Глава 6.

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ МОЩНОСТИ

Основные определения и классификация. Мощность определя­ется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Единица мощности — ватт (Вт)—равна, как известно, работе в один джоуль за одну секунду. Мощностью ха­рактеризуют работу самых различных радиоэлектронных уст* ройств: источников питания и усилителей, передатчиков и прием­ников, антенн и линий передачи.

Напомним, что мгновенная мощность синусоидального тока, выделяемая па некоторой нагрузке, выражается, как

р (t) = ы* = -у U_m I_m cos ф — у U_m I_m cos (2co /—<p),

где u = U_m sin mt, i = I_m sin (оД + ф) — мгновенные значения напря­жения и тока на нагрузке, а средняя за период мощность т

^{Р =} Т~ \p^{t)^dt= -^-U_mI_mcos(f = UIcos(f, (6.1)

‘ О 2

где U, I — среднеквадратические значения напряжения и тока.

На постоянном токе и переменном токе от низких частот до частот примерно 500 МГц мощность измеряют по току и напря­жению. В качестве уравнения измерения используют P = UI (на постоянном токе) и выражение (6.1) на переменном. Применяют прямые и косвенные измерения. При прямых измерениях исполь­зуются ваттметры, в которых аппаратурно осуществляется пере­множение напряжения и тока на нагрузке и последующее усред­нение (например, электродинамические ваттметры).

На высоких частотах в качестве перемножителей используются различные электронные устройства. Широко используются косвен­ные измерения мощности по прямым измерениям напряжения или тока на активной нагрузке.

Особое положение занимает измерение мощности на СВЧ, Здесь не приемлем метод измерения, основанный на измерении тока и напряжения, по следующим причинам. Во-первых, напря­жение и ток на СВЧ теряют свою однозначность: их значение не­постоянно по сечению линии передачи. Во-вторых, измерение на­пряжения и тока на СВЧ представляет трудности, обусловленные сильным влиянием измерительного прибора на измеряемую цепь. По этим причинам на СВЧ применяются методы, основанные на преобразовании электромагнитной энергии в другие виды, напри­мер тепловую энергию, и последующем измерении мощности пре­образованного процесса. Обоснованием правомерности таких ме­тодов измерения служит закон сохранения энергии.

/мощности

Рис. 6.1

Ниже мы будем рассматривать методы и средства измерения мощности на СВЧ.

По виду первичного преобразования энергии различают сле­дующие методы измерения мощности на СВЧ: тепловые (калори­метрический, терморезисторный, термоэлектрический), пондеромо- торный, методы, использующие выпрямление, эффект Холла, ра- вогрев носителей заряда в СВЧ электрическом поле, нелинейные свойства ферритов и некоторые другие.

На СВЧ измерение мощности производят в системе передачи энергии, включающей генератор, линию передачи и нагрузку (рис. 6.1,а).

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ: 1) измерение мощности источника (генератора) электромагнит­ных колебаний, когда под мощностью генератора понимают мощ­ность, отдаваемую в согласованную нагрузку; 2) измерение мощ­ности, выделяемой в нагрузке, полное сопротивление которой мо­жет быть произвольным.

В каждом из этих случаев используются два принципиально различных метода измерения. Первый состоит в том, чтобы изме­ряемую мощность полностью рассеять на некотором измеритель­ном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Второй метод состоит в том, что между гене­ратором и нагрузкой включается устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса передачи. На первом из этих методов основаны ваттметры поглощаемой мощности. Как элемен­ты электрической цепи они эквивалентны двухполюснику. Идеаль­ный измеритель поглощаемой мощности для измерения мощности генератора должен иметь сопротивление нагрузки Z„ = Z₀, где

Zo — характеристическое сопротивление линии передачи, а коэф­фициент отражения нагрузки Г_н = 0 (рис. 6.1,6). На другом из двух общих методов измерения основываются ваттметры прохо­дящей мощности. Как элемент цепи ваттметр проходящей мощ­ности эквивалентен четырехполюснику, который можно характе­ризовать коэффициентами матрицы рассеяния. Идеальный изме­ритель проходящей мощности должен иметь S_n = S22 = 0 и |Si₂j = = |S₂i| = l. Сопротивление нагрузки Z_H на выходе измерителя (рис. 6.1,в) может быть в зависимости от решаемой задачи либо равным Zо (измерение падающей мощности), либо равным сопро­тивлению реальной нагрузки Z_K (измерение мощности, рассеива­емой в нагрузке). Если измеритель включается в разрыв цепи между генератором и линией, под нагрузкой понимают входное сопротивление линии, нагруженной на реальную нагрузку.

С помощью направленных ответвителей измерители поглоща­емой мощности могут использоваться как измерители проходя­щей мощности, хотя с другими пределами измерений. С другой стороны, подключение на выходе ваттметра проходящей мощно­сти согласованной нагрузки превращает его в ваттметр поглоща­емой мощности с теми же пределами измерений. Следовательно, ваттметры проходящей мощности при равных параметрах явля­ются предпочтительными, так как они позволяют измерять мощ­ность непосредственно в рабочих условиях при работе генератора на реальную нагрузку (а не на ее эквивалент), и в случае необ­ходимости могут служить ваттметрами поглощаемой мощности без нарушения градуировки.

Однако создание ваттметра проходящей мощности, имеющего такие же параметры, как ваттметр поглощаемой мощности (пре­делы измеряемых мощностей, диапазон частот, погрешность), является принципиально более сложной задачей.

В круг задач измерения мощности на СВЧ входит измерение мощности импульсно-модулированных колебаний: измеряют сред­нюю за период модуляции Т мощность Р_ср и среднюю за время импульса т импульсную мощность Р_и.

При импульсах прямоугольной формы P„ = P_cp7/T=P_cpQ, где Q — скважность.

Чтобы измерить импульсную мощность, первичный измеритель­ный преобразователь ваттметра, очевидно, должен обладать до­статочным быстродействием.

Отметим, что при измерении мощности наряду с абсолютными единицами широко используют относительные (логарифмические) единицы, в частности, децибелы (дБ): а = 101 g(Р_Х1Р₀), где Р_х— измеряемая мощность, Р₀ — исходный уровень мощности; Р₀ вы­бирают равным 1 мВт или 1 Вт, в этих случаях единица обозна­чается дБмВт или дБВт. Если значение а положительно, измеря­емая мощность больше исходного уровня, если отрицательно — меньше.

Ваттметры СВЧ перекрывают огромный динамический диапа­зон 10~⁸ ... 10® Вт. Их многообразие можно разделить по уровню измеряемой мощности на ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней (от 10 мВт до 10 Вт) и большой (свыше 10 Вт) мощности.

Погрешность, обусловленная несогласованной нагрузкой. При

измерении мощности на СВЧ имеет место методическая погреш­ность, которая обусловлена несогласованностью входного сопро­тивления ваттметра с линией передачи.

Оценим эту погрешность. Остановимся сначала на погрешнос­ти ваттметров поглощающего типа при измерении мощности ис­точника колебаний (рис. 6.1а). Положим, что линия передачи длиною / имеет пренебрежимо малые потери. Выразим мощность, поглощаемую в нагрузке ваттметра. Нагрузку будем характери­зовать комплексным коэффициентом отражения Г_н= |Гн|е^,(Гя, а генератор Г_г = ] Г_н | е'ч’г , отнесенными к некоторым произвольно выбранным плоскостям отсчета на линии (1 и 2). Вследствие мно­гократных отражений от нагрузки и генератора образуются падаю­щая и отраженная волны напряженности поля. Мощность, погло­щенная в нагрузке Рпогл, может быть записана в виде:

р __ р р _р (] |Г |2\ Рс. П |Гн1²)

' погл ^гп ^г0 ^ГП'.‘ I^х н1 I |j j, р g— j'2|5/|2 »

где Рс — мощность, поглощенная при согласованной нагрузке, Рп — падающая на нагрузку мощность, Р₀ — отраженная мощ­ность, {3 = 2лД. При [Г_Н|<С1 и |Г_г|«1

^р-~ »'’.<¹-1г.1-+»1г.иг,|«.Ф).

где Ф=2^/-|-ф_н+ф_г.

Относительная погрешность из-за несогласованности нагрузки выражается, как

Аог=(/⁾погл-/^,_с)/Р_с = -|Г„|² + 2|Г„| |Г_г|собФ =

= А(')_0Г+Д(2)_0Г. (6.2)

Первое слагаемое в (6.2) А^(|)₀г представляет собой постоянную си­стематическую погрешность, которая может быть исключена, ес­

ли результат измерения умножить на поправочный множитель (1 + |Г_н|²). Второе слагаемое А⁽²⁾_ог может быть положительным и отрицательным. Его величина зависит не только от модулей, но и от фазы коэффициента отражения нагрузки, коэффициента от­ражения генератора, а также от длины линии, и носит название погрешности рассогласования. Пределы изменения погрешности рассогласования равны А^(2,_ог шах= ±21 Г_н| j Г_г |. Если положить, что все значения фазы Ф равновероятны, т. е. фаза Ф есть слу­чайная величина, распределенная по равномерному закону, то в соответствии с § 2.3 составляющую А⁽²⁾_ог можно рассматривать как случайную, распределенную по закону арксинуса. Среднее квадратическое значение погрешности рассогласования при изме­рении мощности генератора с помощью ваттметра поглощаемой мощности равно

а⁽²⁾ог=2| Г„ 11 Г_г | /У~2 = ~УЦ Г„ | | Гг |. (6.3)

Рассмотрим теперь погрешность, обусловленную несогласован­ной нагрузкой, при измерении с помощью ваттметра проходящей мощности (рис. 6.1,в). Ваттметры проходящей мощности весьма разнообразны по конструкции. Однако В. А. Перепелкин обратил внимание, что показания ваттметра проходящей мощности в об­щем виде выражаются формулой

A = kP_n[l + B\ Г_н| ² + С| Гн| Е(фн) ], (6.4)

где k — калибровочный коэффициент, нормируемый при Г_н=0, ^(Фн)—периодическая функция фазы коэффициента отражения нагрузки, С — коэффициент, определяющий степень зависимости показаний от фазы коэффициента отражения нагрузки, и завися­щий также от собственных отражений ваттметра проходящей

МОЩНОСТИ.

В зависимости от значения В ваттметры проходящей мощнос­ти подразделяются на три группы:

при В = 0 показания ваттметра пропорциональны падающей мощности. Это относится к ваттметрам, использующим направлен­ный ответвитель, во вторичное плечо которого (на падающую волну) включен ваттметр поглощающего типа;

при В =—1 показания ваттметра пропорциональны проходя­щей мощности. К этой группе относятся ваттметры, использую­щие направленный ответвитель, во вторичной цепи которого вклю­чены ваттметры поглощаемой мощности (на падающую и на от­раженную мощности). К ним относятся также ваттметры на ос­нове эффекта Холла;

при 0<В^1 показания ваттметра пропорциональны сумме па­дающей и отраженной мощностей. Это — зондовые и пондеромо- торные ваттметры, ваттметры на основе поглощающей стенки И др.

Если измеряется падающая мощность, то относительная по­грешность выражается в виде

А ^ЯаМ Лист к [I -f- В |Г_Н|* + С I Г_н I F (фн)] Рп k Р_п

*JqP '

Лист кР_п

= В |Г_Н|« + С |Г_Н| F(_Фн) = А<п + А<²>. (6.5)

Как и погрешность ваттметра поглощаемой мощности (6.2), по­грешность ваттметра проходящей мощности имеет два слагае­мых: первое, зависящее от |Г_Н|, может быть исключено введени­ем поправки в результат измерения, и второе, аналогичное по форме второму слагаемому в (6.2), — погрешность рассогласо­вания. Будем рассматривать измеритель проходящей мощности как измеритель поглощаемой мощности, включенный в плоскости 1-1 (рис. 6.1,в). Приравняем слагаемые А⁽²⁾_ог:

21Г_г| |Г„| со8Ф = С|Гн|^(ф„)=2|Гэ||Г„^(фн),

где Г_э = С/2 — так называемый эффективный коэффициент от­ражения.

Измерить Г_э можно, если, плавно изменяя фазу коэффициента отражения нагрузки, добиться максимума и минимума показаний ваттметра:

ip I __ Л_шах ~Ь Л_т1_п 1 -\- В |Г_н|² Лтах— Л_т1_П 21 Г_н |

Пределы изменения погрешности рассогласования составляют А⁽²⁾огтах = ±2|Г_э| j Г_н | и при равновероятной^ фазе ф_н средняя квадратическая погрешность равна а⁽²⁾_ог=]/2|Гэ| |Г_Н|.

Рассмотрим теперь погрешность рассогласования при измере­нии мощности, поглощаемой в произвольной нагрузке. Как и ра­нее, относительная погрешность выразится:

^Л°^Г л_ист АЯп(1 — |Г„|²)

Лизм —Л_ист _kPr,[l + B |ГнР + С |Гн1 Г (фн)]-*Рд(1-1Г_н|^г) ,

Лист

|Г_н|*(Я+1) . С |Г_н| Г (ф„)

(6.6)

1—|Г„|² I — I Г„ I^а

Погрешность А_ог в данном случае будет выше, чем в случае из­мерения падающей мощности.

Метрологическое обеспечение измерений мощности. Единица мощности — ватт — воспроизводится и хранится с помощью ряда Государственных спе­циальных эталонов на диапазон частот 30... 10000 МГц (коаксиальные волново­ды), 2,59 ... 37,5 ГГц и 37,5 ... 54 ГГц (прямоугольные волноводы). Воспроизво­димые уровни мощности составляют в зависимости от диапазона частот от 1 мВт до 1 Вт. СКЗ случайной погрешности S₀= (0,05... 0,3) %, а НСП 0_О=* = (0,1 ... 0,5) %. Эталоны выполнены на основе терморезисторного и калоримет­рического методов. Порядок передачи единицы мощности от эталона образцо­вым и далее рабочим средствам устанавливается государственной поверочной схемой для средств измерения мощности. Поверочной схемой, в частности, пре­дусматривается: если поверяемый ваттметр поглощаемой мощности, то образ­цовый ваттметр, с помощью которого осуществляется поверка, должен быть ваттметром проходящей мощности соответствующей точности.

Калориметрический метод измерения мощности СВЧ состоит » рассеянии всей измеряемой мощности на калориметрической на­грузке (рабочем теле) и измерении скорости выделения тепло­вой энергии тем или иным способом. Калориметрический ватт­метры (калориметры) являются ваттметрами поглощаемой мощ­ности (группа М3), а калориметрическая нагрузка представляет собой эквивалент той реальной нагрузки, мощность в которой из- меряется.

Существует большое разнообразие типов и конструкций кало­риметров. Прежде всего, различают калориметры переменной № постоянной температуры. В первых рассеяние мощности СВЧ со­провождается повышением температуры рабочего тела, а в дру­гих— температура остается постоянной, что достигается погло­щением тепла веществом, окружающим тело, за счет изменения агрегатного состояния вещества, либо поглощением тепла спе­циальным холодильным элементом, либо соответствующим умень­шением предварительно введенного подогрева. И хотя калори­метры постоянной температуры реализованы в приборах и успеш­но применяются, как, например, калориметр с холодильным эле­ментом на основе эффекта Пельтье используется в качестве первич­ного эталона мощности в миллиметровом диапазоне волн, значи­тельно большее распространение получили калориметры перемен­ной температуры.

Если в рабочем теле калориметра выделяется мощность Р, то часть ее идет на повышение температуры 0 тела, а часть те­ряется за счет теплопроводности, конвекции и теплоизлучения. Обозначим Я_т —тепловое сопротивление между рабочим телом и окружающей средой. Тогда уравнение теплового баланса мож­но записать в виде

(6.7)

где с — теплоемкость рабочего тела.

В установив-

Первое слагаемое представляет собой тепловую мощность, иду­щую на повышение температуры, второе — на потери.

Решение (6.7) имеет вид 0

шемся режиме (t^$>R_rc)Q = Р/Я_т, т. е. энергия, поступающая в ка­лориметрическое тело, полностью идет на потери, а разность тем­ператур прямо пропорциональна рассеиваемой мощности. Если достигнута идеальная теплоизоляция /?_т-»-оо, уравнение (6.7) при­нимает вид P = cdQ/dt. Мощность пропорциональна скорости на­растания температуры. Мы имеем случай адиабатического кало­риметра. Уравнение же (6.7) описывает процессы в неадиабати­ческом калориметре.

Остановимся на неадиабатических калориметрах переменной температуры, как имеющих наибольшее распространение. Они разделяются на проточные (циркуляционные) и статические.

Проточные калориметры. В проточных калориметрах роль ра­бочего калориметрического тела, нагрев которого характеризует рассеиваемую мощность СВЧ, играет протекающая с постоянной скоростью жидкость. Жидкость нагревается либо непосредствен­но энергией СВЧ, либо от твердой поглощающей нагрузки.

- Наружный, лробо&ник

СВЧ

\ \ СВЧ-резистор

Внутренний проводник коаксиальной линии

Вь/ход

жидкости

Диэлектрическая Блок индикации

гпрудка разности температур

Рис. 6.2

На рис. 6.2 схематически показано устройство проточного ка­лориметра.

Мощность СВЧ рассеивается на твердой поглощающей на­грузке, через которую протекает жидкость. Жидкость нагревает­ся. На входе и выходе нагрузки возникает разность температур, которая измеряется блоком термопреобразователей. Нагрузка конструируется так, чтобы вся энергия СВЧ рассеивалась в ней без отражений. Для этой цели нагрузке придают форму, обеспе­чивающую согласование с линией передачи. Кроме того, в на­грузке должен быть обеспечен хороший тепловой контакт с про­текающей жидкостью. В качестве жидкости часто выбирают воду. Вода является идеальной калориметрической жидкостью, так как она без ощутимых потерь отдает поглощенную ранее тепловую энергию. Недостатком воды является большая удельная теплоем­кость, что приводит к низкой чувствительности калориметра. Для повышения чувствительности в качестве калориметрической жид­кости выбирают, например, кремнийорганическую жидкость, об­ладающую меньшей теплоемкостью. Вода имеет очень хорошие поглощающие свойства в диапазоне СВЧ (выше 500 МГц). По­этому известны нагрузки, в которых вода выполняет функции и поглотителя энергии СВЧ и переносчика тепла от нагрузки к блоку измерения разности температур. В проточном калориметре, 150 показанном на рис. 6.2, применена вода, но она в основном игра­ет роль переносчика тепла.

Выразим превышение .температуры жидкости на выходе на­грузки, полагая, что температура жидкости на входе имеет тем­пературу окружающей среды. Обозначив скорость протекания жидкости V, м³/с, плотность жидкости d, кг/м³, удельную тепло­емкость с, Дж/(кг-°С), разность температур 0 записываем в виде

0 = Рсвч/«^. (6-8)'

Принципиально это выражение можно было бы взять в качестве уравнения измерения. Однако это привело бы к большим погреш­ностям. Ведь в формуле (6.8) не учитываются тепловые потери, которые имеют место в калориметрической нагрузке вследствие теплопроводности, конвекции, теплоизлучения. Скорость протека­ния жидкости (расход жидкости) должна поддерживаться посто­янной. Параметры cud, зависящие от температуры, должны быть точно известны. Поэтому, если вести речь о высокой точно­сти, то при измерениях следует реализовать метод сравнения. По­ток жидкости разделяют поровну на два: один проходит через нагрузку, а в другой помещают нагреватель (резистор), который нагревается постоянным или низкочастотным током. Нагреватель конструируют так, чтобы равные мощности СВЧ Рсвч и постоян­ного тока Р= приводили к одинаковой разности температур. Не­равенство разности температур при равных мощностях является свидетельством неэквивалентности замещения мощности СВЧ мощностью постоянного тока, что, в свою очередь, является след­ствием неодинаковости распределения источников тепла в этих двух случаях. Нагреватель в большинстве случаев располагают в СВЧ-нагрузке. Добиться полной эквивалентности замещения мощ­ности СВЧ-мощностью постоянного тока не удается. Поэтому ура­внение измерения записывают, как Рсвч =Р=. ^а неэквивалент­ность замещения оценивают как одну из систематических погреш­ностей. Равенство достигается изменением мощности Р= и реги­стрируется по нулевым показаниям прибора в цепи термопар.

Проточные калориметры, как правило, — это ваттметры боль­шой мощности. Однако имеются проточные калориметры на сред­ние уровни мощности 10 мВт... 10 Вт. В качестве примеров се­рийных проточных калориметров можно привести приборы МЗ-48 (водяной калориметр с коаксиальным входом обеспечивает из­мерение средней мощности 60... 6000 Вт в диапазоне частот 0,001 ... 1,6 ГГц с пределом допускаемой погрешности 4,0 ...7%); МЗ-47 (водяной волноводный калориметр на пределы измерений

10. . 1000 Вт, работающий в диапазоне частот 5,64 ... 37,5 ГГц с допускаемой погрешностью 4,0... 5,0%); МЗ-11А (калориметр, в котором в качестве переносчика тепла используется кремнийорга- ническая жидкость, обеспечивает измерение мощности 0,01 ... 10 Вт в диапазоне частот 0,001 ... 11,5 ГГц с допускаемой погрешностью около 7,0%).

й 10

щ

Д-4 =&

г s в 1 Рис. 6.3

Статические (сухие) калориметры. В статических калоримет­рах рабочее калориметрическое тело, где энергия СВЧ-колебаний превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерения не изменяет формы и физических свойств. Рабочим телом может служить жидкость, а также твердые объемные или пленочные поглотители. При использовании твердых поглотителей калори­метры называют сухими.

Статические сухие калориметры принципиально могут быть созданы в диапазоне волн от метровых до децимиллиметровых. Обобщенная конструкция калориметра схематически показана на рис. 6.3. Она состоит из отрезка волноводной линии передачи с установленной в нем поглощающей нагрузкой 1. С помощью бло­ка термопар 2 и индикаторного прибора 3 индицируется повыше­ние температуры нагрузки, обусловленное рассеиванием измеряе­мой мощности, относительно некоторого тела 4, по конструкции идентичного нагрузке 1. Для калибровки калориметра на постоян­ном либо низкочастотном токе на поглощающей нагрузке устана­вливается нагреватель 5, конструкция которого обеспечивает эк­вивалентность замещения мощности СВЧ мощностью постоянного или низкочастотного тока. Вся система заключается в металли­ческий экран 6, обладающий большой теплоемкостью для умень­шения влияния изменений температуры окружающей среды. За мощность СВЧ принимается мощность постоянного тока, вызы­вающая такие же показания индикатора в цепи термопар. При создании статических калориметров необходимо выполнить ряд альтернативных требований. Например, для обеспечения хороше­го согласования нагрузки в диапазоне частот последняя должна иметь достаточную протяженность вдоль линии. С другой сторо­ны, для достижения необходимой чувствительности и приемлемо­го времени измерения поглощающая нагрузка и отрезок линии пе­редачи должны обладать малой теплоемкостью и большим теп- лосопротивлением относительно окружающей среды. Для этого размеры нагрузки 1 и тела 4 должны быть достаточно малыми, а

отрезки волновода 7 и 8 тонкостенными и выполненными из пло­хо проводящего тепло металла (например, никеля). Для уменьше­ния влияния изменений температуры окружающей среды на по­казания прибора специальным конструированием добиваются ра­венства тепловых сопротивлений между нагрузкой 1 и внешним отрезком линии передачи 9, с одной стороны, и телом 4, относи­тельно которого индицируется температура нагрузки, и внешним отрезком линии передачи, с другой. Более того, постоянные вре­мени нагрева нагрузки и указанного тела со стороны внешней ли­нии должны быть равны. Измерение можно строить на основе ме­тода сравнения. Мощность постоянного тока подается не в на­греватель 5, а в нагреватель 10, расположенный в теле 4. За мощность СВЧ принимается мощность постоянного тока, при ко­торой показания индикатора в цепи термопар будут равны нулю. Процесс балансировки автоматизируют. Для этого предусматри­вается усиление сигнала от термопар одной полярности и подача его на нагреватель 10. Применение автоматической балансировки позволяет уменьшить время измерения за счет того, что процесс уравновешивания происходит одновременно с нагревом СВЧ-на- грузки, а постоянные времени обеих нагрузок равны. Однако в этом случае будет иметь место составляющая погрешности, обу­словленная неодинаковостью нагрузок.

Статические калориметры характеризуются коэффициентом

. . и ^пр свч ^и/^рсвч . ^рнч

эффективности — , _11/р — _р »

пр НЧ ^У//НЧ СВЧ

где £_прсв_ч, kap нц —коэффициенты преобразования при нагреве СВЧ и низкочастотным напряжением, U — напряжение на выхо­де термопар. Коэффициент определяется неэквивалентностью теп­ловых потерь при нагреве СВЧ и низкочастотным током, обуслов­ленной неодинаковым распределением тепловых источников. Эк­спериментально коэффициенты находят с помощью образцовых ваттметров проходящей мощности, измеряющих Рсвч-

Мощность СВЧ находят по формуле Рсъц = Рнч!к_э = и11г_и?нчк_э. Оказывается возможным создать коаксиальные и волноводные статические калориметры с приемлемой инерционностью (до 1 мин).

Составляющими погрешностей при методе непосредственной оценки является: погрешность калибровки на постоянном токе или низкой частоте, погрешность, обусловленная отражением от нагрузки, погрешность, обусловленная неточностью определения коэффициента эффективности, погрешность измерения выходного напряжения.

На основе статических калориметров созданы образцовые и рабочие ваттметры СВЧ. Образцовые ваттметры в диапазоне

0. ...18 ГГц позволяют обеспечить измерение средних мощностей

1. ...100 мВт с погрешностью менее 0,5%. В качестве примера се­рийных статических СВЧ калориметров можно привести приборы МЗ-54, МЗ-56, МЗ-62, M3-63, которые обеспечивают измерение средних мощностей в пределах 0,1 мВт... 100 Вт в диапазоне 0 ... 18 ГГц с погрешностью 4... 6% в коаксиальных и волноводных трактах.

6.3. ТЕРМОРЕЗИСТОРНЫЙ МЕТОД

Терморезисторный метод состоит в том, что измеряемая мощ­ность СВЧ рассеивается на термочувствительном резисторе. Вы­деляющееся тепло изменяет его сопротивление. Это изменение со­противления сравнивается с изменением сопротивления под влия­нием мощности постоянного или низкочастотного тока, вызываю­щей такое же изменение сопротивления.

Термочувствительный резистор (терморезистор или болометр) включают в СВЧ приемный преобразователь, в котором создают­ся условия для рассеяния на нем всей измеряемой мощности, как на оконечной нагрузке.

Терморезистор включается также в мостовую схему, работа­ющую на постоянном или низкочастотном токе. Мостовая схема обеспечивает питание терморезистора постоянным или низкочас­тотным током и измерение изменений сопротивлений под воздей­ствием СВЧ-колебаний и постоянного или низкочастотного тока.

Таким образом, основными элементами и узлами терморези­сторного ваттметра являются терморезистор, приемный преобра­зователь и низкочастотные измерительное п отсчетное устройство.

5~КОр/7ус

Рис. 6.4

Терморезисторы представляют собой бусинки диаметром 0,2 ... 0,5 мм или цилиндры диаметром 0,2... 0,3 мм и длиной 1 ... 1,5 мм (рис. 6.4,а, б, в), выполненные из полупроводниковой массы, состо­ящей из смеси окислов меди, марганца, кобальта, титана, спека­нием в специальных условиях. Для включения в электрическую цепь предусматриваются тонкие платиновые выводы диаметром 25 ...50 мкм. Чтобы обеспечить жесткость конструкции, терморези­

сторы помещают в стеклянный баллон диаметром до 3 мм, дли­ной до 10 мм с проволочными выводами диаметром 0,8 мм (рис.

4. г). Применяются также безбаллонные терморезисторы (рис.

4. <3). Терморезисторы имеют отрицательный температурный ко­эффициент сопротивления.

Рис. 6.5

. 1 - конта кты,

Z - терм о чубстбитель - пая пленка,

J - диэлектрическая подложка,

4 - яитебиднь/й долометр

Болометры представляют собой металлические термочувстви­тельные элементы. Они имеют положительный температурный ко­эффициент сопротивления. Болометры выполняются в виде тон­кой платиновой проволоки диаметром примерно 1 мкм или тон­кой пленки из платины, нанесенной на слюду в вакууме. На рис.

4. а показан пленочный болометр для включения в коаксиаль­ную линию, а на рис. 6.5,6 — в волноводную. Получили распрост­ранение нитевидные пленочные болометры. В них основанием служит нить из стекловолокна диаметром в несколько микромет­ров, на которую наносится тонкий слой платины. Нитевидные бо­лометры выполняют в виде конструктивно завершенного узла — вставки (см. рис. 6.5,в, где изображена конструкция терморезис­торной вставки для коаксиальной линии). Основные параметры терморезисторов и болометров: сопротивление в рабочей точке R_T, температурный коэффициент сопротивления

, !/°С, чувствительность S_p = dR/dP, Ом/Вт, максн-

мальная допустимая мощность Рсрт, тепловая постоянная време­ни т, с.

И терморезисторы, и болометры применяют для измерения ма­лых уровней средней мощности непрерывных и импульсно-модули- рованных колебаний. Терморезисторы более чувствительны и бо­лее устойчивы к перегрузкам благодаря отрицательному темпера­турному коэффициенту сопротивления. Болометры обладают ма­лой постоянной времени и поэтому применяются для измерения малых уровней импульсной мощности. Стабильность параметра

проволочных болометров позволяет применять их в образцовой .аппаратуре. Пленочные болометры позволяют увеличить верх­ний предел измеряемых мощностей до 1 Вт.

Приемные преобразователи. Применяются коаксиальные и вол­новодные приемные преобразователи. Приемный преобразователь состоит из отрезка соответствующей линии передачи с включен­ными одним или двумя терморезисторами или болометрами. На­значение приемного преобразователя—согласование линии пере­дачи с терморезисторами и обеспечение подключения в низкочас­тотную измерительную схему, а также размещение и включение термокомпенсационного терморезистора.

7 2 J 4 5

о

Рис. 6.6

На рис. 6.6 показана упрощенная конструкция коаксиального приемного преобразователя с одним терморезистором 5, который включен в центральный проводник 2 короткозамкнутого отрезка коаксиального волновода. Один вывод терморезистора соединен с короткозамыкающей заглушкой преобразователя 6, которая об­разует с наружным проводником 1 коаксиальной линии, благо­даря прокладке 4, конденсатор С1. Другой вывод терморезистора через дроссель 3 в виде спирали, расположенной в плоскости по­перечного сечения коаксиального волновода, соединен с наруж­ным проводником. На рис. 6.6,а показаны выводы для включения преобразователя в мостовую схему, а на рис. 6.6,6 его эквивалент­ная схема. На СВЧ-дросссль L1 является большим реактивным сопротивлением и не вносит отражений в тракт. На низкочастот­ном же токе сопротивление его ничтожно.

Сопротивление конденсатора на СВЧ во много раз меньше сопротивления терморезистора, а на низкой частоте — очень ве­лико. Дроссель, по сути, определяет рабочий диапазон преобразо­вателя. Его рассматривают как короткозамкнутый шлейф, вклю­ченный параллельно линии. При определенных длинах проволо­ки дросселя наблюдаются резонансы, при которых сильно шунтируется линия, возрастает КСВ. Дроссель выбирают такой длины, чтобы его низшая резонансная частота была выше верх­ней частоты рабочего диапазона преобразователя.

Согласование терморезистора с линией достигается осевым пе­ремещением его в преобразователе и изменением рабочего сопро­тивления терморезистора током подогрева.

Приемные преобразователи имеют КСВН менее 1,5 в рабочем диапазоне частот. В целях лучшей взаимозаменяемости терморе­зисторов в приемных преобразователях П.П. Шаровым [3] разра­ботаны конструктивно завершенные узлы — терморезисторные вставки (рис. 6.4,д), в которых используют­ся безбалловные терморезисторы.

i

мос/noffou

схеме

tn>-

Рис. 6.7

Для обеспечения термокомпенсации приемные преобразователи содер­жат два терморезистора или две вставки: первый — рабочий, вклю­ченный во внутренний проводник коаксиального волновода, другой — термокомпеноационный, установлен­ный на приемном преобразователе вне СВЧ-тракта в месте, нахо­дящемся в одинаковых температурных условиях с рабочим.

Понятны стремления разработчиков исключить из приемного преобразователя дроссель. Это достигается применением двух идентичных термочувствительных элементов, включенных в ли­нию передачи параллельно, а в измерительную цепь — последова­тельно. Для этой цели разработаны теплосвязанные сдвоенные терморезисторы, имеющие три вывода (рис. 6.4,в). На их основе созданы вставки. На рис. 6.5,в показана болометрическая коакси­альная вставка, использующая два нитевидных болометра.

На рис. 6.7 схематически показана конструкция волноводного приемного преобразователя. В волноводе применяется ступенча­тый или плавный переход 1 для согласования терморезистора 2 с характеристическим сопротивлением волновода. Терморезистор включен во внутренний проводник отрезка короткозамкнутого коаксиального волновода 3. С помощью короткозамыкателей ком­пенсируются реактивности выводов терморезистора. Наружный проводник верхней части отрезка коаксиального волновода 3 изо­лирован от корпуса прокладкой 4. Образующийся конденсатор представляет собой ничтожное сопротивление для токов СВЧ. Та­ким образом, один вывод терморезистора через короткозамыка- тель 5 по низкой частоте замыкается на корпус, а другой — не имеет контакта с корпусом. Загрушка 6 располагается от термо­резистора на расстоянии ~/._в/4, благодаря чему он оказывается в пучности электрического поля. Для лучшего согласования в уз­кой полосе частот в плоскость заглушки вводится диэлектричес­кий стержень с металлической пластинкой на конце. Недостаток рассмотренной конструкции состоит в сложности регулировки, ко­торую надо производить при каждой смене терморезисторов.

На рис. 6.8 упрощенно показана конструкция, в которой ука­занные недостатки устранены. Терморезистор установлен в волно­водной вставке 2, имеющей форму П-образного волновода. Волно­вод 1 имеет плавный переход для согласования со вставкой. Один конец терморезистора 3 приварен к корпусу вставки, другой — к контакту 5, изолированному прокладкой 6 от корпуса вставки 2.

Рис. 6.8

3

5 Z

и

1 6 Z

Волнсбодная

терморезисторная

ffcmaffna

Конденсатор, образованный между контактом 5 и корпусом встав­ки, имеет ничтожное сопротивление токам СВЧ. Для согласования сопротивления терморезистора с волноводом предусмотрен плав­ный переход от прямоугольного волновода к П-образному, имею­щему характеристическое сопротивление, близкое к рабочему со­противлению терморезистора. Вставка прижимается к волноводу заглушкой 4. Расстояние от плоскости заглушки до терморезисто­ра оказывает влияние на качество согласования.

На основе рассмотренной конструкции созданы приемные пре­образователи М5-40... М5-45, которые пятью приборами перекрыва­ют диапазон частот 5,64... 37,5 ГГц. КСВН преобразователей не превышает 1,7; при этом не производится никаких регулировок.

Приемный преобразователь характеризуется входным КСВН и коэффициентом эффективности к_э = Р₌/Р_свЧ , где — мощ­ность постоянного или низкочастотного тока, вызывающая то же изменение сопротивления терморезистора, что и мощность Рсвч*

Коэффициент эффективности определяется неэквивалент­ностью замещения, т. е. неодинаковым распределением тепловых источников при нагреве СВЧ и низкочастотным током. При на­греве СВЧ токи протекают не только в терморезисторе, айв стенках линии передачи, в соединителях, в различных контактах.

Кроме этого, существенно различаются процессы протекания токов через болометры н терморезпсторы. Низкочастотный ток равномерно протекает через толщу терморезисторов, токи СВЧ текут по поверхности. Именно для уменьшения этих различий терморезисторы выполняются в виде тел малого объема, а пле­ночные болометры — малой толщины.

На основе конструкций, подобных рассмотренным, созданы се­рийные коаксиальные и волноводные терморезисторные прием­ные преобразователи, перекрывающие диапазон частот 0,03... ...78,3 ГГц девятью приборами (М5-40... М5-89). Входной КСВН не превышает 1,7, а для М5-50 (сечение волновода 3,6X1,8 мм²) — не более 2. Коэффициент эффективности составляет 0,7... 1,05, а для М5-49 и М5-50 — не меиее 0,5.

Мостовые схемы. Основное назначение мостовой схемы состо­ит в измерении мощности постоянного или низкочастотного тока, замещающей мощность СВЧ, т. е. приводящей к такому же из­менению сопротивления терморезистора.

Рис. G.9 Рис. 6.10

Простейшей измерительной схемой является резистивный мост Уитстона, в одно из плеч которого включено сопротивление тер­мочувствительного резистора, например терморезистора (рис. €.9). Терморезистор RK1 одновременно включается как оконечная нагрузка в линию передачи. Сопротивления резисторов Rl, R2, R3 выбирают такими, чтобы при данном напряжении источника питания терморезистор обладал заданным значением сопротив­ления постоянному току R_T. Балансируется мост изменением тока питания.

Рассмотрим сначала режим неуравновешенного моста. При подведении к терморезистору RK1 мощности СВЧ сопротивление его изменяется, мост разбалансируется, гальванометр Р за­фиксирует величину тока разбаланса /_р. Из теории мостовых схем известно, что при малом разбалансе имеет место линейная зависимость между током в диагонали и изменением сопротивле­ния терморезистора, а следовательно, и мощностью СВЧ.

Можно записать Рсъч~к1_р, где k — коэффициент пропорцио­нальности, который можно определить калибровкой. Рассмотрен­ная схема пригодна для индикации мощности, но не для точных измерений. Недостатки связаны с малым динамическим диапа­зоном, рассогласованием СВЧ-тракта при изменении сопротив­ления терморезистора, изменением чувствительности моста в диа­пазоне температур окружающей среды. Поэтому применяют ре­жим уравновешенного моста. При разбалансе моста под действи­ем мощности СВЧ баланс восстанавливается уменьшением мощ­ности постоянного тока в данном плече. Сопротивление терморе­зистора R_r принимает прежнее значение. Мощность СВЧ можно рассчитать по формуле

Рсвч =Ят(/²1-/²2), (6.9)

где /_ь /₂ — токи через терморезистор при начальной и повторной

балансировке.

Точность измерения с использованием (6.9) низка, если токи мало отличаются друг от друга. Целесообразнее измерять непо-

средственно изменение тока питания терморезистора АI. Мощ­ность в (6.9) можно выразить через А/:

/’СВЧ = (2/,-Л/)Д//?_т. (6.10)

Прибор, измеряющий ток Д/, можно проградуировать в значени­ях мощности Рсвч • Измерительные схемы, по сути дела, разли­чаются способами измерения А/. Чтобы измерение в соответствии с выражением (6.10) было более точным, применяют комбиниро­ванный подогрев постоянным и переменным током, а разбаланс моста регистрируют на постоянном токе.

На рис. 6.10 изображена схема измерителя мощности с шун­том, позволяющая измерять изменение тока через терморезистор. Мост питается от источника постоянного тока (Ri^>R_M), а на терморезистор подается также напряжение низкочастотного тока. Ключ S1 при начальной балансировке разомкнут. От источника постоянного тока схема потребляет ток 2/о, начальная баланси­ровка осуществляется изменением тока питания терморезистора от источника низкочастотного тока. Под действием мощности СВЧ сопротивление терморезистора уменьшается, мост разбалан­сируется. Замыкают ключ SI и, изменяя Р_ш и постоянный ток через терморезистор, восстанавливают баланс моста.

Ток через сопротивление шунта можно при равных сопротив­лениях моста записать, как /_ш = 2/₀—2Л = 2Д/, где Л— ток через терморезистор после повторного баланса, откуда

Л/= Ли/2.

Шкала амперметра в цепи шунта может быть проградуирована в значениях мощности СВЧ.

В приборах применяются схемы с автоматической балансиров­кой моста (автобалансные схемы). Так, в измерителе (рис. 6.10) автоматический баланс моста может быть достигнут, если сопро­тивление шунта сделать электрически управляемым от напряже­ния в диагонали моста.

Важным фактором, влияющим на точность терморезисторных ваттметров, является изменение температуры окружающей сре­ды. В автоматических ваттметрах необходимо также уменьшать влияние температуры окружающей среды. Существуют для этого два пути — термостатирование и создание термокомпенсационных схем. Первый значительно усложняет конструкции приемных пре­образователей, время прогрева достигает 2 ч. Поэтому чаще предпочтение отдают применению термокомпенсационных схем.

Для термокомпенсации обычно используют компенсационные мосты, в которые включают компенсационный терморезистор, идентичный рабочему.

На рис. 6.11 показано устройство автобалансного моста с тер­мокомпенсацией. Он состоит из двух симметричных мостов — ра­бочего и опорного (компенсационного). Оба моста питаются от самостоятельных идентичных источников, имеющих системы сле­жения, автоматически поддерживающие баланс мостов. Токи пи-

танин мостов протекают через образцовые потенциометры R1 и R2, а затем через неподвижные катушки отсчетного электродина­мического прибора в таком направлении, что магнитные поля сум­мируются. При идентичных терморезисторах RK1 и RK2 и про­чих элементах схемы токи будут равны. В этом случае потенциа­лы в точках А и В при одинаковом положении потенциометров будут равны и ток в подвижной катушке будет отсутствовать.

При воздействии мощности СВЧ на рабочий терморезистор баланс рабочего моста нарушается. Напряжение разбаланса, воз­никающее в диагонали моста, подается на регулируемый источ­ник питания, изменяющий ток питания до восстановления балан­са. В этом случае между точками А и В возникает разность по­тенциалов и в подвижной катушке электродинамического прибо­ра возникает ток, пропорциональный изменению тока А/ в рабо­чем терморезисторе RKJ. В неподвижной катушке, связанной с рабочим мостом, ток уменьшится на величину А/ и будет пропор­ционален /1—А/. В катушке, связанной с компенсационным мос­том, остается прежний ток, пропорциональный 1_{.

Тогда показания электродинамического прибора, пропорцио­нальные произведению токов в подвижной и неподвижной катуш­ках, будут равны мощности замещения: Р_свч —P₌ = k(2I_{—Д/)Д/.

При изменении температуры окружающей среды следящие сис­темы источников питания изменяют токи питания обоих мостов настолько, что баланс их сохраняется. Новые значения токов че­рез рабочий и компенсационный терморезисторы будут одинако­выми. Токи, протекающие через неподвижные катушки отсчетно-

го прибора, также будут одинаковыми. Следовательно, разность потенциалов между точками А и В будет равна нулю, и ток в подвижной катушке будет отсутствовать. Потенциометром R3 можно в пределах ± (20 ... 30) % скомпенсировать неидентичность терморезисторов и выравнять токи, протекающие через потенцио­метры R1 и R3 при балансе мостов. Термокомпенсационная схе­ма, подобная рассмотренной, применена в термисторном ваттмет­ре МЗ-22.

Термокомпенсационные автобалансные мостовые схемы стро­ятся в настоящее время с использованием операционных усилите­лей.

В заключение остановимся на цифровых мостовых схемах. Ко­нечно, можно заменить стрелочный измерительный прибор циф­ровым измерительным прибором. Однако это решение не единст­венное и не лучшее. Возможно построить цифровой измеритель мощности, используя питание моста импульсным напряжением прямоугольной формы. При постоянной амплитуде и длительно­сти импульсов мощность, рассеиваемую на терморезисторе, мож­но изменять, регулируя частоту следования импульсов. Следо­вательно, мощность замещения можно представить как изменение частоты следования импульсов.

Погрешность терморезисторного ваттметра включает следую­щие составляющие: погрешность измерения мощности замещения (погрешность измерительной схемы) 61 = ± (0,5 ... 1,5) %; погреш­ность определения коэффициента эффективности приемного пре­образователя 62= ± (2 ... 5) % ; погрешность, обусловленная дрей­фом нуля, 6₃~0,5 мкВт за полминуты; погрешность за счет от­ражения мощности от приемного преобразователя, если в резуль­тат измерения вносят поправку на отраженную мощность, 64 = = ±0,5%; погрешность рассогласования 65, ее рассчитывают по формуле (6.3).

Без учета погрешности, обусловленной рассогласованием, тер­морезисторный метод обеспечивает измерение мощности с по­грешностью менее 3... 10%.

Терморезисторные преобразователи проходящей мощности.

Болометрические ваттметры проходящей мощности на основе проволочных болометров из платины или вольфрама созданы как образцовые приборы, предназначенные для поверки и градуиров­ки волноводных ваттметров среднего и большого уровня мощно­сти. На рис. 6.12 упрощенно показана конструкция болометриче­ского волноводного преобразователя проходящей мощности.

Для обеспечения широ­кополосного согласования применяется многоэлемент­ный преобразователь. Поло­жение болометров вдоль оси волновода определяет качество согласования, а их положение относительно оси волновода — динамический диапазон. Чем ближе рас­положены болометры к

центру волновода, тем выше чувствительность и меньше верхний предел измеряемой мощности.

В схему измерительного моста болометры включаются не ин­дивидуально, а все вместе в общий мост. Особенностью преобра­зователя является возможность градуировки на основе измере­ния мощности постоянного тока, замещающей мощность СВЧ, и измерения коэффициентов матрицы рассеяния Shi болометриче­ского преобразователя.

Полезно рассмотреть принцип неэквидистантного расположе­ния болометров, при котором обеспечивается минимум модуля собственного коэффициента отражения и минимальная зависи­мость показаний от фазы коэффициента отражения нагрузки. Этот принцип развит советским ученым А. И. Механниковым и успешно применяется при конструировании многоэлементных из­мерительных преобразователей различного типа. Согласно этому принципу, болометры располагаются вдоль оси волновода сле­дующим образом. Два болометра 1 и 2 располагают на расстоя­нии L1 (рис. 6.13). Такая же пара болометров 3 и 4 располагает­ся на расстоянии L2 относительно первой. Четверку болометров 5 ... 8 располагают на расстоянии L3 относительно четверки 1 ... 4 и т. д. Расстояние между началами решеток рассчитывают по формуле

^лг;₊„₍,Л_/(,_+|)- «МО

где t=l,2,... ; Xi — i-й корень полинома Чебышева п-й степени; П ЧИСЛО решеток; q = XвтаАтШ.

Общее число болометров N = 2ⁿ. Значение N должно удовлет­ворять следующему условию:

<g(2/О)

я q—1

4 g+1

3,3

Jg лг>

где D — заданная эквивалентная направленность, отношение па­дающей на нагрузку мощности «а выходе преобразователя к от­раженной мощности на входе. Например, хорошие результаты да­ет N=16 при каскадном соединении двух решеток 3-го порядка (м=3), КСВН такого преобразователя (диаметр вольфрамовой проволоки 6 мкм) в диапазоне частот 5,6... 7,0 ГГц в волноводе .35X15 мм не превышает 1,06.

Соотношение, связывающее параметры преобразователя с мощностью на выходе при согласованной нагрузке, представляют в виде

Р

Рзам I *-*121²

^вых_ Hjvd-ISnl*— ISial^a) ^зам’

где |Sfcj| —модуль коэффициентов матрицы рассеяния преобразо­вателя, Рзам — мощность замещения постоянным или низкочас­тотным током; Рпогл — мощность, поглощенная в преобразовате­ле, T)N = P зам /Р ПОГЛ коэффициент преобразования, значения кото­рого лежат в пределах 0,70... 0,97; а — калибровочный коэффи­циент.

Очевидно, параметры t]jv, |5лг|, а следовательно, и а зависят от числа болометров и их рабочего сопротивления. Оказывается возможным путем измерения JSw| при двух рабочих сопротивле­ниях болометров R1 и R2 (| owl*¹) и |Sfii| )*²⁾ и соответствующего расчета т]^ по эквивалентной схеме, представляющей болометры как индуктивные стержни в прямоугольном волноводе, опреде­лить а.

Источниками систематических погрешностей являются: нерав­номерное распределение потерь из-за неодинаковости болометров между собой и затухания колебаний вдоль волноводного тракта; неравномерное поглощение мощности СВЧ-болометрами из-за на­личия отраженных волн, обусловленных несогласованностью на­грузки, и взаимным влиянием болометров друг 'на друга; неэкви­валентность замещения мощности СВЧ мощностью постоянного тока, связанная с неравномерным распределением СВЧ-тока в Поперечном сечении болометров и вдоль его длины; отличие полно­го сопротивления болометров от их модели — индуктивного стерж­ня в волноводе.

Кроме того, будет иметь место инструментальная погрешность, содержащая в общем случае как систематическую, так и случай­ную погрешность (погрешность измерения замещающей мощнос­ти). Суммарная погрешность болометрического ваттметра не пре­вышает ±1,5%.

Исследования показывают, что наивысшая точность реализуется при измеряемых уровнях мощности 0,01 ... 100 Вт.

Термоэлектрический метод состоит в преобразовании энергии СВЧ в тепловую непосредственно на высокочастотном термопреоб­разователе прямого или косвенного нагрева и измерении возникаю­щей в результате нагрева термо-ЭДС, пропорциональной рассеи­ваемой мощности. Таким образом, термопреобразователь при ре­ализации данного метода выполняет одновременно две функции — поглощающей нагрузки и дифференциального термометра.

Мощность СВЧ, рассеиваемую на термопреобразователе, мож­но выразить, как Р_сец = ^ет/&прсвч , где е_т — термо-ЭДС, &_np{§ ⁰— коэффициент преобразования на СВЧ, выражаемый обычно в м В/м Вт.

Термоэлектрический метод применяется для измерения сред­него значения непрерывных и импульсно-модулированных колеба­ний. Так как термо-ЭДС определяется разностью температур меж­ду спаями термопар, которая в отсутствие мощности СВЧ близка к нулю, влияние температуры окружающей среды ничтожно. По­этому измерительные устройства не содержат схем температур­ной компенсации. При высокой чувствительности термопреобра­зователей термоэлектрические приемные преобразователи могут работать непосредственно с магнитоэлектрическим прибором.

Термоэлектрический метод может быть реализован двумя пу­тями: в виде ваттметров поглощаемой и проходящей мощности.

Термоэлектрические ваттметры поглощаемой мощности. К приемным термоэлектрическим преобразователям ваттметров предъявляются следующие требования: хорошее согласование с трактом СВЧ в диапазоне частот, близкое к единице значение ко­эффициента эффективности в диапазоне частот и уровней сигна­ла, высокий коэффициент преобразования, устойчивость к пере­грузкам и воздействию внешних факторов.

В применении к термо-преобразователям коэффициент эффек­тивности равен &э=&прсвч/£прнч> ^гД^е ^прсвч — коэффициент пре­образования на СВЧ, &прнч — коэффициент преобразования на низкой частоте.

Отличие k_a от единицы обусловлено тем, что не вся мощность СВЧ рассеивается на термопреобразователе, часть ее теряется в соединителях, в стенках преобразователя и т. д. Этот параметр очень важен, поскольку калибровка термопреобразователей по­глощаемой мощности осуществляется на низкой частоте.

На рис. 6.14 показана конструкция коаксиального термопре­образователя поглощаемой мощности. Блок из двух дифференци­альных термопар выполняется в виде термоэлектрической встав­ки, подобной болометрической коаксиальной вставке, показанной на рис. 6.5,в. Вместо болометра между электродами I (рис. 6.5,в) укрепляются с помощью проводящей пасты пленочные нитевид­ные термопары. Средний участок тонкой стеклянной нити пере­крывается слоями из разнородных материалов, образующих тер­мопары. При протекании тока этот участок нагревается и на кон-

цах термопары возникает термо-ЭДС. Чтобы повысить коэффи­циент преобразования, ветви термопар наносят с небольшим за­зором, а в зазор напыляется резистивный слой. Этим достигается значение сопротивления, необходимое для согласования, кроме того, выделяющееся тепло концентрируется на коротком участ­ке резистивного слоя, и температура спаев (положительная ветвь термопары — резистор и резистор — отрицательная ветвь) повы­шается. Применение резистивного слоя существенно расширяет возможности изменения параметров термоэлементов.

Материалы для термопреобразователя выбирают из условия получения линейной температурной зависимости термо-ЭДС, ма­лого температурного коэффициента сопротивления и высокой чув­ствительности. Применяют термопары висмут-сурьма, копель- сурьма, хромель-копель. По постоянному току термопары, входя­щие в блок, соединяются последовательно, а по высокой часто­те— параллельно (см. рис. 6.14,6). Это достигается конструкци­ей вставки и приемного преобразователя. В центральном провод­нике приемного преобразователя применена разделительная ем­кость. Вставка согласуется с трактом путем подбора размеров проточки и заглушки, а также сопротивления термопар.

В качестве измерительного блока для преобразования сигнала с выхода приемного термопреобразователя может служить микро- милливольтметр постоянного тока аналогового или цифрового типа.

Коэффициент эффективности преобразователей на частотах до 4 ГГц составляет 0,98 ...0,99% и его принимают за единицу. На более высоких частотах необходимо учитывать реальное зна­чение &_э.

Разработка пленочных нитевидных термопар была выполнена Е. А. Баймуратовым.

Погрешность измерений поглощаемой СВЧ-мощности при ис­пользовании термоэлектрического метода имеет следующие со­ставляющие: погрешность определения коэффициента преобразо­вания на низкочастотном токе, определяемая погрешностью из­мерительных приборов 6i = ± (1 ... 2%); погрешность определения коэффициента эффективности k₃, зависящая от точности исполь-

' зуемых СВЧ-калибраторов, 62— dti(l,5... 6%); погрешность изме­рительного блока, определяемая точностью отсчетного устройст­ва и дрейфа показаний во времени 63= ±.(1 ...2%); погрешность из-за отражений от входа преобразователя, оцениваемая по (6.2).

Суммарная погрешность обычно лежит в пределах ±(2,5... ... 10) % без погрешности рассогласования.

Основные достоинства метода: малое время установления пока­заний, малая зависимость от температуры окружающей среды, возможность измерения малых уровней средней мощности.

Основной недостаток состоит в неустойчивости к перегрузкам, которая особенно проявляется при измерении импульсно-модули- рованных колебаний.

Промышленность выпускает термоэлектрические ваттметры поглощаемой мощности типа МЗ-50... М.3-60, которые перекрыва­ют диапазон частот 30... 78 300 МГц при уровнях мощности 10^_5...1 Вт и имеют основную погрешность 4...6%. Некоторые типы этих ваттметров предназначены для включения в коаксиаль­ные либо в волноводные тракты.

Термоэлектрические ваттметры проходящей мощности. В при­емных преобразователях ваттметров проходящей мощности на­шли применение термоэлектрические зонды, представляющие со­бой объемные полупроводниковые термоэлементы в виде стерж­ней, образованных двумя продольно расположенными ветвями, обладающими одна — электронной, а другая — дырочной электро­проводностью (например, сплав Te-Bi-Se и сплав Te-Bi-Sb).

Рис. 6.15

Термоэлементы представляют собой цилиндр, одна торцевая сторона которого не имеет ни электрического, ни теплового кон­такта с линией передачи и устанавливается заподлицо с внутрен­ней поверхностью линии, образуя часть поверхности волноводного тракта (рис.

6.15). Иногда для повыше­ния чувствительности на торец термоэлемента накле­ивают поглощающую плен­ку. Другой конец термоэле­мента также не имеет элек­трического контакта, но имеет хороший тепловой контакт с линией переда­чи через диэлектрическую пленку.

На рис. 6.15 схематически показана конструкция волноводного термоэлектрического ваттметра проходящей мощности с полупро­водниковыми термоэлементами, предложенная А. А. Васильевым, JI. Н. Погодиным и К. М. Швальбиной. Термоэлементы устанав­ливаются посередине широкой стенки волновода. При волне типа Ню температура тепловыделяющего спая и тер'мо-ЭДС в случае пренебрежимо малых потерь на теплоизлучение пропорциональны

квадрату 'поперечной составляющей магнитного поля и при согла­сованной нагрузке на выходе — проходящей мощности. При несо­гласованной нагрузке возникает погрешность. >

Для устранения составляющей погрешности, обусловленной зависимостью от фазы коэффициента отражения, применяют два термоэлемента, отстоящие на расстоянии W4 вдоль линии, где Я_в — длина волны в волноводе. Термоэлементы соединяются по­следовательно. С помощью магнитоэлектрического прибора ин­дицируется сумма ЭДС двух термоэлементов.

Оценим эту составляющую погрешности. ТермочЭДС в цепи двух идентичных последовательно соединенных термоэлементов, имеющих малую протяженность вдоль линии передачи н находя­щихся один от другого на расстоянии I, можно выразить как

e=ei+e₂=kP_n{l + |r_H|²+2|r_H|cos (2j3z+cp„)} +&Р_П{1 + |Г_Н|² +

+ 2|r_H|cos[2p(z-W) +ф_н]} =2&Р_П{1+ |Г_н|² + |Г_н| [cos(2pz+

+ cp_H)+cos(2pz+2pZ+(pH)]}. (6.12)

Сравним выражения (6.4) и (6.12). Для данного случая В = 1, С=1 и выражение (6.6) приобретает вид:

Д — ² 1^гн1³ , |Г_Н| [cos(2P2+<Ph) + cos(2P2 + 2р/+ (fa)) (g 131

^ог l —ir_Hi* '^r 1 —|Г_Н|» '* * ^;

При /=Я_в/4

Д_ог=!2| Гн|²/(1—|Г„|²). , (6,14)

Погрешность в данном случае не будет зависеть от фазы ко­эффициента отражения. Она может быть исключена умножением результата измерений на поправочный 'множитель, равный (1—- — |Г_н|²)/(1 + |Г_Н ²). Выражение (6.14) дает значение минимально достижимой погрешности, обусловленной несогласованной на­грузкой, для ваттметров, показания которых пропорциональны сумме сигналов последовательно соединенных термоэлементов, установленных на линии. В полосе частот погрешность будет за­висеть от ср_н.

Лучшие результаты в полосе частот имеет система четырех термоэлементов, расположенных в виде двух пар на расстоянии Я_в/4. На средней волне диапазона погрешность определяется фор­мулой (6.14). Для перекрытия широкого диапазона конструкция предусматривает возможность выбора пары термоэлементов, рас­стояние между которыми ближе к Я_в/4 для данной частоты или диапазона частот.

Одним из способов дальнейшего уменьшения погрешности, обусловленной рассогласованием нагрузки в полосе частот, явля­ется использование системы термоэлементов, образующих решет­ки, неэквидистантно расположенные вдоль линии передачи. Рас­стояние между решетками определяются выражением (6.11). Гра­дуировку термоэлектрических ваттметров проходящей мощности осуществляют по образцовому ваттметру поглощаемой мощности.

Составляющими погрешности являются: погрешность образцово­го ваттметра, погрешности градуировки, случайная погрешность стрелочного прибора, рассмотренная выше погрешность, обуслов­ленная несогласованной нагрузкой.

Ваттметры подобного типа широко используются как встроен- йые для контроля мощности в передающих трактах. Можно при­вести также пример ваттметра общего применения. Так, прибор М2-3 позволяет измерять среднюю проходящую мощность 50... ...300 Вт в диапазоне частот 11,5... 17,2 ГГц с основной по­грешностью ±15%.

Близкими к термоэлектрическим ваттметрам проходящей мощности по принципу действия и свойствам являются ваттмет­ры, основанные на методе поглощающей стенки. Ваттметр пред­ставляет собой отрезок волновода, часть стенки которого заменен фольгой из константана, нихрома и т. п. На наружной поверхно­сти фольги устанавливаются термоэлементы. Эти ваттметры практически не вносят неоднородности в линии передачи. При определенных толщине и материале поглощающей стенки рас­пределение температуры на наружной поверхности стенки несет информацию о распределении амплитуды магнитного поля в ли­нии передачи, что используется для создания измерительной ап­паратуры, предназначенной для трактов большого уровня мощ­ности.

Ваттметры с поглощающей стенкой применяются для измере­ния среднего значения больших и сверхбольших уровней мощно­сти '(>10 Вт). В качестве примера можно привести параметры ваттметра, который предназначен для измерений в сравнительно узком диапазоне частот (±1%) в волноводном канале 30X15мм²: пределы измеряемых мощностей 1... 20 кВт, погрешность измере­ния проходящей мощности при /(сто^М не более ±7%, время из­мерения не более 4 с.

5. ПОНДЕРОМОТОРНЫЙ МЕТОД

Пандеромоторный метод измерения мощности на СВЧ заключается в ис­пользовании пондеромоторного (механического) действия электромагнитного по­ля иа тела, расположенные в поле, вследствие индуцированных в них электри­ческих зарядов и токов.

Общие закономерности пондеромоторного действия электромагнитных волн установлены Дж. Максвеллом. Экспериментально же исследовал пондеромотор- ные силы и первым измерил «световое давление» П. Н. Лебедев. Первые ис­следования пондеромоториого действия электромагнитных волн иа СВЧ с целью создания средств измерения мощности выполнил советский ученый Р. А. Ва­литов, который показал преимущества пондеромоторного метода измерения: воз­можность самокалибровки, сводящейся к прямым измерениям массы, длины и времени, возможность измерения проходящей мощности, малая потребляемая мощность, высокая точность. В настоящее время наибольшее распространение получили пондеромоторные ваттметры, использующие механическое действие электромагнитной волны на пробное тело, помещенное внутрь волновода. Проб­

ное тело в ввде металлической тонкой пластинки подвешивается на упругой н-итн. Под действием пондеромоторных снл пластинка перемещается, закручи­вая нить подвеса. Мерой мощности является угол закручивания нити.

При создании ваттметра проходящей мощности крутильного типа главная задача заключается в получении уравнения преобразования — зависимости между проходящей мощностью и механической силой. Приемлемая по точности зависимость сила-мощность может быть получена, если обеспечить выполнение следующих упрощающих предположений.

1. Отрезок линии передачи, в котором распространяется волна основного ти­па, с помещенным в него подвижным элементом имеет пренебрежимо малые потери.

2. Положение подвижного элемента в линии передачи определяется одной координатой, т. е. подвижный элемент имеет одну степень свободы.

сс.

г\ г'\

а г b₁=s_1fa₁+s_ni_z Ь 2 &2. ⁼^Z1 ^а7

Рнс. 6.16

Отрезок линии передачи с помещенным в него подвижным элементом мож­но представить взаимным четырехполюсником (рис. 6.16), который характери­зуется матрицей рассеяния 5:

^ Sis I

S21 Sjs I

где Sth = I | e^ ^4>1ft — коэффициенты отражения и передачи.

С учетом указанных предположений можно получить выражение средней за период СВЧ обобщенной силы *, действующей на подвижный элемейт про­извольной формы вдоль координаты а, соответствующей одной степени свобо-

ды, при согласованной нагрузке (аг=0) в виде

(6.15)

где Pi — мощность, рассеиваемая в согласованной нагрузке.

(В 1 | 5ц 1² л_в ь л_в

поскольку d(pujdx=2$, d<$nldx=—2|3, а Р_е г = Ра t(\—|Su|²).

При согласованной секции, т. е. прн |5ц| = |S₂₂| =0, a |Si₂|=l

_ Ръ d Ф12

Г X — ' .

ш dx

Сила пропорциональна скорости изменения фазы коэффициента передачи при перемещении подвижного элемента вдоль координаты х.

Уравнение (6.15) может быть преобразовано к виду, используемому на практике для калибровки ваттметров >

Pi

Формула (6.15) позволяет оценить силы, действующие иа подвижной эле­мент, возникающие при отражении н передаче электромагнитной волны. Нап­ример, сила давления на тонкую пластинку, плоскость которой перпендикуляр- ва оси волновода, будет

_{F =} Р_В2 2 I «Sn |³ 2я

К

^L(x,=0)+^L

где L=dxi/da — градиент, представляющий собой отношение бесконечно ма­лого перемещения dx₂ короткозамыкающего поршня, установленного в выход­ном плече ваттметра в положении х₂=0 (см. рис. 6,16), к бесконечно малому перемещению подвижного элемента да, при которых фаза коэффициента отра­жения во входном плече остается неизменной; ₂уч) —^{т0 же}. но при

поршне, установленном в положении х₂=Я,_в г/4, где Х_{в 2} — длина волны в вы­ходном волноводе; k_K — коэффициент электрической калибровки.

Формула (6.16) справедлива для любой формы подвижного элемента н различных типов линии передачи при условии, что в выходном волноводе рас­пространяется волна одного типа. Эта формула получена английским ученым А. Л. Калленом из рассмотрения инвариантности действия при адиабатической деформации объемного резонатора без потерь.

На рис. 6.17 схематически показана конструкция пондеромоториого ватт­метра сантиметрового диапазона. В отрезок волновода 2 введена подвешенная на тонкой упругой нити 3 подвесная система 4. Подвесная система включает

2 Pal h

-г¹'-?- ^|5“^|2'

С Ли

(6.16)

Ра квг

ш Ki

а)

в себя две пластинки из серебряной фольги, укрепленные на кварцевом стерж­не и расположенные под углом 45° к осн волновода «а расстоянии примерно- Я-в/4 друг от друга (рнс. 6.17,6). Угловое положение подвесной системы опре­деляется с помощью зеркальца 5, жестко связанного с подвесной системой, ис­точника света 6 н шкалы 7. Угловое перемещение н отсчет осуществляются с помощью верньерного устройства 1. Для демпфирования колебаний подвесной- системы применяется масляный демпфер 8. При изменении длины волны рас­стояние между пластинами корректируется поворотом подвесной системы.

При прохождении по волноводу электромагнитной волны в пластинках и на стенках волноводной линнн наводятся электрические заряды и токн. Взаимо­действие зарядов на пластинках и волноводе вызывает вращающий момент,, который перемещает подвесную систему на некоторый угол а. С помощью верньера закручивают нить так, чтобы установить подвесную систему в прежнее положение. Угол закручивания инти а измеряют по шкале верньера.

Уравнение измерения: Pnp=ka=ak_Mlk_K, где k — калибровочный коэффици­ент, Вт/рад; ku —■ коэффициент механической калибровки, Нм/рад; k_K — ко­эффициент электрической калибровки, Нм/Вт; Р_ар — проходная мощность.

Коэффициент механической калибровки k_M (удельный момент закручивании нити подвеса) определяется экспериментально путем наблюдения свободных. механическнх колебаний подвесной системы с использованием эталонирован­ного по моменту инерции грузика.

Коэффициент электрической калибровки k_K определяется по формуле (6.16).. Градиенты L находят экспериментально. Структурная схема измерений прн ка­либровке дана на рнс. 6.18. Мостовая схема используется для контроля иос-

UHf

тоянства фазы входного коэффициента отражения при перемещениях коротко- замыкателя WK1 н подвижного элемента при калибровке. Калибровка сводится; к прямым измерениям массы, длины и времени, т. е. является абсолютной.

Отметим, что вращающий момент, действующий иа подвижный элемент, при расположении его, как показано на рис. 6.16,6, пропорционален квадрату напряженности электрического поля. Поэтому для поидеромоториых ваттмет­ров применимы формулы (6.13), (6.14) для оценки погрешности рассогласова­ния, а также метод синтеза миогоэлементного пондеромоторного ваттметра как на основе неэквидистантного расположения пластин на расстоянии, определяе­мом формулой (6.11), так и на основе эквидистантного расположения пластин разных размеров. В многоэлементиом пондеромоториом ваттметре вращающий

момент (равен сумме вращающих моментов, действующих на отдельные пласти­ны.

В показанном на рнс. 6.17 ваттметре пластины расположены на расстоянии примерно Я_в/4. Этим достигается уменьшение собственного коэффициента отра­жения я погрешности рассогласования по сравнению со случаем одной пласти­ны. Отметим также, что согласование пластины «е изменяет коэффициент k_K: вращающий момент изменяется, потому что при согласовании изменяется про­ходящая мощность. Согласование подвижного элемента, представляющего собой емкостную реактивную шунтирующую проводимость, можно осуществить с по­мощью индуктивной диафрагмы или штыря.

Составляющими погрешности являются: погрешность измерения угла закру­чивания нити подвеса; погрешность электрической калибровки; погрешность ме- ханической калибровки; погрешность, обусловленная несогласованной нагрузкой; методическая систематическая погрешность из-за потерь в системе.

Основная погрешность при нагрузке с Кет 1,1 на частоте калибровки на; уровне мощности выше 1 Вт в волноводных трактах 35X15, 23X10 и 7,2Х

Х3,4 мм составляет 1 ... 1,5%.

Максимальная измеряемая мощность определяется электрической прочностью* волноводной секции пондеромоторного ваттметра н составляет для ваттметра, использующего волновод сечением 10X23 мм^г, примерно 70 кВт в импульсе.

Благодаря высокой точности и возможности проведения абсолютной калиб­ровки поидеромоторные ваттметры применяются как образцовые приборы для проверки и градуировки рабочих ваттметров. Недостатком п он дером оторных ваттметров являются чувствительность к механическим толчкам, вибрациям и необходимость горнзонтнрования прибора при включении в тракт СВЧ.

5. МЕТОД, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ЭФФЕКТ ХОЛЛА

Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла меж­ду двумя противоположными гранями образца металла или полу­проводника в виде параллелепипеда, если перпендикулярно од­ним из оставшихся граней имеется направленное движение носи­телей заряда, а перпендикулярно другим приложено магнитное поле.

На рис. 6.19 показано раз­мещение образца полупроводни­ка в прямоугольном волноводе.

Под влиянием электрической составляющей поля в образце возникает движение зарядов — ток, а под влиянием поперечной магнитной составляющей вслед­ствие силы Лоренца носители заряда будут смещаться в нап­равлении' оси волновода. В ре­зультате возникает разность по­тенциалов, среднее за период значение которой t/_x, если пренебречь отражениями от образца, выражается, как

£/х=7£Рпр=ЯРпр = ЯРп(1-|Гн|²), (6.17)

где у — постоянная величина, зависящая от свойства образца; k — коэффициент, зависящий от типа волны и частоты; R—постоян­ный коэффициент, характеризующий свойства образца, тип вол­новода и частоту; Р_пр — проходящая мощность; Г_в —• коэффици­ент отражения нагрузки.

Рассмотрение выражения (6.17) с учетом физических процес­сов, происходящих в образце, позволяет сделать вывод о целесо­образности использовать эффект Холла для создания измерителя проходящей мощности, который обладает двумя принципиальны­ми достоинствами: 1) измеритель может работать при произволь­ной нагрузке, а не только при согласованной, 2) быстродействие измерителя обеспечивает измерение импульсной мощности.

На практике реализовать эти важные преимущества оказыва­ется весьма сложно. Отражения от образца приводят к тому, что ЭДС Холла оказывается зависимой от модуля и фазы коэффици­ента отражения нагрузки. Нагрев образца вызывает появление термо-ЭДС, а наличие р-я-перехода в месте подсоединения ме­таллических выводов к образцу приводит к появлению выпрям­ленного напряжения. Эти напряжения вызывают значительные погрешности при измерении ЭДС Холла. На основе эффекта Хол­ла созданы опытные образцы измерителей импульсной мощности.

Одно из технических решений использует преобразователи Холла в форме параллелепипеда с поперечными размерами, на­много меньшими его длины (нитевидные преобразователи), име­ющие малые собственные отражения. Место подсоединения ме­таллических выводов вынесено за пределы СВЧ-поля. Преобразо­ватели располагают неэквидистантно (см. рис. 6.13), благодаря чему минимизируется значение собственных КСВН и влияние фазы коэффициента отражения нагрузки. Удается создать ватт­метры, измеряющие проходящую импульсную мощность 1 . .. ...100 кВт в волноводе 10X23 мм² с погрешностью не более 10% при КСВН^:4.

5. МЕТОД, ИСПОЛЬЗУЮЩИИ НЕОДНОРОДНЫЙ РАЗОГРЕВ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА в полупроводниках

Сущность метода состоит в использовании так называемой термо-ЭДС «горячих» носителей, возникающей на концах полу­проводникового образца с неоднородной концентрацией носителей зарядов, при неравномерном разогреве его полем СВЧ. Физиче­ски это объясняется тем, что в местах неоднородности концентра­ции имеют место внутренние ЭДС, обусловленные контактной разностью потенциалов между областями с равной концентраци­ей. Время установления температуры носителей на много поряд­ков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, с которой связано возникновение обычной термо-ЭДС. Поэтому эффект возникновения термо-ЭДС «горячих» носителей 174 можно использовать для измерения импульсной мощности. Пер­вые исследования термо-ЭДС «горячих» носителей выполнил со­ветский ученый Ю. Пажела.

Термо-ЭДС «горячих» носителей е_т »-■^kl — In — = k„ Р, где

е п₂

k — постоянная Больцмана, е — заряд электрона, Р — мощность СВЧ, рассеиваемая в образце, ri\ и п₂ — концентрация носителей заряда в точках тела, наиболее отличающихся по концентрации,

и &₂ — постоянные величины.

Мощность, рассеиваемая в образце, помещенном в линию пе­редали, пропорциональна квадрату напряженности электрическо­го поля (геометрической сумме падающей и отраженной волн). Таким образом, подобные преобразователи могут быть примене­ны для измерения импульсной (пиковой) проходящей мощности. Длительность импульсов измеряемого сигнала ограничивается со­противлением растекания и паразитными емкостями полупровод­никового преобразователя. Практически метод применим при дли­тельности импульсов выше 0,05 мке. Влияние несогласованной нагрузки сказывается так же, как и в случае других зондовых квадратичных преобразователей. Погрешность рассогласования описывается формулами (6.5), (6.6), (6.13), (6.14).

Практически используют полупроводниковый образец с точеч­ным невыпрямляющим контактом. При помещении его в сильное электрическое поле (несколько киловольт на сантиметр) проис­ходит неоднородный разогрев носителей в области контакта, и на потенциальном барьере перехода металл-полупроводник образу­ется термо-ЭДС горячих носителей. Такой полупроводниковый элемент имеет коэффициент преобразования 5... 6 мкВ/мкВт.

Следует подчеркнуть, что эффект возникновения термо-ЭДС горячих носителей проявляется лишь в определенном интервале СВЧ мощности. Динамический диапазон составляет не более 20 дБ, его границы изучены недостаточно. Полупроводниковый элемент имеет такие значения эквивалентного импеданса на СВЧ, что его трудно согласовать с характеристическим сопротивлением линии передачи, аналогично, например, терморезистору. Поэтому метод чаще применяют для измерения проходящей мощности. По­лупроводниковые элементы вдоль линии передачи располагают при этом подобно термоэлементам, что было рассмотрено в § 6.4. Если же полупроводниковый элемент использовать в сочетании с поглощающей нагрузкой, то возможно построение ваттметра по­глощаемой мощности.

Измерители как проходящей мощности, так и поглощаемой мощности требуют калибровки по образцовому ваттметру, кото­рый представляет собой приемный преобразователь и измеритель­ный блок с отсчетным устройством. Для измерения мощности не­прерывной генерации в качестве измерительного блока использу­ется милливольтметр постоянного тока, а для измерения импульс­ной мощности — пиковый милливольтметр.

Достоинствами ваттметров являются применимость для изме­рения как импульсной, так и непрерывной мощности и удовлетво­рительные дрейфовые характеристики, а недостатки связаны с ма­лым динамическим диапазоном.

На основе преобразователей, использующих термо-ЭДС го­рячих носителей, созданы простые универсальные приборы для измерения малых уровней мощности как непрерывной, так и пи­ковой при импульсной модуляции (M3-39... МЗ-44). Шестью при­борами перекрывается частотный диапазон 5,6... 37,5 ГГц. Ди­намический диапазон составляет 0,1... 100 мВт, что достигается использованием фиксированных аттенюаторов. Основная погреш­ность не более 15... 25%. Составляющие погрешности: погреш­ность образцового прибора; погрешность, обусловленная нелиней­ностью показаний при измерении мощности; погрешность вследст­вие дрейфа нуля; погрешность, обусловленная рассогласованием.

5. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ

Под импульсной мощностью понимают среднюю за время им­пульса мощность. Это значение мощности используют для харак­теристики импульсов прямоугольной формы. Рассмотрим основ­ные методы измерения импульсной мощности. Импульсную мощ­ность можно определить по прямым измерениям средней мощно­сти Рср, длительности импульсов т_и и частоты повторения F_a и рассчитать по формуле Р_и=Рср/Гит_и= Р c_PQ.

PSf U Z1

Рис. 6.20

Структурная схема измерений показана на рис. 6.20. На схеме ваттметр PW1 поглощаемой мощности включен во вторичную цепь ответвителя WE2. Благодаря этому Обеспечивается измере­ние более высоких уровней мощности по сравнению со случаем включения измерителя поглощаемой мощности вместо оконечной нагрузки в первичную цепь. Длительность импульса и частота по­вторения'Определяется с помощью осциллографа PS1, на который подается видеосигнал. Составляющие погрешности измерений: погрешность измерения среднего значения мощности, которая со­ставляет ±(4... 10)%; погрешность измерения длительности им­

пульсов, не превышающая ±(1...2)%; погрешность измерения частоты повторения импульсов менее ±1%; погрешность измере­ния коэффициента передачи направленного ответвителя составля­ет ± (0,02... 0,03) дБ. Погрешность определения импульсной мощности ± (6 ... 12) %.

К достоинствам метода относятся широкие динамические (1 мВт... 100 кВт) и частотный диапазоны.

Недостатки состоят в отсутствии прямого отсчета, непримени­мости в случае переменной скважности, большое время измере­ний. С развитием преобразовательной техники, созданием эффек­тивных функциональных преобразователей это косвенное измере­ние может быть переведено в прямое.

Сущность метода, использующего пиковый детектор, состоит в измерении напряжения на выходе пикового детектора, которое пропорционально пиковому значению напряжения измеряемого сигнала. Пиковая мощность пропорциональна квадрату пикового напряжения. Шкала выходного прибора градуируется непосредст­венно в значениях мощности.

В § 4.3 рассмотрены схемы пиковых детекторов и основные ис­точники погрешностей. Отмечалось, что пиковому детектору при­суща зависимость выходного напряжения от скважности импуль­сов при постоянстве уровня сигнала. Этот недостаток при измере­нии напряжения устраняют, используя компенсационный метод измерения. Так же поступают и при измерении мощности. Метод пикового детектора применим во всем диапазоне СВЧ. До 2,5 ГГц применяются вакуумные диоды, до 18 ГГц — полупроводниковые. Ограничения связаны с частотными погрешностями, которые не удается учесть теоретически.

Динамический диапазон при использовании вакуумных дио­дов составляет 0,1 ... 200 Вт, при использовании полупроводнико­вых диодов — 0,5... 100 мкВт.

Импульсная мощность измеряется также ваттметрами, ис­пользующими образцы полупроводника с неоднородным разогре­вом носителей заряда в электрическом поле. В метрологической практике широко используются методы, использующие сравнение импульсной мощности с мощностью непрерывной генерации. Сравнение производится обычно с помощью осциллографа.