Измерители проходящей мощности

Ваттметр проходящей мощности включают в линию передачи между генератором и нагрузкой; его включение не должно вызывать искаже­ний структуры электромагнитного поля в линии или его ослабления. Несоблюдение этих требований приводит не только к значительной погрешности измерения, но и к нарушению режима работы нагрузки. Для измерения проходящей мощности применяют методы ответвле­ния, поглощающей стенки волновода, зондовый, пондеромоторный и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.

Метод ответвления реализуется с помощью любых ваттметров погло­щаемой мощности в сово­купности с направленны­ми ответвителями. Здесь отметим, что они характеризуются переход­ным ослаблением С=10lg(Р_П/∆Р_П) и коэффициентом направлен­ности D = 10 lg (∆Р_П/∆Р_О), где Р_п — значение падающей мощности в основном тракте; ∆Р_П и ∆Р₀ — значения ответвленной мощности па­дающей и отраженной волн в измерительном тракте. Коэффициент D обычно составляет 20 ÷ 40 дБ; С = 10 ÷30 дБ.

О дна из возможных схем реализации этого метода приведена на рис. Направленные ответвители НО₁ и НО₂ с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последо­вательно в линию передачи. Ответвленные мощности падающей и отра­женной волн измеряются поглощающими ваттметрами Вт₁ и Вт₂. Результат измерения каждым ваттметром подается на вычитающее устройство ВУ, на выходе которого включен магнитоэлектрический измеритель, градуированный в единицах мощности. Его показания пропорциональны проходящей мощ­ности.

Метод поглощающей стенки реализуется в конструкции, состоящей из отрезка волновода, часть боковой стенки которого заменена по­глощающей платиновой пленкой. При прохождении по волноводу энер­гии СВЧ-пленка нагревается, ее сопротивление изменяется. Измеритель­ный узел, выполняемый обычно по мостовой схеме, позволяет изме­рить проходящую мощность СВЧ, замещая ее мощностью постоянного токa. Метод позволяет измерять малые, средние и большие мощности на участках рабочих диапазонов частот волноводов. Метод прост и надежен. Большим недостатком метода является инерционность и значи­тельная погрешность измерения. Для уменьшения погрешности приме­няют предварительною калибровку на постоянном токе.

Зондовый метод основан на измерении напряженности электромагнитного поля (обычно его электрической составляющей) в несколь­ких точка линии передачи и определении проходящей мощности по известным соотношениям. Напряженность поля измеряется зондами, представляющими собой миниатюрные преобразователи с элементами связи. Зонды характеризуются коэффициентом преобразования и амплитудной характеристикой. В большинстве случаев применяют зонды в виде металлических или полупроводниковых термопар, кото­рые погружаются в полость волновода на 0,1—0,2 мм в определенном порядке. Чисто зондов колеблется от двух до восьми. Мощность СВЧ вызывает нагрев термопар, и на их выходных (холодных) концах появ­ляется термоЭДС, пропорциональная проходящей мощности. Метод прост, позволяет измерять средние и большие мощности; индикация возможна простым стрелочным прибором. К недостаткам следует отне­сти значительную погрешность (больше 10%), зависимость показаний от точности согласования, узкополосность и необходимость калибровки на рабочих уровнях мощности.

Пондермоторный (механический) метод обеспечивает высокую точность (погрешность меньше 1 %), однако ваттметры малонадежны, неудобны в ра­боте. Метод используется преимущественно в метрологических исследо­ваниях.

Измерение мощности преобразователями Холла . Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

Е сли специальную полупроводниковую пластину, по которой течет ток I (показан пунктиром на рис. а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Н (ин­дукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемая как

где k — коэффициент пропорциональности.

С огласно теореме Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется век­торным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П=[Е^.Н]. Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряже­ния от проходящей мощности: U_x=gP, где g—постоянный коэффициент, характеризующий образец — частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Холла—ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. б. Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

• может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

• высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности. Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — доста­точно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока. Из курса физики известно, что под воздействием электрического поля в полупро­воднике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заря­да (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры отно­сительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление в тео­рии полупроводников называемся разогревом носителей зарядов.

Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пласти­ны, то должен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противо­действующей движению зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины.

Для усиления эффекта неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, концентрация носителей в котором пространственно неод­нородна. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульс­ную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс. Основными узлами такого ваттметра являются приемный преобразова­тель с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифро­вым отсчетом.

ПРИМЕРЫ: М1-6, М1-10, ВПО-1, ВПО-2, ВПО-3, ВПО-4, Я2М-21, М3П-1810