3. . Термоелектрический метод

Создание тонкопленочных термоэлектрических преобразовате­лей открыло новые возможности в технике измерения мощности СВЧ. Ваттметры, выполняемые на основе таких преобразователей, характеризуются широким диапазоном частот и большим дина­мическим диапазоном [81].

Известно несколько видов тонкопленочных термоэлектрических преобразователей. Один из них представляет собой тонкопленоч­ную термопару висмут—сурьма (Ві—Sb), материал которой на­пылен на пленку из полистирола. Она помещается параллельно стойке волновода в плоскости Е. Внооимая его неоднородность невелика, не мешает получению хорошего согласования тракта (КСВ менее 1,2). Применение сменных головок с термоэлектри­ческими преобразователями в одном из ваттметров позволяет из­мерить мощность СВЧ в диапазоне частот от 40 до 140 ГГц. При этом достигнута достаточно высокая температурная стабильность и малая чувствительность к изменению внешних влияющих фак­торов в широких пределах. Эти характеристики значительно выше, чем у термисторных и болометрических измерителей.

Другой вид термоэлектрического преобразователя отличается тем, что при его выполнении используется сочетание полупровод­никовой и тонкопленочной технологий. На поверхность кристалла кремния нанесена металлическая пленка из нитрида тантала, слу­жащая тонкопленочным резистором высокой прочности. Между кремнием и резистором образуется изолирующий слой из двуоки­си кремния. В этом слое под одним из концов резистора примерно в центре кристалла выполнено отверстие, через которое резистор соединяется с кремниевым кристаллом, очень тонким в области соединения. Оно представляет собой «горячий» конец термопары. На втором конце резистора и удаленном от центра конце крем­ниевого кристалла имеются выходные контакты (из золота), с помощью которых осуществляется электрическое соединение с внешней схемой. Они также служат установочными элементами, используемыми для крепления кристалла к подложке («холодно­му» концу термопары) и отвода тепла.

Тонкопленочный резистор, помещенный в головку, выполняет функцию оконечной нагрузки широкополосного тракта, причем во всей полосе частот (до 18 ГГц) достигается хорошее согласование нагрузки с трактом. Поглощаемая резистором электромагнитная энергия преобразуется в тепловую. Вследствие того, что толщина кристалла в центре намного больше, чем на его концах, темпе­ратура «горячего» конца термопары выше, чем у «холодных» кон­цов (напомним, что внешние концы кристалла отводят тепло). Перепад температур на концах термопары приводит к появлению термо-ЭДС.

На одном кристалле расположены две термопары, соединенные последовательно. Вырабатываемое ими напряжение постоянного тока измеряется микровольтметром. Чувствительность описанного термоэлектрического преобразователя 160 мкВ/мВт.

6. Калориметрические метод

Одним из точных методов измерения мощности СВЧ является калориметрический, основанный на преобразовании электромаг­нитной энергии, поглощаемой согласованной нагрузкой, в тепло­вую. Измеряемое значение мощности находят по изменению тем­пературы нагрузки. Этот метод—абсолютный: мощность изме­ряется непосредственно, без замещения мощностью постоянного тона.

Калориметрические измерители мощности состоят из двух ос­новных частей: поглощающей нагрузки и измерителя температу­ры. В приборах применяются поглощающие нагрузки с проточной водой и нагрузки из твердых поглощающих материалов.

Мощность, поглощаемая в нагрузке с проточной водой, опре­деляется по разности температур ΔТ на выходе и входе нагрузки и по скорости v .протекания воды. Бели в объеме воды V при рас­сеянии мощности Р выделяется Q калорий тепла, то это тепло нагревает воду от температуры T1 до температуры T2: (плотность р и теплоемкость с воды равны еди­нице). Мощность и количество тепла связаны соотношением

Изменение объема в единицу времени V/t = v—скорость про­текания воды, см/с. Следовательно, На практике рас­ход воды v измеряют в л/мин. В этом случае формула для опре­деления мощности в ваттах

Таким образом, измерение мощности сводится к измерению расхода воды v и разности температур на выходе и входе нагруз­ки. В ваттметрах расход воды автоматически поддерживается постоянным и для определения мощности достаточно измерять разность температур. Применение цифровых термометров позво­ляет получать ваттметры с цифровым отсчетом.