СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛА В РАССОГЛАСОВАННОМ ТРАКТЕ
METHOD FOR MEASURING MICROWAVE SIGNAL POWER IN MISMATCHED PATH

Изобретение относится к области измерений в сфере СВЧ. Известны способы уменьшения погрешности измерения мощности СВЧ сигнала в рассогласованном тракте. Так способ по а.с. №1145766 В.К. Петренко (публ. 13.12.78 г) «Устройство для измерения мощности СВЧ в рассогласованном тракте» решает эту задачу в широком диапазоне рассогласований, но имеет довольно сложную реализацию. В частности, она включает переменный фазовращатель, изменяющий текущий по фазе уровень мощности «стоячей волны», вызванной отражениями, с фиксацией экстремумов мощности Pмакс и Pмин и дальнейшим расчетом искомой мощности Pc по формулам: . Здесь B=Pмакс/Pмин.
Этот способ применим для любых параметров рассогласования, а его остаточная погрешность в реализации определяется в основном параметрами фазовращателя (КСВН, потери и их изменения).
Наиболее близким прототипом заявленному считаем «Способ измерения уровня мощности сигнала в СВЧ тракте» по а.с. №1497581 М.И. Билько, А.К. Томашевский (публ. 30.07.89 г. бюл 28), реализованный с помощью более простой функциональной схемы, содержащей генератор, частотомер, специальный протяженный СВЧ тракт, ваттметр. Указанный способ основан на учете изменения фазового сдвига в тракте СВЧ за счет двойного изменения длины указанного тракта L на +_ΔL, где 0<ΔL<λB/2.
+
-
+
-
Измеряя соответствующие изменениям указанных длин значения мощностей, искомый уровень (с исключением погрешности) определяют по формуле: Pc=(2Ро+Р+Р)/4. Здесь Pо соответствует длине тракта L, P соответственно +ΔL и Р - минус ΔL. Этот способ применим для относительно небольшой степени рассогласования, реально имеющейся в современных методиках измерения мощности СВЧ.
Очевидно, что необходимость измерений при трех отрезках тракта и вычисление искомой мощности довольно длительный процесс, а его реализация относительно трудоемка. Кроме того, в описании прототипа совершенно не поясняется принцип уменьшения погрешности рассогласования, равно как и на его фиг. 2, а между тем тройное отключение генератора СВЧ и перестыковка отрезков, длины которых (+ и - ΔL) тоже имеют погрешности, в сумме дадут реальную неопределенность даже при многочисленных повторных измерениях. В описании аналога прототипа (статья Исхакова и др. в ИТ, 1986, с. 50-52) более подробно изложен принцип работы и погрешности сложной установки с очень длинным трактом СВЧ - L. Его длина в несколько сот длин волн в тракте все же должна предусматривать учет потерь в нем, требуемый сдвиг частоты и сложные расчеты. Итак, прототип, конечно, позволяет упростить расчеты относительно своего аналога, но за счет чего он уменьшает погрешность, повторимся, не поясняется, если не считать фиг. 2.
Воспользуемся известной формулой измерения мощности СВЧ с учетом погрешности рассогласования («Измерение мощности на СВЧ» М.И. Билько, А.К. Томашевский, М., Радио и связь, 1986, стр. 140, ф.7.2), фактически означающую Pc=Pп(1-2 Гг×Гв×COSϕ). Отметим, что методическая погрешность при этом даже при произведении 2Гг×Гв=0,2 не превышает 3% (этому соответствуют, например, КСВН генератора и ваттметра, равные 2, что на практике бывает крайне редко), а уже при более реальных в практике КСВН менее 1,6, т.е. 2 Гг×Гв=0,1, эта погрешность уменьшается до 0,75%. Определение этой методической погрешности проводилось сравнением по вышеозначенным формулам , для которых степень рассогласования не имеет значения. При этом указанные методические погрешности являются систематическими с положительным знаком, что важно. Итак, мы имеем стоячую волну по мощности Ρ(ϕ) с распределением ее вершины по закону COSϕ (см. фиг. 1). Для такого закона сумма любых двух значений COSϕ, разделенных 180 градусов (или кратных ее нечетному значению) относительно условной оси ϕ согласно фиг. 1, равна нулю, поскольку одно из значений COSϕ имеет положительное значение, а другое, равно ему по величине, но отрицательное (или наоборот в зависимости от начальной фазы), а с учетом полной картины стоячей волны для такого распределения искомая мощность со всей очевидностью равна полусумме мощностей, измеренных через отрезок тракта СВЧ, соответствующий λ в/2 (или кратной ее нечетному числу), а потом без него. Например, как показано на фиг. 1, в точке 1 мы имеем P1 и в точке 2 имеем Р2, а искомая мощность - Pc=(P1+Р2)/2. Совершенно очевидно, что реализация и расчеты при этом упрощаются, да и погрешность должна быть не хуже, но мы не углубляемся в этот более сложный вопрос в отсутствие анализа погрешностей прототипа. При необходимости измерений в диапазоне частот потребуется изготавливать соответствующее количество калиброванных по длине отрезков тракта СВЧ, что довольно трудоемко. Предлагаем в этом случае изготовить отрезок тракта для самой короткой длины волны в волноводе, т.е. высшей частоты диапазона, а все последующие точки диапазона необходимо составлять прибавлением к основному более коротких отрезков, изготовленных по закону двоичного деления λ в/2 мин. Это универсальный способ составления максимального числа возможных сочетаний общей длины при минимальном количестве составляющих отрезков. Так для диапазона X (3 см) с волноводом сечением 23 на 10 мм примем λ в/2 мин=16 мм. Для него результат двоичного деления даст значения: 8, 4, 2, 1, 0,5, 0,25 и 0,125 мм. Разумеется, что изготовление отрезков тракта по конфигурации, идентичной фланцам волноводов. В итоге 7 различных отрезков (7 разрядов двоичного деления)позволяют собрать всего 128 различных сочетаний длин с дискретностью 0,125 мм, составляющих в сумме 15, 875 мм. Указанная дискретность соответствует в среднем (из-за дисперсии) 26 МГц по частоте или 1,4 градуса при изменении частоты диапазона более 3300 МГц.
Таким образом, при необходимости измерения в широком диапазоне частот (например, в диапазоне волновода), предлагается вначале изготовить калиброванный отрезок тракта для самой коротковолновой части диапазона СВЧ, а затем более короткие отрезки, полученные делением на 2 каждого последующего из них. Это позволяет при минимальном числе отрезков собрать любой в диапазоне волновода набор требуемых отрезков с дискретностью, определяемой возможностями технологии изготовления. Реализация предлагаемого способа измерения в простейшем его виде представлена на фиг. 2, где 1 - частотомер, 2 - СВЧ генератор, 3 - калиброванный отрезок тракта СВЧ длинной λ в/2 или кратной ее нечетному числу, и 4 - ваттметр СВЧ. Здесь частотомер необходим для того, чтобы длина отрезка СВЧ тракта более точно соответствовала частоте генератора СВЧ (или наоборот).