Измеритель мощности СВЧ излучения

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

ФБГОУ ВПО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Физико-технический факультет

Кафедра вычислительной техники  и электроники (ВТиЭ)

 

Курсовой проект

 

«Измеритель мощности СВЧ  излучения»

 

 

 

 

Выполнил  студент 585 гр.

_____________ Уланов Д. С.

 

Научный руководитель

к.ф.–м.н., доцент каф. ВТиЭ

_____________ Зацепин П. М.

 

Курсовой  проект защищен

«___»________________2012г.

Оценка_______________

 

 

 

Барнаул 2012 
РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит  31 с., 6 рис., 1 табл..

Перечень ключевых слов: СВЧ, излучение, микроконтроллер, мост, терморезистор.

Цель работы: разработка проекта устройства для измерения  мощности СВЧ излучения на основе микроконтроллера, пригодного для эксплуатации в условиях учебной лаборатории.

В ходе работы необходимо решить следующие задачи проектирования и  конструирования:

1. разработка проектной документации;
2. разработка функциональной схемы;
3. разработка электрической принципиальной схемы;
4. выбор элементов конструкции.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 6

1.1. Диапазон СВЧ и его особенности 6

1.2. Поддиапазоны СВЧ 7

ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ  МОЩНОСТИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ 10

2.1. Преобразование измеряемой мощности 10

2.2. Ваттметры СВЧ 10

2.3. Две схемы измерения СВЧ 11

2.4. Конструкции первичных преобразователей. 13

2.5. Типы чувствительных элементов 13

2.5.1. Болометры 14

2.5.2. Термопары 14

2.5.3. Другие типы чувствительных элементов 15

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 17

3.1. Область  применения МК 17

3.2. Применение  в СВЧ приборах 18

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА 20

4.1. Постановка  задачи 20

4.2. Функциональная схема 20

4.3. Электрическая принципиальная схема 22

 

 

 

4.4. Выбор элементов конструкции 25

4.5. Программирование микроконтроллера PIC16F874 27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 30

 

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении последних  нескольких десятков лет человечество сделало огромный прорыв в развитии электроники. Каждый год приносил новые  разработки, технологии, открытия в  этой области.

На сегодняшний день разрабатывается  все больше устройств для работы в диапазоне сверхвысоких частот. Для проведения исследований в СВЧ диапазоне требуются простые, современные и в тоже время недорогие измерительные приборы.

Одной из важнейших характеристик  СВЧ излучения является его мощность. Поэтому при работе со сверхвысокими  частотами часто требуются измерители мощности СВЧ излучения.

Типичные задачи применения измерителей мощности СВЧ являются:

1. настройка СВЧ оборудования;
2. проверка на допустимость уровня излучаемой мощности;
3. лабораторные измерения характеристик СВЧ в учебном процессе.

Для решения последней  задачи требуется наличие простого и недорогого прибора, обладающего  невысокой точностью и элементарными  функциями. Однако, на сегодняшний день, исследования в СВЧ диапазоне  довольно часто носят профессиональный характер, а профессиональное оборудование стоит дорого.

Целью данного проекта  является разработка и реализация простого, эффективного и недорогого измерителя мощности СВЧ излучения на основе микроконтроллера, предназначенного для  лабораторных измерений мощности СВЧ  излучения. 

 

 

ГЛАВА 1. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

1. Диапазон СВЧ и его особенности

Весь спектр частот электромагнитных колебаний можно разбить на отдельные  частотные области или диапазоны. Электромагнитные колебания можно  также классифицировать по диапазонам длин волн. Последняя классификация  особенно удобна на очень высоких  частотах, когда с помощью понятий  волновой теории получают наиболее простое  и наглядное истолкование свойств  электромагнитных систем.

В высокочастотном участке  спектра радиочастот наблюдается  совокупность своеобразных явлений, качественно  отличных от явлений присущих участкам спектра более низких частот. По этому признаку оказалось целесообразным выделить обширную область радиочастотного  спектра, получившего в литературе название сверхвысоких частот. Сходная  область частот, характеризующаяся  длинами волн, простирающимися от 1 мм до 30 – 50 см, получила в англо-американской технической литературе название микроволн.

Термин “сверхвысокие  частоты” определяет не только место  СВЧ диапазона в общем спектре  частот электромагнитных колебаний, но и область когерентного излучения, освоенную для передачи информации методами радиотехники. В этой области  частота электромагнитного излучения  определяется формой и размерами  электрических систем, а размеры  применяемой аппаратуры сравнимы с  длиной рабочих волн.

В спектре электромагнитных колебаний область сверхвысоких частот занимает промежуточное положение  между частотами классической радиотехники и диапазоном частот оптики. Поэтому  при описании и исследовании электромагнитных систем в этой области пользуются 
разнообразными параметрами и характеристиками, а также различными методами, многие из которых заимствованы как из радиотехники, так и из физики. Например, на сверхвысоких частотах пользуются не только понятиями сопротивлений, проводимостей и т. п., присущими теории электрических цепей, но и понятиями коэффициентов отражения, преломления, передачи и другими применяемыми при анализе волновых процессов.

Учитывая волновой характер передачи электромагнитной энергии, будем  называть волноводом, в общем смысле этого слова, систему, направляющую поток электромагнитной энергии  по заданному пути от источника к  потребителю. Определенные таким образом  волноводы включают, в частности, и линии передачи, поперечные размеры  которых значительно меньше длины  волны. Сложность рассмотрения явлений  в волноводах зависит, прежде всего, от того, что при передаче электромагнитной энергии в волноводах могут возбуждаться одновременно многие виды распространяющихся и нераспространяющихся колебаний, отличающихся конфигурациями полей и функциями распространения [1].

2. Поддиапазоны СВЧ

Сверхвысокочастотное излучение (СВЧ - излучение) - электромагнитное излучение (электромагнитные волны), включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 1 м - частота 300 МГц  до 1 мм - 300 ГГц).

Поддиапазоны СВЧ в  различных системах обозначений  различаются, используемые в спутниковой  связи приведены в таблице:

 

 

 

Поддиапазоны СВЧ

Название	Частотный диапазон, ГГц
Название диапазона	Диапазон частот РЛС	Диапазон частот в спутниковой  связи
L	1,0 — 2,0
S	2,0 — 4,0
C	4,0 — 8,0	4,0 — 7,0
X	8,0 — 12,0	7,0 — 10,7
Ku	12,0 — 18,0	10,7 — 18,0
K	18,0 — 26,5	18,3 — 20,2; 27,5 — 31,5
Ka	26,5 — 40,0

L-диапазон - диапазон частот дециметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 1 до 2 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 30 до 15 см).

S-диапазон - диапазон частот дециметровых и сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 2 до 4 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 15 до 7,5 см).

C-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 4 до 8 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 7,5 до 3,75 см), хотя в спутниковой связи этот диапазон "сдвинут" в сторону S-диапазона и лежит примерно между 3,4 и 7 ГГц.

X-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 8 до 12 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 3,75 до 2,5 см), хотя в спутниковой связи этот диапазон "сдвинут" в сторону C-диапазона и лежит примерно между 7 и 10,7 ГГц.

K_u-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых в спутниковом телевидении. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 12 до 18 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 2,5 до 1,67 см). В спутниковой связи к этому диапазону также относят часть X-диапазона: в этом случае диапазон K_u- лежит между 10,7 и 18 ГГц.

K-диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых в основном для радиолокации, а также для спутниковой радиосвязи. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 18 до 26,5 ГГц электромагнитного спектра (что соответствует длинам волн от 1,67 до 1,13 см).

Использование этого диапазона  для радиосвязи ограничено из-за сильного поглощения радиоволн водяным паром, и поэтому обычно для этой цели используются диапазоны находящиеся "под" и "над" K-диапазоном: K_u и K_a соответственно.

K_a-диапазон - диапазон частот сантиметровых и миллиметровых длин волн, используемых в основном для спутниковой радиосвязи и радиолокации. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 26,5 до 40 ГГц электромагнитного спектра (что соответствует длинам волн от 1,13 до 0,75 см) [2].

 

ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ  МОЩНОСТИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Преобразование измеряемой мощности

Поскольку электромагнитное излучение СВЧ  человеком не ощущается, постольку  необходимо частичное или полное преобразование энергии измеряемого  СВЧ излучения в другие физические величины, которые в конечном счете  поддаются визуализации или записи. Преобразование СВЧ всегда многоступенчатое, например: энергия излучения ® ток ® наведенные СВЧ токи ® тепло.

Возможны и другие виды преобразований. Заметим, что относительно силовой характеристики поля обязательно  присутствует нелинейное преобразование либо при детектировании, либо по закону Джоуля-Ленца, либо по закону Кулона. Нелинейное преобразование обязательно для  измерения мощности, ибо в исходном определении потока энергии поля также присутствует нелинейное преобразование. Подавляющее большинство приборов для измерения мощности СВЧ основаны на преобразовании энергии излучения  в тепло.

2. Ваттметры СВЧ

Для преобразования энергии СВЧ и  визуализации результата измерений  разрабатывают и выпускают в  больших количествах специальные  приборы – ваттметры сверхвысоких частот. Типичный ваттметр состоит  из одного или нескольких первичных  измерительных преобразователей и  одного измерительного блока. Назначение преобразователей – преобразование измеряемой мощности в напряжение, ток, термо-эдс, сопротивление постоянному току. Назначение блока измерительного – дальнейшие преобразования: усиление или деление сигнала, вычисление различных функций измеряемой величины, преобразование в цифровую

форму, преобразование в код, обеспечение  интерфейсных функций при работе совместно с другими приборами  в информационных измерительных  системах.

Все ваттметры СВЧ, работающие в диапазоне частот от 10⁷ Гц до 10¹¹ Гц, подразделяются по следующим основным признакам:

1. по уровням измеряемых мощностей: ваттметры малых уровней мощности (до 10^-2 Вт), средних уровней (от 10 ^-2 Вт до 10 Вт), больших уровней мощности (более 10 Вт);
2. по типу входного соединителя первичного преобразователя: волноводные (прямоугольный волновод) и коаксиальные;
3. по способу включения в тракт: ваттметры проходного типа (ваттметры проходящей мощности) и ваттметры оконечные ( ваттметры поглощаемой мощности);
4. по способу преобразования: тепловые и электронные;
5. отдельную группу составляют импульсные ваттметры, специально предназначенные для измерения мощности несущей при импульсно-модулированном сигнале генератора.

3. Две схемы измерения СВЧ

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ: 1) измерение мощности источника (генератора) излучения, когда под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку; 2) измерение мощности, выделяемой в генераторе (см. рисунки 2.1 и 2.2). В приведенных случаях используются принципиально различные методы измерения. В первом случае измеряемая мощность, выделяемая генератором, полностью поглощается измерителем поглощаемой мощности, являющимся нагрузкой. Во втором случае между генератором и нагрузкой включается ваттметр проходящей мощности, отбирающий лишь малую часть мощности. Идеальный ваттметр проходящей мощности не должен вносить никаких изменений в передачу энергии от генератора к нагрузке.

Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, как элементы электрической цепи, являются двухполюсниками. Идеальный ваттметр поглощаемой  мощности должен иметь преобразователь  с входным сопротивлением Z_п, равным выходному сопротивлению генератора Z_г. В этом случае коэффициент отражения преобразователя ваттметра Г_п будет равен нулю. На практике с целью достижения взаимозаменяемости входные и выходные сопротивления всех устройств, а особенно измерительных приборов СВЧ, стремятся сделать равными друг другу и равными характеристическому (волновому) сопротивлению стандартного идеального волновода Z₀. Этот идеальный случай никогда не достигается.

4. Конструкции первичных преобразователей.

Конструкция первичного преобразователя должна обеспечивать:

1. возможность присоединения к генератору (для ваттметра поглощаемой мощности) или к генератору и нагрузке (для ваттметра проходящей мощности);
2. возможность подключения к блоку измерительному ваттметра;
3. размещение и согласование поглотителя и чувствительного элемента в требуемом диапазоне частот;
4. защиту чувствительного элемента преобразователя от внешних воздействий (механических, тепловых, электромагнитных).

Первичный преобразователь  поглощаемой мощности, как правило, представляет собой отрезок волновода  с соединителем, внутри которого располагается  чувствительный элемент. Между чувствительным элементом и входным соединителем размещают согласующие элементы: диафрагмы, трансформаторы сопротивлений, согласующие штыри и другие неоднородности. Позади чувствительного элемента располагается  на выбранной специально длине короткозамыкатель. К чувствительному элементу подключаются проводники, обеспечивающие передачу преобразованного сигнала, а иногда и питания. Как правило, чувствительный элемент изолируется от корпуса преобразователя [4].

5. Типы чувствительных элементов

Чувствительные элементы и поглотители удобно совместить. Для малых уровней мощности такое  совмещение реализуется в болометрах, термисторах, детекторных диодах. Свойства чувствительных элементов решающим образом определяют основные свойства преобразователей и ваттметров в  целом. Рассмотрим кратко виды и характеристику наиболее распространенных чувствительных элементов [5].

1. Болометры

Болометр, или терморезистор, - это резистор, сопротивление которого на постоянном токе зависит от температуры. Различают болометры с положительным  температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) – это бареттеры, и с отрицательным  ТКС – это термисторы. Общее  имя для тех и других – СВЧ  терморезистор. Обычно болометры имеют  форму цилиндра или шара с характерными размерами доли миллиметров, хотя бывают платиновые бареттеры с толщиной 1 – 2 мкм. Получили распространение  также бареттеры, изготовленные  по пленочной технологии на специальных  подложках. Размеры термисторов  больше, чем у бареттеров по толщине (несколько десятых миллиметра). Длина тех и других – порядка  одного миллиметра. Понятно, что чувствительность тем больше, чем меньше коэффициент  теплоотдачи и чем больше ТКС. Терморезисторы применяют для измерения  малых уровней мощности. Принцип  действия состоит в том, что терморезистор  подогревается первоначально постоянным током до такой температуры, когда  его сопротивление на СВЧ становится сравнимым с волновым сопротивлением волновода, так что он согласован с трактом и, следовательно, поглощает  практически всю падающую мощность. Под воздействием мощности СВЧ происходит дополнительный нагрев тела терморезистора и, как следствие, изменяется его  сопротивление. Для преобразования изменения сопротивления в более  удобный сигнал – напряжение, терморезистор  включают в мостовую схему. Сигнал, появляющийся в диагонали моста  обрабатывается блоком измерительным.

2. Термопары

Высокочастотные термопары  состоят из двух тонких пленок «металл  – металл», например, хромель –  копель, или «металл – полупроводник», например, висмут – теллурид свинца, нанесенных методом вакуумного напыления  на диэлектрическую подложку, с контактом  между ними. В качестве подложки чаще всего используют цилиндрическое стекловолокно диаметром около 20 мкм. Сопротивление термопары постоянному току должно быть приблизительно равным волновому сопротивлению для согласования с трактом. Мощность СВЧ, поглощаемая термопарой, нагревает ее. Область, в которой расположен один из спаев, нагревается больше, так что возникает разность температур между двумя спаями и появляется термо-ЭДС e_т. В дальнейшем термо-ЭДС усиливается и преобразуется блоком измерительным. Термопара характеризуется чувствительностью [В/Вт]. Способы размещения и согласования термопар в преобразователях подобны размещению и согласованию терморезисторов.

3. Другие типы чувствительных элементов

В качестве чувствительных элементов применяют также высокочастотные  диоды, полупроводниковые резистивные  преобразователи на основе разогрева  носителей тока в полупроводнике, ферромагнитные пленки, полупроводниковые  датчики на эффекте Холла. Все  эти элементы можно отнести к  электронным преобразователям. Для  них характерны малые постоянные времени, то есть высокое быстродействие, что обеспечивает возможность выделения  огибающей модулированных сигналов.

Для измерения мощностей  больше 10^–2 Вт поглотители с малыми размерами не пригодны, ибо имеют малую поверхность, малый коэффициент теплоотдачи и нагреваются до температур 80-100 градусов уже мощностью 10-20 мВт. Поэтому для ваттметров среднего и большого уровней применяют калориметрические преобразователи, в которых поглощение мощности осуществляется согласованной распределенной нагрузкой с достаточно большим коэффициентом теплоотдачи. А в качестве чувствительного элемента применяют термометр сопротивления [5].

6. Метод (принцип) замещения

Важную роль в повышении  точности тепловых ваттметров СВЧ имеет  метод замещения. В основу метода положено предположение о том, что  тепловой преобразователь одинаково  преобразует в тепло как энергию  СВЧ излучения, так  и энергию  постоянного тока. «Одинаковость» преобразования проявляется в том, что чувствительность или коэффициент преобразования преобразователя должны быть равны  относительно мощности СВЧ и мощности постоянного тока. Если такое предположение  верно, то пригоден следующий метод  измерения. Сначала в преобразователе  рассеивают измеряемую мощность СВЧ P_СВЧ и измеряют выходной сигнал преобразователя, например, DR или De_т. Затем снимают сигнал СВЧ и в преобразователе рассеивают в том же поглотителе, например, в термопаре или терморезисторе, такую мощность постоянного тока или тока низкой частоты P_зам, которая производит тот же выходной сигнал преобразователя. Измеряя эту мощность P_зам , которая называется мощностью замещения, определяют неизвестную мощность P_СВЧ. Поскольку измерение мощности постоянного или НЧ тока – это сравнительно простые и точные измерения, то благодаря методу замещения могут быть уменьшены погрешности измерений СВЧ мощности. Особенно большой выигрыш в точности достигается, если сама операция замещения, то есть замены мощности СВЧ мощностью постоянного тока, и операция измерения значения P_зам производятся автоматически, как это реализуется в наиболее совершенных современных приборах [3].

 

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

3.1. Область  применения МК

Термин контроллер образовался  от английского слова "to control" - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и  габаритов устройства, которым требуется  управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых  систем связи или радиорелейные  линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные  компьютеры. Управление при этом можно  осуществлять через встроенные порты  компьютера (LPT, COM, USB или ETHERNET). В такие  компьютеры при включении питания  заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный  компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет  в кратчайшие сроки производить  разработку новых систем связи,

 

 

легко их модернизировать (путём простой  смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются  особенные требования, такие, как  работа в условиях тряски, расширенном  диапазоне температур, воздействия  агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных  компьютеров. Естественно, что эти  компьютеры значительно дороже обычных  универсальных компьютеров, но всё  равно они позволяют экономить  время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

Контроллеры требуются не только для  больших систем, но и для малогабаритных устройств таких как радиоприёмники, радиостанции, магнитофоны или сотовые  аппараты. В таких устройствах  к контроллерам предъявляются жёсткие  требования по стоимости, габаритам  и температурному диапазону работы. Этим требованиям не могут удовлетворить  даже промышленные варианты универсального компьютера. Приходится вести разработку контроллеров на основе однокристальных  ЭВМ, которые в свою очередь получили название микроконтроллеры.

Любые устройства, в том числе  и устройства связи, радиоавтоматики  или аудиовизуальной аппаратуры требуют присутствия в своем  составе устройства управления (контроллера). Контроллеры требуются практически  во всех предметах и устройствах, которые окружают нас.

3.2. Применение  в СВЧ приборах

Основное назначение МК в  измерителе СВЧ мощности - это обработка  измеряемых данных и управление процессом  измерения. Как правило, у преобразователей СВЧ-сигнала зависимость, в данном случае мощности, от непосредственно  снимаемой величины имеет нелинейный характер. Поэтому 

для представления измеряемой величины  в линейном виде прибегают  к линеаризации датчиков (преобразователей СВЧ).

В аналоговых измерительных  приборах используют аналоговое вычитание, компенсацию для представления  измеряемой величины в исходном виде. С развитием современной цифровой техники стало возможным обрабатывать нелинейность датчиков цифровым способом. Для этого необходимо знать зависимость  измеряемой величины от снимаемой и  запрограммировать ее в микропроцессор. Тем самым, можно обойтись без  сложных схемных решений по вычислению искомой величины.

В данном устройстве МК должен обрабатывать зависимость падающей мощности на термистор от напряжения разбалансировки моста. По экспериментальным данным, зависимость падающей СВЧ мощности на термистор от разбалансировки моста имеет сложный характер, но имеет также линейный участок. Так как зависимость была выбрана на линейном участке, то не  нужно линеаризовать данные. МК в данном случае будет вычислять линейную зависимость.

Требования, предъявляемые  к МК различны. Во-первых, МК должен содержать АЦП (аналого - цифровой преобразователь), преобразующий входное напряжение в цифровой сигнал. Во-вторых, МК как процессор должен иметь необходимую вычислительную мощность для расчета зависимости СВЧ мощности от напряжения. В-третьих, МК должен обеспечивать вывод результата в соответствующем виде на модуль ЖКИ (жидкокристаллический индикатор). Так как измерений может быть большое количество, то необходимо наличие внешней памяти для сохранения результатов измерений. Для дальнейшей обработки измерений на компьютере необходим интерфейс для связи прибора с компьютером. Так как прибор должен быть портативным, то нужен МК, который содержал бы в себе как можно больше периферийных составляющих, в том числе и инструментальный усилитель сигнала до необходимого уровня [7].

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА

4.1. Постановка  задачи