Самодельные термопреобразователи для измерения мощности на УКВ и СВЧ

[RZ4HD]

            Здравствуйте. Начну новую тему, где можно спокойно обсудить самодельные изделия, предназначенные для измерения мощности на УКВ и СВЧ. Через 3-5 часов напишу про интересный метод измерения мощности, который опробовали радиолюбители из Перми и этот метод работает. Пока не могу найти фотографии. После обеда всё разъясню и покажу фотографии и схемотехнику. Надеюсь, что сообщения про такие "железки" перекочуют сюда при помощи модераторов из темы про М3-56. Эти измерители интересны, но я сторонник разрабатывать то "железо", которое реально доступно в массах по комплектующим и которое реально можно изготовить в домашних условиях без применения сложных процессов по металлообработке и иным заумным технологиям. Хотя хороший прибор не всегда удаётся сделать "на коленках". 
 Юрий.

[RZ4HD]

         Здравствуйте. Хочу Вам представить информацию про самодельный измеритель мощности на УКВ и СВЧ, принцип работы которого чем-то схож с работой термопреобразователя от М3-56. Идея далеко не бредовая и смеяться не стоит. Такая вещь изготовлена и проверена. Всё работает и измеряет!
         Хороший по параметрам фланцевый или полуфланцевый резистор припаивается на медную пластинку и при помощи полосковой линии подсоединяется к разъёму. Грамотное исполнение позволяет получить хороший КСВ на частоте 2400 МГц и у 250 Ваттного резистора. Проверено. Я купил для проведения экспериментов три резистора: 250 Ватт 3 ГГц, 20 Ватт 3 ГГц и 100 Ватт 6 ГГц. Думаю поэкспериментировать с измерителями на 10 Ватт, 50 Ватт и 150 Ватт.  Пластинка небольшая и её размер и масса зависит от измеряемой мощности. Так, к примеру, резистор на 250 Ватт припаян на медную пластину толщиной 10 мм.  Масса меди в 250 грамм должна забрать на себя без применения внешнего радиатора мощность в 150 Ватт в течении 5-10 секунд и при этом нагреться. Чем больше мощность, тем на большую температуру нагреется пластина за определённое время, к примеру, в 10 секунд. Естественно, можно использовать и иной временной интервал. На медный радиатор закрепляется микросхема LM-35, которая работает от однополярного питания от 2 до 150 градусов, имея при этом линейный график изменения выходного напряжения от температуры в 10 мВ на градус при элементарном включении и питании в широком диапазоне напряжений. Применяем банальный, самый дешёвый, тестер, имеющий шкалу в 200 мВ. Один вход тестер подключаем на выход LM-35. Второй – на потенциометр установки нулевого показания при изменении температуры воздуха в комнате. А далее калибровка.
         Подаём на вход N разъёма 150 Ваттного преобразователя напряжение приблизительно в 50 Вольт и контролируем ток. Нужно, изменяя напряжение, добиться мощности в 50 Ватт, которая нагревает систему резистор-радиатор. Я использую DC-DC преобразователь. Там сразу виден и ток и потребляемая мощность и процесс ускоряется. Но можно откалибровать и применяя один прибор. При этом откалиброваться можно в любой деревне, не имея дорогих измерительных приборов! Если Вас не смущает отсутствие нулевого показателя на милливольтметре без подачи мощности, то резистор установки нуля можно не ставить. Подаём напряжение ровно на 10 секунд (для точности можно «греть» резистор и дольше) и отмечаем напряжение на приборе. Далее даём время резистору остыть. Вот эта потеря времени – есть самый большой недостаток данного метода, хотя и М3-56 и М3-96 остывают так же некоторое время. Можно изменением массы медной пластины добиться варианта работы самодельного преобразователя, подобно М3-56 Попросту говоря, при подачи мощности тепло будет рассеиваться, наступит равновесие и температура медной пластины перестанет увеличиваться.  Но нужно поэкспериментировать.
       Таких точек с калибровкой нужно сделать несколько, особенно для тех мощностей, значение которых Вам нужно знать точно по каким-то причинам. Например, выходная мощность паллеты равна 150 Ваттам. Вот и откалибруйте эту точку и подобные другие. Измеряя мощность, Вы будете знать, где Вы «находитесь» по измеряемой мощности. Всё кажется долгим и сложным. Но это не совсем так. Подаваемая СВЧ мощность так же будет нагревать резистор и ему всё равно, что его нагревает, а показания при постоянном токе имеются.
         Если я не достигну равновесия, то, скорее всего, буду обдувать медную пластину встроенным в корпус измерителя вентилятором 60 х 60 мм или 40 х 40 мм. Поживём – увидим. Юрий.

[RW3XL Игорь]

Юрий здравствуйте!
А что если взять два одинаковых резистора, на один подавать измеряемую мощность, а на другой ее эталон с регулируемого источника питания?
Измерять надо температуру на обоих разными датчиками. При равенстве температур мощность можно считать с индикатора мощности блока питания. Чтобы конвекция была более равномерной можно на оба резистора принудительно чем-то дунуть. Под рукой пока нет ничего попробовать.

[RZ4HD]

          Добрый день, Игорь. Мысль такая была, но есть некоторые грабли или проблемы, которые можно решить лишь опытным путём с затратой некоторого времени и мне уже говорили, зачем тебе это нужно, терять время, если у тебя есть чем измерять? У меня есть промышленные делители мощности для диапазона 1296 МГц на два, три и четыре. Я к трём портам подключаю всё те же резисторы 50 Ом 250 Ватт, установленные на большой радиатор, а к четвёртому порту подключаю М3-96. Эта система ОЧЕНЬ ТОЧНО калибруется постоянным током и точно измеряет мощность до 400 Ватт на 1296 МГц. Но у многих М3-96 нет. Что делать? Я предложил четвёртым элементом ставить аттенюатор на 20 dB 250 Ватт и применять М3-56. Это менее проблемный, но всё же дорогой прибор. Конструктив приводил. Всё работает и с М3-56. Измерение до 600-700 Ватт без проблем, пока разъём не сгорит… Делал детектор, который очень точно тарировал и использовал вместо М3-56. Всё также очень хорошо работает, но для того, что бы такой прибор заработал, нужно дорогостоящее оборудование, для тарирования и поверки, в том числе и ГСС на 250 Ватт, к примеру. По этой причине я хочу уйти на медяшку, но на одну. Вернусь к граблям…
         Когда я начал проводить эксперименты с М3-96, то встал сразу вопрос с регулируемым источником на напряжение до 90 Вольт с током до 2 Ампер. У меня такого нет. Правда есть М3-96… Импульсные БП выдают 53 Вольта и кучу помех. Есть ИБП на 80-90 Вольт, но цена 55 долларов. Плюс диапазон регулировки маленький. Да, можно изготовить аналоговый регулируемый БП самому или применять последовательное соединение двух ИБП. Я уже купил под эту программу ИБП на 48 Вольт 3 Ампера в безопасном пластиковом корпусе и он уже у меня. А для изготовления измерителя мощности хотя бы на 160 Ватт для диапазона 1296 МГц нужен блок питания, обеспечивающий напряжение и ток для такой мощности при импедансе в 50 Ом. В двухрезисторной схеме такой БП должен стоять внутри измерителя!!! Не хочется иметь несколько коробок, ведь нужен ещё и милливольтметр. По этой причине я не хочу идти пока этой дорогой. Плюс нужно очень точно подобрать массы медных пластин, паять разъём и резистор на вторую пластину, что бы сделать всё идеально одинаково, но это уже второй, более простой в решении вопрос.
         По моему разумению нужно грамотно и точно решить вопрос с массой медной пластины и условиями рассеяния тепла для определённой измеряемой мощности. Речь идёт о том, что бы после подачи СВЧ мощности через некоторое время, к примеру, через 15-20 секунд, температура меди не росла. Так же, как и в М3-56. Я не могу всё это рассчитать. Я может быть смогу добить это только в результате многочисленных экспериментов. Быть может медную пластину нужно будет, как и у М3-56, упаковать в пенопластовый кубик. По этой причине лучше отсчитывать какое-то время, как делали в Перми. При этом изготовить всего один измеритель с LM-35 и использовать временно, и только для калибровки, комплект из нескольких ИБП, которые позже использоваться не будут. Долгая эта дорога. Проще за 460 рублей купить НО на 40 dB, купить (изготовить) дополнительный 5 Ваттный аттенюатор на 20 dB и применить измеритель на AD-8313 или AD-8317, который довольно точный уже продаётся за 2150 рублей. Этот комплект позволит точно и быстро измерять мощность в 500 Ватт. У меня такой комплект имеется и я его использую для начальных измерениях. Потом всё равно перехожу на М3-56. Но вот хочется изготовить недорогую «игрушку» для измерения мощности в 150 Ватт на частотах до 1500 МГц, которую можно легко повторить и оттарировать в домашних условиях при небольших затратах. Юрий.

[MicrowaveHAM]

Я сделал проще. Измеряю непосредственно напряжение на нагрузочном резисторе. Детектор из двух последовательно  включенных диодов с малой емкостью + последовательно резистор 10 кОм. После резистора блокировки - у меня АТС конденсаторы с рабочим напряжением 250 В. И опять же, китайский мультиметр измеряет напряжение. При передаче 50 Вт мультиметр отобразил напряжение 50 В. При 100 Вт - 70 В.
Признаться на СВЧ не пробовал. Но до 430 МГц все совпадает. Вносимые в схему неоднородности, думаю, несущественны ввиду высокого сопротивления детектора (VD+VD+R=10k).
Для СВЧ гораздо актуальнее измерять не 50-100-500 Вт, а уровни 10-20-100 мВт. И при таких уровнях даже SMD резистор 0402 без всяких пластин греться будет бесконечно долго.
Но тема достойна внимания. Калориметрический метод применяется, насколько мне известно, в приборах HP (Agilent). Я пытался пирометром фиксировать изменение температуры нагрузки при рассеивании порядка 100 мВт. Но тщетно...

[rz3qs]

Тоже вопрос интересует. Провел измерения и остался доволен. Пожалуй соберу законченную конструкцию.
 Может кто напишет простую программу.
 Старт> измерение температуры>вкл. передачи> время>измерение температуры> выкл. передачи. Привязка к калибровке и вывод мощи на экран.
Вот что получилось на фото.
Старт от комнаты 23.
Время 30 сек.
1 Вт-30
2 Вт-37
3 Вт-44
4 Вт-52
5 Вт-59
6 Вт-67
7 Вт-73
8 Вт-80
9 Вт-88
10 Вт-95
Если все довести до ума, то точность будет лучше +- 0.4 дБ, а это для дома (моего) выше крыши.

[UA9FAD]

Старт от комнаты 23.
Время 30 сек.

Ошибка с отсечкой времени в 1сек добавит к погрешности 3.3%.  Реально эта ошибка больше. Или автоматизировать включение-выключение измерения, или увеличить время.

[rz3qs]

Реально эта ошибка больше.

До +- 0.4 дБ еще есть запас даже при таком простом варианте. Повторил измерение раз 10, полное совпадение результата.
Конечно нужен автомат и он будет, дело времени.

[RZ4HD]

Здравствуйте. Провёл несколько экспериментов по изготовлению термопреобразователя для измерения мощности с применением одноваттного SMD резистора типоразмера 2512. Кто знает, как нагревается резистор МЛТ-1 от мощности один Ватт, тот скажет, что резистор 2512 явно не для такой мощности. При подаче на 50-ти Омный резистор напряжения в 10 Вольт, что соответствует мощности в 2 Ватта, резистор задымил и провод отпаялся от резистора. Припой ПОС-61. Понятна температура нагрева. Провод отпаялся и при подаче напряжения 7 Вольт, что соответствует мощности в 1 Ватт, но резистор не дымил. Но провод таки отпаялся. Проводил тест при напряжении 5 Вольт, что соответстует мощности 0.5 Ватта.  К резистору прикрепил терморезистор на 5 кОм, используя теплопроводящую пасту. Я соединил два резистора из одной партии. Один резистор я грел, второй работал для компенсации при изменении температуры окружающего воздуха. Без подачи мощности напряжение в точке соединения резисторов было 2.5 Вольта и при прогреве уходило до 4 Вольт. Никакой теплоизоляции не применял. Просто хотел посмотреть, что будет. Для того, что бы система прогрелась требуется секунд 30-40. Долго, конечно, но калиброваться можно постоянным током. У М3-56 время для установившегося процесса чуть более 10 секунд. Если всё заизолировать и улучшить тепловой контакт, можно выйти на время секунд в 25. Может на этот резистор нужно подавать всего 20-50 мВт мощности. Не думаю, что у резистора линейная зависимость сопротивления от температуры. Как это учесть не знаю. Нужно писать по результатам измерений программу для контроллера. Это сделал Herbert Dingfelder – DL5NEG. Описание его прибора есть на его сайте. Но устройство термосенсора с конструктивом не описано.Жаль. Я привожу его информацию и схему аналоговой части прибора.
Within a thermo sensor, the incoming RF signal is absorbed in a small dummy load. A standard 50 Ohms chip resistor (e.g. 0603) can be used up to 5-10GHz with very good results. Due to the power dissipation from the RF signal, the resistor warms up. The change in temperature can be used to determine the power of the RF signal. If we glue a NTC (a resistor that changes its resistance depending on its temperature) on the dummy load and include it in a measurement bridge, we get a voltage difference that is equivalent to the input power. A second NTC of the same kind in the bridge can be used, to eliminate the ambient temperature influence.
The nice thing about this principle is that it is basically independent of the frequency of the input signal. The resistor does not care if it is warmed up by a noble 10GHz beacon signal or by a cheap DC signal, that can also be measured by a standard multimeter. Therefore every amateur can calibrate his homemade thermal sensor by applying different DC voltages to the input and writing down the resulting bridge voltage. Whenever you see the same DC output voltage as with a certain DC input level, you know that the power of your measured signal is the same, independent on the frequency or waveform of your signal.       Я написал автору письмо. Пока ответа нет.
       Я попробовал прикрепить термодатчик LM-35 в корпусе ТО-92 к резистору. При подаче напряжения в 5 Вольт на резистор выходное напряжение увеличилось с 300 мВ до 650 мВ. Из даташита понятно, что чип нагрелся на 35 градусов выше. Инерционность более минуты. Можно частично сточить корпус чипа и применить теплоизоляцию, но всё равно процесс измерения очень долгий. Может, действительно, нужно подавать небольшую мощность.
     Михаил RW4HPI предложил очень интересную идею измерения температуры при помощи инфракрасного сенсора. Он продаётся для работы с платами Ардуино и имеет последовательную шину. Но я пока не готов работать с цифровым датчиком…
          Пока всё встало и у меня энтузиазма не прибавилось. Продолжаю применять М3-51 и М3-56. Там все проблемы уже решены. Юрий.

[4x1aj]

Тоже сделал калориметрический(тепловой) измеритель можности
При помощи энкодера устанавливается уровень калибровочной мощности.Затем при нажатии копки "калибровка" определяется и записывается в EEPROM коэффициент калибровки.Прибор готов к работе. При нажатии кнопки "измерение" измеряется температура нагрузочного сопротивления и расчитывается ВЧ мощность.Время измерения 30 сек.К выходу PTT подключается вход телеграфного ключа TX при измерении мощности или управления источником постоянного напряжения при калибровке.Активный уровень низкий.После каждого измерения включается вентилятор для охлаждения нагрузки и отключается автоматически при достижении окружающей температуры+2 градуса  .Калибровку достаточно провести один раз. Скетч для Arduino прилагается. Код немного корявый и набран из различных источников по arduino,но я не профессиональный программист
Подложка - фторопласт 3мм.Линии из медной фольги расчитаны на 50 Ом и наклеены на подложку.На ней же установлен дополнительный НО -30дБ на 2.4ГГц.Датчик температуры MCP9700 поставлен через термопасту на корпус резистора 50 Ом 60Вт.
Пробывал измерять мощности от 3.5 до 70 Вт,погрешность в предклах 15%
Приемлиемый КСВ обеспечивается до 2.5ГГц,см. графики ХХ и подключенной нагрузки
Пассивный энкодер подключается с даполнительными pull-up резисторами 10кОм.
 
73!
Андрей
*