Пондеромоторний ватметр

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено дли измерения проходящей или падающей мощности больших уровней в передающих трактах радиопередатчиков, радиолокационных станций, ускорителей, испытательных стендов. Наиболее близким к заявляемому пондеромоторному ваттметру по совокупности признаков является устройство для измерения мощности СВЧ. Известное устройство состоит из отрезка прямоугольного волновода и датчика давления электромагнитного поля, выполненного в виде высоко-чувствительного механотропного преобразователя, на штыре которого жестко укреплена плоская металлическая пластина, встроенная в стенку волновода. В этом устройстве переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей мощности достигает больших значений в полосе частот из-за, во-первых, начиная только одной металлической пластины, во-вторых, расположения пластины на узкой стенке волновода, в-третьих, неизвестных размеров пластины и ее положения на стенке, На узкой стенке поперечные составляющие электромагнитного поля основного типа волны Н 10 равны нулю. Давление на узкую стенку зависит только от продольной составляющей магнитного поля. Сигнал на выходе механотропного преобразователя пропорционален силе, действующей на плоскую металлическую пластину, то есть интегральному эффекту. В рассогласованном волноводе сила давления не будет зависеть от фазы стоячей волны лишь на частоте, на которой длина прямоугольной пластины кратна половине длины волны в волноводе (усредняется одна полуволна стоячей волны). При произвольном выборе длины металлической пластины, особенно меньше половины длины волны в волноводе, переменная составляющая погрешности рассогласования достигает неприемлемых для практики значений, ограничивающих область применения рассматриваемого устройства. Например, в максимальной рабочей полосе частот прямоугольного волновода ±20% переменная составляющая погрешности рассогласования достигает Δ = ± 19% при коэффициенте стоячей волны не более 1,5, если длина металлической пластины выбрана равной половине длины волны в волноводе на средней частоте. В данном случае сила давления, следовательно, переменная составляющая погрешности рассогласования, не зависит от поперечного размера пластины и ее положения на узкой стенке. В основу изобретения поставлена задача создания пондеромоторного ваттметра, в котором новое расположение двух плоских металлических пластин на смежных стенках волновода, определяемое новым математическим выражением, позволяет уменьшить переменную составляющую погрешности рассогласования в полосе частот и использовать один широкополосный ваттметр вместо нескольких (двухтрех), предназначенных для эксплуатации в более узких рабочих полосах частот и обеспечивающих одинаковый предел погрешности рассогласования. Такой технический результат достигается тем, что в пондеромоторном ваттметре, состоящем из отрезка прямоугольного волновода и двух датчиков давления электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде высокочувствительного механотронного преобразователи, на штыре которого жестко укреплена плоская металлическая пластина, встроенная в стенку волновода, согласно изобретению, плоские металлические пластины одинаковой длины встроены в смежные стенки отрезка прямоугольного волновода, а расстояние от ребра волновода до края пластины, установленной на широкой стенке, определяется по формуле I где hш - поперечный размер пластины, встроенный в широкую стенку; а - размер широкой стенки; fкр - критическая частота; f - частота; hy - поперечный разрез пластины, встроенный в узкую стенку; I - расстояние между пластинами в продольном направлении; Λ - длина волны в волноводе. Расположение металлических пластин двух датчиков давления на смежных стенках отрезка волновода с выбором расстояния от ребра волновода до края пластины, установленной на широкой стенке, по приведенной формуле позволило уменьшить в полосе частот переменную составляющую погрешности рассогласования Δ. Последнее объясняется тем, что сила давления на пластину в узкой стенке волновода зависит от продольной составляющей магнитного поля, а на пластину в широкой стенке - и от продольной, и от поперечных составляющих магнитного поля. Узлы (или пучности) продольной и поперечных составляющих электромагнитного поля в рассогласованном волноводе сдвинуты относительно друг др уга на четверть длины волны в волноводе. При суммировании выходных сигналов механотронных преобразователей зависимость результирующего сигнала от фазы стоячей волны компенсируется, причем выбором размера hш, смещения I и положения x пластины на широкой стенке достигается наименьшее влияние фазы в полосе частот. Предложенное расположение пластин эквивалентно реализации неравномерного амплитудного распределения, причем выбором расстояния x обеспечивается равенство нулю погрешности Δ на одной из расчетных частот f и равенство двух максимальных значений погрешности в полосе частот, одно из которых достигается на частоте, меньшей f, а другое - на частоте, большей f. Равенство двух максимальных значений погрешности в полосе частот является оптимальным вариантом: уменьшение f приводит к увеличению значения погрешности в максимуме на частоте, большей f, а увеличение f - на частоте, меньшей f. В обоих случаях предел погрешности Δ в полосе частот будет возрастать. То есть, минимальное предельное значение переменной составляющей погрешности рассогласования в полосе частот соответствует равенству двух максимальных значений погрешности, достигаемых на двух часто тах, одна из которых меньше f, а другая больше f. На частоте f достигается равенство Δ нулю, причем расстояние между пластинами в продольном направлении I может быть выбрано от 0 до 0,25 L или больше. Например, для hy=hш =0,1а при fkp/f=0,6 получаем x=0,35а для Ι=0.105Λ, x=0,18а для I=0.0625L и x=0,155а для I=0. На фиг.1 изображен пондеромоторный ваттметр; на фиг.2-5 - графики зависимости: эффективного коэффициента отражения от частоты (фиг.2,4,5, с указанием относительной полосы частот Δ f/fcp = (f-fc p)/fc p в процентах) и электрического расстояния I/L от нормированной координаты х/а (фиг.3). Здесь и далее fcp средняя частота максимальной рабочей полосы частот стандартного прямоугольного волновода ±20%; Іr эф І =Ir oI · Ιr xΙ -модуль так называемого эффективного коэффициента отражения, - функции, определяющей зависимость суммарного выходного сигнала механотронных преобразователей от фазы стоячей волны и используемой для расчета переменной составляющей погрешности рассогласования Δ = 2 Іr нІ × Ir эф I; Ir оI параметр, определяющий зависимость Ir эф I от продольного размера (длины) металлической пластины lo; Ir хI параметр, определяющий зависимость Іr эф І от поперечного размера металлической пластины и поперечной координаты х для пластины, установленной на широкой стенке волновода; Ir нI - максимальное значение модуля комплексного коэффициента отражения нагрузки в рабочей полосе частот. Графики на фиг.2,4,5 скомпонованы для удобства сравнительного анализа: на фиг.2 - графики для известного устройства (прототипа) с пластиной, встроенной в узкую стенку (кривая "У") и с пластиной, встроенной в широкую стенку при hш/a = 0,269, х= 0 (кривая "Ш"). В обоих случаях I0 = Lс р/2, где Lср - длина волны в волноводе на средней частоте fcp; на фиг.4,5 - графики для заявляемого пондеромоторного ваттметра с пластинами одинаковой ширины hy = hш = 0,4а, одинаковой длины Io = Lmах/2 (L mах – длина волны в волноводе на нижней граничной частоте fcp - 20%) при I/ Lcp= 0,0909, x=0,45а (фиг.4) и I = 0, x=0,0227а (фиг.5). Пондеромоторный ваттметр содержит отрезок прямоугольного волновода 1, смежные стенки которого встроены плоские металлические пластины 2, 3, каждая из которых жестко укреплена на штыре высокочувствительного механотронного преобразователи 4 и 5. Плоские металлические пластины 2, 3 выполнены одинаковой длины Iо, смещены в продольном направлении на расстояние I. Поперечный размер пластины 2, встроенный в широкую стенку размером а на расстояний от ребра волновода х, равен hш. Поперечный размер пластины 3, встроенной в узкую стенку, равен hy, а положение пластины 3 поперек узкой стенки выбрано произвольным. Механотронные преобразователи 4,5, представляющие собой электронные лампы, управление анодным током которых осуществляется изменением расстояния между анодом при механическом воздействии на штырь, находящийся вне вакуумного баллона, соединены с электронным блоком 6. В электронном блоке 6 предусмотрена схема питания накалов ламп, схема индикации с обязательным сложением выходных сигналов преобразователей 4, 5, а также индикаторный прибор. Пондеромоторный ваттметр работает следующим образом. При подаче мощности в передающий тракт на стенки отрезка волновода І, в том числе на плоские металлические пластины 2,3, действуют силы давления электромагнитного поля. Пластины, а вместе с ними и штыри механотронных преобразователей 4, 5, под действием сил электромагнитного поля отклоняются на расстояние, пропорциональное проходящей и падающей мощности. С отклонением штыря изменяется межэлектродное расстояние между анодами и катодами, что приводит к изменению анодных токов и, соответственно, к изменению суммарного сигнала двух преобразователей в электронном блоке 6. Уровень мощности фиксируется на индикаторном приборе. Зависимость результирующей силы давления (суммарного сигнала двух преобразователей) от фазы стоячей волны в полосе частот компенсируется выбором размеров Ιо, Ι, х, h y, hш: доминирующее влияние продольной составляющей магнитного поля на обе пластины 2,3 компенсируется доминирующим влиянием поперечных составляющих магнитного поля на пластину 2, расположенную в широкой стенке. На фиг.4,5 первый минимум частотной зависимости Ir эф I=0 обеспечивается равенством Ir оI=0 при Io = Lmах/2, второй минимум равенством Ir xΙ=0 за счет выбора I и x на частоте fcp+4,1% (фиг.4) и fcp - 4,04% (фиг.5), третий минимум - равенством размера Ιο длине волны в волноводе на частоте fcp + 17%. Обе характеристики минимизированы в максимальной рабочей полосе частот прямоугольного волновода ±20%: значения Ir эф Imax достигаются на двух частотах, а в полосе частот Ir эф I£Ir эф Imax, причем любое изменение одного из размеров (I или х) приведет к смещению второго минимума и, следовательно, к увеличению значения Ir эф I одном из максимумов, то есть, в рабочей полосе частот. Таким образом обеспечивается наиболее эффективная компенсация в полосе частот зависимости силы давления на две пластины от фазы стоячей волны. Например, сравнивая кривые на фиг.2, 4, 5, получим уменьшение переменной составляющей погрешности рассогласования примерно в 5,5 раза относительно известного устройства с одиночной пластиной в широкой стенке (кривая "Ш") и примерно в 9 раз относительно известного устройства с одиночной пластиной в узкой стенке (кривая "У"). При этом для фиг.4 I =0,0909 Lср, то есть меньше часного случая I = 0,25Lср - широко известного в технике измерения мощности расположения двух одинаковых квадратичных преобразователей вдоль одной оси. На фиг.3 для примера приведены кривые для выбора размеров х и І в рабочей полосе частот прямоугольного волновода. Возможен выбор I = 0 минимизированная характеристика изображена на фиг.5.