Измерители напряжения и мощности СВЧ Boonton

Измерители напряжения и мощности СВЧ Boonton

к.т.н. А.В. Пивак, АО «ПриСТ»

СВЧ вольметр Boonton 92EA (здесь и далее щелчок по изображению - увеличение)

СВЧ вольметр Boonton 9231

Измеритель мощности СВЧ Boonton 4231A

ВЧ пробник напряжения с аксессуарами (тройник, проходная нагрузка, делитель)

ВЧ пробник напряжения с игольчатым контактом

СВЧ преобразователь мощности

Приборы для измерения параметров интенсивности электромагнитного сигнала  представляют собой большой класс приборов и находят широкое применение на практике. К ним можно отнести любые средства измерения, проградуированные в единицах физических величин, характеризующих интенсивность электромагнитного сигнала: вольт, ампер, ватт и т.д. В массовых количествах используются вольтметры и измерители мощности электрических низкочастотных сигналов, например портативные мультиметры или счетчики электрической энергии, стоящие в каждом доме. Существуют и схожие по назначению приборы для измерения высокочастотных электромагнитных сигналов. Однако, кроме общих единиц измерения, их с более низкочастотными аналогами мало что объединяет. Действительно, 1 Вольт на частоте 1 кГц и 1 Вольт на частоте 1 ГГц  - это две большие разницы. Заложенные в средства измерения напряжения и мощности СВЧ физические принципы измерения делают данные приборы более сложными в изготовлении. Поэтому распространение они получили в основном при разработке и исследованиях высокочастотных радиоэлектронных устройств, а также при эксплуатации телекоммуникационных систем. Т.е в отраслях, использующих передовые технологии в диапазонах частот до 100 ГГц. В связи с этим до последнего времени в России в качестве измерителей напряжения и мощности СВЧ в большей степени использовались универсальные приборы, позволяющие получать данные не только о параметрах интенсивности, но и о форме, и спектре сигналов. Речь идет о высокочастотных цифровых осциллографах с активными пробниками напряжения и об анализаторах спектра. Эти приборы имеют безусловное преимущество перед вольтметрами и ваттметрами, т.к . позволяют получать больше измерительной информации о сигнале. Но есть и недостатки: стоимость, массо-габаритные показатели и в первую очередь погрешность. Именно данные недостатки универсальных приборов определяют область применения специализированных средств измерения  - это метрология и контроль параметров при массовом производстве и эксплуатации.          

Сейчас в России наблюдается значительный недостаток предложений измерителей напряжения СВЧ, которые с одной стороны могли бы использоваться для метрологии и с другой стороны - обладали удобством в работе. Диодные компенсационные вольтметры В3-49 и В3-63, используемые в качестве образцовых 1-ого (погрешность около 1% на 1 ГГц) или 2-ого разряда (погрешность около 8% на 1 ГГц), давно не выпускаются и сложны в работе. Диодные вольтметры типа В3-43 или В7-71/1 с ВЧ пробником просты в эксплуатации, но имеют погрешность около 25% на 1 ГГц (около 12% на 1 ГГц при использовании поправок на типовую частотную зависимость диода). Неоднозначность определяемой величины напряжения на СВЧ и отсутствие новых вольтметров уровня 1-ого…2-ого разряда приводит к размыванию иерархической системы передачи размера единицы напряжения СВЧ в стране. Поэтому появление на рынке вольтметров СВЧ компании Boonton обращает на себя внимание.

Вольтметры представлены двумя сериями: 92EA и 9230. Серии отличаются только индикаторными блоками, т.к ВЧ пробники для них одни и те же. Вольтметр 92EA имеет аналоговую индикацию, а 9230 – цифровую, усилители и измерители постоянного напряжения на выходе ВЧ пробника в индикаторных блоках выполнены одинаково и имеют погрешность 0,1%. Преимуществом цифрового индикаторного блока является возможность дистанционного управления по интерфейсу КОП, автоматическая установка нуля, высокая разрешающая способность (4,5 разряда), а также автоматическое считывание калибровочных данных по линейности из размещенного в ВЧ пробнике ПЗУ. Это позволяет обеспечить одинаковую погрешность измерения напряжения как в начале, так и в середине и конце шкалы на любом пределе измерения.

ВЧ пробник выполнен по диодной схеме, работает по принципу преобразования ВЧ напряжения в постоянное («выпрямление») и обеспечивает динамический диапазон от 200 мкВ до 3 В. Конструктивно измерительный наконечник пробника выполнен в виде коаксиального цилиндра с внешней резъбой по экрану и центральным планарным точечным контактом (входная емкость не более 1,5 пФ). Такая конструкция обеспечивает подключение к пробнику различных насадок: проходной нагрузки 50 Ом с разъемом BNC, ненагруженного перехода BNC, делителя 1:100 до 300 В (полоса 700 МГц), измерительного тройника в тракте N или щупа для измерений в некоаксиальных трактах (до 100 МГц, ограничено паразитной емкостью заземляющего кабеля). При необходимости измерения можно проводить непосредственно на точечном контакте, что позволяет уменьшить длину заземляющего кабеля. Поскольку диодная схема чувствительна к амплитуде измеряемого сигнала, то вольтметр откалиброван по среднеквадратическому напряжению синусоидального сигнала (режим RMS) в стандартном коаксиальном тракте с волновым сопротивлением 50 Ом. При измерениях с.к.з напряжения отличных от синусоидальной формы сигналов или в нестандартизованных трактах будет появляться дополнительная погрешность. Однако, при напряжениях менее 30 мВ вольт-амперная характеристика диода обеспечивает режим измерения TrueRMS, не чувствительный к коэффициенту амплитуды сигнала.

В заключение необходимо отметить, что частотная характеристика диода подобрана так, что бы получить погрешность измерения (1…2)% в диапазоне частот от 10 кГц до 100 МГц и (3…4)% в диапазоне частот до 1 ГГц. Такие значения погрешностей сопоставимы с погрешностями образцовых диодных компенсационных вольтметров, при этом вольтметры компании Boonton значительно проще в эксплуатации. 

Кроме этого, компания Boonton предлагает измерители мощности СВЧ серии 4230. Измерители мощности используют цифровой индикаторный блок, аналогичный применяемым в вольтметрах, и два типа коаксиальных измерительных преобразователей в диапазоне частот до 40 ГГц: термоэлектрические и диодные. Термоэлектрические преобразователи выполнены по обычной схеме, используемой например в отечественных М3-51, и обеспечивают высокую долговременную стабильность, линейность и измерения мощности TrueRMS, но имеют малый динамический диапазон около 40 дБ. Диодные преобразователи, изготовленные с применением балансной схемы включения двух диодов, обеспечивают высокую чувствительность (до 100 пВт) и динамический диапазон 90 дБ. Данные преобразователи имеют режим измерения мощности TrueRMS и хорошую линейность при уровнях менее -20 дБмВт.  При измерениях уровней свыше -20 дБмВт, когда диодная схема работает на нелинейном (по мощности) участке, применяется программная коррекция. Эта коррекция, так же как и зависимость калибровочных коэффициентов преобразователя от частоты, загружается автоматически в индикаторный блок и используется при измерениях. Погрешность определения калибровочных коэффициентов составляет (1…6)% в зависимости от частоты, при КСВН преобразователей (1,15…1,65).   

Таким образом, измерители напряжения и мощности СВЧ компании Boonton представляют собой законченное решение для точных и быстрых измерений параметров интенсивности высокочастотных электромагнитных сигналов.

Автор:  Пивак А.В. к.т.н.
Дата публикации:  02.08.2006