Основные технические характеристики волноводных термистор­ных преобразователей, используемых в практике измерений.

Как уже было отмечено, в термисторных преобразователях имеет место неэквивалентность замещения СВЧ мощности мощностью пос­тоянного тока, обусловленная:

• различным распределением СВЧ мощности и замещающей мощности в рабочем теле термистора и его выводах;

• потерями СВЧ мощности в разъемах и отрезке передающей линии, потерями на излучение;

• действием термо-ЭДС, возникающей при разогреве термистора.

Существует еще один источник неэквивалентности замещения, присущий только преобразователям с двумя термо-чувствительными элементами и обусловленный неидентичностью характеристик элемен­тов. Неэквивалентность замещения в зависимости от диапазона частот и уровня измеряемой СВЧ мощности может быть большой, и при измере­ниях ее необходимо учитывать. Для этого, как уже было сказано, введен коэффициент эффективности преобразователя, который определяют с помощью образцовых средств. Обычно его измеряют при уровне мощ­ности около 1 мВт. В тех случаях, когда неэквивалентность зависит еще от уровня мощности, измеряют при нескольких уровнях.

Измерительные блоки термисторных ваттметров.

Простейшим измерительным блоком термисторного ваттметра является резистивный мост Уитстона (рис. 7.48), в одно из плеч которого включен термочувствительный элемент (термистор). Сопротивления резисторов в остальных плечах ( , , ) выбирают такими, чтобы при балансе моста термистор имел требуемое сопротивление постоян­ному току. Балансируют мост с помощью переменного сопротивления , регулируя при этом ток питания моста и соответственно тепловой режим термистора. Индикатором баланса моста служит гальванометр (микроамперметр). После подачи на термистор СВЧ мощности его сопротивление в результате нагрева изменяется, баланс моста наруша­ется, в диагонали появляется ток. При малых изменениях сопротив­ления термистора (что эквивалентно подаче на термистор малого уровня СВЧ мощности) сохраняется линейная зависимость между током в диагонали моста и СВЧ мощностью:

, (7)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров моста и термистора;

- ток в диагонали моста.

Простейшая схема моста Уитстона в настоящее время не приме­няется из-за существенных недостатков:

• коэффициент К зависит от температуры окружающей среды и изменяется при смене термистора;

• верхний предел измерения ограничивается уровнем (при более высоких уровнях появляется большая нелинейность зависимость от );

• сопротивление термистора при подаче СВЧ мощности больше существенно меняется, что приводит к значительному отра­жению измеряемой мощности.

Рис. 7.48. Применение моста Уитстона для измерения СВЧ мощности.

В практике измерений получили распространение мосты, не име­ющие перечисленных недостатков. Эти мосты балансируются вручную или автоматически как до подачи на термистор СВЧ мощности, так и после нее. Баланс моста при подаче на термистор СВЧ мощности вос­станавливается уменьшением мощности смещения (мощности постоян­ного или переменного тока НЧ, протекающего через термистор). Таким образом, при этом осуществляется замещение СВЧ мощности мощ­ностью постоянного или переменного тока НЧ и процесс измерения СВЧ мощности сводится к измерению мощности замещения:

(7.31)

где и - напряжение постоянного тока на термисторе до и после подачи СВЧ мощности соответственно; - сопротивление термистора при балансе моста.

Измерение мощности замещения не вызывает затруднений и может производиться с высокой точностью.

Мостовые схемы с ручной балансировкой использованы в приборах МЗ-1А, МЗ-10А. Недостатками ваттметров с ручной балан­сировкой мостовой схемы являются значительный дрейф нуля и срав­нительно длительный процесс измерений. Измерения приходится повторять несколько раз, особенно при малых уровнях измеряемой мощности, чтобы уменьшить погрешность, обусловленную дрейфом.

Температурный дрейф рабочего термистора преобразователя сведен к минимуму в ваттметре МЗ-22. Основу измерительного блока ваттметра МЗ-22 составляют два последовательно включенных само­балансирующихся моста: рабочий и компенсационный (рис. 7.49). Рабочий мост выполнен в виде двойного моста, благодаря чему осущес­твляется развязка между источниками тока подогрева и тока замещения. В схему рабочего моста включен рабочий термистор преобразователя ( ), а в схему компенсационного моста - компенсационный ( ). Следящие системы, входящие в схемы источников тока подогрева и тока замещения, автоматически поддерживают мосты в состоянии баланса. При изменении температуры окружающей среды система управления током подогрева компенсационного термистора изменяет его сопротивление настолько, что баланс компенсационного моста сохраняется. Поскольку последовательно с компенсационным включен рабочий мост, то и он останется в состоянии, близком к балансу. Таким образом, компенсационный мост способствует уменьшению дрейфа нуля прибора в процессе измерения.

Рис. 7.49. Структурная схема ваттметра МЗ-22 (вверху слева источник тока подогрева)

Нарушение баланса рабочего моста, вызванное подачей на рабочий термистор преобразователя СВЧ мощности, приводит к образованию сигнала разбаланса, воздействующего на следящую систему источника тока замещения. В результате на выходе источника образуется ток заме­щения, значение и направление которого таковы, что при подаче его в схему рабочего моста уменьшается результирующее значение постоян­ного тока в рабочем термисторе и восстанавливается баланс. Изменение мощности постоянного тока, рассеиваемой рабочим термистором, явля­ется мощностью замещения, численно равной измеряемой СВЧ мощ­ности, если не учитывать неэквивалентность замещения.

Замещающая мощность индицируется отсчетным прибором, в котором автоматически выполняются операции в соответствии с основ­ным уравнением, описывающим процессы в схеме рабочего моста ватт­метра:

. (7.32)

Ваттметр МЗ-22 имеет девять пределов измерений: 12 - 30 - 60 - 120 - 300 - 600 - 1200 - 3000 - 6000 мкВт. Пределы измерений переклю­чаются универсальным шунтом R.

Благодаря применению полупроводниковых приборов и интеграль­ных микросхем в следящих системах источников тока подогрева и тока замещения обеспечивается малая постоянная времени установления выходного сигнала на клеммах САМОПИСЕЦ, что позволяет исполь­зовать прибор для автоматической записи изменения уровня измеряе­мой мощности.

Наиболее распространенный второй способ реализации цифрового отсчета используется в ваттметре МЗ-22А. Схема измерительного блока ваттметра МЗ-22А (рис. 7.50) включает в себя два идентичных моста, в один из которых включен рабочий термистор, а в другой - компенса­ционный. Оба моста питаются от самостоятельных УПТ 1 и 2, автома­тически поддерживающих мосты в состоянии баланса. К диагонали компенсационного моста одним из входов подключен усилитель посто­янного тока 3, коэффициент передачи которого изменяется регулируе­мым делителем таким образом, чтобы при отсутствии на входе рабочего термисторного преобразователя мощности СВЧ на его выходе устанавливалось напряжение , равное выходному напряжению УПТ 1. Это равенство нарушается, как только на рабочий термистор будет подана СВЧ мощность.

Рис. 7.50. Структурная схема ваттметра МЗ-22А.

При этом , а мощность СВЧ, равная замещающей мощ­ности, будет

. (7.33)

Схема измерительного блока обеспечивает определение замеща­ющей мощности в соответствии с выражением (7.33). Для этого сигналы и подводятся к двум автономным преобразова­телям постоянного тока, которые управляются сигналами с формирова­теля и делителя частоты кварцевого генератора. На выходе формиро­вателя образуются прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна . На выходе преобразователя 2 образуются прямоугольные импульсы, имеющие вид меандра, амплитуда которых пропорциональна . Полученные сигналы поступают на электрон­ный ключ, выполняющий операцию умножения . Ключ выдает результат в виде импульсов тока, превращаемых фильтром нижних частот в среднее значение тока, пропорциональное замещающей мощности.

Отсчетное устройство представляет собой встроенный однопре­дельный цифровой вольтметр В2-37, градуируемый в единицах мощ­ности.

Измерительный блок включает в себя также устройство для авто­матического выбора пределов измерения СВЧ мощности и установки нуля по программе (при необходимости). Кроме того, имеются пере­ключатель, обеспечивающий изменение сопротивления мостов при под­ключении преобразователей с различными сопротивлениями постоян­ному току в рабочей точке (75, 100, 240 и 400 Ом), и переключатель режима работы (ручное переключение пределов или автоматический выбор пределов и работы прибора по заданной программе). Оба пере­ключателя на рис. 7.50 не показаны.

Ваттметр МЗ-22А, как и прибор МЗ-22, комплектуется коаксиаль­ными и волноводными преобразователями, перекрывающими общий диапазон частот . Погрешность измерительного блока для пределов 0,1, 1; 10 мВт и для предела 10 мкВт, где - показание прибора.

Измерительный блок ваттметра МЗ-22А применяется главным образом для комплектной поверки ваттметров СВЧ и первичных изме­рительных преобразователей.