Пристрій для вимірювання 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 встроена 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 измерении падающей или проходящей мощности достигает больших значений в полосе рабочих частот. Наиболее близким к заявляемому устройству для намерения 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 = 0,3а, 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 ±20% предел указанной погрешности достигает ±8,9% при коэффициенте стоячей волны нагрузки не более 1,2. Цель изобретения - создание устройства для измерения 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 одно устройство для измерения мощности вместо нескольких (двух-трех), предназначенных для эксплуатации в более узких полосах рабочих частот и обеспечивающих одинаковые или худшие характеристики. Цель достигается тем, что в устройстве для измерения падающей мощности, содержащем отрезок прямоугольного волновода, встроенные в его стенки, одна из которых узкая стенка, две поглощающие пластины с установленными на них термодатчиками, подключенными к блоку индикации, согласно изобретению, одна из поглощающи х пластин встроена 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, установленного на узкой стенке; hy - размер по узкой стенке термодатчика, установленного на торцевой стенке; hx - размер того же термодатчика по широкой стенке; I - длина термодатчика установленного на узкой стенке; jх - функция, характеризующая положение термодатчика, установленного на торцевой стенке: jh - функция, введенная для краткости записи; х - расстояние от узкой стенки до края термодатчика, установленного на торцевой стенке; а - размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода; L н - длина волны в волноводе на нижней граничной частоте полосы рабочих частот; lкр - критическая длина волны; jн - функция, введенная для краткости записи; r н - эффективный коэффициент отражения, обусловленный длиной термодатчика, установленного на узкой стенке, на нижней граничной частоте; Z - расстояние от торцевой стенки до края термодатчика, установленного на узкой стенке, при этом длина термодатчика, установленного на узкой стенке, находится как наименьшее значение из ряда значений, определяемых на различных частота х полосы рабочих частот из выражения где j, r, jl - функции, введенные для краткости записи, L - длина волны в волноводе на выбранной частоте, l - длина волны на выбранной частоте; lн - длина волны на нижней граничной частоте. Представленные соотношения позволяют выбором геометрических размеров термодатчиков и размеров, определяющих их положение на стенках, обеспечить на нижней граничной частоте полосы рабочих частот равенство Рm = Ру, где Рm - мощность потерь на площади, занимаемой термодатчиком на торцевой стенке, Ру - мощность потерь на площади, занимаемой термодатчиком на узкой стенке; и в результате реализовать минимальный перепад зависимости коэффициента преобразования от частоты в полосе рабочих частот вплоть до 40%. На фиг. 1 приведено устройство для измерения падающей мощности; на фиг. 2 - отрезок прямоугольного волновода с поглощающими пластинами и термодатчиками, а также указаны основные геометрические размеры; на фиг. 3 и 4 - графики зависимости мощности потерь Р, нормированной на значение падающей мощности Рпад , с указанием относительной полосы частот Df/fc p=(f-fc p)/fcp в процентах. Здесь и далее fcp средняя частота максимальной полосы рабочих частот стандартного прямоугольного волновода ±20%; Рmy – Рm + Р у. Кривые построены для волновода сечением 10 х 23 мм 2 с поглощающими стенками из константана I / L cp L (s=0,2083×107 См/м), и с размерами hx/a = 0,2, х/а = 0,4, hy/b = 1, hb /hy = 0,307, = 0,4278 ( cp - длина волны в волноводе на средней частоте fcp; b - размер узкой стенки волновода). Зависимости Рmу/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. Устройство для измерения падающей мощности содержит отрезок прямоугольного волновода 1, встроенную в его торцевую стенку поглощающую пластину 2 с установленным на ее внешней поверхности на расстоянии х от узкой стенки термодатчиком 3, имеющим размеры hy х h х, встроенную в узкую стенку отрезка 1 прямоугольного волновода поглощающую пластину 4 с установленными на ее внешней поверхности на расстоянии Z от торцевой стенки термодатчиком 5, имеющим размеры hb x I, 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 установлены в плоскостях внутренних поверхностей стенок и 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. Устройство для измерения 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 1 прямоугольного волновода. Отразившись от торцевой стенки, мощность поступает в выходное 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 плеча9 в плечо 8, минуя плечо с отрезком 1 прямоугольного волновода. 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 Рm = Р у на меньшей граничной частоте полосы рабочих частот. В результате реализуется минимальное отклонение значений Рmу от среднего значения в полосе 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 Н10 // Радиотехни-ка/ Респ. междувед. научн.-техн.сб, Харьков: Изд-во ХГУ. - 1974. - Вып. 28. - С.120-127]. Например, для кривых на фиг. 3,4 отклонение Рmу от среднего значения 6,357, полученного с учетом минимального значения 6,281 и максимального значения 6,433, составляет ±1,26% 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 ±3,1 %, то есть в 6,5 раза больше. Отклонение коэффициента преобразования от среднего значения существенно уменьшается с уменьшением полосы рабочих частот (см. табл,1), достигает минимального значения при Z = 0 (см. табл.2) и не зависит от поперечных размеров (см. табл. 3).