Высокочастотные методы измерения мощности

Возможны два типовых метода измерения мощности (в зависимости от ее вида: поглощаемая или проходящая).

Поглощаемая мощность — это мощность, потребляемая нагрузкой. В этом случае нагрузка заменяется ее эквивалентом, а измеряемая мощность полностью рассеивается на этом эквиваленте нагрузки, и далее измеряется мощность теплового процесса. Нагрузка ваттметра полностью поглощает мощность, поэтому такие приборы называются ваттметрами поглощаемой мощности (рис. 3.9, а).

Рис. 3.9. Методы измерения ваттметрами поглощаемой (а) и проходящей мощности (б)

Так как нагрузка полностью должна поглощать измеряемую мощность, то прибор может использоваться только при отключенном потребителе. Погрешность измерения будет тем меньше, чем более полно обеспечено согласование входного сопротивления ваттметра с выходным сопротивлением исследуемого источника или волновым сопротивлением линии передачи.

Проходящая мощность — это мощность, передаваемая генератором в реальную нагрузку Приборы, ее измеряющие, называются ваттметрами проходящей мощности. Такие ваттметры потребляют незначительную долю мощности источника, а основная ее часть выделяется в реальной полезной нагрузке рис. 3.9, б.

К ваттметрам проходящей мощности относятся приборы на преобразователях Холла, с поглощающей стенкой и другие приборы.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот косвенные методы измерения мощности не применяются, так как в разных сечениях линии передач значения силы тока и падения напряжения различны; кроме того, подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому на СВЧ используются другие методы: например, преобразования электромагнитной энергии в тепловую (калориметрический метод), изменения сопротивления резистора (термисторный метод).

Калориметрический метод измерения мощности характеризуется высокой точностью. Этот метод используется во всем радиотехническом диапазоне частот при измерении сравнительно больших мощностей, когда имеет место потеря тепла.

Калориметрический метод основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, когда нагревается некоторая жидкость в калориметре ваттметра (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Устройство калориметрического ваттметра

Далее мощность оценивается путем определения по известной разности температур и известному объему жидкости, протекающей через калориметр:

, (3.16)

где k – коэффициент используемой жидкости; V – объем нагретой жидкости, t₂, t₁ – конечная и начальная температура жидкости.

Погрешность калориметрического метода составляет 1...7%.

Термисторный (болометрический) метод измерения мощности основан на использовании свойства терморезисторов, изменять свое сопротивление под воздействием поглощаемой ими мощности электромагнитных колебаний. В качестве терморезисторов используют термисторы и болометры.

Термистор представляет собой полупроводниковую пластину, заключенную в стеклянный баллон. Термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление падает.

Болометр представляет собой тонкую пластину из слюды или стекла с нанесенным на нее слоем (пленкой) платины. Пленочные болометры обладают очень высокой чувствительностью. Болометры имеют положительный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление растет.

Чувствительность и надежность термисторов выше, чем болометров, однако параметры болометров стабильнее, поэтому они применяются в образцовых ваттметрах (подгруппа Ml).

Термисторный метод обеспечивает высокую чувствительность, поэтому его применяют для измерения малых и средних мощностей. Использование ответвителей и делительных устройств позволяет применять метод и для измерения больших мощностей.

Погрешность термисторных ваттметров составляет 4... 10% и чаще всего зависит от степени согласованности нагрузки.

К основным метрологическим характеристикам ваттметров, которые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:

- тип прибора (поглощаемой или проходящей мощности);

- диапазон измерения мощности;

- частотный диапазон;

- допустимая погрешность измерений;

- коэффициент стоячей волны (КСВ) входа измерителя мощности или модуль коэффициента отражения.