УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ СВЧ Российский патент 2009 года по МПК G01R21/04 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано в системах автоматизированного контроля радиолокационного оборудования.

Известно устройство для измерения мощности СВЧ по авторскому свидетельству СССР №464839, кл. G01R 21/00, 1973, содержащее термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр, усилитель постоянного тока, генератор импульсов с управляемой частотой и формирователь импульсов, управляемый ключ, сигнальный вход и выход которого подключены к другой диагонали моста, а управляющий вход - к выходу формирователя импульсов, источник опорного напряжения, подключенный к диагонали моста параллельно управляемому ключу, счетчик импульсов, вход которого подключен к выходу генератора импульсов с управляемой частотой, и мультивибратор, подключенный через резистор ко входам фильтра.

Признаками этого устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, является термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр и усилитель постоянного тока, управляемый ключ, выход которого подключен к другой диагонали моста.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения малых уровней мощности СВЧ, обусловленная температурным разбалансом термисторного моста.

От этого недостатка свободно устройство для измерения мощности СВЧ по авторскому свидетельству СССР №1134917, кл. G01R 21/04, 1981, содержащее термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр, усилитель постоянного тока и генератор импульсов с управляемой частотой, формирователь импульсов, управляемый ключ, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, а выход - к другой диагонали термисторного моста, последовательно включенные переключатель, вход которого подключен к выходу генератора импульсов с управляемой частотой, а второй выход - ко входу формирователя импульсов, интегратор и первый генератор тока, выход которого соединен с выходом управляемого ключа, последовательно включенные сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого генератора тока, перемножитель и формирователь временных интервалов, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен со вторым выходом переключателя, а вход управления - с выходом формирователя временных интервалов, и второй генератор тока, выход которого подключен к сигнальному входу управляемого ключа и ко вторым входам сумматора и перемножителя.

Признаками этого аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются термисторный мост, к одной диагонали которого подключены последовательно включенные фильтр и усилитель постоянного тока, генератор тока и управляемый ключ, сигнальный вход которого подключен к выходу генератора тока, а выход - к другой диагонали моста.

Недостатками этого устройства являются сложность и низкая надежность, обусловленные наличием в составе устройства двух генераторов тока, перемножителя и сумматора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является устройство для измерения мощности СВЧ по авторскому свидетельству СССР №1305606, кл. G01R 21/04, 1985, содержащее термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр, усилитель постоянного тока, переключатель, интегратор, генератор тока и управляемый ключ, выход которого подключен к другой диагонали термисторного моста, формирователь импульсов, последовательно включенные генератор импульсов с управляемой частотой и счетчик импульсов, последовательно включенные квадратор и формирователь временных интервалов, вход генератора импульсов с управляемой частотой подключен ко второму выходу переключателя, а выход - к формирователю импульсов, выход которого подключен ко входу управления управляемого ключа, вход квадратора подключен к выходу генератора тока, а выход формирователя временных интервалов - ко входу управления счетчика импульсов.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр, усилитель постоянного тока, переключатель, интегратор, генератор тока и управляемый ключ, выход которого подключен к другой диагонали моста.

Это устройство несколько проще, чем устройство по а.с.№1134917, так как в нем исключены сумматор и один из генераторов тока, а перемножитель заменен более простым квадратором. Однако оно все равно остается достаточно сложным и относительно низконадежным устройством. Другим недостатком этого устройства, присущим и устройствам по а.с.№№464839 и 1134917, является относительно низкое быстродействие. Дело в том, что измерение мощности в этих устройствах по сути сводится к измерению низкой частоты следования импульсов, осуществляемому путем подсчета числа этих импульсов в заранее заданном фиксированном интервале времени. Для снижения погрешности измерения это число должно быть достаточно велико (сотни - тысячи). Поэтому заданный интервал времени, а следовательно, и время измерения должны быть достаточно большими.

Технической задачей, на решение которой направлено создание изобретения, является упрощение устройства и повышение его надежности и быстродействия.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения мощности СВЧ, содержащее термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр, усилитель постоянного тока, переключатель, интегратор, генератор тока и управляемый ключ, выход которого подключен к другой диагонали термисторного моста, введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и генератор импульсов с управляемой длительностью, выход которого подключен ко входу управления управляемого ключа, вход АЦП подключен ко второму выходу переключателя, а выход является выходом устройства и подключен ко входу управления генератора импульсов с управляемой длительностью.

Совокупность вновь введенных АЦП и генератора импульсов с управляемой длительностью не является самостоятельным устройством и не следует явным образом из уровня техники, поэтому предлагаемое устройство следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:

на фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;

на фиг.2 - один из вариантов структурной схемы генератора импульсов с управляемой длительностью.

Предлагаемое устройство для измерения мощности СВЧ содержит термисторный мост 1, к одной из диагоналей которого последовательно подключены фильтр 2, усилитель 3 постоянного тока, переключатель 4, интегратор 5, генератор 6 тока и управляемый ключ 7, а также АЦП 8 и генератор 9 импульсов с управляемой длительностью (фиг.1). Вход АЦП 8 подключен ко второму выходу переключателя 4, а выход является выходом устройства и подключен ко входу управления генератора 9. Вход управления ключа 7 подключен к выходу генератора 9, а выход - к другой диагонали моста 1.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии переключатель 4 соединяет выход усилителя 3 со входом интегратора 5, а ключ 7 - выход генератора 6 с мостом 1.

После подачи напряжения питания напряжение разбаланса с выхода моста 1 через фильтр 2 поступает на вход усилителя 3, где усиливается. Через переключатель 4 усиленное напряжение разбаланса поступает на вход интегратора 5, в котором преобразуется в постоянное напряжение, управляющее величиной тока I генератора 6, поступающего через ключ 7 на мост 1. По мере окончания переходного процесса сигнал разбаланса моста уменьшается и в установившемся режиме становится равным нулю.

По команде подачи на мост 1 измеряемой мощности Р_СВЧ (устройство подачи команды на чертеже не показано) переключатель 4 устанавливается в положение, при котором выход усилителя 3 подключается ко входу АЦП 8 и образуется новый контур следящей системы: мост 1 - фильтр 2 - усилитель 3 - АЦП 8 - генератор 9 - ключ 7 - мост 1. При этом генератор 9 формирует прямоугольные импульсы фиксированной частоты f c длительностью τ, пропорциональной численному значению кода АЦП 8 (пропорциональной напряжению разбаланса моста 1). Протекание тока I генератора 6 через ключ 7 прекращается на время τ длительности импульсов генератора 9, поступающих на вход управления ключа 7. Система поддерживается в равновесии за счет размыкания ключа 7 на время τ действия импульсов генератора 9. Размыкание ключа 7 уменьшает среднюю мощность, поступающую на термистор моста 1 на величину I²·R₀·f·τ·4^-1, где R₀ - сопротивление термистора в рабочей точке.

Мощность P₁, рассеиваемая термистором до подачи измеряемой мощности P_СВЧ, определится:

Мощность P₂, рассеиваемая термистором после подачи измеряемой мощности P_СВЧ, определится:

Поскольку мощности, рассеиваемые термистором до и после подачи измеряемой мощности P_СВЧ, одинаковы, то можно записать:

P₁=Р₂.

С учетом уравнений (1) и (2) получим:

или

С помощью АЦП 8 формируется код численного значения N_U напряжения разбаланса с выхода моста 1.

Генератор 9 преобразует его в пропорциональную ему длительность τ импульсов фиксированной частоты. Коэффициент К₉ передачи генератора 9 (коэффициент пропорциональности между длительностью τ импульсов и напряжением разбаланса) связан с численным значением N_U кода на выходе АЦП 8 соотношением:

Коэффициент К₉ выбирают из условия:

Поэтому уравнение (4) можно записать в виде:

С учетом уравнения (3) получим:

Таким образом, в установившемся режиме численное значение N_U кода на выходе АЦП 8 соответствует измеряемой мощности СВЧ.

В предлагаемом устройстве в установившемся режиме для определения конечного результата достаточно измерить длительность одного импульса генератора 9 в отличие от устройства-прототипа, в котором для определения конечного результата необходимо затратить время на подсчет сотен импульсов такой же или меньшей частоты. Это существенно повышает быстродействие предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

Нетрудно видеть, что предлагаемое устройство в отличие от прототипа не содержит в своем составе квадратора, формирователя временных интервалов, счетчика импульсов, формирователя импульсов и генератора импульсов с управляемой частотой, а вновь введенные АЦП 8 и генератор 9 в совокупности не сложнее, чем генератор импульсов с управляемой частотой устройства-прототипа. Следовательно, предлагаемое устройство проще, чем прототип. Большая простота предлагаемого устройства обеспечивает ему более высокую надежность. Расчет показывает, что наработка на отказ у предлагаемого устройства примерно на 10% выше, чем у прототипа.

Заявляемое устройство достаточно легко реализуемо.

Мост может быть выполнен на термисторах типа ТВ-2-250А. Усилитель 2, фильтр 3, интегратор 5 и источник 6 тока могут быть выполнены на основе операционных усилителей на аналоговых интегральных микросхемах. Переключатель 4 и ключ 7 могут быть реализованы на полевых транзисторах. В качестве АЦП 8 может служить АЦП типа AD9200 фирмы Analog Devises. Один из вариантов структуры генератора 9 прямоугольных импульсов с управляемой длительностью приведен на фиг.2. Он содержит генератор 10 стабильной эталонной тактовой высокой частоты, делитель 11 частоты с постоянным коэффициентом деления, элемент 12 ИЛИ, счетчик 13 импульсов, компаратор 14 кодов и RS-триггер 15. Вход делителя 11 соединен с выходом генератора 10 и счетным входом счетчика 13, а выход - с первым входом элемента 12 и S-входом триггера 15, R-вход которого подключен к выходу компаратора 14 и второму входу элемента 12, а выход является выходом генератора 9. Вход обнуления счетчика 13 подключен к выходу элемента 12, а выход - к первому входу компаратора 14, второй вход которого является входом управления генератора 9. Импульсы генератора 9 формируются триггером 15. Их частота f задается коэффициентом деления делителя 11, а передние фронты формируются короткими импульсами генератора 10, прошедшими через делитель 11 на S-вход триггера 15, под действием которых триггер 15 перебрасывается. Одновременно этими же импульсами, прошедшими через элемент 12, обнуляется счетчик 13, и начинается счет импульсов тактовой частоты генератора 10, поступающих на счетный вход счетчика 13. По достижении содержимым счетчика 13 числа, соответствующего коду на входе управления генератора 9 и втором входе компаратора 14, последний формирует короткий импульс, под действием которого триггер 15 возвращается в исходное состояние. В результате формируется прямоугольный импульс с длительностью, пропорциональной численному значению кода на входе управления. Далее процесс повторяется с частотой f. Все элементы генератора 9 могут быть выполнены на цифровых интегральных микросхемах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматизированного контроля радиолокационного оборудования. Технический результат - повышение надежности и быстродействия. Для достижения данного результата устройство содержит термисторный ключ 1, к одной из диагоналей которого последовательно подключены фильтр 2, усилитель 3 постоянного тока, переключатель 4, интегратор 5, генератор 6 тока и ключ 7, а также АЦП 8 и генератор 9 импульсов с управляемой длительностью. Вход АЦП 8 подключен ко второму входу переключателя 4. Выход АЦП 8 является выходом устройства и подключен ко входу управления генератора 9. Вход управления ключа 7 подключен к выходу генератора 9, а выход - к другой диагонали моста 1. АЦП 8 и генератор 9 обеспечивают устройству повышенные надежность и быстродействие. 2 ил.

Устройство для измерения мощности СВЧ, содержащее термисторный мост, к одной диагонали которого последовательно подключены фильтр, усилитель постоянного тока, переключатель, интегратор, генератор тока и управляемый ключ, выход которого подключен к другой диагонали термисторного моста, отличающееся тем, что в него введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и генератор импульсов с управляемой длительностью, выход которого подключен ко входу управления управляемого ключа, вход АЦП подключен ко второму выходу переключателя, а выход является выходом устройства и подключен ко входу управления генератора импульсов с управляемой длительностью.