, основанный на измерении падения напряжения на известном сопротивлении;

—фотометрический метод;

—метод, основанный на использовании пондеромоторного дей­ ствия электромагнитных волн.

Наибольшее распространение получили два первых метода. Метрологические характеристики измерителей мощности вклю­

чают:

—пределы измерения мощности;

—рабочий диапазон частот;

—допустимую погрешность измерения мощности;

—коэффициент стоячей волны входа измерителя мощности

(или модуль коэффициента отражения).

§ 9.2. МЕТОД, ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

При использовании этого метода об измеряемой мощности су­ дят по изменению сопротивления терморезистора в результате по­ глощения им электромагнитной энергии. В качестве терморезис­

138