Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах
Министерство общего и профессионального
образования Российской Федерации.
Орский Гуманитарно-Технологический Институт
Кафедра общей физики.
КУРСОВАЯ РАБОТА
Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких
частотах.
Выполнил: студентка физико-
математического факультета группы 4Б
Бессонов Павел Александрович.
Научный руководитель: к. ф.-м. н.
доцент Абрамов Сергей Михайлович.
Орск. 1998г.
Содержание
Стр
1. Основные понятия 3
2. §1. Измерение мощности 3
3. 1. Общие сведения 3
4. 2. Калориметрические измерители мощности 3
5. §2. Измерение частот 8
6. 1. Основные характеристики частотомеров 8
7. 2. Резонансные частотомеры 8
8. 3. Гетероидные частотомеры 13
9. §3. Измерение полного сопротивления 15
10. 1. Общие сведения 15
11. 2. Поляризационные измерители полных сопротивлений 51
12. 3. Панорамные измерители КСВ и полного сопротивления 17
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
В диапазоне СВЧ, как правило, измеряют мощность, частоту и полное
сопротивление устройств. Важными также являются измерения фазового сдвига,
напряженности поля, добротности, ослабления мощности волны, амплитудно-
частотного спектра и др. Чтобы определить указанные величины в широких
интервалах их изменения, требуется использовать различные методы и
радиоизмерительные приборы.
Различают прямые и косвенные измерения. Прямые измерения применяют в
тех случаях, когда измеряемая величина доступна непосредственному сравнению
с мерой или может быть измерена приборами, проградуированными в выбранных
единицах. Прямые измерения выполняют либо методом непосредственной оценки,
когда измеряемую величину определяют по показаниям проградуированного
прибора, либо методом сравнения, когда измеряемую величину определяют
сравнением ее с мерой данной величины. Косвенные измерения состоят в замене
измерений данной величины другими, связанными с искомой известной
зависимостью.
Основными характеристиками радиоизмерительных приборов являются:
диапазон измеряемых величин; диапазон частот, в котором прибор может
применяться; чувствительность по измеряемому параметру, представляющая
собой отношение приращения показаний прибора к вызвавшему его приращению
измеряемой величины; разрешающая способность, определяемая как минимальная
разность двух значений измеряемых величин, которую может различить прибор;
погрешность; потребляемая мощность.
§1. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ.
1. Общие сведения
Уровни мощностей, подлежащие измерениям, различаются более чем на
двадцать порядков. Естественно, что методы и приборы, используемые при
таких измерениях, весьма разнообразны. Принцип действия подавляющего
большинства измерителей мощности СВЧ, называемых ваттметрами, основан на
измерении изменений температуры или сопротивления элементов, в которых
рассеивается энергия исследуемых электромагнитных колебаний. К приборам,
основанным на этом явлении, относятся калориметрические и терморезисторные
измерители мощности. Получили распространение ваттметры, использующие
пондеромоторные явления (электромеханические силы), и ваттметры, работающие
на эффекте Холла. Особенность первых из них - возможность абсолютных
измерений мощности, а вторых - измерение мощности независимо от
согласования ВЧ-тракта.
По способу включения в передающий тракт различают ваттметры проходящего
типа и поглощающего типа. Ваттметр проходящего типа представляет собой
четырехполюсник, в котором поглощается лишь небольшая часть общей мощности.
Ваттметр поглощающего типа, представляющий собой двухполюсник, подключается
на конце передающей линии, и в идеальном случае в нем поглощается вся
мощность падающей волны. Ваттметр проходящего типа часто выполняется на
основе измерителя поглощающего типа, включенного в тракт через направленный
ответвитель.
2. Калориметрические измерители мощности
Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании
электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся
составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по
данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло.
Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (не
адиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной
нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание
калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять
мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры
измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные - средние и большие
значения мощности.
Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид
[pic] (1)
где P-мощность СВЧ, рассеиваемая в нагрузке; Т и Т0-температура нагрузки и
окружающей среды соответственно; с, m - удельная теплоемкость и масса
калориметрического тела; k-коэффициент теплового рассеяния. Решение
уравнения представляется в виде
[pic] (2)
где ?=сm/k - тепловая постоянная времени.
В случае статического калориметра время измерения много меньше
постоянной ? и мощность СВЧ в соответствии с формулой 1 будет:
[pic] (3,а)
Здесь скорость изменения температуры в нагрузке измерена в град•с-1,m-в
г, c- в Дж•(г•град)-1, Р - в Вт.
Если с имеет размерность кал•(г•град)-1, то
[pic] (3,б)
Основными элементами статических калориметров являются
термоизолированная нагрузка и прибор для измерения температуры. Нетрудно
рассчитать поглощаемую мощность СВЧ по измеренной скорости повышения
температуры и известной теплоемкости нагрузки.
В приборах используются различные высокочастотные оконечные нагрузки из
твердого или жидкого диэлектрического материала с потерями, а также в виде
пластинки или пленки высокого сопротивления. Для определения изменения
температуры применяют термопары и различные термометры.
Рассмотрим статический калориметр, в котором снижены требования к
термоизоляции и отпадает необходимость в определении теплоемкости тc
калориметрической насадки (рис. 1). В этой схеме используется метод
замещения. В ней для калибровки прибора 4, измеряющего повышение
температуры при рассеянии измеряемой мощности, подводимой к плечу 1,
используется известная мощность постоянного тока или тока низкой частоты,
подводимая к плечу 2. Предполагается, что температура насадки 3 изменяется
одинаково при рассеянии равных значений мощности СВЧ и постоянного тока.
Статические калориметры позволяют измерять мощность несколько милливатт с
погрешностью менее ±1%.
[pic]
Рис.1
Основными элементами поточного калориметра являются: нагрузка, где
энергия электромагнитных колебаний превращается в тепло, система циркуляции
жидкости и средства для измерения разности температур входящей и выходящей
жидкости, протекающей через нагрузку. Измеряя эту разность температур в
установившемся режиме, можно рассчитать среднюю мощность по формуле
[pic] (4)
где v - расход калориметрической жидкости, см3•с-1; d-плотность жидкости,
г•см-3; ?T - разность температур, К; с, кал•(г•град)-1.
Поточные калориметры различают по типу циркуляционной системы (открытые
и замкнутые), по типу нагрева (прямой и косвенный) и по методу измерения
(истинно калориметрические и замещения).
В калориметрах открытого типа обычно применяют воду, которая из
водопроводной сети поступает сначала в бак для стабилизации давления, а
далее в калориметр. В калориметрах замкнутого типа калориметрическая
жидкость циркулирует в замкнутой системе. Она постоянно накачивается
насосом и охлаждается до температуры окружающей среды перед очередным
поступлением в калориметр, В этой системе используются в качестве
охлаждающих жидкостей кроме дистиллированной воды раствор хлористого
натрия, смесь воды с этиленгликолем или глицерином.
При прямом нагреве ВЧ-мощность поглощается непосредственно
циркулирующей жидкостью. При косвенном нагреве циркулирующая жидкость
используется только для отбора тепла от нагрузки. Косвенный нагрев
позволяет работать в более широком диапазоне частот и мощностей, поскольку
функции переноса тепла отделены в нем от функции поглощения ВЧ-энергии и
согласования нагрузки.
[pic]
Рис. 2.
Схема истинно калориметрического метода представлена на (рис. 2.).
Измеряемая ВЧ-мощность рассеивается в нагрузке 1 и прямо или косвенно
передает энергию протекающей жидкости. Разность температур входящей в
нагрузку и выходящей из нее жидкости измеряют с помощью термоблоков 2.
Количество жидкости, протекающее в системе в единицу времени, измеряют
расходомером 3. Естественно, что поток жидкости при таких измерениях должен
быть постоянным.
Погрешности измерений ВЧ-мощности в рассмотренной схеме связаны с рядом
факторов. Прежде всего формула 4 не учитывает передачу тепла, существующего
между различными частями калориметра, и потерю тепла в ВЧ-нагрузке и
трубопроводах. Различными конструктивными приемами можно уменьшить влияние
этих факторов. Неравномерность скорости течения калориметрической жидкости,
появление пузырьков воздуха приводят к погрешности при определении скорости
потока жидкости и изменению ее эффективной теплоемкости. Для уменьшения
этой погрешности применяют уловители пузырьков воздуха и добиваются
равномерности течения жидкости с помощью регулятора потока и других
средств.
Схема измерений, реализующая метод замещения, отличается от
рассмотренной тем, что в ней последовательно с СВЧ-нагрузкой вводится
дополнительный нагревательный элемент, рассеивающий мощность
