Реферат: Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах

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

(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 т c 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%.

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

(4)

где υ - расход калориметрической жидкости, см³ •с^-1 ; d -плотность жидкости, г•см^-3 ; Δ 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.

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 низкочастотного источника тока. Заметим, что при косвенном нагреве мощность СВЧ-сигнала и мощность низкочастотного тока вводятся в одну и ту же нагрузку и потребность в дополнительном нагревательном элементе отпадает.

Возможны два способа измерений по методу замещений - калибровки и баланса. Первый из них состоит в измерении такой мощности низкой частоты, поданной в нагревательный элемент, при которой разность температур жидкости на входе и выходе такая же, как и при подаче СВЧ-мощности. При балансном способе сначала устанавливается какая-либо разность температур жидкости при подаче мощности низкой частоты Р₁ , затем подается измеряемая ВЧ-мощность Р, а мощность низкой частоты уменьшается до такого значения Р₂ , чтобы разность температур осталась прежней. При этом Р=P₁ -Р₂ .

Рис. 3 .

Погрешности измерений, связанные с непостоянством скорости потока жидкости в течение цикла измерений, можно избежать, если на входе и выходе нагрузки 1 (рис. 3 ) и нагревательного элемента 2 предусмотреть термочувствительные резисторы R₁ , R_2, R_3, R₄ , соединенные по мостовой схеме. При условии идентичности термочувствительных элементов баланс моста будет наблюдаться для любой скорости потока жидкости. Измерения ведутся балансным способом.

Рассмотренные поточные калориметры применяют для абсолютных измерений прежде всего больших уровней мощностей. В сочетании с калиброванными направленными ответвителями они служат для градуировки измерителей средней и малой мощности. Имеются конструкции поточных калориметров и для непосредственных измерений средних и малых мощностей. Время измерений не превышает нескольких минут, а погрешность измерений может быть доведена до 1-2%

Среди калориметрических ваттметров для измерения мощности непрерывных колебаний, а также среднего значения мощности импульсно-модулированных колебаний отметим приборы МЗ-11А, МЗ-13 и МЗ-13/1, которые перекрывают диапазон измеряемых мощностей от 2 кВт до 3 МВт на частотах до 37,5 ГГц.

§2. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

1. Основные характеристики частотомеров

Одной из важнейших задач измерительной техники является - измерение частоты или длины волны колебаний. Частота связана с длиной волны соотношением: (5)

Измерения частоты и длины волны по своей природе различны: первое основано на измерении времени, а второе - на измерении: длины. Обычно в качестве основной величины выбирают частоту, поскольку значение ее не зависит от условий распространения и, что не менее важно, существуют эталоны частоты высокой точности, с которыми можно сравнивать измеряемые частоты.

Основными характеристиками приборов, используемых для измерения частоты я длины волны, являются: относительная погрешность, чувствительность, диапазон измеряемых частот и надежность работы.

Под относительной погрешностью прибора понимают отношение разности измеренной и образцовой частот к значению образцовой частоты. По точности все приборы разбиваются на три группы: малой точности с относительной погрешностью более 0,1%, средней точности с погрешностью (0,01-0,1)% и высокой точности с погрешностью менее 0,01%. Чувствительность прибора характеризуется минимальной мощностью сигнала, подводимого к частотомеру, при которой возможен отсчет частоты.

2. Резонансные частотомеры

Рис. 4 . Рис. 5 .

Резонансные частотомеры обычно содержат следующие Элементы (рис. 4 ): объемный резонатор 2, элементы связи 1, элемент настройки 3, индикатор 5 с усилителем 4 или без него. Связь входной линии и индикаторного устройства с резонатором выбирают на основе компромисса между величиной нагруженной добротности резонатора и чувствительностью прибора. Настройку частотомера на определенную частоту измеряемых колебаний проводят путем измерения геометрических размеров резонатора. При этом размеры резонансной длинны волны или частоты определяют по положению настроечных органов в момент резонанса, который определяют по индикаторному устройству. В качестве индикаторов чаще всего применяют микропараметр постоянного тока, а при изменении частоты модулированных колебаний – осциллограф или измерительный усилитель. Различают два способа включения частотомера – с индикацией настройки по максимуму тока прибора (проходная схема) и минимуму тока (поглотительная или абсорбционная, схема). Первая схема, получившая наибольшее распространение, изображена на (рис. 5) . Резонатор с элементами связи и устройством перестройки по частоте показан на (рис. 5.а ), эквивалентная схема его – на (рис. 5,б ). При расстроенном резонансе частотомера показание индикаторного прибора равно нулю. В момент резонанса через прибор протекает максимальный ток (см. рис. 5.в ).

В некоторых случаях полезна вторая схема включения резонансного частотомера - с индикацией по минимуму тока при. резонансе. Устройство такого резонатора изображено на (рис. 6а ), эквивалентная схема - на (рис. 6б ). На частотах отличных от резонансной входное сопротивление параллельно включенного контура мало и, будучи трансформированным в цепь. детектора через отрезок длиной λ/4, не вносит заметных изменений в основную цепь. Вследствие этого через индикаторный прибор частотомера на соответствующую частоту измеряемых колебаний проводят путем изменения геометрических размеров резонатора. При этом значение резонансной длины волны или частоты определяют по положению настроечных органов в момент резонанса, который отмечают по индикаторному устройству. В качестве индикаторов чаще всего применяют микроамперметр постоянного тока, а при измерении частоты модулированных колебаний - осциллограф или измерительный усилитель. Различают два способа включения частотомера - с индикацией настройки по максимуму тока прибора (проходная схема) и минимуму тока (поглотительная, или абсорбционная, схема). Первая схема, получившая наибольшее распространение, изображена на (рис. 2 ). Резонатор с элементами связи и устройством перенастройки по частоте показан на (рис. 2а ), эквивалентная схема его - на (рис. 26 ). При расстроенном резонаторе частотомера показание индикаторного прибора равно нулю. В момент резонанса через прибор протекает максимальный ток (см. рис. 2в ).

Рис. 6 .

В некоторых случаях полезна вторая схема включения резонансного частотомера – с индикацией по минимуму тока при резонансе. Устройство такого резонатора изображено на (рис. 3а ) эквивалентная схема – на (рис. 3б ). На частотах отличной от резонансной входное сопротивление параллельно включенного контура мало и, будучи трансформированным в цепь детектора через отрезок длинной λ/4, не вносит заметных изменений в основную цепь. В следствии этого через индикаторный прибор проходит значительный ток. При настройке контура на частоту колебаний внешнего СВЧ-источника его входное сопротивление резко возрастает, цепь детектора оказывается шунтированной малым сопротивлением и ток через прибор значительно уменьшается (рис. 3в ). Скорость изменения показаний прибора при изменении настройки вблизи резонанса зависит как от собственной добротности резонатора, так и от коэффициента связи резонатора с линией. При измерении частоты непрерывных колебаний стремятся обеспечить максимально возможную собственную добротность резонатора. Большую добротность имеют резонаторы с большими размерами. Однако размеры их не должны быть чрезмерными, иначе появляются нежелательные колебания высших видов, затрудняющие выделение рабочего вида колебаний. Подавить паразитные колебания можно выбором соответствующей конструкции и определенного расположения элементов связи, а также применением щелей или других элементов с сильным затуханием для волн нежелательных видов.