Способ измерения СВЧ-мощности Советский патент 1984 года по МПК G01R21/04 

1

оо

4

да СО Изобретение относится к технике измерений на СВЧ. Известен способ измерения СВЧ-мощ ности основанный на преобразовании измеряемого сигнала в тепловой поток с последующим преобразованием теплового потока в электрический си нал с помощью датчика температуры .термопары или болометра, причем по величине электрического сигнала датчика температуры в таком .способе определяют значение мощности измеряемо го сигнала Г1. Недостатки способа состоят в низкой точности измерений и ограниченном сверху динамическом диапазоне измеряемых сигналов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является .способ измерения СВЧ-мощности, включающий преобразование измеряемой СВЧ-мощ.ности в тепловой поток и компенсацию теплового потока охлаждающим потоком термоэлектрического охладителя, питаемого электрическим сигналом 23. Однако -известный способ не обеспечивает высокой точности измерений и требует значительного времени на проведение измерений. Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерений.. Для достижения цели согласно способу измерения СВЧ-моцности, включаю щему преобразов.ание измеряемой СВЧмощности в тепловой поток и компенсацию теплового потока охлаждающим потоком термоэлектрического охладителя, питаемого электрическим сигналом, при котором электрический сигнал формируют в виде последовательности двухполярных импульсов, регулируют его среднее значение, под держивая постоянным действующее значение до момента компенсации, а СВ -мощность определяют по величине среднего значения в момент компенсации теплового потока охлаждающим потоком. На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства, реализующего способ измерения СВЧмощности .. Устройство содержит волноводный тракт 1, нагрузку 2, датчик 3 температуры, термоэлектрический охладитель 4, помещенные в корпус 5, микровольтметр б постоянного тока, регулируемый источник 7 питания, из меритель 8 действующего значения на пряжения (тока) и измеритель 9 сред него значения напряжения (тока), под ключенные к выходу регулируемого источника 7 питания. Датчик 3 температуры (батарея термопар) установлен так, что его рабочие спаи имеют тепловой контакт с нагрузкой 2, а холодные спаи с корпусом 5. Термоэлектрический охладитель 4 установлен так, что его рабочие спаи имеют тепловой контакт с нагрузкой 2, а теплоотводящие спаи с корпусом 5. Выход датчика 3 температуры соединен с входом микровольтметра 6. Выход регулируемого источника 7 питания соединен с цепью питания термоэлектрического охладителя 4. В качестве волноводного тракта 1 может быть использован отрезок трубы из материала с низкой тепло- , проводностью, например из нержавеющей стали, с толщиной стенок 2025 мкм. В качестве нагрузки 2 может быть использован твердЕлй диэлектрик с большими потерями. В качестве датчика 3 температуры может быть использована термопара или бг тарея термопар.. Термоэлектрический охладитель 4 может быть выполнен в виде полупроводникового термоэлектрического элемента или в виде батареи термоэлектрических элементов по одной из известных конструктивных схем. В качестве микровольтметра 6 может быть использован ггшьванометр магнитоэлектрической системы. В качестве регулируемого источника 7 питания может быть использован стандартный генератор двухполярных импульсов регулиру-емой длительности. В качестве измерителя 8 действующего значения напряжения тока может быть использован стандартный вольтметр или амперметр. В качестве измерителя 9 среднего значения напряжения (тока) может быть использован стандартный вольтметр или ампер метр. Измерение СВЧ-мощности производят следующим образом. Измеряемый СВЧ-сигнэ.л, поступающий по волноводному тракту 1, преобразуют в тепловой поток с помощью нагрузки 2. Изменение температуры нагрузки 2, вызыванное прохоиодением через нее теплового потока из.меряемого сигнала, вызывает изменение сигнала датчика 3 температуры и изменение, показаний микровольтме.тра 6 . Электрический сигнал, вырабатываемый регулируемым источником 7 питания, преобразуют с помощью термоэлектрического охладителя 4 в охлаждающий поток, протекающий через нагрузку.f Компенсируют тепловой поток измеряемого СВЧ-сигнала охлаждающим потоком термоэлектрического охладителя 4 путем регулирования среднего значения электрического сигнала при постоянном значении действующего значения сигнала. В процессе компенсации уровни действующего и среднего значений электрического сигнала ни выходе регулируемого источника 7 ко ролируют по показаниям измерителей 8 и 9. В момент компенсации, определяе№ по нулевым показаниям микровольтмет ра б , по среднему значению электрического сигнала регулируемого источ ника питания 6 (по показаниям измерителя 9) определяют значение измер емой СВЧ-мощности, Если в процессе компенсации поддерживается неизменной частота прямоугольных двухполярных импульсов тока (напряжения) .на выходе регулируемого источника 7 питания, а также поддерживается неизменной амплитуда прямоугольных двухполярных импульсов навыходе регулируемо го источника 3 питания, а регулируется длительность разнополярных час тей прямоугольных импульсов, то среднее значение тока (напряжения) питания термоэлектрического охладителя 4 изменяется и пропорционально ему изменяется величина охлаждающего потока. В то же время действующее значение тока питания -термозлек трического охладителя 4 остается по стоянным во всем диапазоне изменения среднего значения тока (напряжения) питания. В момент компенсации (в момент равенства нулю показаний микровольтМетра 6) значение мощности измеряемого СВЧ-сигнала может быть определено по среднему значениютока (напряжения) питания, термоэлектрического охладителя 4 или по нему значению длительностей однопол яр ных частей импульсов тока (напряжен питания термоэлектрического охладителя 4. Процесс измерения может быть автоматизирован введением отрицательной обратной связи с выхода дат чика 3 температуры на управляющий вход регулируемого источника 7 питания. Преимущества предложенного способа измерения СВЧ-мощности состоят в следующем. По способу-прототипу в процессе измерения регулируют амплитуду тока (напряжения) питания термоэлектрического охладителя. Физические процессы, протекающие при этом, описываются следующими матема тическими выражениями, Тепловая мощйость Р, выделяемая измеряемым сигналом в нагрузке 2, равна Р, К. где К - коэффициент пропорциональности, зависящей от конструкций волновода и свойств нагрузки; Ppgq- значение мощности измеряемого СВЧ-сигнала. Охлаждаквдая мощность РОХЛ выделяемая термоэлектрическим охладителем, равна РОДЛ -J2R , где Ку коэффициент пропорциональности, зависящей от свойств материала охладителя; 3 - значение тока через охладитель ; R - активное сопротивление охладителя . В момент компенсации РОХЛ РТ/ или Pj.g K2D-J ft . Из последнего выражения видно, что зависимость между измеряемом сигналом Рсвч информативным параметром выходного сигнала Э имеет нелинейный характер. Поскольку реальные термоэлектрические охладители имеют значение Р О, то значение и определяет достижимую точность измерения СВЧмощности по способу-прототипу. Кроме того, недостатком прототипа является значительное время измерения, что объясняется следующим образом. При изменении в процессе компенсации значения тока D пропорционально изменяется и член , определяющий значение паразитной тепловой мощности, рассеиваемой в термоэлектрическом охладителе. При этом озшаждающая мощность выделяется только в рабочем спае термоэлектрического охладителя, а паразитная нагревающая мощность выделяется во все объеме термоэлектрического охладителя. Поэтому при любых изменениях тока Э необходимо некоторое время для установления рабочего разжима, которое зависит как от конструкции термоэлектрического охладителя 4, так и от условий его теплообмена с окружающей средой. В предлагаемом способе регулирование компенсирующей величины осуществляют так, что действующее значение тока питания, а следователь- i но,и квадратичный член J( , определяю щий значение паразитной тепловой мощности, выделяемой в термоэлектрическом охладителе, при любых изменениях среднего значения тока (при любых изменениях компенсирующей охлаждающей мощности) остается по.гтоянным 3 R cdns-t, поэтому зависимость между измеряемым сигналом (PJ, ) и информативным параметром выходного сигналЪ (ср имеет линейный характер, что позволяет повыгсить точность измерения, применяя

1084691

реально существующие термоэлектри- ления рабочего режима охладителя,

ческие охладители.что позволяет повысить скорость проПостоянство в процессе измеренияведения операции компенсации, т.е.

паразитной тепловой мощности оп-повысить скорость .проведения измерередёляет и большую скорость уставов-ния.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СВЧ-МОЩНОСТИ, включающий преобразование измеряемой СВЧ-мощности в тепловой поток и компенсацию теплового потока охлаждакнаим потоком термоэлектрического охладителя, питаемого электрическим сигналом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерений, электрический сигнал формируют в виде последовательности двухполярных импульсов, регулируют его среднее значение, поддерживая постоянным действующее значение до момента компенсации, а СВЧ-мощность определяют по величине среднего значения в момент компенсации теплового потока охлаждающим потоком.