SU1084691A1

SU1084691A1 - Uhf-power measuring method

Info

Publication number: SU1084691A1
Application number: SU803221354A
Authority: SU
Inventors: Юрий Сергеевич Мальцев; Виктор Дмитриевич Шевченко; Михаил Матвеевич Чернин
Original assignee: Предприятие П/Я М-5346
Priority date: 1980-12-22
Filing date: 1980-12-22
Publication date: 1984-04-07

Abstract

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СВЧ-МОЩНОСТИ , включающий преобразование измер емой СВЧ-мощности в тепловой поток и компенсацию теплового потока охлаждакнаим потоком термоэлектрического охладител , питаемого электрическим сигналом, отличающийс тем, что, с целью повышени точности и сокращени времени измерений, электрический сигнал формируют в виде последовательности двухпол рных импульсов, регулируют его среднее значение, поддержива посто нным действующее значение до момента компенсации, а СВЧ-мощность определ ют по величине среднего значени в момент компенсации теплового потока охлаждающим потоком.METHOD OF MEASURING A microwave power, including converting the measured microwave power into heat flux and compensating the heat flux by cooling the flux of a thermoelectric cooler powered by an electrical signal, characterized in that, in order to improve accuracy and reduce the measurement time, pulses, regulate its average value, maintaining a constant effective value until the moment of compensation, and the microwave power is determined by the magnitude of the average Achen at the time of heat flow compensation cooling stream.

Description

1one

ооoo

4four

да СО Изобретение относитс к технике измерений на СВЧ. Известен способ измерени СВЧ-мощ ности основанный на преобразовании измер емого 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 определ ют значение мощности измер емо го сигнала Г1. Недостатки способа состо т в низкой точности измерений и ограниченном сверху динамическом диапазоне измер емых сигналов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности вл етс .способ измерени СВЧ-мощности, включающий преобразование измер емой СВЧ-мощ.ности в тепловой поток и компенсацию теплового потока охлаждающим потоком термоэлектрического охладител , питаемого электрическим сигналом 23. Однако -известный способ не обеспечивает высокой точности измерений и требует значительного времени на проведение измерений. Цель изобретени - повышение точности и сокращение времени измерений .. Дл достижени цели согласно способу измерени СВЧ-моцности, включаю щему преобразов.ание измер емой СВЧмощности в тепловой поток и компенсацию теплового потока охлаждающим потоком термоэлектрического охладител , питаемого электрическим сигналом , при котором электрический сигнал формируют в виде последовательности двухпол рных импульсов, регулируют его среднее значение, под держива посто нным действующее значение до момента компенсации, а СВ -мощность определ ют по величине среднего значени в момент компенсации теплового потока охлаждающим потоком. На чертеже приведена структурна электрическа схема устройства, реализующего способ измерени СВЧмощности .. Устройство содержит волноводный тракт 1, нагрузку 2, датчик 3 температуры , термоэлектрический охладитель 4, помещенные в корпус 5, микровольтметр б посто нного тока, регулируемый источник 7 питани , из меритель 8 действующего значени на пр жени (тока) и измеритель 9 сред него значени напр жени (тока), под ключенные к выходу регулируемого источника 7 питани . Датчик 3 температуры (батаре 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 теплоотвод щие спаи с корпусом 5. Выход датчика 3 температуры соединен с входом микровольтметра 6. Выход регулируемого источника 7 питани соединен с цепью питани термоэлектрического охладител 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 потер ми. В качестве датчика 3 температуры может быть использована термопара или бг таре 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 питани может быть использован стандартный генератор двухпол рных импульсов регулиру-емой длительности. В качестве измерител 8 действующего значени напр жени тока может быть использован стандартный вольтметр или амперметр. В качестве измерител 9 среднего значени напр жени (тока) может быть использован стандартный вольтметр или ампер метр. Измерение СВЧ-мощности производ т следующим образом. Измер емый 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.мер емого сигнала, вызывает изменение сигнала датчика 3 температуры и изменение , показаний микровольтме.тра 6 . Электрический сигнал, вырабатываемый регулируемым источником 7 питани , преобразуют с помощью термоэлектрического охладител 4 в охлаждающий поток, протекающий через нагрузку.f Компенсируют тепловой поток измер емого СВЧ-сигнала охлаждающим потоком термоэлектрического охладител 4 путем регулировани среднего значени электрического сигнала при посто нном значении действующего значени сигнала. В процессе компенсации уровни действующего и среднего значений электрического сигнала ни выходе регулируемого источника 7 ко ролируют по показани м измерителей 8 и 9. В момент компенсации, определ е№ по нулевым показани м микровольтмет ра б , по среднему значению электрического сигнала регулируемого источ ника питани 6 (по показани м измерител 9) определ ют значение измер емой СВЧ-мощности, Если в процессе компенсации поддерживаетс неизменной частота пр моугольных двухпол рных импульсов тока (напр жени ) .на выходе регулируемого источника 7 питани , а также поддерживаетс неизменной амплитуда пр моугольных двухпол рных импульсов навыходе регулируемо го источника 3 питани , а регулируетс длительность разнопол рных час тей пр моугольных импульсов, то среднее значение тока (напр жени ) питани термоэлектрического охладител 4 измен етс и пропорционально ему измен етс величина охлаждающего потока. В то же врем действующее значение тока питани -термозлек трического охладител 4 остаетс по сто нным во всем диапазоне изменени среднего значени тока (напр жени ) питани . В момент компенсации (в момент равенства нулю показаний микровольтМетра 6) значение мощности измер емого СВЧ-сигнала может быть определено по среднему значениютока (напр жени ) питани , термоэлектрического охладител 4 или по нему значению длительностей однопол р ных частей импульсов тока (напр жен питани термоэлектрического охладител 4. Процесс измерени может быть автоматизирован введением отрицательной обратной св зи с выхода дат чика 3 температуры на управл ющий вход регулируемого источника 7 питани . Преимущества предложенного способа измерени СВЧ-мощности состо т в следующем. По способу-прототипу в процессе измерени регулируют амплитуду тока (напр жени ) питани термоэлектрического охладител . Физические процессы, протекающие при этом, описываютс следующими матема тическими выражени ми, Теплова мощйость Р, выдел ема измер емым сигналом в нагрузке 2, равна Р, К. где К - коэффициент пропорциональности , завис щей от конструкций волновода и свойств нагрузки; Ppgq- значение мощности измер емого СВЧ-сигнала. Охлаждаквда мощность РОХЛ выдел ема термоэлектрическим охладителем , равна РОДЛ -J2R , где Ку коэффициент пропорциональности , завис щей от свойств материала охладител ; 3 - значение тока через охладитель ; R - активное сопротивление охладител . В момент компенсации РОХЛ РТ/ или Pj.g K2D-J ft . Из последнего выражени видно, что зависимость между измер емом сигналом Рсвч информативным параметром выходного сигнала Э имеет нелинейный характер. Поскольку реальные термоэлектрические охладители имеют значение Р О, то значение и определ ет достижимую точность измерени СВЧмощности по способу-прототипу. Кроме того, недостатком прототипа вл етс значительное врем измерени , что объ сн етс следующим образом . При изменении в процессе компенсации значени тока D пропорционально измен етс и член , определ ющий значение паразитной тепловой мощности, рассеиваемой в термоэлектрическом охладителе. При этом озшаждающа мощность выдел етс только в рабочем спае термоэлектрического охладител , а паразитна нагревающа мощность выдел етс во все объеме термоэлектрического охладител . Поэтому при любых изменени х тока Э необходимо некоторое врем дл установлени рабочего разжима , которое зависит как от конструкции термоэлектрического охладител 4, так и от условий его теплообмена с окружающей средой. В предлагаемом способе регулирование компенсирующей величины осуществл ют так, что действующее значение тока питани , а следователь- i но,и квадратичный член J( , определ ю щий значение паразитной тепловой мощности, выдел емой в термоэлектрическом охладителе, при любых изменени х среднего значени тока (при любых изменени х компенсирующей охлаждающей мощности) остаетс по .гто нным 3 R cdns-t, поэтому зависимость между измер емым сигналом (PJ, ) и информативным параметром выходного сигналЪ (ср имеет линейный характер, что позвол ет повыгсить точность измерени , примен yes. CO. THE INVENTION relates to a microwave measurement technique. A known method of measuring the microwave power is based on converting the measured signal into heat flux and then converting the heat flux into electrical sily using a thermocouple temperature sensor or a bolometer, and the power measurement value is determined by the magnitude of the electrical signal of the temperature sensor G1 signal. The disadvantages of the method are low measurement accuracy and a limited upper dynamic range of the measured signals. The closest to the proposed technical entity is a method for measuring microwave power, including converting the measured microwave power to heat flux and compensating heat flux by a cooling stream of a thermoelectric cooler powered by an electrical signal 23. However, the well-known method does not provide high accuracy measurements and requires considerable time to conduct measurements. The purpose of the invention is to improve the accuracy and reduce the measurement time. To achieve the goal, according to the method of measuring the microwave power, including converting the measured microwave power to heat flux and compensating the heat flux by the cooling flux of a thermoelectric cooler fed by an electric signal, in which the electric signal is generated in the form of a sequence of two-pole pulses, its mean value is regulated, keeping the effective value constant until the moment of compensation, and SV is the power Interior dissolved largest average value at the time of the heat flow compensation cooling stream. The drawing shows a structural electrical circuit of a device implementing a method for measuring microwave power. The device contains a waveguide path 1, a load 2, a temperature sensor 3, a thermoelectric cooler 4 placed in a housing 5, a DC microvoltmeter, an adjustable power supply 7, from a measurer 8 the actual value of the voltage (current) and the meter 9 average voltage (current) connected to the output of the adjustable source 7 power. Temperature sensor 3 (battery of thermocouples) is installed so that its working junctions have thermal contact with load 2, and cold junctions with housing 5. Thermoelectric cooler 4 is installed so that its working junctions have thermal contact with load 2, and heat sinks with housing 5. The output of temperature sensor 3 is connected to the input of microvoltmeter 6. The output of adjustable power supply 7 is connected to the power supply circuit of thermoelectric cooler 4. A low-temperature pipe section can be used as waveguide path 1 o-, conductivity, such as stainless steel, with a wall thickness of 2025 microns. As a load 2, a high loss solid dielectric can be used. Thermocouple or thermocouple thermocouple can be used as temperature sensor 3. Thermoelectric cooler 4 can be made in the form of a semiconductor thermoelectric element or in the form of a battery of thermoelectric elements according to one of the known design schemes. As the microvoltmeter 6 can be used gshvanometer magnetoelectric system. As an adjustable power supply 7, a standard bipolar pulse generator of adjustable duration can be used. A standard voltmeter or ammeter can be used as the meter 8 for the effective voltage. As the average voltage (current) meter 9, a standard voltmeter or ampere meter can be used. The microwave power is measured as follows. The measured microwave signal coming in waveguide path 1 is converted into heat flow by means of load 2. The change in temperature of load 2 caused by the flow of heat from a measured signal through it causes a change in the signal of temperature sensor 3 and the change in readings microvoltmetra 6. The electrical signal produced by the regulated power supply 7 is converted by a thermoelectric cooler 4 into a cooling flow through the load. Compensate the heat flux of the measured microwave signal by the cooling flow of a thermoelectric cooler 4 by adjusting the average value of the electrical signal at a constant value of the effective value of the signal . In the process of compensation, the levels of the effective and average values of the electrical signal, or the output of the adjustable source 7, are correlated according to the readings of meters 8 and 9. At the time of compensation, determined by the zero readings of the microvoltmeter, by the average value of the electric signal of the adjustable power supply 6 (by the meter 9 readings) determine the value of the measured microwave power, If the compensation process maintains the frequency of the rectangular two-pole current pulses (voltage). At the output of the controlled The supply voltage 7 and the amplitude of rectangular two-pole pulses at the output of the adjustable power supply 3 are kept constant, and the duration of the opposite polarity of the square pulses is regulated, the average value of the current (voltage) of the thermoelectric cooler 4 varies and is proportional to its change the magnitude of the cooling stream. At the same time, the effective value of the power supply current of the ferrofluid cooler 4 remains constant throughout the entire range of variation of the average value of the current (voltage) of the power supply. At the time of compensation (at the moment when the microvoltmeter 6 reads equal to zero), the power of the measured microwave signal can be determined by the average current (voltage) of the power supply, thermoelectric cooler 4, or the duration of unipolar parts of the current pulses (thermoelectric power supply voltage). cooler 4. The measurement process can be automated by introducing negative feedback from the output of the temperature sensor 3 to the control input of the regulated power source 7. The advantages are proposed The method of the prototype during the measurement process regulates the amplitude of the current (voltage) of the thermoelectric cooler. The physical processes that take place are described by the following mathematical expressions, Heat capacity P, which is measured signal in load 2 is equal to Р, K. where K is a proportionality coefficient depending on waveguide structures and load properties; Ppgq is the value of the power of the measured microwave signal. The cooling capacity of the COHL emitted by the thermoelectric cooler is equal to RODL -J2R, where Ku is the proportionality coefficient depending on the properties of the cooler material; 3 - the value of the current through the cooler; R - active resistance of the cooler. At the time of compensation ROHL RT / or Pj.g K2D-J ft. From the last expression, it can be seen that the relationship between the measured RSpc signal and the informative parameter of the output signal E is non-linear. Since real thermoelectric coolers have a P o value, the value and determines the achievable accuracy of the microwave power measurement using the prototype method. In addition, the disadvantage of the prototype is a significant measurement time, which is explained as follows. When the current value D changes during the compensation process, the term that determines the value of the parasitic thermal power dissipated in the thermoelectric cooler changes proportionally. In this case, the creation power is released only in the working junction of the thermoelectric cooler, and the parasitic heating power is released in the whole volume of the thermoelectric cooler. Therefore, with any changes in current E, some time is required to establish working expansion, which depends both on the design of thermoelectric cooler 4 and on the conditions of its heat exchange with the environment. In the proposed method, the compensation value is controlled in such a way that the effective value of the supply current, and consequently, the quadratic term J (the determining value of the parasitic thermal power released in the thermoelectric cooler, for any changes in the average current ( for any changes in the compensating cooling power) remains at 3 Rdcd-t, therefore the relationship between the measured signal (PJ,) and the informative output signal parameter (cf is linear, which allows measure accuracy using

10846911084691

реально существующие термоэлектри- лени рабочего режима охладител ,real-life thermoelectric performance of the cooler,

ческие охладители.что позвол ет повысить скорость проПосто нство в процессе измерени ведени операции компенсации, т.е.cooling chillers. This allows you to increase the speed of the process in the process of measuring the compensation operation, i.e.

паразитной тепловой мощности оп-повысить скорость .проведени измерередёл ет и большую скорость уставов-ни .the parasitic thermal power op-increase the speed.

Claims

METHOD FOR MEASURING MICROWAVE POWER, including converting the measured microwave power into a heat flux and compensating the heat flux with the cooling flux of a thermoelectric cooler fed by an electric signal, characterized in that, in order to increase the accuracy and reduce the measurement time, the electric signal is formed in the form of a sequence of bipolar pulses , adjust its average value, keeping the current value constant until the moment of compensation, and the microwave power is determined by the value of the average value at the time of heat flow compensation by the cooling flow.

S g

at