Измеритель мощности непрерывных электромагнитных колебаний

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения непрерывной СВЧ-мощности высокого уровня. Сущность изобретения: измеритель содержит амплитудно-импульсный модулятор 1, измерительный инерционный преобразователь 2, усилитель 3, аналого-цифровой преобразователь 4, вычислительно-логический блок 5, индикатор 6, генератор 7 модулирующих импульсов, калибратор 8, два задающих генератора 9, 10 прямоугольных импульсов, логические элементы И 9, ИЛИ 13 и электронный коммутатор 12. 2 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения непрерывной СВЧ-мощности высокого уровня.

Известен калориметрический измеритель мощности с расширенным диапазоном измерений, содержащий амплитудно-импульсный модулятор, выполненный в виде механического затвора на диске с отверстиями, расположенного перед приемным преобразователем таким образом, чтобы исследуемые электромагнитные колебания проходили через отверстия в диске и поступали в окно приемного преобразователя. В режиме измерения большой мощности диск приводится во вращение электродвигателем, прерывая непрерывное излучение и преобразуя его в импульсное со скважностью Q = , (1) где S - длина окружности диска, на которой располагаются отверстия; d - ширина отверстий; n - количество отверстий.

К недостаткам известного измерителя относятся высокая стоимость, связанная с необходимостью точной механической обработки затвора, большие габариты и масса, низкая надежность электромеханической системы.

Наиболее близким является измеритель непрерывной мощности СВЧ, содержащий генератор модулирующих импульсов, амплитудно-импульсной модулятор, калориметрический преобразователь, усилитель, электронный коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, индикатор и калибратор.

Недостатки известного измерителя заключаются в узком диапазоне измерений.

Расширение диапазона измерений в предлагаемом измерителе достигается тем, что в известный измеритель непрерывной мощности СВЧ, содержащий последовательно соединенные амплитудно-импульсный модулятор, на первый вход которого подается измеряемый сигнал, измерительный инерционный преобразователь и усилитель, а также аналого-цифровой преобразователь, индикатор, генератор модулирующих импульсов, электронный коммутатор и калибратор, выход которого соединен с вторым входом измерительного преобразователя, дополнительно вводят вычислительно-логический блок. При этом выход усилителя соединяют с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединяют с входом вычислительно-логического блока, первый выход которого соединяют с входом индикатора, а второй выход - с входом генератора модулирующих импульсов, выход которого соединяют с вторым входом модулятора, причем генератор модулирующих импульсов выполнен на двух задающих генераторах прямоугольных импульсов, логического элемента И, электронного коммутатора и логического элемента ИЛИ, соединенных следующим образом: выход первого задающего генератора соединяют с первым входом логического элемента И и первым входом электронного коммутатора, выход второго задающего генератора соединяют с вторым входом логического элемента И и третьим входом электронного коммутатора, выход логического элемента И соединяют с вторым входом электронного коммутатора, первый, второй, третий выходы электронного коммутатора соединяют соответственно с первым, вторым, третьим входами логического элемента ИЛИ, выход которого соединяют с входом модулятора, а управляющий вход электронного коммутатора соединяют с вторым выходом вычислительно-логического блока. Сопоставительный анализ прототипа позволяет сделать вывод, что предлагаемый измеритель мощности непрерывных электромагнитных колебаний отличается тем, что в измеритель дополнительно введен вычислительно-логический блок, при этом выход усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом вычислительно-логического блока, первый выход которого соединен с входом индикатора, а второй выход - с входом генератора модулирующих импульсов, выход которого соединен с вторым входом модулятора, а генератор модулирующих импульсов содержат два задающих генератора прямоугольных импульсов, логический элемент И, электронный коммутатор и логический элемент ИЛИ. Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в предлагаемом измерителе и признать изобретение соответствующим критерию "существенное отличие".

На фиг. 1 приведена структурная схема измерителя; на фиг. 2 - эпюры сигналов, полученных в результате модуляции.

Измеритель содержит амплитудно-импульсный модулятор 1, измерительный инерционный преобразователь 2, усилитель 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, вычислительно-логический блок 5, индикатор 6, генератор 7 модулирующих импульсов и калибратор 8. Генератор модулирующих импульсов содержит два задающих генератора 9 и 10 прямоугольных импульсов, двухвходовую схему И 11, трехканальный электронный коммутатор 12 и трехвходовую схему ИЛИ 13.

Измеритель работает следующим образом.

Исследуемый сигнал через модулятор 1 подается на первый вход преобразователя 2, который вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению мощности импульсно-модулированного сигнала, сформированного модулятором 1 и генератором 7. Это постоянное напряжение после усиления усилителем 3 преобразуется в цифровой код АЦП 4 и обрабатывается вычислительно-логическим блоком 5. Последний управляет процессом измерения и выдает информацию о результатах измерения на цифровой индикатор 6. Цикл измерения состоит из трех тактов. В первом такте по команде блока 5 открывается первый канал электронного коммутатора 12 и на второй вход модулятора 1 поступают прямоугольные импульсы длительностью τ₁ и периодом Т₁ от задающего генератора 9 через открытый канал электронного коммутатора 12 и первый вход схемы ИЛИ 13, а вычислительно-логический блок фиксирует результат измерения P₁ = , (2) где Q₁ = - скважность импульсной последовательности в первом такте; Р_х - исследуемая мощность.

Во втором такте по команде блока 5 первый канал коммутатора 12 закрывается, а третий открывается, и на второй вход коммутатора 1 поступают прямоугольные импульсы длительностью τ₂ и периодом Т₂ от задающего генератора 10 через открытый канал коммутатора 12 и третий вход схемы ИЛИ 13. Вычислительно-логический блок фиксирует результат измерения P₂ = , (3) где Q₂ = - скважность импульсной последовательности во втором такте.

В третьем такте закрывается третий и открывается второй канал коммутатора 12 и на второй вход модулятора 1 поступают пачки импульсов с выхода схемы И 11, полученные в результате перемножения двух импульсных последовательностей Т₁, τ₁ и Т₂, τ₂. Вычислительно-логический блок в этом случае фиксирует результат измерения P₃ = . (4) Эпюры сигналов (фиг.2) поясняют работу измерителя в трех тактах, когда измеряются средние значения импульсно-модулированных сигналов Р₁, Р₂, Р₃.

В четвертом такте блок 5 производит вычисление измеряемой мощности Р_х по формуле P_x=P (5)
Выражение (5) является решением (2), (3), (4) относительно Р_х.

Из (5) видно, что измеренное значение Р_х не зависит от параметров импульсной модуляции, а определяется лишь результатами измерений Р₁, Р₂, Р₃, произведенными одним и тем же измерителем, диапазон измерений которого расширен за счет увеличения верхнего предела измерения приблизительно в Q раз.

Экспериментальная проверка макета измерителя и его лабораторные испытания подтвердили достижения целей изобретения и улучшение характеристик предлагаемого измерителя.

Например, применяя в изобретении приемный термоэлектрический преобразователь типа М5-78 со следующими параметрами:
верхний предел преобразуемой средней мощности не более 10 мВт;
верхний предел преобразуемой импульсной мощности не более 1 Вт;
длительность импульса максимальной преобразуемой импульсной мощности не более 10 мкс;
коэффициент преобразования 1 мВ/мВт;
постоянная времени преобразователя 50 мс, можно реализовать верхний предел измерений непрерывной СВЧ-мощности значением в 1 Вт.

Действительно, для импульсной последовательности в первом такте с параметрами τ₁ = 1,0 мкс; Т₁ = 100 мкс; Q₁ = = 100, во втором такте τ₂ = 10 мкс; Т₂ = 1000 мкс; Q₂ = = 100 верхний предел измерения предлагаемого измерителя определяется из выражения
Р_верх = Q˙Р_ср.доп = 100˙10 = 1000 мВт, где Q = 100;
Р_ср.доп. = 10 мВт - верхний предел преобразуемой средней мощности преобразователя.

Сравнение диапазонов измерения предлагаемого и известного измерителей можно произвести из выражений
U=K_пр·P1-e, (6)
U= K_пр·P, (7) где U_вых1, U_вых2 - напряжения на выходе преобразователя известного и предлагаемого измерителей соответственно;
K_пр=1 - коэффициент преобразования преобразователя;
Р_х = 1000 мВт - максимальное значение исследуемой мощности;
τ_п = 10 мкс - длительность радиоимпульса на входе преобразователя;
τ_пр = 50 мс - постоянная времени преобразователя;
Q = Q₁ = Q₂ = 10² - скважность импульсных последовательностей.

В данном случае при τ_пр >> τ_и (6) можно записать как
U=K_пр·Px. (8)
Подставляя значения К_пр, Р_х, τ_и, τ_пр, Q₁, Q₂ в (7), (8), получают
U=1·10 = 0,2 мВ,
U=1·10 = 0,1 мВ, т.е. из (7) и (8) видно, что при равенстве мощностей на входе преобразователя известного и предлагаемого измерителей уровни напряжений на выходе преобразователя обоих измерителей являются величинами одного порядка, но с той существенной разницей, что в известном измерителе носителем информации является одиночный импульс, а в предлагаемом - уровень постоянного напряжения. В связи с этим различаются требования к измерителям в части амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). Для известного измерителя АЧХ должна иметь полосу пропускания, определяемую частотным спектром импульсного сигнала, т.е. Δf ≥ , которая при τ_о = 10 мкс составляет приблизительно 100 кГц. Для предлагаемого измерителя АЧХ может быть ограничена полосой пропускания, составляющей доли Гц.

В этом случае диапазон измерения известного и предлагаемого измерителей различен, так как, если с верхней стороны он определяется максимально допустимой мощностью, поглощаемой преобразователем, то с нижней стороны - уровнем шумов на входе измерительного тракта. Считая верхние пределы известного и предлагаемого измерителей равными, нижние пределы диапазона измерений известного и предлагаемого измерителей определяются уровнем шумов на входе измерительного тракта, который определяется из известного выражения:
U_ш=, (9) где k - 1,38˙10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана;
Т = 293 К - абсолютная температура преобразователя;
R = 200 Ом - выходное сопротивление преобразователя;
Δ f, Гц - полоса пропускания измерительного тракта.

Для известного измерителя (при Δ f = 10⁵ Гц)
U_1ш= = 5,7·10^-7 B.

Для предлагаемого измерителя (при Δ f =1 Гц)
U_2ш= =1,8·10^-9 B
Отношения напряжений полезного сигнала к шумам на входе измерительного тракта для известного и предлагаемого измерителей соответственно равны
= = 350,
= = 53000.

Таким образом, уровень помех на входе измерительного тракта предлагаемого измерителя приблизительно в = 150 раз ниже в сравнении с известным, что эквивалентно расширению диапазона измерений предлагаемого измерителя.

Преимущества предлагаемого измерителя перед прототипом заключается также в отсутствии импульсного калибратора, так как в предлагаемом измерителе отпадает необходимость калибровки постоянной времени измерительного преобразователя.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий последовательно соединенные амплитудно-импульсный модулятор, первый вход которого соединен с источником измеряемого сигнала, а второй - с выходом генератора модулирующих импульсов, измерительный инерционный преобразователь и усилитель, содержащий также аналого-цифровой преобразователь, индикатор и калибратор, отличающийся тем, что в измеритель дополнительно введен вычислительно-логический блок, при этом выход усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом вычислительно-логического блока, первый выход которого соединен с входом индикатора, а второй - с входом генератора модулирующих импульсов, причем генератор модулирующих импульсов выполнен на двух задающих генераторах прямоугольных импульсов, логической схемы И, электронного коммутатора и логической схемы ИЛИ, причем выход первого задающего генератора соединен с первым входом логической схемы И и первым входом электронного коммутатора, выход второго задающего генератора соединен с вторым входом указанной схемы и третьим входом электронного коммутатора, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами логической схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом амплитудно-импульсного модулятора, второй вход логической схемы И соединен с вторым входом электронного коммутатора, управляющий вход которого соединен с вторым выходом вычислительно-логического блока, а выход калибратора - с вторым входом измерительного инерционного преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2