Тепловий ватметр на прямокутному хвилеводі

Тепловой ваттметр на прямоугольном волноводе, содержащий отрезок прямоугольного волновода с установленными в плоскостях внутренних поверхностей двух стенок, одна из которых широкая стенка, двумя поглощающими пластинами с размещенными на них термодатчиками, подключенными к блоку индикации, отличающийся тем, что 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 hx h y 1 hш l DA н - A b (1- jm ) = , a b 2 a b 1-D где hx - размер по широкой стенке термодатчика, установленного на торцевой стенке; hy - размер того же термодатчика по узкой стенке; a - размер широкой стенки прямоугольного волновода; b - размер узкой cтенки прямоугольного волновода; jm - функция, характеризующая положение термодатчика, установленного на торцевой стенке; sin ph x / a æ x h ö jm = cos pç 2 m + x ÷ ; ph x / a a ø è a xm - расстояние от узкой стенки до края термодатчика, установленного на торцевой стенке; 0£xm£a-hx; 28355 Известно устройство для измерения мощности сверхвысоких частот, в основу работы которого положен эффект поглощения электромагнитных волн в боковых стенках волновода (см. статью: Мартыненко Л.Г., Волков В.М., Кукуш В.Д., Зеленский А.М. 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 измерении падающей или проходящей мощности достигает больших значений в полосе рабочих частот. Наиболее близким к предлагаемому тепловому ваттметру на прямоугольном волноводе по совокупности признаков является устройство для измерения проходящей мощности СВЧ по а.с. 462140 СССР, МКИ G01R21/06. - Бюллетень "ОИПОТЗ" - 1975. - № 8. - С. 88, 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 условия х, 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 рабочей полосе частот стандартного прямоугольного волновода ±20% составляет ±6,2%, ±8,1%, ±11,3% для термодатчиков с поперечными размерами h=0,01a; h=0,3a; h=0,5a, соответственно (а - размер широкой стенки волновода). По этой же причине переменная составляющая погрешности рассогласования при измерении проходящей или падающей мощности достигает в полосе частот больших значений. Например, в максимальной рабочей полосе частот прямоугольного волновода ±20% предел указанной погрешности достигает ±8,9% при коэффициенте стоячей волны нагрузки не более 1,2. В основу изобретения поставлена задача создания теплового ваттметра 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 при измерении падающей мощности один широкополосный ваттметр вместо нескольких (двух-тре х), предназначенных для эксплуатации в более узких рабочих полосах частот и обеспечивающих одинаковые характеристики. Такой технический результат достигается тем, что в тепловом ваттметре на прямоугольном волноводе, содержащем отрезок прямоугольного волновода с установленными в плоскостях внутренних поверхностей двух стенок, одна из которых широкая 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 с входным плечом, а размеры термодатчиков и размеры, определяющие положение термодатчиков на стенках, находятся из выражения hx hy 1 hш l DA н - A b (1 - j m ) = , a b 2 a b 1- D где hx - размер по широкой стенке термодатчика, установленного на торцевой стенке; hy - размер того же термодатчика по узкой стенке; a - размер широкой стенки прямоугольного волновода; b - размер узкой стенки прямоугольного волновода; jm- функция, характеризующая положение термодатчика, установленного на торцевой стенке; sin ph x / a æ x h ö cos pç2 m + x ÷ ; ç a p hx / a a ÷ è ø xm - расстояние от узкой стенки до края термодатчика, установленного на торцевой стенке; 0£xm£a-hx; hш - ширина термодатчика, установленного на широкой стенке; l - длина того же термодатчика, определяемая из выражения A cp - Aв - D' (Aн - А в ) D= ; l £ Lн А ср - Ан jm = ( ) D, D¢- дисперсионные параметры; L ср lн L lн D= в ; D' = ; Lн l в L н lср lн, lв, lс р - длина волны на нижней (н), на верхней (в) и на средней (ср) частотах полосы рабочих частот, соответственно; 2 28355 Lн, Lв, Lс р - длина волны в волноводе на нижней (н), на верхней (в) и на средней (ср) частотах полосы рабочих частот, соответственно; Ан , Ав , Ас р - коэффициенты, вычисленные на нижней (н), на верхней (в) и на средней (ср) частоте полосы рабочих частот по формуле 2 ( ну 2 с размещенными на ее внешней поверхности на расстоянии xш от ребра и на расстоянии z от торцевой стенки термодатчиком 3, имеющим размеры hш´l, установленную в плоскости внутренней поверхности узкой стенки отрезка прямоугольного волновода 1 поглощающую пластину 4 с размещенным на ее внешней поверхности на расстоянии хm от торцевой стенки термодатчиком 5, имеющим размеры hy´h x, блок индикации 6, к которому подключены выходы обоих термодатчиков, а также Y-циркулятор 7, в плечо которого, неразвязанное с входным плечом 8, подсоединен отрезок прямоугольного волновода 1. К выходному плечу 9 подключена нагрузка. 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. Тепловой ваттметр на прямоугольном волноводе работает следующим образом. При подаче мощности в передающий тракт со входного плеча 8 Y-циркулятора 7 мощность поступает в неразвязанное с входным плечом плечо, то есть в отрезок прямоугольного волновода 1. Отразившись от торцевой стенки, мощность поступает в выходное плечо 9 Y-циркулятора, подключенное к нагрузке. Отраженная от нагрузки мощность, в соответствии c 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 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 (см. фиг. 3, кривую Pm). Сигнал от термодатчика 5 уменьшается при увеличении частоты (кривая Pш). Зависимость от частоты суммарного результата Рmш , как видно из фиг. 3, значительно меньше аналогичных зависимостей Pm и Рш. Выбором геометрических размеров термодатчиков и их положения обеспечивается равенство на граничных частотах и на средней частоте полосы рабочих частот мощности, поглощенной не площади, занимаемой двумя термодатчиками. В результате реализуется минимальное отклонение значений Рmш от среднего значения в полосе частот. Зависимость Рmш от часто ты идентична по характеру зависимости коэффициента преобразования от частоты, поскольку распределение температуры на внешней поверхности поглощающей ) æ Lö é sin 2pl / L æ z l öù А = ç ÷ ê 1 + j lj ш - (j l + j ш ) cos 2pç 2 + ÷ ú 2pl / L èlø ë è L L øû с подстановкой lн, Lн, или lв, Lв, или lср, Lс р, соответственно; jш - функция, характеризующая положение термодатчика, установленного на широкой стенке; sinphш / а æ x h ö jш cos pç 2 ш + ш ÷ ; ç а ph ш / а а ÷ è ø хш - расстояние от узкой стенки до края термодатчика, установленного на широкой стенке; 0£хш£а-hш; jl - функция, введенная для краткости записи; 2 æ l ö j l = 2ç ÷ - 1; è 2а ø z - расстояние от торцевой стенки до края термодатчика, установленного на широкой стенке; 0£z£Lв/2. 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, поглощенной на площади, занимаемой двумя термодатчиками, и в результате реализовать минимальный перепад зависимости коэффициента преобразования от частоты в полосе рабочих частот вплоть до 40%. На фиг. 1 приведен чертеж теплового ваттметра на прямоугольном волноводе. На фиг. 2 изображен отрезок прямоугольного волновода с поглощающими пластинами и термодатчиками. На фиг. 3, 4 построены 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 рабочей полосы частот стандартного прямоугольного волновода ±20%; Pm - потери мощности на площади, занимаемой термодатчиком, расположенным на торцевой стенке; Pш - потери мощности на площади, занимаемой термодатчиком, расположенным на широкой стенке; Рmш=Pm+P ш; кривые построены для волновода сечением 10´23 мм 2 с поглощающими стенками из константана, s=0,2083-107 См/м и с размерами hx/а=0,2, xш=0, хm/а=0,1997, hy/b=1, hш/а=0,1, l/Lcp=0,425 (Lсp- длина волны на частоте fcp). Зависимости Pmш /Рпад на фиг. 3, 4 идентичны, но на фиг. 4 график построен в увеличенном масштабе с указанием минимального и максимального значений на граничных частота х fcp-20% и fcp+20%, среднего значения и отклонения от среднего в максимальной рабочей полосе частот. Тепловой ваттметр на прямоугольном волноводе содержит отрезок прямоугольного волновода 1, установленную в плоскости внутренней поверхности широкой стенки поглощающую пласти 3 28355 пластины идентично распределению поглощенной мощности на участках, удаленных от мест сочленения поглощающих пластин с массивными стенками (см., например, статью: Волков В.М., Мартыненко Л.Г., Кукуш В.Д. Исследование теплового режима поглощающей стенки в прямоугольном рассогласованном волноводе с волной Н10 // Радиотехника. / Респ. междувед. науч.-те хн. сб. - Харьков: Изд-во ХГУ. - 1974. - Вып. 28. - С. 120-127). Например, для кривых на фиг. 3, 4 отклонение Рmш от среднего значения 4,396, полученного с уче том минимального значения 4,325 на нижней частоте fcp-20% и максимального значения 4,466 на верхней частоте fc p+20% составляет ±1,6% в максимальной полосе рабочих частот прямоугольного волновода. Для устройства прототипа с шириной термодатчиков h=0,3а отклонение коэффициента преобразования от среднего значения в той же полосе частот составляет ±8,1%, то есть в 5 раз больше. Отклонение коэффициента преобразования от среднего значения существенно уменьшается с уменьшением полосы рабочих частот и составляет менее одного процента при Df/fcp