Еталони одиниці потужності електромагнітних коливань ВЧ- і НВЧ- діапазонів

Якщо точні вимірювання потужності на промисловій частоті дуже важливі для енергетики і комерційних розрахунків при торгівлі електроенергією, то у ВЧ і особливо НВЧ-діапазонах потужність є основним параметром інтенсивності. Звідси важливість відповідних еталонів.

Хоча тракти передачі коливань у різних піддіапазонах частот суттєво відрізняються (коаксіальні, хвилеводні різних перетинів), що приводить до різних конструктивних рішень багатьох вузлів еталона, однак всі еталони потужності мають єдині фізичні принципи. У їхній основі знаходиться закон збереження енергії, а саме – заміщення вимірюваної потужності ВЧ- чи НВЧ-випромінювання відомою потужністю постійного струму [23, 28].

Загальною для всіх еталонів є і їхня структура. Кожний еталон включає джерело НВЧ-випромінювання, еталонний вимірювач потужності, засіб атестації еталона, компаратор, джерело постійного струму і прецизійні засоби вимірювання його потужності (рис. 6.6). Найвища точність відтворення одиниці потужності може бути досягнута при умовах, максимально наближених до деякої ідеальної моделі. Виходячи з цієї вимоги еталон відтворює одиниці потужності монохроматичного електромагнітного випромінювання, що поширюється від генератора без відбиття в нескінченому однорідному хвилеводі стандартного розміру.

Динамічний діапазон еталонів потужності більшості країн становить 10^-3 – 10^-2 Вт. Вибір цього діапазону пояснюється такими міркуваннями. Діапазон потужностей робочих приладів простирається від 10^-6 до 10⁴ Вт середньої потужності і від 10^-15 до 10⁸ Вт потужності в імпульсі. Тому природно мати еталон з діапазоном, близьким до середини динамічного діапазону робочих ватметрів.

Як еталонні ватметри у складі еталонів застосовують ватметри поглинутої або прохідної потужності, а принцип вимірювання полягає в порівнянні всієї поглинутої ватметром потужності (або її частини) з потужністю постійного струму, що вимірюється за допомогою прецизійних ЗВТ напруги й опору. Отже, як і в еталоні потужності промислової частоти, ват на ВЧ чи НВЧ “народжується” на базі еталонів ЕРС і електричного опору. На практиці порівняння потужності НВЧ із потужністю постійного струму здійснюється шляхом перетворення тієї й іншої в теплову енергію і порівняння цих енергій, тобто методом теплового компарування. В якості термоперетворювача (ТП) застосовують термістори, болометри, терморезистори.

		Рис. 6.6. Структурна схема еталона потужності ВЧ і НВЧ

 

 

Вимірювання потужності постійного струму (потужності заміщення) здійснюється за допомогою вимірювальних блоків, які є автоматичними мостами з засобами вимірювання напруги й опору.

В основу компараторів усіх еталонів покладено принцип ділення потужності за допомогою спрямованого відгалужувача з допоміжним ватметром у боковому плечі. Такий компаратор разом із джерелом сигналу дозволяє створити калібрований генератор сигналу для передачі розміру одиниці від еталонного ватметра до засобів вимірювань, що повіряються.

Еталонні ватметри однотипні за складом і принципом дії для всіх трактів. Вони складаються з робочого термоперетворювача, моста постійного струму і пристрою атестації. При подачі на ТП НВЧ потужності ТП нагрівається, що викликає зміну його опору постійному струму . Оскільки ТП включений в одне з пліч моста, який автоматично підтримує рівновагу шляхом регулювання потужності постійного струму (заміщення) , зміна цієї потужності дає можливість визначати поглинуту термоперетворювачем потужність НВЧ .

З фізичних міркувань ясно, що не вся потужність, що падає на вхід ТП, поглинається. Частина потужності може розсіятися в інших елементах, частина – відбитися. Крім того, відомо, що для зміни опору ТП на те саме значення при довжинах хвиль , порівнянних з довжиною болометра, потрібні різні потужності і . Тому еталонний ватметр характеризують калібровочним коефіцієнтом , який зветься також коефіцієнтом ефективності, а потужність , що падає на вхід ТП, розраховують за формулою .

Похибка вимірювання потужності еталонним ватметром визначається, таким чином, похибкою визначення і . Перша з цих похибок може бути зведена до досить малого значення (0,01 – 0,03 %), друга є домінуючою. Тому визначення є центральною задачею метрологічного дослідження всіх еталонів потужності ВЧ і НВЧ.

Для вимірювання в еталонах потужності застосовують спеціальні пристрої атестації, що ґрунтується на калориметричному методі. Один із варіантів конструкції калориметра наведено на рис. 6.7.

 

	Рис. 6.7. Конструкція калориметра еталона потужності ВЧ и НВЧ: 1 –корпус; 2-компенсуючий відрізок хвилеводу; 3 – фланець; 4 – робочий відрізок хвилеводу; 5- диференційна термопара

 

 

За відсутності НВЧ-потужності мостова схема, в одне плече якої включено робочий термоперетворювач , збалансована. При подачі на робочий ТП останній додатково нагрівається, змінюється його опір, і міст виходить з рівноваги. Якщо міст є автоматичним (що має місце для сучасних еталонів), потужність джерела постійного струму змінюється на значення, необхідне для відновлення рівноваги (потужність заміщення ).

Оскільки частина НВЧ-потужності, як уже було сказано вище, витрачається на нагрівання конструкції (позначимо ), рівняння теплового балансу має вигляд

.

Оскільки

,

то ,

тобто для визначення необхідно вимірювати і . Потужність вимірюється за допомогою пристроїв, що входять у мостову схему, а для вимірювання служить калориметр (рис. 6.7). У цій конструкції в один із відрізків хвилеводу включено робочий ТП , в іншій – ідентичний йому компенсуючий ТП . Між відрізками хвилеводу встановлюється диференційна термопара, що перетворює різницю температур між хвилеводами в термо-ЕРС, яка реєструється вольтметром, тобто фактично вимірює величину, пропорційну . Таким чином, вольтметр у ланцюзі термопари можна проградуювати у значеннях потужності. Однак точніше вимірити можна, подаючи на компенсуючий ТП потужність постійного струму до вирівнювання температур хвилеводів, тобто до одержання нульового струму в ланцюзі термопари.

Експериментальне вивчення і теоретичний аналіз похибок показали, що похибки вимірювання термоперетворювачів еталонних ватметрів (з урахуванням похибки неузгодженості) у коаксіальних трактах можуть бути знижені до 10^-3 на частотах до 1 ГГц, до 2·10^-3 – на частотах до 3 ГГц і до 3·10^-3 – до 10 ГГц. У хвилеводних трактах ця похибка становить (1–3)·10^-3, у міліметровому діапазоні – до 1·10^-2 .

Основні метрологічні характеристики державних еталонів Росії (рис. 6.8) і України (рис. 6.9) наведено в табл. 6.1 [23].

Ці характеристики відповідають кращим закордонним еталонам потужності НВЧ, про що свідчать численні міжнародні звірення еталонів.

Однак настільки високу точність відтворення потужності не вдається зберегти при передачі розміру одиниці від ДЕ підлеглим засобам вимірювання. Це зв'язано, головним чином, з похибкою через неузгодженість, тобто через наявність коефіцієнтів відбиття виходу генератора НВЧ, входів еталонного ватметра і ватметра, що повіряється. Дослідження показують, що при прийнятті всіх заходів для мінімізації цієї похибки вторинні і робочі еталони можуть градуюватися на ДЕ з похибкою 0,5 – 1,0 % – у діапазоні до 37,5 ГГц, з похибкою 1,0 – 1,5 % – у діапазоні 37,5 – 178,6 ГГц.

 

Таблиця 6.1

Основні метрологічні характеристики державних еталонів потужності

ВЧ і НВЧ Росії й України

Характеристики	Росія	Україна
Діапазон частот, ГГц	0,03 – 37,5	37,5–3,57	53,57–8,33	78,33–178,6
Вид тракту (перетин, мм)	Коаксіал, хвилевод	Хвилевод 5,2х2,6	Хвилевод 3,6х1,8	Хвилевод 2,4х1,2; 1,6х0,8
Межі відтворюваної потужності, мВт	1 – 100	3 – 10	2 – 10	1 – 10
НСП	(0,1 – 0,3)·10-2	5·10-3	5·10-3	1·10-3
СКВ	0,2·10-2	1·10-3	1·10-3	2·10-3