ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ НА СВЧ

Предисловие

Совершенно очевидно, зачем нужно измерять мощность генерируемых, излучаемых, проходящих некоторый тракт, принимаемых сигналов, поскольку мощность – один из основных параметров сигналов, а в диапазоне СВЧ – главный и единственный энергетический параметр, т. к. вследствие волновой природы сигналов понятия тока и напряжения в этом диапазоне вообще не «работают».

В скалярном анализаторе цепей (САЦ) и скалярном спектроанализаторе (СА) мощность – единственный измеряемый параметр сигналов (зондирующих, опорных, отраженных, пропущенных, калибровочных), в векторном анализаторе цепей (ВАЦ) и векторном анализаторе спектра (ВАС) кроме него измеряются еще фазы многочисленных сигналов. Ошибки оценки мощностей в первом случае и мощностей и фаз – во втором напрямую определяют ошибки итоговых результатов: характеристик цепей и сигналов.

Хотя измерение мощности в диапазоне СВЧ – очень «старая» задача, ее решение во все новых разработках всегда не банально, т. к. должно удовлетворять все более высоким и взаимно противоречивым требованиям точности, мощностного и временного разрешений, быстродействия, помехоустойчивости, повторяемости, надежности и экономичности. Это становится возможным в основном благодаря технологическому прогрессу сенсоров мощности и развитию техники оцифровки и компьютерной обработки сигналов. Вторжение элементов цифровой и вычислительной техники произвело революцию в технике измерения мощности, как и вообще в измерительной технике.

Все измерительные приборы диапазона СВЧ должны измерять мощность тех или иных колебаний – в узкой сканирующей полосе или в широкой полосе, на коротком интервале времени («мгновенная»), или на длинном интервале («средняя»), непрерывных или импульсных сигналов.

В этом ряду приборов ВАЦ и САЦ имеют только одну «поблажку»: поскольку эти приборы основаны на принципе зондирования, в них измеряются мощности сигналов с высоким уровнем априорной информации. В частности, как правило, известны временная, частотная и модуляционная структуры сигналов. Зато ряд других требований выступают в ужесточенной форме. Это особенно относится к требованию широкого динамического диапазона (в особенности в ВАЦе) в сочетании с малым временем измерения мощности, обусловленным быстрым и широкодиапазонным сканированием или переключением частоты.

Другое жесткое требование – предельно малая случайная ошибка в условиях ограниченности времени измерения и невысокого отношения сигнал-шум. Это иногда не вполне осознанное требование возникает в связи с предпринимаемыми большими усилиями по согласованию трактов и калибровке и коррекции систематической ошибки (особенно в ВАЦе): случайная ошибка не должна превалировать над малой скорректированной систематической ошибкой.

Перечисленные выше факторы эффективности измерения мощности взаимно противоречивы, поэтому требуется знать, как методически и аппаратурно оптимально разрешить эти противоречия. Например, общая ошибка измерения мощности складывается из ряда парциальных ошибок, обусловленных различными взаимопротиворечивыми факторами, и понижение общей ошибки есть результат методических и конструктивных компромиссов.

С другой стороны, точность и чувствительность, точность и динамический диапазон мощностей и т. д. предъявляют противоположные требования к параметрам аппаратуры, и требуются многочисленные оптимальные конструктивные решения. Ясно, что лучший способ разрешения всех этих проблем – обобщить исторический опыт создания измерителей мощности, накопленный по мере прогресса технологий и последовательного наступления тенденций микроминиатюризации, цифровых технологий, компьютеризации, – с одной стороны, и по мере развития техники скоростной связи, радиолокации, радионавигации и других, и, следовательно, умеренного усложнения структуры сигналов, – с другой стороны.

Вопрос измерения мощностей опорных и тестовых сигналов ВАЦ, САЦ, СА, ВАС тесно связан с энергетическим балансом прибора, то есть с уровнем мощности генератора, чувствительностью и полосой ПЧ приемников, динамическим диапазоном при тестировании различных устройств, как линейных, так и нелинейных. Учет и увязка этих факторов с эффективностью прибора и экономическими реалиями – столь сложная задача требует выработки определенной концепции оптимизации измерительных приборов СВЧ, которая, в свою очередь, нуждается в усвоении мирового опыта измерения мощности СВЧ-сигналов.

Основные понятия

Единицы

Ватт. Международная система единиц СИ устанавливает в качестве единицы мощности ватт (Вт) [21.1]: один Вт есть один джоуль в секунду.

Децибелы. Во многих случаях удобно пользоваться относительной мощностью, то есть отношением мощности к некоторой опорной мощности . Относительная мощность безразмерна. В свою очередь, относительную мощность удобно выражать в децибелах (дБ):

(21.1.1)

Использование децибелов дает два преимущества. Во-первых, сокращается диапазон используемых чисел; например, диапазон от +63 дБ до -153 дБ более компактен, чем диапазон от до . Во-вторых, вместо умножения чисел в натуральных величинах суммируются числа в децибелах, что удобно, например, при каскадном соединении усилителей или последовательном соединении аттенюаторов и т. д.

дБм. Это популярная и удобная логарифмическая единица абсолютной мощности. Формула для мощности в этих единицах получается из (21.1.1) при =1 мВт:

.

(21.1.2)

Смысл исчисления абсолютной мощности в этих единицах: «столько-то дБ выше одного мВт» (отсутствие знака означает «плюс», при отрицательном значении смысл: «столько-то дБ ниже 1 мВт»). Преимущества исчисления абсолютной мощности в дБм те же, что исчисления относительной мощности в дБ.

Категории мощности

Только для сигнала в виде постоянного тока (напряжения) термин мощность имеет прозрачный смысл, не требующий пояснений: мощность равна произведению тока и напряжения. В остальных случаях в зависимости от временной структуры сигнала и опорного масштаба времени различают «среднюю мощность», «импульсную мощность» и «пиковую мощность огибающей».

Средняя мощность.

Для идеализированной модели сигнала в виде периодического переменного напряжения (тока) бесконечной длительности термин «мощность» относится к постоянным составляющим тока и напряжения; здесь опорный масштаб времени бесконечен. В более реалистической модели сигнала в виде синусоидальных тока и напряжения на сопротивлении (в общем случае – комплексном) длительностью в целое число периодов используется средняя мощность, понимаемая как среднее по времени от произведения переменных тока и напряжения на длительности сигнала:

.

(21.1.3)

Здесь – круговая частота, – амплитуды напряжения и тока, – фазовый угол между током и напряжением. Вычисление интеграла в (21.1.3) дает:

(21.1.4)

Если длительность сигнала в этой модели составляет очень много периодов , то можно усреднение проводить на любом интервале , причем неважно, включает ли он целое или нецелое число периодов , так как разница между этими случаями исчезающее мала. В той же синусоидальной модели среднюю мощность можно выразить и через среднеквадратичные напряжение и ток :

,

(21.1.5)

поскольку .

В еще более реалистической модели с током и напряжением, имеющими полосовой спектр, измерение средней мощности должно включать усреднение по интервалу , составляющему очень много периодов нижней частоты спектра: . Если спектр узкополосный, можно заменить на период центральной частоты . Если сигнал имеет амплитудную модуляцию, усреднение должно проводиться по многим периодам нижней модуляционной частоты.

Импульсная мощность.