Измерение мощности

Мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Единица мощности – ватт (Вт) – равна работе в один джоуль за одну секунду.

Мгновенная мощность синусоидального тока, выделяемая на некоторой нагрузке

где - мгновенные значения напряжения и тока на нагрузке, а средняя за период мощность

где U, I – среднеквадратические значения напряжения и тока.

На постоянном токе и переменном токе от низких частот до частот примерно 500 МГц мощность измеряют по току и напряжению. В качестве уравнения измерения используют

Р=U´I

(на постоянном токе) и выражение (1) на переменном. Применяют прямые и косвенные измерения. При прямых измерениях используются ваттметры, в которых аппаратно осуществляется перемножение напряжения и тока на нагрузке с последующим усреднением (например, электродинамические ваттметры).

На высоких частотах в качестве перемножителей используются различные электронные устройства. Широко используются косвенные измерения мощности по прямым измерениям напряжения или тока на активной нагрузке.

Особое положение занимает измерение мощности на СВЧ. Здесь не приемлем метод измерения, основанный на измерениях тока и напряжения, по следующим причинам:

– во-первых, напряжение и ток на СВЧ теряют свою однозначность: их значение непостоянно по сечению линии передачи;

– во-вторых, измерение напряжения и тока на СВЧ представляет трудности, обусловленные сильным влиянием измерительного прибора на измеряемую цепь.

Поэтому на СВЧ применяются методы, основанные на преобразовании электромагнитной энергии в другие виды, например, в тепловую энергию, и последующее измерение мощности преобразованного процесса. Обоснованием правомерности таких методов измерения служит закон сохранения энергии.

По виду первичного преобразования энергии различают следующие методы измерения мощности на СВЧ:

- тепловые (калориметрический, терморезисторный, термоэлектрический);

- пондеромоторный;

- методы, использующие выпрямление;

- методы, использующие эффект Холла;

- разогрев носителей заряда в СВЧ электрическом поле;

- нелинейные свойства ферритов.

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ:

1) измерение мощности источника или генератора электромагнитных колебаний, когда под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку;

2) измерение мощности, выделяемой в нагрузке.

В каждом из этих случаев используются два принципиально различных метода измерения. Первый состоит в том, чтобы измеряемую мощность полностью рассеять на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Второй метод состоит в том, что между генератором и нагрузкой включается устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса передачи.

На первом из этих методов основаны ваттметры поглощаемой мощности. С помощью направленных ответвителей измерители поглощаемой мощности могут использоваться как измерители проходящей мощности, хотя с другими пределами измерений. С другой стороны, подключение на выходе ваттметра проходящей мощности согласованной нагрузки превращает его в ваттметр поглощаемой мощности с теми же пределами измерений. Следовательно, ваттметры проходящей мощности при равных параметрах являются предпочтительными, так как они позволяют измерять мощность непосредственно в рабочих условиях при работе генератора на реальную нагрузку (а не на ее эквивалент), и в случае необходимости могут служить ваттметрами поглощаемой мощности без нарушения градуировки.

В круг задач измерения мощности на СВЧ входит также измерение мощности импульсно-модулированных колебаний: измеряют среднюю за период модуляции Т мощность Р_ср и среднюю за время импульса t импульсную мощность Р_и.

Для импульсов прямоугольной формы

где Q – скважность.

При измерении мощности наряду с абсолютными единицами используются (логарифмические) единицы, в частности, децибелы (дБ):

,

где Р_х – измеряемая мощность, Р_о– исходный уровень мощности; причем Р₀ выбирают равным 1 мВт или 1 Вт, в этих случаях единица обозначается дБмВт или дБВт. Если значение a положительно, измеряемая мощность больше исходного уровня, если отрицательно – меньше.

Ваттметры СВЧ перекрывают огромный динамический диапазон 10^-8...10⁸ Вт. По уровню измеряемой мощности они классифицируются на: ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней (от 10 мВт до 10 Вт) и большой (свыше 10 Вт) мощности. Все они могут иметь классы точности 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 15 и 25.

Дата добавления: 2014-01-04