Содержание к диссертации
Введение
1 Обеспечение единства измерений отношения мощностей СВЧ
1.1 Система обеспечения единства измерения отношения мощностей СВЧ
1.2 Средства обеспечения единства измерения отношения мощностей СВЧ
2 Исследование нелинейности термисторных преобразователей мощности СВЧ
2.1 Метод определения нелинейности терми- сторного преобразователя в микрокалориметре
2.2 Экспериментальное исследование нелинейности термисторных преобразователей мощности СВЧ
2.3 Определение функции преобразования термисторных преобразователей в расширенном динамическом диапазоне
2.4 Анализ минимально достижимых погрешно-стей определения нелинейности термистора в микрокалориметре
3 Формирование шкалы отношения мощностей СВЧ в расширенном динамическом диапазоне
3.1 Мера отношения мощностей СВЧ 60
3.2 Методика определения градуировочной характеристики измерителей отношения мощностей СВЧ
3.3 Оценка погрешности из-за пролезания мощности СВЧ при измерении комплексного коэффициента передачи
4 Поверочная схема средств измерения отношения мощ-ностей и вторичный эталон отношения мощностей ВЭТ 26-4-03
4.1 Структура ВЭТ 26-4-03 90
4.2 Поверочная схема для средств измерений отношения мощностей СВЧ
4.3 Контроль за единством измерений отношения мощностей СВЧ на основе сличений
Заключение
Список литературы 111
- Средства обеспечения единства измерения отношения мощностей СВЧ
- Экспериментальное исследование нелинейности термисторных преобразователей мощности СВЧ
- Методика определения градуировочной характеристики измерителей отношения мощностей СВЧ
- Поверочная схема для средств измерений отношения мощностей СВЧ
Введение к работе
Актуальность. Измерения мощности электромагнитных колебаний (ЭМК) являются одним из основных видов измерений в технике сверхвысоких частот (СВЧ). В области измерения мощности СВЧ фактически подлежат измерению две величины: мощность [Вт] и отношение мощностей [дБ]. При этом одни приборы измеряют или воспроизводят обе величины одновременно (анализаторы спектра, измерители мощности и генераторы СВЧ), а другие - только отношение мощностей (аттенюаторы). Значения минимально достижимых погрешностей тоже различные: а) 0,2-0,4 % для мощности ЭМК; б) 0,02% (0,001 дБ) для отношения мощностей. Существование в России государственной поверочной схемы для средств измерений мощности ЭМК, а также государственного эталона размера единицы этой величины обеспечивает единство и требуемую точность при измерениях. Другая ситуация сложилась с измерением отношения мощностей. Результаты проведенных исследований минимально достижимых погрешностей при измерениях отношения мощностей не отвечают требованиям новых нормативно-технических документов (ГОСТ 8.000-2000 и ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2000) в части воспроизведения шкалы отношения мощностей и прослеживаемости результатов измерений, и не достаточны для внедрения в метрологическую службу. Поэтому отсутствует основа для разработки поверочной схемы и достоверных оценок погрешностей исходных эталонов.
Необходимость создания нормативной и технической базы для построения иерархической системы передачи шкалы отношения мощностей ставит задачу измерения отношения мощностей с погрешностью 0,001-0,002 дБ на каждые 10 дБ. Наряду с поверочной схемой, комплек- том необходимых методик и средств измерений решение такой задачи позволит заложить основу для обеспечения единства измерений отношения мощностей.
Целью работы является обеспечение единства и достоверности измерения отношения мощностей в пределах от (-140) до (+20) дБ относительно 1 мВт в диапазоне частот 0,1...18 ГГц путем создания иерархической системы передачи шкалы отношения мощностей на основе вторичного эталона отношения мощностей и поверочной схемы для средств измерения отношения мощностей.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие научно-технические задачи: создание программно-аппаратного комплекса рабочего эталона отношения мощностей СВЧ; исследование значений нелинейности функции преобразования термисторных измерителей мощности в микрокалориметре; разработка, создание и исследование меры отношения мощностей на основе комбинации широкополосного ступенчатого коаксиального аттенюатора и развязывающих вентилей; разработка методов и методик передачи шкалы отношения мощностей (поверочной схемы); - исследование погрешностей на каждом уровне иерархической схемы передачи шкалы отношения мощностей ЭМК в коаксиальном и волноводном тракте в диапазоне частот 0,1-18 ГГц.
Научная новизна. При выполнении диссертационной работы получены следующие основные научные результаты:
Показана необходимость разработки и пути реализации иерархической системы обеспечения единства измерений отношений мощностей СВЧ.
Предложен "эталонный" метод определения функции преобразо- вания исходных измерителей отношения мощностей в микрокалориметре, получено уравнение измерений.
Экспериментально осуществлено измерение функции преобразования термисторного преобразователя в микрокалориметре, проведен анализ достигнутых при этом погрешностей.
Разработана и исследована модель схемы измерений отношения мощностей, учитывающая наличие паразитных связей (пролезания) между измерителем отношения мощностей и генератором.
На основании полученных расчетных соотношений и результатов экспериментальных исследований разработан вторичный эталон отношения мощностей, обеспечивающий воспроизведение шкалы отношения мощностей с погрешностью не более 0,003 дБ на 10 дБ в тракте с коэффициентом отражения не более 0,005 в диапазоне частот 0,1-18 ГГц.
К защите представлены :
Иерархическая система передачи шкалы отношения мощностей СВЧ от исходного измерителя отношения мощностей из состава Государственного эталона мощности ЭМК ГЭТ 26-94 к рабочим средствам измерения, обеспечивающая формирование шкалы мощности СВЧ и единство измерений отношения мощностей СВЧ.
Метод и результаты определения функции преобразования исходного измерителя отношения мощностей на основе термисторного измерителя мощности в микрокалориметре из состава ГЭТ 26-94.
Методы и средства измерений для передачи шкалы отношения мощностей СВЧ от исходного измерителя отношения мощностей СВЧ к рабочим средствам измерений, результаты исследований достижимых погрешностей при передаче шкалы.
Методы исследований. Теоретические исследования в диссертации проведены на основе теории шкал, матричной алгебры, математиче- ской статистики. Применялись численные методы математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием аппаратуры государственного эталона мощности ЭМК ГЭТ 26-94 и рабочего эталона напряжений РЭН-3.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы применены для создания ряда локальных нормативных документов и технических средств, позволяющих производить поверку средств измерения отношения мощностей в условиях территориального органа государственной метрологической службы Ростест-Москва. Разработанный рабочий эталон отношения мощностей по своим метрологическим характеристикам соответствует мировому уровню и может быть использован в качестве основы для создания вторичного эталона отношения мощностей. Полученные в диссертации соотношения и методики оценки погрешностей могут быть полезны при разработке новых СИ.
Внедрение. Рабочий эталон отношения мощностей ФГУ "Ростест-Москва" используется для передачи шкалы отношения мощностей на нижестоящие уровни поверочной схемы. На нем проводится поверка до 5 рабочих эталонов 1-ого разряда группы ДК1 и до 30 рабочих эталонов 2-ого разряда группы ДЗ в год. Поверочная схема совместно с методиками оценок погрешностей, предложенная в диссертации, утверждена в качестве локальной поверочной схемы для ФГУ "Ростест-Москва".
1 Обеспечение единства измерения отношения мощностей СВЧ
Средства обеспечения единства измерения отношения мощностей СВЧ
Рассмотрим научно-технические задачи, которые необходимо решить для построения системы обеспечения единства измерений отношения мощностей СВЧ. Из теории шкал измерений известно, что для построения абсолютных шкал эталоны не являются обязательными, однако к шкале отношения мощностей СВЧ на практике данное положение не применимо из-за специфики измерений в диапазоне СВЧ.
Канал паразит- ной ев нзи Рисунок 1 - Модель схемы для измерения отношения мощностей СВЧ В состав схемы входят измеритель отношения мощностей СВЧ, генератор мощности СВЧ и мера отношения мощностей, чей коэффициент передачи измеряется. Все измерители отношения мощностей СВЧ построены по общей структурной схеме. В их состав входят преобразователи отношения мощностей СВЧ в отношение мощностей НЧ (где НЧ -низкая частота, обычно до 30 МГц, включая постоянное напряжение), осуществляющие эквивалентный перенос отношения мощностей СВЧ на НЧ, а также эталон отношения мощностей НЧ и устройство сравнения. В качестве преобразователей отношения мощностей используют болометрические, термисторные, термоэлектрические и калориметрические измерители мощности СВЧ, основанные на тепловом принципе действия и осуществляющие перенос отношения мощностей СВЧ на постоянный ток. Супергетеродинные установки, где для смесителей применены элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, переносят отношение мощностей СВЧ на НЧ. Эталонами отношения мощностей НЧ являются предельные аттенюаторы, индуктивные делители, потенциометры, которые обеспечивают погрешности около 0,002 дБ на 100 дБ. Канал паразитной связи характеризует наличие паразитных связей между генератором мощности и входом измерителя. При измерениях отношения мощностей СВЧ с помощью любых типов измерителей отношения мощностей СВЧ присутствует дополнительная методическая погрешность (пролезание). Пролезание - это паразитное излучение генератором мощности ЭМК, которое минуя меру отношения мощностей, наводится на вход измерителя. Дополнительная мощность, воспринимаемая измерителем, искажает действительные результаты измерения значения коэффициента передачи меры отношения мощностей. Результат измерения коэффициента передачи меры отношения мощностей СВЧ также зависит от значения дополнительной мощности от переотражений между выходом меры
Уравнение измерений записано в предположении, что мощность генератора х не изменяется в промежуток времени между двумя измерениями. Запишем условия, при которых полученное уравнение измерений имеет вид уравнения для прямых измерений у=К (номинальные значения Кнч в условиях данной измерительной задачи принимаются за действительные): - Kce4.m(x)=const, т.е функция преобразования измерителя не зависит от уровня мощности СВЧ; - Кг- 1, т.е результат измерения значения коэффициента передачи меры отношения мощностей не зависит от характеристик измерителя и генератора; - Кп—Ю, т.е отсутствует пролезание между генератором и измерителем.
При создании верхнего уровня иерархии средств измерений для обеспечения единства измерения отношения мощностей необходимо таким образом: - создание исходных измерителей отношения мощностей с номинальной функцией преобразования, отвечающей условию Ксвч. H4(x)=const, и определение значений погрешностей, с которыми выполняется это условие; - создание мер отношения мощностей, результат измерения коэффициентов передачи которых не зависит от параметров согласования измерительной схемы, и определение достижимых погрешностей при передаче с помощью них шкалы отношения мощностей от исходных измерителей отношения мощностей к рабочим; - разработка методов определения коэффициента передачи канала пролезания и расчет вклада погрешности из-за пролезания в суммарную погрешность результата измерения.
Рассмотрим методы определения функции преобразования исходных измерителей отношения мощностей. Запишем отличие от условия Kce4.m(x)=const в виде Ксвч.нчі/Ксвч.нч2=1+Лнел, где Лтл - систематическая погрешность измерителя, которая характеризует интегральную нелинейность его функции преобразования. Требуется определить значение Анеп для исходного измерителя отношения мощностей СВЧ в динамическом диапазоне не менее 10 дБ. Дальнейшее расширение диапазона, в котором определяется нелинейность измерителя, проводится с помощью мер отношения мощностей. Коэффициент передачи мер отношения мощностей определяется исходным измерителем, причем в том диапазоне, где его нелинейность уже определена. Погрешность измерения нелинейности в расширенном диапазоне будет носить мультипликативный характер типа [Ат/т] а, где zlr-погрешность из-за нелинейности при измерении отношения мощностей т=10 дБ, а- измеряемое отношение мощностей в дБ и зависеть от погрешности, с которой определена нелинейность исходного измерителя на начальном участке т.
Проведем обзор методов определения нелинейности исходных измерителей отношения мощностей СВЧ на начальном участке. Нелинейность можно определить методом прямых измерений с помощью мер отношения мощностей СВЧ, привязанных к другим шкалам. Примерами таких мер являются предельные аттенюаторы (отношение мощностей привязано к линейному перемещению элемента связи), поляризационные аттенюаторы (отношение мощностей привязано к углу поворота поглощающей пластины), расчетные меры коэффициента отражения в волно-водных трактах (отношение мощностей привязано к геометрическим размерам неоднородности). Уравнения связи этих шкал со шкалой отношения мощностей СВЧ составляются на основе моделей устройств и теоретических расчетов. Из анализа уравнений следует, что погрешность полученных отношений мощностей СВЧ зависит от погрешности определения угловых или линейных размеров. На СВЧ геометрические размеры элементов должны быть соизмеримы с длинной волны, т.е иметь малые размеры ( 1...5 см). Существующие технологии ограничивают точность измерения таких малых размеров. Далее будут рассматриваться только те способы измерения отношения мощностей, которые обеспечивают точность лучше, чем расчетные меры, для которых погрешность воспроизведения отношения мощностей СВЧ составляет не менее 0,004 дБна10дБ[11].
Такие способы базируются на измерителях с известной функцией преобразования. Пусть измеритель имеет функцию преобразования вида y=f(x), где х - входное воздействие, у - результат, полученный с помощью измерителя. Так как мощность относится к шкалам отношений, то для нее установлен 0 и выполняется пропорциональность, а в некоторых случаях и аддитивность значений. Поэтому уравнение шкалы мощностей имеет вид прямой линии у=к х. Такой же является идеальная номинальная функция измерителя мощности. Для относительных измерений получим: У=у/у2, Х=Х]/х2, Y=1 X. Отсюда, измеритель отношения мощностей должен иметь номинальную линейную функцию преобразования с коэффициентом 1. Любое отличие от такой функции будем называть нелинейностью. В более широком смысле нелинейностью можно называть любое отличие реальной функции преобразования измерителя от номинальной, в том числе и из-за наличия пролезания.
Модели измерителей отношения мощностей из-за сложности процессов на СВЧ не позволяют с достаточной точностью определить теоретическим расчетом функции преобразования [12], поэтому их определяют экспериментально.
Экспериментальное исследование нелинейности термисторных преобразователей мощности СВЧ
Для подтверждения возможности экспериментального определения нелинейности т.п. были проведены исследования на государственном первичном эталоне мощности ЭМК СВЧ ГЭТ 26-94. Определялись значения Кэ волноводных одноэлементных термисторных преобразователей №9 и №3 сечения 16x8 мм из состава ГЭТ 26-94 на разных уровнях мощности СВЧ. Волноводные т.п. были выбраны из-за отсутствия в диапазоне частот 12-18 ГГц серийных коаксиальных т.п.. Измерения проводились на частотах 12 ГГц и 16,6 ГГц. Структурная схема измерений приведена на схеме рис.7. При этом использовались следующие средства измерений: 1) микрокалориметр с чувствительностью Ae/AP&100 мкВ/мВт; 2) генератор мощности ЭМК в диапазоне частот 12 - 16,6 ГГц, погрешность установки частоты ±0,1%, выходной уровень на согласованной нагрузке не менее 30 мВт; 3) переменный аттенюатор для выключения уровня мощности источника сигнала, ослабление в "закрытом состоянии" не менее 80 дБ; 4) магазин сопротивлений для установки рабочего сопротивления термистора в мостовой схеме класса точности 0,01; 5) вольтметр постоянного тока для измерения напряжения на тер-мисторе, погрешность измерения напряжения ±0,01%; 6) компаратор постоянного тока для измерения приращения напряжения на выходе термопар микрокалориметра, погрешность измерения напряжения ±(0,002% +0,01 мкВ); 7) вольтметр постоянного напряжения для увеличения разрешающей способности компаратора до 0,05 мкВ на пределе измерения 100 мкВ и передачи данных на компьютер; 8) термисторные преобразователи с КСВН не более 1,04.
Процедура измерения Кэ проводится в следующем порядке. Сначала определяется калибровочный коэффициент калориметра АР ал/Аекал, где Ае - показания компаратора при выделении в термисторе мощности постоянного тока АР . Изменение мощности подогрева термистора на АРкал создается за счет изменения его сопротивления от Rtj до Ra. Затем в преобразователь подается мощность СВЧ и определяется Кэ по (2.4), где Ае- показания компаратора при подаче СВЧ мощности. Вид изменения напряжения на выходе термопар представлен на рис.8.
Определения Ае проводится следующим образом. "Плоскую" часть вершины кривой (рис.8) аппроксимируют прямой линией, также прямой линией аппроксимировали "хвосты" кривой. За приращение Ае принимают разность между значениями двух уравнений прямых во временной точке выключения СВЧ мощности. Аналогичные измерения проводятся при калибровке калориметра.
Мощность замещения определяется дважды в моменты включения и выключения СВЧ мощности, за Рзам принимается среднее арифметическое по двум отсчетам. Продолжительность одного измерения и моменты включения и выключения СВЧ мощности выбираются таким образом, чтобы калориметр работал в режиме близком к стационарному. На такой режим калориметр выходит за интервал времени, равный (3-4) постоянных времени. Для определения оценки постоянной времени применяемого калориметра реальные зависимости напряжения на выходе термопар (рис.8) интерполировались аппроксимирующей формулой с неизвестным параметром - постоянной времени. Полученная оценка составила около 5 мин. С тем, чтобы отличия от стационарного процесса оказывали минимальное влияние на результат измерений безразмерной величины Ле/Лекалу для всех измерений временные интервалы между включением и выключением мощности соблюдались одинаковыми.
Вид зависимости выходного напряжения термопар микрокалориметра при измерениях Кэ термистора Перед проведением эксперимента по измерению зависимости Кэ т.п. от уровня мощности СВЧ в микрокалориметре необходимо определение оптимальных режимов измерения с точки зрения достижения минимальных случайных погрешностей. Для чего требуется: подобрать значения уровней СВЧ мощности, на которых проводятся измерения; определить степень зависимости результатов измерения от полярности подключения т.п. к мосту; разработать способы получения и обработки результатов измерений для уменьшения влияния температурного дрейфа. С этими целями были проведены измерения Кэ термисторного преобразователя №3 на частоте 12 ГТц при уровнях мощности от 2,5 до 27 мВт при разных полярностях подключения преобразователя к мосту (рис.9 и 10).
Измерения, результаты которых приведены на рис.12, проводились двумя сериями. Каждая серия включала в себя калибровку калориметра и измерения Кэ при уровнях мощности СВЧ около 27 мВт, 13 мВт и 8 мВт. При анализе кривых рис.12 видно, что результаты первой серии измерений практически симметричны результатам измерений второй серии относительно интерполяционной прямой, являющейся средним значением. Такое расположение результатов свидетельствует о наличии устойчивого временного дрейфа в процессе даже одной серии измерений. Таким образом:
1 Для устранения влияния временного дрейфа на результаты измерения Кэ, надо проводить серии симметричных во времени измерений типа "калибровка - измерение при уровне 7 мВт - измерение при уровне 27 мВт - измерение при уровне 27 мВт - измерение при уровне 7 мВт -калибровка" с последующим усреднением результатов по серии, т.е для получения каждого результата осуществлять по 2 измерения (продолжительность во времени проведения одной серии измерений составляет около 8 часов).
2 При обработке результатов измерений для оценки нелинейности т.п. учитывать только относительное изменение Кэ от уровня мощности, т.е Кэ]/Кэ2.
Методика определения градуировочной характеристики измерителей отношения мощностей СВЧ
С помощью набора последовательно включенных мер отношения мощностей с номинальными значениями ослабления до 20 дБ, аналогичных РЭО-2, шкала отношения мощностей может быть передана к рабочим средствам измерений в расширенном динамическом диапазоне. Однако этот способ требует больших затрат из-за применения нескольких аттенюаторов и пропорционального им количества вентилей. Ниже рассмотрена возможность проверки линейности шкалы измерителя отношения мощностей с помощью меры только на одно калиброванное значение коэффициента передачи и приведены оценки достижимых при этом погрешностей [42].
Определение погрешности воспроизведения шкалы в измерительном приборе сводится к нахождению отличия между номинальной функцией преобразования и реальной градуировочной характеристикой этого прибора, полученной экспериментально, когда известные значения входных параметров ставятся в соответствие показаниям по шкале прибора. При этом номинальной функцией преобразования для прямых измерений является функция вида у=х.
Градуировочная характеристика является аппроксимацией реальной функции преобразования. Если функция преобразования гладкая и однозначная, то в этом случае ее можно представить в виде сходящегося степенного ряда.
Представим градуировочную характеристику измерителя отноше ния мощностей в виде конечного степенного ряда y(x)- ai x , где п = — -выбранный порядок приближения, Аг диапазон измеряемых от А ношений мощностей, дБ , А=хд- дискретный шаг меры отношений, дБ, а, коэффициенты разложения, _у(л:)-показания прибора в дБ, х-действительное значение отношения мощностей в дБ. Без ограничения общности для относительных измерений можно принять ао=0,т.еу(0)=0. Построим процедуру определения градуировочной характеристики измерителя отношения мощностей с помощью меры отношений с номинальным ослаблением 10 дБ следующим образом (рис.31).
Мера отношений устанавливается в нулевое положение, а регулятором уровня устанавливается мощность на входе измерителя так, что бы обеспечить работу в требуемом динамическом диапазоне. Данный уровень мощности принимается за опорный уровень 0 дБ. С помощью меры отношений мощность на входе измерителя уменьшается в известное число раз и определяются показания измерителя. Затем мера переводится в начальное положение и регулятором уровня устанавливаются такие же показания прибора. Относительно этого уровня опять проводятся измерения отношения мощностей. Процедура повторяется до тех пор, пока не окажется перекрытым требуемый динамический диапазон.
Если аппроксимировать функцию преобразования полиномом» меньшей, чем п степени, то система уравнений будет переопределенной, тогда ее можно решить, используя метод наименьших квадратов. По грешность полученной градуировочной характеристики будет зависеть от степени аппроксимирующего полинома, погрешности определения хд и случайной погрешности прибора. Такая методика применима для любых измерителей отношения мощностей при условии, что их конструктивное исполнение обеспечивает гладкую функцию преобразования.
Для установки ДК1-16 преобразователь СВЧ-НЧ выполнен в виде смесителя на диоде с барьером Шоттки (ДБШ), который имеет гладкую функцию преобразования [17]. Функция преобразования меры отношения мощностей НЧ установки ДК1-16, работающей на частоте 55 кГц, имеет квазиплавный характер, кроме точек переключения декад. В этих точках гладкость функции была специально проверена с помощью образцового магазина затухания МЗ-50-3. Для диапазона 0-60 дБ разрывы в точках перехода составляют менее ±0,0015 дБ, что не превышает погрешности эксперимента. Поэтому для установки ДК1-16 методика применима.
Основными составляющим погрешности при определении градуи-ровочной характеристики будут являться: случайная погрешность результата измерения отношения мощностей измерителем, погрешность выполнения приближения для уравнения (3.2); суммарная погрешность определения действительного значения ослабления меры (включая погрешность рассогласования и случайную погрешность). Погрешность выполнения уравнения (3.2) зависит от вида функции преобразования на участке ( ; _, +хд). Если участок выбран так, что на нем функция преобразования может быть принята за гладкую, то погрешность будет ограничена снизу погрешностью в установлении равенства хк = хк_х + хд, зависящей от случайной погрешностью измерителя.
При величине интервала ±(0,1- 0,5) дБ [43] на каждом шаге, процедура поверки должна выполняться таким образом, чтобы суммарное отклонение в динамическом диапазоне стремилось к нулю. Тогда погрешность выполнения уравнения (3.2) можно рассматривать как случайную.
Одной из доминирующих составляющих погрешности при такой процедуре поверки становится случайная погрешность результата измерения на измерителе, в которую будет входить и случайная погрешность измерителя, и его разрешающая способность.
С увеличением диапазона измерений случайная погрешность измерения возрастает, поэтому применение данной процедуры возможно для диапазона, где случайная погрешность измерителя не зависит от выбранной точки измерения (для ДК1-16 такой диапазон 0-60 дБ). Суммарная погрешность результата измерения при этом будет больше, чем случайная погрешность измерителя, т.к включает в себя и случайную погрешность меры. Поскольку заранее известна оценка данной погрешности, это позволяет разделить случайные погрешности измерителя и меры, и в анализе погрешности учитывать их отдельно (табл. 13).
Дополнительно для проверки полученных оценок погрешностей было проведено численное моделирование для тестовой функции преоб разования [44] »(JC) = x + 10 log[l + 0.0025(1-1010)]. Исходные данные (ук) определялись из уравнения функции преобразования для хк кратных 10 дБ, моделировалось их случайное распределение в заданных пределах (±0,003 дБ) по равномерному закону с помощью генератора случайных чисел и затем решалась полученная система. Отличие полученных значений Xk от начальных определяло доверительный интервал погрешностей для такой процедуры. На рис.32 приведена гистограмма решений системы для точки 20 дБ и числа опытов 500.
Поверочная схема для средств измерений отношения мощностей СВЧ
Поверочная схема должна быть построена таким образом, чтобы обеспечить передачу шкалы отношения мощностей от эталонов рабочим средствам измерений. При этом все средства измерения отношения мощностей подразделяются на две группы: измерители отношения мощностей и меры отношения мощностей.
Основными способами передачи шкалы отношения мощностей являются метод прямых измерений и метод сличения при помощи компаратора или меры. При прямых измерениях в зависимости от соотношения иерархических уровней по поверочной схеме шкала отношения мощностей передается от измерителя к мере или наоборот. В случае сличения шкала отношения мощностей передается от вышестоящих средств измерений к нижестоящим путем сравнения рабочего эталона (меры) более высокого разряда и рабочего эталона или рабочего средства измерений (меры) на измерителе-компараторе (сличение при помощи компара 97
тора) или путем сравнения измерителей с помощью меры сравнения (сличение при помощи меры).
В связи с дополнительными требованиями, предъявляемыми к процедуре сличения, в поверочной схеме лучше использовать метод прямых измерений, кроме уровня исходного эталона, в котором должна быть реализована комбинация двух методов.
При таком построении поверочной схемы для передачи шкалы каждый иерархический уровень должен включать и меру, и измеритель. Тогда вышестоящая мера будет передавать шкалу на нижестоящий измеритель, или соответственно на измерителе будут определяться характеристики меры. Исходный эталон будет иметь в своем составе и измерители, и меры, и компарирующие устройства. В нем реализована возможность передачи шкалы и измерителю, и мере.
В настоящее время в эксплуатации отсутствуют средства измерения отношения мощностей с метрологическими характеристиками, обеспечивающими наличие на каждом уровне иерархии и меры, и измерителя. Поэтому, при необходимости передача шкалы происходит через уровень.
Основными погрешностями результата измерения при передаче шкалы отношения мощностей методом прямых измерений являются следующие: погрешность рассогласования, случайная погрешность, систематическая погрешность. Погрешность рассогласования является методической и относится к результату измерения. Для уменьшения погрешности рассогласования используют вспомогательные согласующие устройства. При передаче шкалы должны быть обеспечены параметры измерительного тракта, указанные в поверочной схеме. В этом случае значение погрешности рассогласования будет таким, чтобы обеспечить требуемую при передаче шкалы погрешность результата измерения. Случайная погрешность результата измерения определяется в ходе много 98 кратных измерений. При возможности разделяют случайные погрешности измерителя и случайные погрешности меры. В случае измерения ослабления вносимых мер отношения мощностей на измерителях может присутствовать значительная фланцевая погрешность. Для ее устранения применяются вспомогательные устройства.
Основным трактом поверочной схемы для передачи шкалы отношения мощностей выбран, как наиболее распространенный, коаксиальный тракт сечения 7/3,04 мм с номинальным волновым сопротивлением 50 Ом. При работе в волноводных или коаксиальных трактах с другим сечением или волновым сопротивлением должны использоваться специально изготовленные и аттестованные ПВК, согласующие трансформаторы и переходы.
Систематической погрешностью для измерителей является отличие от линейности их функции преобразования. Для мер отношения мощностей систематической погрешностью является погрешность, с которой определено ее действительное значение. В случае если мера является расчетной, систематическая погрешность будет определяться отличием номинального значения от действительного.
Средства измерения, методы измерений и требования к вспомогательному оборудованию в поверочной схеме выбираются так, чтобы обеспечить при передаче шкалы отношения мощностей от уровня к уровню соотношение погрешностей результата измерения к пределу допускаемой погрешности менее 1/2.
