Конструкция волноводного первичного преобразователя.

Волноводные первичные преобразователи в диапазоне частот от 5,64 ГГц до 78,33 ГГц для всех стандартизованных прямоугольных волноводов. Простейшая конструкция преобразователя на рис. 7.35.

Рис. 7.35 Волноводный преобразователь 1 - выводы термистора; 2 - тело термистора; 3 - конденсатор; 4 - волновод (фланец волновода); 5 - волноводный короткозамыкатель; 6 - выводы для термистора для включения в блок измерительный.

Мощность электромагнитного излучения , падающая на вход преобразователя, наводит СВЧ токи в термисторе, превращается в тепло, нагревает тело термистора (2) и вызывает таким образом прира­щение (отрицательное!) сопротивление термистора. Токи, наве­денные в термисторе, замыкаются на корпус через конденсатор (3).

Главные требования к качественным преобразователям:

• минимальное отражение мощности в широком диапазоне частот (минимальный КСВН) или, как говорят, хорошее согласование с линией;

• малое поглощение энергии вне тела термистора;

• минимальное излучение электромагнитной энергии из волно­вода наружу через ввод термистора, присоединяемый к конденсатору (3).

Для волноводных преобразователей сантиметрового диапазона волн при хорошим считается , удов­летворительным . Для миллиметрового диапазона волн при частотах от 25 до 78 ГГц хорошим считается , удов­летворительным 1,7. Для диапазона от 78 ГГц до 178 ГГц, хорошим считается .

При выполнении главных требований термисторные преобразо­ватели обладают достаточно высоким коэффициентом и высоким калибровочным коэффициентом . Обычно считают очень хорошим в сантиметровом диапазоне и хорошим для Милли­метрового диапазона волн.

Конструкция коаксиального термисторного преобразователя представлена на рис. 7.36.

Рис. 7.36. Коаксиальный термисторный преобразователь

В коаксиальных преобразователях используют обычно два термис­тора, включаемых параллельно к току СВЧ и последовательно к постоянному току.

Первичные измерительные преобразователи.

Первичные измерительные преобразователи болометрических и термисторных ваттметров представляют собой отрезок СВЧ тракта (коаксиала или волновода), на конце которого монтируется один или два идентичных термочувствительных элемента (термисторы или болометры).

Термисторы изготовляются из полупроводниковой массы (окислов меди, марганца, кобальта и т. п.) и имеют вид бусинки диаметром или цилиндра диаметром и длиной 1,5 мм (рис. 22). Тело термистора после его формовки подвергается спеканию в определенной среде. В электрическую цепь включается с помощью вваренных в него выводов из платины, платновоиридиевого или плати­новородиевого сплава. Диаметр выводов .

Для измерения СВЧ мощности широкое распространение получили термисторы типа ТШ-1, терморезисторы СТЗ-18, СТЗ-29, СТЗ-32, на базе которых созданы термисторные вставки.

а) б)

Рис. 7.37. Бусинковый (а) и цилиндрический (б) термисторы, 1, 3 - выводы; 2 - рабочее тело

Болометрические чувствительные элементы представляют собой тонкую диаметром 1 мкм платиновую проволочку длиной (проволочные болометры или так называемые барреторы) или тонкую металлическую пленку из платины (палладия), нанесенную в виде полоски на основание (подложку) из слюды или другого диэлектрика (пленочные болометры, рис. 7.38).

Рис. 7.38. Плоские болометры для коаксиальных (а) и волноводных (б) трактов. 1 - контакт; 2 - термочувствительный слой; 3 - основание.

Как правило, термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент (ТКС), а болометры - положительный (рис. 7.39).

Рис. 7.39. Зависимость сопротивления нитевидных пленочных боломет­ров (а) и термисторов СТЗ-18 (б) от рассеиваемой мощности при раз­личной температуре окружающей среды

В общем случае как термисторам, так и болометрам присуща нели­нейная зависимость сопротивления от рассеиваемой мощности и темпе­ратуры окружающей среды. Для термисторов эту зависимость можно записать в виде

, (7.29)

где , - постоянные, зависящие от свойств полупроводниковой массы термистора;

- абсолютная температура, для которой определяется сопро­тивление термистора для болометров в виде

, (7.30)

где - сопротивление болометра при температуре окружающей среды;  - превышение температуры болометра относительно окру­жающей среды; - ТКС болометра. Термисторы и болометры имеют малую мощность рассеяния и поэтому применяются для измерения малых мощностей до ( ). На практике при конструирова­нии ваттметров предпочтение отдают термисторам из-за их более высокой чувствительности и большей энергии перегорания. Проволоч­ные болометры, имеющие более высокую стабильность параметров, применяют главным образом в образцовых ваттметрах. Иногда прово­лочные болометры используют для измерения импульсной мощности. В настоящем разделе описываются только термисторные СВЧ преобразователи.

Коаксиальные термисторные преобразователи. Существуют два вида коаксиальных термисторных преобразователей - с одним и двумя термочувствительными элементами. Если в преобразователе исполь­зуется один термочувствительный элемент, то он монтируется таким образом, что один из его выводов является продолжением внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, а второй соединен с корпусом заглушки, образующей с внешним проводником линии емкость (рис. 7.40).

Для включения термочувствительного элемента в схему моста при­меняют ВЧ дроссель. Дроссель припаивается к внутреннему и внешне­му проводникам отрезка линии и располагается в плоскости попереч­ного сечения коаксиала. В Рабочем диапазоне преобразователя дроссель представляет большое реактивное сопротивление и поэтому не вносит рассогласования.

Емкость выбирается такой, чтобы ее реактивное сопротивле­ние в рабочем диапазоне частот было значительно меньше активного сопротивления термистора.

Рис. 7.40. Упрощенная конструкция термисторного преобразователя с дросселем (а) и его эквивалентная схема (б): 1 - центральный проводник; 2 - корпус; 3 - термистор

Согласование сопротивления с волновым сопротивлением пере­дающего тракта достигается выбором размера согласующей камеры, внутри которой располагается термистор, и рабочего сопротивления термистора (сопротивления постоянному току) такими, чтобы термис­тор рассеивал как модно больше падающей на него СВЧ мощности. Кроме того, конструктивные элементы преобразователя должны иметь малые потери на СВЧ, защищать термочувствительный элемент от тепловых и механических воздействий и обладать хорошей экрани­ровкой относительно внешних электромагнитных полей.

Для обеспечения лучшей взаимозаменяемости широко приме­няются термисторные вставки, представляющие собой коаксиальную согласованную нагрузку в миниатюре (рис. 7.41).

Рис. 7.41. Термисторная вставка: 1 - центральный проводник; 2 - корпус; 3 - опорная шайба

Один из выводов термистора приваривается к внутреннему провод­нику вставки, а второй - к ее корпусу.

Термисторная вставка включается в цепь измерительного преобра­зователя таким образом, что внутренний ее проводник является продол­жением внутреннего проводника отрезка линии, а корпус вставки надежно контактирует с корпусом заглушки (рис. 7.42). Обычно рабочее сопротивление коаксиальных преобразователей составляет 50 и 75 Ом для тракта 50 и 75 Ом, 100 Ом - для тракта 75 Ом.

Для стабилизации показаний ваттметра при изменении темпера­туры окружающей среды и реализации дифференциальной схемы в преобразователях предусматривается установка так называемого ком­пенсационного термистора (вставки). Этот термистор (рис. 7.42) монти­руется вне СВЧ цепи и включается в опорный (компенсацион­ный) мост измерительной схемы. В преобразователях с компенсационным термис­тором должен обеспечиваться хороший тепловой контакт между рабочим и компенсационным термисторами. Преобразователи с одним рабочим термистором обладают существенным недостатком: мала полоса рабочих частот, так как она ограничивается частотной харак­теристикой дросселя.

Рис. 7.42. Упрощенная конструкция преобразователя М5-30: 1 - контакты; 2, 3 - рабочая и термокомпенсирующая термисторные вставке.

Коаксиальные преобразователи с двумя рабочими термисторами свободны от этого недостатка. Они позволяют избавиться от дросселя и тем самым расширить полосу рабочих частот. В таких преобразователях применяются термисторы, идентичные по своим характеристикам. Термисторы включаются в линию передачи параллельно, а в мостовую схему - последовательно. Такие преобразователи перекрывают диапазон частот от 10 МГц до 12  18 ГГц при сечении тракта Ø7x3.

Эквивалентная электрическая схема преобразователя с двумя рабо­чими термисторами приведена на рис. 7.43. Нижний вывод термистора соединяется с корпусом непосредственно, а термистора - через емкость . Таким образом, оба вывода к мостовой схеме зазем­лены по высокой частоте, и поэтому необходимость в дросселе отпа­дает. Однако такие преобразователи имеют свои недостатки. Ввиду того, что термисторы не бывают абсолютно идентичными, возникает дополнительная неэквивалентность замещения измеряемой мощности мощностью постоянного тока (переменного тока НЧ), возрастающая с увеличением уровня измеряемой мощности.

Рис. 7.43. Эквивалентная схема преобразователя с двумя рабочими термисторами

Этот недостаток частично исключается при использовании преоб­разователей с теплосвязанными спаренными элементами. Наиболее простым спаренным элементом является термисторная бусинка с тремя выводами (рис. 7.44). Такую бусинку монтируют во вставке (рис. 7.45).

Рис. 7.44. Термисторная бусинка с тремя выводами.

Рис. 7.45. Термисторная вставка со сдвоенным термистором: 1 - центральный проводник; 2 - внешний проводник; 3 - корпус; 4 - мембранная пружина.

Средний вывод термистора приваривается к центральному проводнику вставки, а два других - к внешнему проводнику и корпусу. Корпус и внешний проводник вставки разделены шайбой из керамики с высокой диэлектрической постоянной ε и посеребренными плоскостя­ми. Таким образом, между корпусом и внешним проводником вставки образуется емкость . Емкости и исключают взаимосвязь СВЧ цепи с цепью постоянного тока.

Упрощенная конструкция коаксиального преобразователя с тепло­связанными спаренными элементами приведена на рис. 7.46. Для тепло­вой развязки входа преобразователя с рабочей термисторной вставкой внутренний проводник отрезка коаксиальной линии выполняют из тонкостенных трубок с малой теплопроводностью. Кроме того, корпус преобразователя заключают в теплоизолирующий футляр, благодаря чему уменьшается влияние резких колебаний температуры окружающей среды. Коаксиальный преобразователь М5-89 со спаренными элемен­тами, применяемый в ваттметре МЗ-10А, перекрывает диапазон частот 100 МГц  12 ГГц и имеет , в зависимости от рабочей частоты.

Рис. 7.46. Упрошенная конструкция широкополосного термисторного преобразователя (а) и его эквивалентная схема (б): , - рабочая и термокомпенсирующая термисторные вставки; - керамический конденсатор, - конденсатор в рабочей термис­торной вставке