Преобразователи термоэлектрических ваттметров.

Основным узлом преобразователей термоэлектрических ваттмет­ров является высокочастотная дифференциальная термопара. В основе работы термопары лежит явление Зеебека, сущность которого состоит в том, что в замкнутой цепи из разнородных материалов возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживать при разных температурах.

Как уже было указано ранее, одним из основных требований, предъявляемых к преобразователям СВЧ мощности, является то, что его входное сопротивление должно быть согласовано с сопротивлением линии передачи. В этом случае преобразователь, подключенный к линии передачи, будет рассеивать мощность, которую может развить источник СВЧ сигнала на согласованной нагрузке. Таким образом, полное сопротивление термопар преобразователя на СВЧ должно быть равно волновому (характеристическому) сопротивлению линии пере­дачи и оставаться практически неизменным во всем диапазоне частот ваттметра, в комплект которого входит данный преобразователь. Ввиду малости размеров ветвей термопар (рабочего тела) в преобразователе не представляется возможным конструктивно выделить направленные каналы передачи тепла - значительная его часть передается непосредственно в окружающую среду.

Классической термопарой, используемой до настоящего времени, является пленочная термопара висмут-сурьма, ветви которой наносятся методом вакуумного напыления на слюдяную подложку или стекло­волокно диаметром 20  40 мкм. Кроме того, для напыления ветвей применяют сплавы металлов (хромель-копель) и полупроводниковые материалы (теллурид свинца, кремний).

На рис. 7.14 приведена термопара, ветви которой стыкуются через резистивный слой МЛТ. Сопротивление резистивного слоя близко к общему сопротивлению термопары. Благодаря этому удается увеличить толщину слоя ветвей и тем самым повысить их электрическую проч­ность и стабильность характеристик.

Рис. 7.14. СВЧ термопара с резистивным слоем: 1 - компенсационные проводники; 2 - резистор; 3 - изолятор; 4 - ветви термопары

В преобразователях фирмы Hewlett-Packard (HP) применяются термопары, в которых резистивный слой из нитрида тантала наносится на пленку из кремния n-типа (рис. 7.15). Таким образом, резистивный слой, определяющий сопротивление термопары, является одной ветвью, а второй ветвью служит пленка из кремния n-типа, удерживаемая рамкой из кремния р-типа.

Основными требованиями, которые предъявляются к СBЧ термо­парам, являются: высокий коэффициент преобразования, малая нели­нейность в интервале температур, устойчивость к перегрузкам, устойчи­вость к климатическим воздействиям, малая тепловая постоянная.

Рис. 7.15. Полупроводниковая термопара: 1 - горячий спай; 2 - нитрид тантала; 3 - вывод; 4 - изолятор; 5 - рамка из кремния р-типа; 6 - перепонка из кремния n-типа.

В преобразователях поглощаемой мощности, как правило, используют две термопары, включенные в цепь СВЧ параллельно и последовательно по выходному сигналу (рис. 7.16). Следовательно, с точки зрения согласования преобразователя с передающим трактом сопротивление каждой термопары должно быть равно удвоенному значе­нию волнового (характеристического) сопротивления пере­дающего тракта, т. е. . При этом следует отметить, что для коаксиальных трактов волновое сопротивление не зависит от частоты, а для прямоугольных волноводов оно значительно изменяется в рабочем диапазоне волновода. В связи с этим оказывается затруднительным получить удовлетворительное согласование волноводных преобразо­вателей без принятия дополнительных мер. Одной из них является применение переходов со стандартного (прямоугольного) волновода на П-образный. П-образный волновод является более широкополосным, и его волновое сопротивление в диапазоне частот стандартного волновода изменяется незначительно.

Рис. 7.16. Принципиальная электрическая схема коаксиального термопреобразователя

Термоэлектрические преобразователи аналогично калориметри­ческим калибруются известной (эталонной) мощностью постоянного или переменного тока. Поскольку СВЧ мощность, мощность калиб­ровки и выходная термо-ЭДС прикладывается к одним и тем же цепям термопары, схемы коаксиальных и волноводных преобразователей содержат развязывающие элементы, обычно разделительные и блоки­ровочные конденсаторы (рис. 7.16 и 7.17). Для того чтобы эти конден­саторы мало влияли на согласование пре­образователя, их емкость выбирается такой, чтобы реактивное сопротивление конденсаторов и в рабочем диапазоне частот было значительно меньше активного со­противления ветвей, т. е.

, (7.14)

где - активное сопротивление термопары; ω - круговая частота.

Из выражения (7.14) следует, что емкости проходного и блокирующего конденсаторов ограничивают частотный диапазон преобразователя снизу.

Рис. 7.17. Принципиальная электрическая схема волноводного термопреобразователя

Можно показать, что при модуле входного сопротивления преобра­зователя 1,1 на частоте емкость каждого из конденсаторов и должна быть не менее 1000 пФ. Наряду с этим блокирующие и проходной конденсаторы должны быть безындукционными, обладать незначительными потерями в рабочем диапазоне частот преобразова­теля и конструктивно сопрягаться с элементами передающего тракта (т. е. иметь габаритные размеры, позволяющие монтировать термопары на конце передающего тракта). Этим требованиям удовлетворяют конденсаторы в виде посеребренных с обеих сторон тонких керамичес­ких дисков или прямоугольных пластин с большой диэлектрической постоянной (ε =4000  10000).

Термоэлектрические преобразователи в отличие от калориметрии­ческих обладают большей неравномерностью ча­стотных коэффициен­тов , , в диапазоне частот из-за отличающихся потерь мощности в соединениях, конденсаторах и пленочных подводящих проводниках. Из опытных данных установлено, что монотонно уменьша­ется с ростом частоты, что может быть объяснено ростом потерь. Для выравнивания потерь по частоте в некоторых преобразова­телях вводят частотную компенсацию. Ее сущность заключается в шунтировании ветвей термопар про­водниками с достаточно малым активным сопротивлением через разделительную изоляционную пленку.

Рис. 7.18. Коаксиальный термоэлектрический преобразователь в разрезе:1 - корпус; 2 - согласующая камера; 3 - разъем РС4; 4 - вставка. 5 - диоды защиты; 6 - кожух.

С ростом частоты шунтирующее действие компенсационного проводника усиливается, в результате чего общее сопротивление ветвей термопары падает, чем и достигается компенсация. Такая компенсация требует высокой точности нанесения изоляционной пленки во избежа­ние перекомпенсации.

Конструктивно коаксиальный термоэлектрический преобразо­ватель (рис. 7.18) состоит из отрезка коаксиальной линии с раздели­тельным конденсатором на конце центрального проводника, вставки с двумя термопарами и кожуха с выходным разъемом. Вставка (рис. 7.19) представляет собой заглушку, в пазу которой монтируется слюдя­ная пластинка с пленочными термопарами на стекловолокне. Термопары посредством отвердевающей токопроводящей пасты укрепляются в зазоре между контактами на поверхности слюды. С помощью той же пасты крайние контакты крепятся к керамическим, пластинам (конден­саторам ), а те, в свою очередь, - к основанию паза. Таким образом, обе термопары по ВЧ оказываются закороченными на корпус через конденсатор .

Рис. 7.19. Термоэлектрическая вставка для коаксиального преобразователя: 1 - контакт; 2 - термопара; 3 - контакт; 4 - слюдяное основание; 5 - керамическая пластина (конденсатор ); 6 - вывод; 7 - заглушка.

Средний контакт наращивается с таким расчетом, чтобы он надежно соприкасался с центральным проводником коаксиала.

Напряжение термо-ЭДС, образуемое на выходе термопар, подается на контакты разъема РС4. Для защиты термопар от перенапряжений при возможных переходных процессах в преобразователе устанавливаются диоды (например, КД522Б). От воздействия внешних электромагнитных полей преобразователь защищен экраном, роль которого выполняет металлизированная внутренняя поверхность пластмассового кожуха.

Коэффициент преобразования описанного преобразователя в диапазоне частот до 17,85 ГГц остается почти неизменным и составляет около 1 мВ/мВт.

Рис. 7.20. Волноводный термоэлектрический преобразователь в разрезе: 1 - заглушка; 2 - кожух; 3 - разъем РС4; 4 - переход; 5 - вставка; 6 - термопара; 7 - диоды защиты.

Термоэлектрический преобразователь волноводного типа (рис. 7.20), как правило, состоит из плавного перехода с прямоугольного волновода на П-образный, термоэлектрической вставки, заглушки, посредством которой вставка прижимается к П-образному концу волновода, и кожуха.

Термоэлектрическая вставка (рис. 7.21) представляет собой короткий отрезок П-образного волновода, в зазоре между гребнями которого располагаются две термопары. Термопары посредством отвердевающей токопроводящей пасты крепятся непосредственно к керамическим пласти­нам (конденсаторам и ), а те, в свою очередь, - к волноводу. Таким образом, обе ветви каждой термопары по ВЧ оказываются закороченными на корпус. Сопротивление каждой термопары 200 Ом. Вследствие параллельного их включения в цепь СВЧ термопары образуют нагрузку 100 Ом, равную характерис­тическому сопротивлению П-образного волновода.

Рис. 7.21. Термоэлектрическая вставка для волноводного пре­образователя: 1 - термопара; 2 - керамическая пластина (конденсатор); 3 - корпус; 4 - выводы.

Переход с волновода прямоугольного сечения на П-образный является тонкостенным, что обеспечивает тепловую развязку вставки с входом преобразователя. Для механической прочности корпус перехода опрессован пластмассой. На заглушке монтируется плата с диодами защиты от перенапряжений при переходных процессах. Кожух преобра­зователя из пластмассы является одновременно экра­ном, так как внутренняя его поверхность металлизиро­вана. На кожухе преобразо­вателя крепится разъем РС4, к контактам которого подводится образуемая термо-ЭДС.

Описанные конструкции преобразователей применяются в ваттметрах МЗ-51 ... МЗ-53 и обеспечивают измерение СВЧ мощности до 10 мВт в диапазоне частот 0,1  37,5 ГГц.

Следует отметить, что образуемая на выходе преобразователя термо-ЭДС при малых уровнях измеряемой мощности составляет доли микровольт. Это накладывает на преобразователи требование хорошей экранировки от внешних электромагнитных полей как самого преобразователя, так и кабеля, посредством которого преобразователь со­единяется с измерительным блоком. Одним из способов, позволяющим в некоторой степени уменьшить требования по экранировке и снять ограничение по длине соединительного кабеля, является использование предусилителя, монтируемого непосредственно на выходе преобразователя. Этот способ реализован в преобразователе НР-8481А. Преобразователь НР-8481А состоит из отрезка коаксиальной линии и коаксиально-полоскового перехода, на конце которого включен полупроводниковый термоэлектрический модуль.

Тепловое сопротивление и тепловая емкость преобразователя определяют его постоянную времени. Рассмотренные конструкции коаксиальных и волноводного преобразо­вателей имеют тепловую постоянную около 15  20 мс. Однако время установления показаний ваттметра при из­мерении мощности порядка нескольких микроватт и менее значительно больше, потому что ограничивается полосой УПТ измерительного блока ваттметра, которую в целях повышения чувствительности преднамеренно делают узкой.