Ватметр падаючої потужності

Изобретение относится к радиоизмерительной технике сверхвысоких и крайневысоких частот и предназначено для эксплуатации в передающих трактах больших уровней мощности радиолокационных станций, связанных передатчиков, ускорителей, испытательных стендов. Известно устройство для измерения мощности сверхвысоких частот, в основу работы которого положен эффект поглощения электромагнитных волн в боковых стенках волновода [Мартыненко Л.Г., Волков В.М., Кукуш В.Д., Зеленский A.M. Измеритель проходящей мощности на основе поглощающей стенки// Приборы и техника эксперимента, - 1974. - №1. - С. 145-146]. В этом устройстве в стенку прямоугольного волновода установлена поглощающая пластина, снабженная термопреобразователем, соединенным с индикатором. В известном устройстве коэффициент преобразования сильно зависит от частоты из-за расположения одного термопреобразователя в узкой стенке. По этой же причине переменная составляющая погрешности рассогласования при изменении падающей или проходящей мощности достигает больших значений в полосе рабочих частот. Наиболее близким к заявляемому ваттметру падающей мощности по совокупности признаков является устройство для измерения проходящей мощности СВЧ [Авт.св. СССР №462140, кл. G 01 R 21/06. 1975], содержащее отрезок прямоугольного волновода, две поглощающие пластины с установленными на них термодатчиками, подключенными к индикатору, расположенные на, середине узкой и на середине широкой стенок волновода в одной плоскости поперечного сечения. В указанном устройстве коэффициент преобразования сильно зависит от частоты, особенно в коротковолновой области диапазона СВЧ и в диапазоне КВЧ, где размеры термодатчиков сравнимы с длиной волны и с размерами стенок волновода. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на узкой стенке, пропорционален продольной составляющей магнитного поля. Сигнал на выходе термодатчика, расположенного на середине широкой стенки, при поперечном размере термодатчика, сравнимом с размером широкой стенки, пропорционален поперечной составляющей магнитного поля и продольной составляющей магнитного поля. При сложении сигналов с двух термодатчиков результирующий сигнал определяется двойным воздействием продольной составляющей магнитного поля, которая с увеличением частоты уменьшается, и одиночным воздействием поперечной составляющей магнитного поля, которая с увеличением частоты увеличивается. Кроме этого, при прочих равных условиях, потери мощности в узкой стенке и в широкой стенке разные. Вследствие этого сигналы с термодатчиков, установленных на смежных стенках, не компенсируют противоположные частотные зависимости. Например, неравномерность, характеристики коэффициента преобразования в максимальной полосе рабочих частот стандартного прямоугольного волновода ±20% составляет ±6,2%, ±8,1%, ± 11,3% для термодатчиков с поперечными размерами h = 0,01а, h = 0,3 a, h = 0,5а, соответственно (а = размер широкой стенки волновода). По этой же причине переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей или падающей мощности достигает в полосе рабочих частот больших значений. Например, в максимальной полосе рабочих частот прямоугольного волновода ±20% предел указанной погрешности достигает ±8,9% при коэффициенте стоячей волны нагрузки не более 1,2. Цель изобретения - создание ваттметра падающей мощности на прямоугольном волноводе, в котором новое расположение двух термодатчиков на стенках волновода, определяемое новым математическим выражением, позволяет уменьшить зависимость коэффициента преобразования от частоты, устранить погрешность рассогласования и использовать один широкополосный ваттметр вместо нескольких (двух-тре х), предназначенных для эксплуатации в более узких полосах рабочих частот и обеспечивающих одинаковые или худшие характеристики. Цель достигается тем, что в ваттметре падающей мощности, содержащем отрезок прямоугольного волновода с установленными в плоскостях внутренних поверхностей двух стенок, одна из которых узкая стенка, двумя поглощающими пластинами с размещенными на них термодатчиками, подключенными к блоку индикации, согласно изобретению, одна из поглощающих пластин установлена в торцевую стенку отрезка прямоугольного волновода, подсоединенного к плечу Y-циркулятора, неразвязанному со входным плечом, а размеры термодатчиков и размеры, определяющие положение термодатчиков на стенках, находятся из выражения где hb - ширина термодатчика, размещенного на узкой стенке; hy - размер по узкой стенке термодатчика, размещенного на торцевой стенке; hх - размер того же термодатчика по широкой стенке; I - длина термодатчика, размещенного на узкой стенке, определяемая из выражения D, D' - функции, введенные для краткости записи; lн, l в - длина волны на нижней и на верхней частоте полосы рабочих частот, соответственно; Lн , L в - длина волны в волноводе на нижней и на верхней частоте полосы рабочих частот, соответственно; lср - длина волны на средней частоте полосы рабочих частот; Lср - длина волны в волноводе на средней частоте; jн - функция, зависящая от нормированных продольных размеров, определяемых на нижней частоте; Z - расстояние от торцевой стенки до края термодатчика, размещенного на узкой стенке; jcp - функция, зависящая от нормированных продольных размеров, определяемых на средней частоте; jв - Функция, зависящая от нормированных продольных размеров, определяемых на верхней частоте; jх - функция, характеризующая положение термодатчика, расположенного на торцевой стенке; а - размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода; х - расстояние от узкой стенки до края термодатчика, расположенного на торцевой стенке; lкp=2а - критическая длина волны. Представленные соотношения позволяют выбором геометрических размеров термодатчиков и размеров, определяющих их положение на стенках, обеспечить равенство на граничных частотах и на средней частоте полосы рабочих частот мощности потерь на площади, занимаемой двумя термодатчиками на обеих стенках, и реализовать минимальную зависимость коэффициента преобразования от частоты в полосе рабочих частот вплоть до 40%. На фиг. 1 приведен ваттметр падающей мощности; на фиг. 2 - отрезок прямоугольного волновода с поглощающими пластинами и термодатчиками (указаны основные геометрические размеры); на фиг. 3,4 графики зависимости мощности потерь Р, нормированной на значение падающей мощности Рпад , с указанием относительной полосы частот D f/fср = (f-fcp)/fср в процентах. Здесь и далее fcp - центральная (средняя) частота максимальной полосы рабочих частот стандартного прямоугольного волновода ±20%; Pm - потери мощности на площади, занимаемой термодатчиком, расположенным на торцевой стенке; Ру - потери мощности на площади, занимаемой термодатчиком, расположенным на узкой стенке, Рmу = Рm+Р у. Кривые построены для волновода сечением 10 х 23мм 2 с поглощающими стенками из константана (s= 0,2083×107См/м) и с I / L cp L размерами х/а = 0,4, hx/a = 0,2, hx/b = 1, hb/hy = 0,32, 065. = 0,4278 ( cp - длина волны в волноводе на частоте fср). Зависимости Рmy/Рпад на фиг. 3, 4 идентичны, но на фиг. 4 график построен в увеличенном масштабе с указанием минимального и максимального значений, среднего значения и отклонения от среднего в максимальной полосе рабочих частот. Ваттметр падающей мощности содержит отрезок прямоугольного волновода 1, установленную в плоскости внутренней поверхности торцевой стенки поглощающую пластину 2 с размещенным на ее внешней поверхности на расстоянии х от узкой стенки термодатчиком 3, имеющим размеры hy x hx, установленную в плоскости внутренней поверхности узкой стенки отрезка прямоугольного волновода поглощающую пластину 4 с размещенным на ее внешней поверхности на расстоянии Z от торцевой стенки термодатчиком 5, имеющим размеры hb х І, блок индикации 6, к которому подключены выходы обоих термодатчиков, а также Y-циркулятор 7, в плечо которого, неразвязанное со входным плечом 8, подсоединен отрезок 1 прямоугольного волновода. Плечо 9 Y-циркулятора 7 является выходным. Термодатчик представляет собой термопару или батарею пленочных дифференциальных термопар, например, на основе соединения сурьмы и висмута. В блоке индикации предусмотрены схемы начальной регулировки, суммирования и усиления сигналов термодатчиков, а также индикаторный прибор. Поглощающие пластины 2, 4 выполнены толщиной в несколько скин-слоев, то есть достаточно тонкими для измерения температуры нагрева на внешних поверхностях и достаточно толстыми для предотвращения излучения электромагнитной энергии, а материалом могут служить никель, константан, нихром и др. Ваттметр падающей мощности работает следующим образом. При подаче мощности в передающий тракт со входного плеча 8 Y-циркулятора 7 мощность поступает в неразвязанное со входным плечом плечо, то есть в отрезок прямоугольного волновода 1. Отразившись от торцевой стенки, мощность поступает в вы ходное плечо 9 Y-циркулятора 7, подключенное к нагрузке. Отраженная от нагрузки мощность, в соответствии с принципом действия Y-циркулятора, проходит в сторону генератора (в обратном направлении) из плеча 9 в плечо 8, минуя плечо с отрезком прямоугольного волновода 1. Падающая мощность частично рассеивается в стенках, нагревая поглощающие пластины 2,4. Термодатчики 3,5 преобразуют тепловую энергию в электрическую. Сигналы от термодатчиков 3,5 подаются на вход блока индикации 6, где суммируются, обрабатываются и индицируются. Суммарный сигнал от двух термодатчиков пропорционален падающей мощности. Сигнал от термодатчика 5 пропорционален поперечной составляющей магнитного поля и увеличивается с ростом частоты, так как потери мощности в торцевой стенке определяются только поперечной составляющей (фиг.3, кривая Рm). Сигнал от термодатчика 3 пропорционален продольной составляющей магнитного поля и уменьшается с ростом частоты (кривая Ру), Зависимость от частоты суммарного результата Рmу = Рm + Р у, как видно из фиг.3, значительно меньше аналогичных зависимостей Рm и Ру. Выбором геометрических размеров термодатчиков и их положения обеспечивается равенство значений Рmу на граничных частота х и на средней частоте полосы рабочих частот. В результате реализуется минимальное отклонение значений Рmу от среднего значения в полосе рабочих частот. Зависимость Рmу от частоты идентична по характеру зависимости коэффициента преобразования от частоты, поскольку распределение температуры на внешней поверхности поглощающей пластины идентично распределению поглощенной мощности на участках, удаленных от мест сочленения поглощающих пластин с массивными стенками [Волков В.М., Мартыненко Л.Г., Кукуш В.Д. Исследование теплового режима поглощающей стенки в прямоугольном рассогласованном волноводе с волной Н 10// Радиотехника/ Респ. междувед. науч.-техн.сб. Харьков: Изд-воХГУ. - 1974. - Вып. 28. -С. 120-127]. Например, для кривых на фиг. 3,4 отклонение Pmy or среднего значения 6,448, полученного с учетом минимального значения 6,342 и максимального значения 6,554, составляет ±1,64% в максимальной полосе рабочих частот прямоугольного волновода ±20%. Для устройства прототипа с шириной термодатчиков h = 0,3а отклонение коэффициента преобразования в той же полосе рабочих частот составляет ±8,1 %, то есть в 5 раз больше. С уменьшением полосы рабочих частот отклонение коэффициента преобразования от среднего значения существенно уменьшается и, например, уже в полосе ±15% составляет менее одного процента (см. табл. 1), а в постоянной полосе рабочих частот не изменяется при вариации геометрических размеров, вычисляемых из приведенного соотношения (см. табл.2). Данные табл. 3 обосновывают выбор длины термодатчика по приведенному выражению.