Меню

Датчик для измерения мощности свч

Датчик для измерения мощности свч

Разработка, производство и эксплуатационная поддержка средств измерения мощности СВЧ является основным направлением научно-производственной деятельности ФГУП «Мытищинского НИИ радиоизмерительных приборов».

Подавляющее количество разработок института за период с конца шестидесятых годов и по 1970г. предназначались для решения конкретных задач Минобороны по диапазону частот, мощности и др. параметрам для многих радиолокационных систем различного назначения. Начиная с 70-х годов прошлого века основным направлением МНИИРИП стала разработка измерителей мощности СВЧ двойного назначения (для Минобороны и гражданских предприятий). Среди них наибольшее распространение получили СВЧ ваттметры малого (М3-90… М3-92), среднего (М3-93…М3-95 и большого (М3-47…М3-49, М3-96, МК3-69…МК3-71) уровней мощности.

Последние два ряда ваттметров относятся к приборам третьего поколения и содержат в своём составе микропроцессорное устройство обработки измерительной информации и выход в канал общего пользования (КОП), позволяющий их агрегатировать в сложные метрологические системы.

В 2006г. ФГУП «МНИИРИП» разработал по заказу ЗАО «Супертехприбор» для гражданского потребителя коаксиальный ваттметр следующего поколения М3?108 с широкими функциональными возможностями, включая работу с под управлением персонального компьютера.

Приоритетным направлением в настоящее время в области развития измерительной техники является замена ранее выпускаемых настольных вариантов исполнения радиоизмерительных приборов интеллектуальными датчиками и, на их основе в комплекте с персональными компьютерами, виртуальных приборов с использованием современных программных средств.

К числу основных преимуществ применения интеллектуальных датчиков для измерения различного рода физических величин можно отнести:

– взаимозаменяемость устройств: программная компенсация позволяет учитывать индивидуальные особенности первичного преобразователя СВЧ модуля с учётом разброса его чувствительности, нелинейности коэффициента преобразования в динамическом и частотном диапазоне и влияния дестабилизирующих факторов окружающей среды;

– метрология интеллектуальных датчиков определяется, в основном, «сквозной» метрологией преобразователей без составных его частей. Влияние метрологии вторичных устройств практически исключается;

– не требуется дополнительное метрологическое оборудование;

– программная компенсация изменения параметров первичного преобразователя (разброс чувствительности, нелинейность) в динамическом диапазоне повысит уровень выхода годных изделий, что, в свою очередь, позволит достичь их взаимозаменяемости при производстве и тем самым улучшит эксплуатационные и экономические показатели выпускаемых приборов;

– возможность повышения достоверности результатов измерений, благодаря программной фильтрации внешних и внутренних помех, особенно в области малых уровней измеряемой СВЧ мощности;

– учитывая низкое энергопотребление интеллектуальных датчиков (ИД), реализованных на современной элементной базе, позволит работать таким ваттметрам автономно от химических источников питания в полевых условиях эксплуатации с сохранением результатов измерений;

– простота модернизации, а именно, расширения функциональных возможностей ваттметра, до требований, оптимально удовлетворяющих потребителя.

Дополнительные возможности связаны с тем, что встроенный контроллер обеспечивает двунаправленную передачу информации по унифицированному каналу связи в цифровой форме, что повышает помехоустойчивость передачи информации в условиях индустриальных и прочего вида помех, возможность агрегатировать устройства различного назначения.

Обеспечение указанных преимуществ связано с применением миниатюрной и малопотребляющей микроэлектронной элементной базы, позволяющей встраивать в интеллектуальный датчик поглощаемой мощности СВЧ прецизионный усилитель напряжения постоянного тока малого уровня, поступающего с термоэлектрического преобразователя СВЧ мощности, входящего в состав интеллектуального датчика, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий измеряемый сигнал в цифровой код, который после обработки по заданному алгоритму в микроконтроллере преобразуется в результат измерений. Далее результат измерений в цифровом виде передаётся через встроенный в ИД интерфейс RS-232 и USB во вторичное средство дополнительной обработки и отображения результатов измерений (персональный компьютер – ПК или блок вторичной обработки, управления и индикации – БУИ). Микроконтроллер в чип исполнении содержит объём ресурсов для ввода, вывода и программной обработки необходимого объёма измерительной информации и поддержки протоколов внешних сетей связи. Широта номенклатуры и вычислительные возможности 8 и 16-разрядных современных микроконтроллеров, а также их цена позволяют существенно сократить количество элементов в аппаратуре, снизить потребление, уменьшить габариты и увеличить надёжность, обеспечить помехоустойчивость передачи информации на ранее недоступные расстояния. Применение интеллектуальных датчиков мощности СВЧ обеспечит повышение потребительских свойств продукции, при снижении стоимости ваттметров в целом. Для рассматриваемого класса приборов с учётом технических, потребительских и экономических факторов не существует альтернативных схемно-конструктивных решений.

В настоящее время ФГУП «МНИИРИП» без привлечения внешних финансовых средств завершает этап разработки РД по ОКР «Максимум».

Целью ОКР является создание двух рядов автоматизированных ваттметров с расширенными функциональными возможностями, реализованных на базе интеллектуальных датчиков СВЧ мощности , предназначенных для измерения в коаксиальном тракте малого, среднего и большего уровней поглощаемой мощности непрерывных и ИМ СВЧ сигналов в динамическом диапазоне от 10-5 до 10 2Вт и диапазоне рабочих частот от 0,02ГГц до 17,85ГГц с возможностями работы как в автономном режиме без внешней подачи электроэнергии, так и в лабораторных условиях эксплуатации при питании от промышленной сети.

Наличие двух рядов ваттметров обусловлено как различием их конфигураций построения, так и условиями эксплуатации. Каждый ваттметр в ряде отличается типом интеллектуального датчика.

1-ый ряд ваттметров предназначен для полевых и лабораторных условий эксплуатации с рабочим диапазоном температуры окружающей среды от -20оС до +50оС с автономным питанием и от сети 220В, 50Гц. В него входят ИД четырёх типов и блок управления и индикации (БУИ).

Читайте также:  Как мощность двигателя выделяет тепло

2-ой ряд ваттметров состоит из тех же ИД и персонального компьютера (ПК) бытового назначения. Условия эксплуатации, в этом случае, ограничены работой в лабораторных условиях с рабочим диапазоном температуры окружающей среды от +5оС до +40оС. В комплектации с промышленным ПК типа Strong @Master 7020T (ЕС-1866), или ему подобным, ваттметры могут быть использованы для полевых условий эксплуатации в рабочем диапазоне температур от -20оС до +50оС с автономным питанием и от сети 220В, 50Гц.

В состав ваттметров этого ряда дополнительно входят программное обеспечение к ПК и два типа автономных калибраторов, обеспечивающих калибровку ваттметров с 4-мя типами интеллектуальных датчиков.

Результаты многократных измерений ваттметров могут быть зафиксированы в памяти персонального компьютера для произведения их последующего анализ параметров контролируемого источника сигналов СВЧ мощности.

Выполняемые интеллектуальными датчиками функции:

– приём измерительной информации с термопар преобразователя мощности СВЧ, поступающего в виде напряжения постоянного тока малого уровня с динамическим диапазоном 0,1мкВт – 20мВ, его усиление и преобразование в 24-разрядный код (три байта);

– первичную обработку измерительной информации в микроконтроллере с целью устранения нелинейности термопарного преобразователя мощности СВЧ и уменьшения влияния помех и другого вида дестабилизирующих факторов;

– выдачу результатов преобразований через интерфейс UART в блок управления и индикации (БУИ) или через интерфейс USB в ПК;

– в режиме измерений принимать команды от персонального компьютера.

Оба ряда разрабатываемых ваттметров кроме 4- типов ИД включают в свой состав 2 типа автономных калибраторов – один из которых предназначенный для ваттметра малого уровня мощности, другой для – интеллектуальных датчиков среднего и большого уровней.

С целью исключения погрешности за счёт нелинейности термопреобразователя калибратор первого типа формирует ряд стабильных значений мощности от 0,1 до 5мВт на частоте 50МГц (20)МГц на сопротивлении термопар 200 +/– 20 Ом.

2-ой тип калибратора формирует на нагрузке 50 +/– 5 Ом ряд стабильных уровней мощности напряжения постоянного тока (в зависимости от типа интеллектуального датчика) величиной от 10мВт до 1000мВт. В схемах калибраторов обоих типов предусмотрена автоматическая подстройка выходной мощности под реальное сопротивление нагрузки.

ФГУП «МНИИРИП» в планах на ближайшее время приступает к созданию ИД СВЧ мощности, построенных по принципу беспроводной передачи данных на удалённое расстояние с защитой измерительной информации от помех и несанкционированного перехвата данных.

В настоящее время ФГУП «МНИИРИП» является практически единственным предприятием, осуществляющим по индивидуальным заказам разработку, поставку и ремонт на гарантийных условиях с поверкой выше указанных СВЧ ваттметров.

П.В. ДОМНИН, Ю.И. СОКАЛИН

ФГУП МНИИРИП

141002, Россия, МО,

г. Мытищи, ул. Колпакова, д. 2А

тел./факс: (495) 586 1721

e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. » ‘ + path + ‘\» + prefix + ‘:’ + addy94619 + ‘\’>’+addy_text94619+’ ‘; //—>

Источник



Термоэлектрические датчики измерения СВЧ мощности Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Кисиленко Кирилл Игоревич, Прядилов Александр Вячеславович, Тимофеев Евгений Петрович

Представлены результаты моделирования и расчета термоэлектрических датчиков измерения СВЧ мощности. Моделирование , расчет и оптимизация электрических параметров и конструкций датчика проводился с помощью пакета программ численного моделирования . Моделирование устройства в диапазоне 0,3-36 ГГц позволило получить оптимальную конструкцию датчика измерителя СВЧ мощности.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Кисиленко Кирилл Игоревич, Прядилов Александр Вячеславович, Тимофеев Евгений Петрович

Текст научной работы на тему «Термоэлектрические датчики измерения СВЧ мощности»

К.И. Кисиленко, А.В Прядилов, Е.П. Тимофеев

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ИЗМЕРЕНИЯ СВЧ МОЩНОСТИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Представлены результаты моделирования и расчета термоэлектрических датчиков измерения СВЧ мощности. Моделирование, расчет и оптимизация электрических параметров и конструкций датчика проводился с помощью пакета программ численного моделирования. Моделирование устройства в диапазоне 0,3-36 ГГц позволило получить оптимальную конструкцию датчика измерителя СВЧ мощности.

Ключевые слова: измерение мощности, термоэлектрические датчики, СВЧ диапазон, моделирование, САПР, HFSS.

Развитие современной науки и техники требует непрерывного совершенствования радиоизмерительных средств, расширения их динамического и частотного диапазонов, повышения точности. Среди большого разнообразия радиоизмерений важнейшим является измерение мощности в широком диапазоне частот. При этом хорошо известно, что в СВЧ диапазоне измерение напряжения и тока затруднительно, так как сопровождается появлением значительных частотных погрешностей, а измерение напряжения и тока в волноводных трактах при некоторых типах волн вообще теряет смысл. В связи с этим на частотах, начиная с десятков мегагерц, непосредственное измерение мощности становится предпочтительным и более точным видом измерений, а на частотах свыше 1000 МГц — единственным, однозначно характеризующим интенсивность электромагнитных колебаний.

Одним из непосредственных методов измерения СВЧ мощности является термоэлектрический метод [1], который заключается в измерении термоэдс высокочастотных дифференциальных термопар прямого или косвенного нагрева, возникающей в результате рассеяния в них СВЧ мощности. При этом величина образуемой термоэдс пропорциональна поглощенной термопарой СВЧ мощности. Причем несмотря на то, что термоэлектрический метод так же, как и болометрический, применяется в основном для измерения малых уровней мощности, он имеет ряд значительных преимуществ. Так как величина термоэдс почти не зависит от окружающей температуры, в термоэлектрических ваттметрах схемы и узлы для температурной компенсации имеют второстепенное значение.Приемные преобразователи термоэлектрического ваттметра не требуют длительного времени прогрева. Основным элементом термоэлектрического преобразователя ваттметра является СВЧ термопара (блок термопар). Материалы для ветвей термопар выбираются из расчета обеспечения линейности, минимального температурного коэффициента сопротивления и высокой чувствительности.

Читайте также:  Как мощность зависит от температуры

В данной статье рассматривается разработка термоэлектрических измерительных преобразователей СВЧ мощности для коаксиального тракта, работающих в диапазоне частот 0.3-36 ГГц [2,3]. В конструкции преобразователей применяются батареи термопар висмут-

сурьма косвенного подогрева. Коэффициент преобразования одной термопары К = 100-^.

Нагревательный элемент, являясь согласованной нагрузкой для коаксиального тракта (низкое значение КСВн), должен обеспечивать эффективный и сосредоточенный нагрев «горячих» спаев термопар.

© Кисиленко К.И., Прядилов А.В., Тимофеев Е.П., 2016.

В качестве подложки, несущей нагревательный элемент и батарею термопар, используется полиимидная пленка толщиной 40 мкм. Благодаря малой толщине, такая пленка не препятствует нагреву «горячих» спаев расположенных под нагревательным элементом, а ее

низкая теплопроводность(около 0,25 ——) позволяет уменьшить длину ветвей термопар, на которых из области нагрева выносятся «холодные» спаи.

Модель датчика для измерителя мощности сигналов СВЧ диапазона с прямоугольным нагревательным элементом

В ходе разработки были проанализированы две конструкции измерительных преобразователей. Первая — с прямоугольным нагревательным элементом — показана на рис. 1 и рис. 2.

Как было отмечено, все функциональные элементы датчика измерителя мощности, а именно термопары и нагревательный резистор выполняются на подложке из полиимидной пленки путем вакуумного напыления. Предусмотрены также контактные площадки для подачи входного сигнала и снятия термоэдс.

На рис. 1 показан вид снизу прецизионной печатной платы датчика измерителя мощности. Подложка 1 на рисунке полупрозрачна, чтобы было видно функциональные элементы на обеих сторонах платы и их взаимное расположение.

Рис. 1. Вид снизу прецизионной печатной платы датчика измерителя мощности

Обозначения на рис. 1: 1 — полиимидная подложка; 2 — «холодный» спай термопары (место соединения двух соседних термопар); 3 — «горячий» спай термопары; 4 — контактные площадки для снятия термоэдс батареи последовательно соединенных термопар; 5 — сурьма; 6 — висмут; 7 — контактная площадка для подачи входного сигнала (расположена с обратной

стороны платы); 8 — нагревательный элемент (расположен с обратной стороны платы); 9 -контактная площадка корпуса (расположена с обратной стороны платы).

На нижней стороне платы расположена батарея из семи последовательно соединенных термопар висмут — сурьма. Их «горячие» спаи 3 находятся под нагревательным элементом 8, который сформирован на верхней стороне платы. «Холодные» спаи 2 вынесены в стороны от нагревателя и имеют температуру, близкую к температуре окружающей среды, что создает разность температур «горячих» и «холодных» спаев. Контактные площадки 4 выполняются из меди, соединяются с выходом батареи термопар и служат для снятия термоэдс.

Рис. 2. Общий вид модели датчика измерителя мощности

Прецизионная плата датчика измерителя мощности располагается в металлическом корпусе, внутренняя полость которого показана на рис. 2. Сложная форма полости требуется для обеспечения широкополосного согласования и расположения конструктивных элементов.

Модель датчика для измерителя мощности сигналов СВЧ диапазона с раздвоенным нагревательным элементом

Вторая конструкция — с раздвоенным нагревательным элементом. Она показана на рис. 3 и рис. 4. Функциональные элементы и их назначение те же, что и в предыдущем случае, однако нагревательный элемент здесь состоит из двух резисторов, включенных параллельно.

На рис. 3 обозначено: 1 — полиимидная подложка; 2 — отверстие под металлический штифт, центрирующий подложку; 3 — контактная площадка корпуса (расположена с обратной стороны платы); 4 — контактная площадка для подачи входного сигнала (расположена с обратной стороны платы); 5 — раздвоенный нагревательный элемент (расположен с обратной стороны платы); 6 — «холодный» спай термопары (место соединения двух соседних термопар); 7 — «горячий» спай термопары; 8 — сурьма; 9 — висмут; 10 — контактные площадки для снятия термоэдс батареи последовательно соединенных термопар (под микросварку).

Рис. 4. Общий вид модели датчика измерителя мощности

Расчет параметров конструкций методами численного моделирования

Расчеты основных параметров данных конструкций измерительных преобразователей в среде АпвувББЗЗ [4] дают следующие результаты.

КСВн измерительных преобразователей в диапазоне 0,3 — 36 ГГц.

Рис.5. КСВн преобразователя с прямоугольным нагревательным элементом

— Сигче гЪ — 1М £е^ир1 : Злгеер1

0 0 12.к) ‘ ‘ ‘ ‘ 25 00 ‘ ‘ ‘ ‘ 37

Рис. 6. КСВн преобразователя с раздвоенным нагревательным элементом

Распределение температуры по термопарам на частотах 0,3 ГГц, 18 ГГц и 36 ГГц.

Рис. 7. Распределение температуры по термопарам в конструкции с прямоугольным нагревательным элементом

Рис. 8. Распределение температуры по термопарам в конструкции с раздвоенным нагревательным элементом

Полученные характеристики измерительных преобразователей представлены в табл. 1.

Модель Коэффициент преобразования Кср 81 КСВ

0,3 ГГц 18 ГГц 36 ГГц

Прямоугольный НЭ 1104 мкВ/мВт 949 мкВ/мВт 817 мкВ/мВт 961 мкВ/мВт 15% Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Источник

Читайте также:  Что такое максимальная мощность энергопринимающего устройства квт

Измерители мощности СВЧ (Ваттметры)

hidden-block-corner

Измеритель мощности 4241

Количество каналов: 1; Особенности: Блок цифровой индикации измерителя мощности для подключения датчиков мощности, выход калибратора 50 МГц, от –60 до 20 дБм, автоматическая калибровка усиления и установка нуля, ввод поправочных коэффициентов. Диапазон частот от 10 кГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Динамический диапазон 90 дБ (в зависимости от датчика). Измерение мощности в диапазоне -70…44 дБм (зависит от датчика).; Интерфейс: GPIB, RS-232; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Измеритель мощности 4242

Количество каналов: 2; Особенности: Блок цифровой индикации измерителя мощности для подключения датчиков мощности, выход калибратора 50 МГц, от –60 до 20 дБм, автоматическая калибровка усиления и установка нуля, ввод поправочных коэффициентов. Диапазон частот от 10 кГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Динамический диапазон 90 дБ (в зависимости от датчика). Измерение мощности в диапазоне -70…44 дБм (зависит от датчика).; Интерфейс: GPIB, RS-232; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Измеритель мощности СВЧ 4531

Количество каналов: 1; Особенности: Измерительный блок. Измеряемые величины, средняя мощность, максимальная и минимальная средняя мощность, максимальная и минимальная мгновенная пиковая мощность. Диапазон частот от 50 МГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Динамический диапазон более 60 дБ (в зависимости от датчика).; Интерфейс: RS-232, GPIB; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Измеритель мощности СВЧ 4532

Количество каналов: 2; Особенности: Измерительный блок. Измеряемые величины, средняя мощность, максимальная и минимальная средняя мощность, максимальная и минимальная мгновенная пиковая мощность. Диапазон частот от 50 МГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Динамический диапазон более 60 дБ (в зависимости от датчика).; Интерфейс: RS-232, GPIB; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Измеритель мощности СВЧ 4541

Количество каналов: 1; Особенности: Измерительный блок, предназначен для захвата, отображения и анализа ВЧ сигналов. Анализ импульсных ВЧ сигналов, применяемых в радиолокации или в GSM-тех-нологиях, а также с псевдослучайных, шумоподобных сигналов, используемых в стандартах CDMA, EVDO, WLAN, WiMAX, UMTS, HSPA, LTE, OFDM или HDTV. Диапазон частот от 10 кГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Измерение мощности в диапазоне -70…40 дБм (зависит от датчика). Видеополоса 70 МГц. Разрешение по времени 200 пс.; Интерфейс: GPIB, LAN, UBS; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Измеритель мощности СВЧ 4542

Количество каналов: 2; Особенности: Измерительный блок, предназначен для захвата, отображения и анализа ВЧ сигналов. Анализ импульсных ВЧ сигналов, применяемых в радиолокации или в GSM-тех-нологиях, а также с псевдослучайных, шумоподобных сигналов, используемых в стандартах CDMA, EVDO, WLAN, WiMAX, UMTS, HSPA, LTE, OFDM или HDTV. Диапазон частот от 10 кГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Измерение мощности в диапазоне -70…40 дБм (зависит от датчика). Видеополоса 70 МГц. Разрешение по времени 200 пс.; Интерфейс: GPIB, LAN, UBS; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Датчик мощности 51075A

Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

11730A Кабель для преобразователей мощности и источников шума серии SNS, 1,5 м

Кабели для преобразователей мощности

Кабели серии 11730 предназначены для использования с преобразователями мощности серий 8480 и E (кроме преобразователей пиковой и средней мощности серии E9320). Благодаря улучшенной экранировке эти кабели обеспечивают более эффективную защиту от ВЧ помех при измерении низких уровней мощности. Кабели могут приобретаться как по отдельности, так и попарно в любом сочетании для выполнения одноканальных или двухканальных измерений.
Кабели для источников шума

Кабели серии 11730 могут использоваться совместно с источниками шума серии SNS, которые предназначены для работы с анализаторами коэффициента шума серии NFA.

Измеритель мощности СВЧ 4500B СНЯТ

Количество каналов: 4; Особенности: Измерительный блок для сбора, отображения, анализа и измерения характеристик ВЧ сигналов во временной области, а также их статистической обработки. Диапазон частот от 1 МГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Динамический диапазон более 70 дБ (в зависимости от датчика). Разрешение по времени 100 пс, видеополоса до 65 МГц (в зависимости от датчика), гибкие возможности запуска. Возможность монтажа в 19″ стойку.; Интерфейс: GPIB, RS-232С, USB, LPT, LAN; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Измеритель мощности 4500C

Количество каналов: 2; Особенности: Захват, отображения, анализа и характеристик мощности СВЧ-сигналов как во временном домене, так и в статистическом домене. Диапазон частот от 30 МГц до 40 ГГц (в зависимости от датчика). Измерение мощности в диапазоне -60…20 дБм (зависит от датчика).; Интерфейс: USB, LAN, GPIB (опция);

Датчик мощности 51011A

Тип датчика: Диодный специального назначения; Диапазон частот: от 100 кГц до 12,4 ГГц; Диапазон измерений: от -60 дБм до +20 дБм; Тип разъема: N; Совместимость: Измерители мощности Boonton; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Датчик мощности 51071A

Тип датчика: Диодный коаксиальный; Диапазон частот: от 10 МГц до 26,5 ГГц; Диапазон измерений: от -70 дБм до +20 дБм; Тип разъема: 2,92; Совместимость: Измерители мощности Boonton; Госреестр СИ: №49871-12 до 20.04.2022 г.

Источник