Измеритель мощности СВЧ – это связка из двух частей: блока индикации и датчика (первичного преобразователя). Именно датчик определяет, какие уровни сигнала прибор увидит, насколько быстро и с какой точностью.
Термисторные, термопарные и диодные датчики решают разные задачи, и универсального варианта среди них нет. Разберём, чем они отличаются, по каким признакам сделать выбор и какие факторы влияют на точность результата сильнее, чем сам тип датчика.
Как датчик превращает СВЧ-мощность в показания
Все три типа датчиков преобразуют энергию высокочастотного сигнала в постоянное напряжение или ток, но делают это по-разному:
- Термисторный датчик – тепловой. Поглощённая СВЧ-мощность нагревает термистор, и измерительный мост заменяет её эквивалентной мощностью постоянного тока. Метод замещения по постоянному току очень точен, поэтому такие датчики применяются для передачи единицы мощности от эталонов к рабочим средствам измерений.
- Термопарный датчик – тоже тепловой. Поглощённая энергия нагревает термопару, и она вырабатывает термо-ЭДС, пропорциональную средней мощности сигнала независимо от его формы.
- Диодный датчик выпрямляет сигнал с помощью полупроводникового диода. На малых уровнях выходное напряжение пропорционально мощности (квадратичный участок характеристики), что обеспечивает высокую чувствительность и быстрый отклик.
Сравнение термисторного, термопарного и диодного датчиков
| Параметр | Термисторный | Термопарный | Диодный |
|---|---|---|---|
| Что измеряет | Среднюю мощность | Среднюю мощность сигнала любой формы | Среднюю мощность; специализированные модели – также пиковую и импульсную |
| Типичный диапазон уровней | Самый узкий из трёх | Около 50 дБ, примерно от −30 до +20 дБм | Классические модели – от −70 до −20 дБм; двухтрактовые – до 80 дБ |
| Скорость измерения | Низкая | Средняя | Высокая |
| Сильные стороны | Высокая линейность, возможность прослеживаемой калибровки | Точность и независимость показаний от вида модуляции | Высокая чувствительность, широкий динамический диапазон, быстрый отклик |
| Ограничения | Медленный отклик, узкий диапазон, чувствительность к температуре | На нижней границе диапазона требуется усреднение | Вне квадратичного участка на сигналах с переменной амплитудой возникает дополнительная погрешность |
| Типичные задачи | Метрологические лаборатории, калибровка | Точные измерения мощности передатчиков и модулированных сигналов | Малые уровни, настройка приёмных трактов, импульсные и быстро меняющиеся сигналы |
Диапазоны приведены по данным руководства Keysight по выбору измерителей и датчиков мощности.
Три вопроса, которые определяют выбор
- Какой уровень мощности нужно измерять? Для сигналов от единиц микроватт до 100 мВт подойдёт термопарный датчик. Для слабых сигналов на уровне нановатт нужен диодный. Если в одной задаче встречаются и малые, и большие уровни, стоит рассмотреть двухтрактовый диодный датчик: он автоматически переключает тракты и не выходит за пределы квадратичного участка.
- Какой сигнал подаётся на вход? Для немодулированного сигнала подходят все три типа. Для сигналов со сложной цифровой модуляцией точнее тепловые датчики, так как их показания не зависят от формы сигнала. Если нужно видеть огибающую, пиковую мощность или пик-фактор, выбирают датчик пиковой мощности с полосой видеосигнала, соответствующей полосе модуляции.
- Насколько важна скорость? При автоматизированных измерениях на производстве и настройке в реальном времени преимущество у диодных датчиков. Для лабораторных измерений, где важнее точность, скорость термопарного датчика обычно достаточна.
Кроме того, частотный диапазон датчика должен перекрывать рабочие частоты с запасом, а тип и класс разъёма – совпадать с разъёмами тракта.
Что влияет на точность сильнее, чем тип датчика
Распространённое ожидание – выбрать самый точный датчик и получить точный результат. На практике основной вклад в погрешность часто вносит рассогласование между источником сигнала и датчиком. Часть мощности отражается от входа датчика, и эти отражения многократно проходят по тракту.
Пример. Если КСВН выхода проверяемого устройства равен 1,3, а КСВН входа датчика – 1,2, коэффициенты отражения составят примерно 0,13 и 0,09. Предельная погрешность рассогласования оценивается как 2·Гист·Гдатч и составит около ±2,4 % – больше, чем собственная погрешность многих современных датчиков.
Поэтому перед измерением мощности полезно проверить согласование тракта. Для этого подходит компактный векторный рефлектометр CABAN R54: он измеряет коэффициент отражения и потери в кабеле в диапазоне от 85 МГц до 4,8 ГГц и подключается к ноутбуку по USB.
Другие типичные источники погрешности – неточная установка нуля, неучтённые калибровочные коэффициенты датчика на рабочей частоте и изменение температуры датчика во время измерений.
Термопарный датчик мощности и термопара для измерения температуры
В поиске эти понятия часто смешиваются. Датчик температуры с термопарой или термометр сопротивления измеряет температуру среды. Термопарный датчик мощности СВЧ использует тот же физический эффект, но нагревается поглощённым сигналом и показывает его мощность. Для выбора измерителя мощности сравнения термопар и термометров сопротивления не подходят.
Как подобрать измерительный комплект
Мы подбираем радиоизмерительное оборудование для лабораторий, предприятий и учреждений образования Беларуси. Чаще всего в запросах указывают только верхнюю частоту, а для корректного подбора датчика важны ещё три параметра. Рекомендуем заранее определить:
- минимальный и максимальный уровень измеряемой мощности;
- вид сигнала: непрерывный, модулированный или импульсный;
- разъёмы тракта и допустимое значение КСВН на входе датчика.
Для мощных сигналов учитывайте максимально допустимую входную мощность датчика: при её превышении датчик выходит из строя, поэтому в тракт включают аттенюатор или направленный ответвитель.
Частые вопросы
Какой датчик мощности самый точный?
Наибольшей точностью обладают термисторные датчики, поэтому их используют в эталонных измерениях. Среди рабочих средств измерений точными и универсальными считаются термопарные датчики: их показания не зависят от вида модуляции.
Можно ли измерить импульсную мощность термопарным датчиком?
Термопарный датчик покажет среднюю мощность импульсной последовательности. Для измерения пиковой мощности и формы импульса нужен диодный датчик пиковой мощности.
Чем измерение мощности СВЧ отличается от измерения мощности в электрической цепи?
Мощность в цепях промышленной частоты измеряют ваттметром по току и напряжению. На высоких частотах такой подход неприменим, поэтому используют измеритель мощности с датчиком, который преобразует энергию сигнала в тепло или постоянное напряжение.
Как проверить, что датчик мощности исправен?
Подключите датчик к опорному источнику измерителя, выполните установку нуля и калибровку. Если показания заметно отличаются от номинального уровня опорного сигнала или нестабильны, датчик нужно проверить в сервисе.
Поможем подобрать оборудование для измерений мощности СВЧ
Источники
- Keysight Technologies. Choosing the Right Power Meter and Sensor – руководство по выбору измерителей и датчиков мощности.
- Keysight Technologies. 8480 Series Power Sensors – характеристики диодных датчиков серии 8480.
- Keysight Technologies. N8485A Thermocouple Power Sensor – пример термопарного датчика: от 10 МГц до 67 ГГц, от −35 до +20 дБм.