Измерение мощности электрических сигналов

Измерение мощности электрических сигналов относится к од­ной из важных проблем систем связи, радиотехники и любых радио­электронных средств (РЭС). На практике мощность измеряют в ши­роком частотном диапазоне — от постоянного тока до оптических волн, и в пределах уровней — от 10 -18
до 108 Вт.

Мощность электромагнитных колебаний. Электрическую мощ­ность определяют работой, совершаемой источником электромагнит­ного поля в единицу времени. Мощность в ваттах: 1Вт =1 Дж/с.

Измерение мощности в различных частотных диапазонах имеет определенные особенности. Измерители мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой действую­щей системы учета потребления электрической энергии в быту и на­родном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограниченное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков мегагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдвиги, а мощность определять расчетным путем.

На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжений и токов теряют однозначность и ре­зультаты измерений начинают зависеть от места подключения прибо­ра. Поскольку поток мощности через любое поперечное сечение ли­нии передачи всегда остается неизменным, то основным параметром, характеризующим режим работы практически любого устройства СВЧ, становится мощность.

Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле

P = UI cosφ,                                                                      (12.1)

где U, I — средние квадратические значения напряжения и тока; (р - сдвиг фазы между их мгновенными значениями.

Если нагрузка RН в электрической цепи активная (φ = 0), то мощ­ность переменного тока

Р= UI  = 12 RН  = U2 / RН
.                                               (12.2)

Для периодического сигнала произвольной формы электриче­скую мощность можно оценить с помощью ряда Фурье:

Р = U0I0  +  U1I1  cosφ1
+ U2I2  cosφ2 +…+  UnIn  cosφn  ,                                  (12.3)

где U0,I0 — постоянные составляющие; Un,In - средние квадратиче­ские значения гармоник напряжения и тока; φn - фазовый сдвиг ме­жду гармониками напряжения Un и тока In.

Электрическую мощность переменного тока можно измерять не­посредственно с помощью специальных приборов — ваттметров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные выше соотношения. Принцип действия ваттметров основан на реализации операции перемножения.

Для измерения мощности электрических колебаний применяют­ся устройства как прямого, так и косвенного перемножения. Приме­рами устройств прямого перемножения являются измерительные ме­ханизмы ваттметров электродинамической системы. Прямое пере­множение напряжений или токов можно обеспечить с помощью преобразователей Холла (Холл Э.Г., 1855-1938, амер. физик) или специальных схем на полевых транзисторах и т. д. В устройствах косвенного перемножения произведение величин находят путем сло­жения (вычитания), возведения в степень, логарифмирования, интег­рирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные пе­ремножители. Современные ваттметры на частоты 1... 10 МГц созда­ют на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей.