Диодные преобразователи и измерительные блоки ваттметров.

В качестве преобразующего элемента в преобразователях приме­няют полупроводниковые и электровакуумные диоды. В зависимости от характеристики диода различают два вида детектирования (преобра­зования) - линейное и квадратичное. В режиме линейного детекти­рования обычно работают электровакуумные диоды при напряжении на входе от 1  2 до 100 В и более.

Рис. 7.27. Схема включения детекторной головки.

Наиболее высокочастотные электровакуумные диоды, например 6Д13Д, используют в диапазоне частот до 2 ГГц. Квадратичное детек­тирование применяют для измерения малых уровней мощности и используют для этих целей полупроводниковые диоды.

Рис. 7.28. Конструкция детекторной головки: 1 - поглощающий слой резистора; 2 - электрод; 3 - детектирующий элемент; 4 - конструктивная емкость.

Аналитическая связь между током I и напряжением U при квадра­тичном детектировании может быть представлена в виде ряда Тейлора

, (7.24)

где - электрическая проводимость диода в рабочей точке; - мера кривизны характеристики.

Если к детектору подводится постоянное и переменное напряжения, то для тока можно записать выражение

(7.25)

Вследствие нелинейности характеристики появляется вторая гармоника тока, а постоянная составляющая увеличивается на

, (7.26)

где - подведенная к детектору СВЧ мощность.

Из выражения (7.26) следует, что чувствительность детектора по току зависит главным образом от проводимости диода:

. (3.47)

Таким образом, подавая на диод некоторое смещение, можно изменять его проводимость и, следовательно, чувствительность. Рассматривая физические свойства полупроводниковых диодов, нельзя не отметить, что их проводимость зависит от температуры. Чтобы уменьшить эту зависимость, рабочую точку диода выбирают так, чтобы проводимость диода была много меньше проводимости источника сигнала. Однако чрезмерное увеличение смещения недопустимо, поскольку уменьшение проводимости диода приводит к уменьшению коэффициента преобразования диодного преобразователя.

Для практических целей используют диоды с низким потенциа­льным барьером перехода - диоды Шотки, имеющие ток насыщения до 10 мкА и проводимость в рабочей точке ( ).

Традиционные точечные диоды с пружинкой для СВЧ измерений малопригодны из-за механической и электрической непрочности. У таких диодов возможно перемещение контактной пружины, и вследствие малой площади перехода создается ток большой плотности, что приводит к перегреву перехода. Кроме того, точечным диодам присущ значительный разброс сопротивления и емкости перехода от диода к диоду.

Плоскостные диоды Шотки свободны от перечисленных недос­татков. Они имеют хорошую частотную характеристику в диапазоне частот до 18 ГГц и более, сравнительно малый ток насыщения, и низкое начальное сопротивление.

На рис. 7.29 представлена эквивалентная схема полупроводни­кового диодного преобразователя, где - индуктивность электродов диода; - активное сопротивление электродов диода; R - сопротив­ление резистора, близкое к волновому сопротивлению линии передачи; - емкость диода; - сопротивление диода; - конструктивная емкость, параллельно которой включено сопротивление нагрузки детектора . Входное сопротивление схемы в общем случае является комплексной величиной, зависящей от частоты, что является одной из причин непостоянства коэффициента преобразования диодного преобразователя в диапазоне частот. Из схемы (рис. 7.29) следует, что индуктивность в сочетании с емкостями и образует резонансный контур.

Рис. 7.29. Эквивалентная схема диодного преобразователя.

Для подавления резонанса на входе диодного преобразователя последовательно с устанавливают сопротивление порядка 30 Ом. Это сопротивление понижает добротность резонансного контура настолько, что резонанс становится малозаметным. Приближенный расчет значения антирезонансного сопротивления производят по формуле

, (7.27)

где - резонансная частота диодного преобразователя, Гц;

- емкость перехода, Ф.

Преимуществом преобразователя на базе низкобарьерного диода Шотки перед термопреобразователями является то, что его коэффи­циент преобразования СВЧ сигнала в постоянный ток в несколько тысяч раз больше. Это дает возможность измерять уровень мощности, начиная с 100 пкВт (-70 дБмВт). При этом на выходе диодного преобразователя образуется напряжение около 50 нВ (по данным преобразователя НР-8484А).

Для того чтобы температурный градиент на диоде был около нуля и обеспечивался, таким образом, минимальный температурный дрейф, скорость передачи тепла к обоим концам диода должна быть Одина­ковой. Это достигается выбором материала корпуса и центрального проводника преобразователя.

Преобразователь на базе электровакуумного диода (рис. 7.30) состоит из отрезка коаксиальной линии, Г-образного делителя и диода 6Д13Д. Катод диода замыкается на корпус через конденсатор . Делитель включает в себя резистор, являющийся продолжением внутреннего проводника коаксиала, и резисторы , включенные звездочкой, замыкающие делитель на корпус.

Входное сопротивление делителя выбирают равным волновому сопротивлению линии передачи. Анод диода 6Д13Д подключают к делителю через антирезонансное сопротивление . Степень влияния антирезонансного сопротивления на частотную характеристику иллюст­рирует рис. 7.31 (кривая 1). Здесь - отношение показаний рабочего прибора к действительному значению мощности, измеренной образцовым (контрольным) прибором.

Следует отметить, что частотная характеристика преобразователя на электровакуумных диодах определяется не только резонансными свойствами диодов, но и такими параметрами, как амплитуда измеряе­мого сигнала и величина зазора катод - анод. Вследствие того что элект­роны, излучаемые катодом диода, могут пролетать зазор катод - анод за время, соизмеримое с периодом СВЧ колебаний, частотная характе­ристика падает с увеличением частоты. Спад увеличивается с ростом частоты, с увеличением зазора и уменьшением амплитуды измеряемо­го сигнала. Так как спад может быть значительным, то для уменьшения погрешности измерения мощности пользуются поправочными коэффи­циентами, определенными при калибровке ваттметров с помощью образцовых средств.

В зависимости от выбранного значения сопротивления нагрузки различают диодные преобразователи действующих (эффективных) и пиковых (амплитудных) значений. Для измерения средних значений мощности применяют преобразователи эффективных и амплитудных значений, а для измерения импульсной мощности - только преобразо­ватели амплитудных значений.

Поскольку диодные преобразователи не являются избирательными приборами, то наличие гармоник в измеряемом сигнале приводит к дополнительной погрешности при измерении мощности. Максимальное значение дополнительной погрешности зависит от соотношения амплитуд гармоник и основного сигнала, частотных коэффициентов (коэффициентов преобразования) на основной частоте и частоте гармо­ники, фазового сдвига между напряжением основной частоты и гармо­ническими составляющими, а также от вида детектирования. Самый неблагоприятный случай, когда фазовый сдвиг равен для второй гармоники и - для третьей. Если частотные коэффициенты на основной частоте и частоте гармоники одинаковы, то при пиковом детектировании максимальное значение дополнительной погрешности может достичь удвоенного значения коэффициента гармоники . Например, при (мощность второй гармоники на 20 дБ ниже основной составляющей) или 20%. Влияние второй и высших четных гармоник на точность измерений можно значительно уменьшить, если использовать преобразователь с двумя диодами, включенными навстречу (балансный детектор), а при фазовом сдвиге, равном между второй гармоникой и основной частотой, - свести к нулю. Дополнительным преимуществом балансного детектора перед однодиодным является на 3 дБ лучшее отношение сигнал-шум. Однако балансные детекторы малоэффективны для компенсации влияния третьей и высших нечетных гармоник.

Напряжение, снимаемое с нагрузки полупроводникового детек­тора, как указывалось ранее, невелико. Поэтому его усиливают до , что обеспечивает удобную индикацию и возможность использования метода вольтметра в автоматизированных системах. Поскольку при квадратичном детектировании выходной сигнал преобразователя линейно связан с мощностью измеряемого сигнала, схемы измерительных блоков ваттметров аналогичны схемам измери­тельных блоков термоэлектрических и калориметрических ваттметров. Таким образом, имея одну базовую модель измерительного блока и сменные калориметрические термоэлектрические и полупроводниковые диодные преобразователи, можно обеспечить измерение СВЧ мощности в динамическом диапазоне от 100 пВт до 100 Вт и более.

Измерительные блоки ваттметров с преобразователями на базе электровакуумных диодов являются обычными УПТ. В тех случаях, когда не требуется высокая точность измерения и уровень измеряемой мощности высок, в цепь нагрузки диодного преобразователя включают чувствительные микроамперметры, градуированные в единицах мощ­ности, а чтобы входное сопротивление нагрузки оставалось неизменным при переключении пределов измерений, между преобразователем и индикаторным прибором ставят Т-образные делители.

При линейном детектировании зависимость между выходным сигналом преобразователя и мощностью измеряемого сигнала квадра­тичная, поэтому в измерительных блоках предусматривают схемы для линеаризации выходного сигнала.