книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

Широко распространены пленочные болометры. Они представляют собой тонкую (толщиной 20—50 мкм) пластинку из слюды или стекла, на которую нанесена тончайшая (десятые доли мкм) ме­ таллическая пленка (платина или сплав платины с палладием).

Пленочные болометры обладают очень слабой зависимостью сопротивления от частоты, что позволяет согласовать их с пере­ дающей линией в широком диапазоне частот. Достоинством таких болометров является также большая перегрузочная способность. Однако болометры значительно менее чувствительны, чем термис­ торы (еБ ^ 2 0 —250 Ом/Вт), поэтому их применяют для измерения средних мощностей (от единиц мВт до 1 Вт). Рабочее сопротивле­ ние болометров составляет сотни Ом. Иногда применяются прово­ лочные болометры из вольфрамовой или платиновой проволочки диаметром 5—15 мкм. Термисторы и болометры применяются на частотах от 0,1 МГц до 80 ГГц.

Для измерения мощности ВЧ и СВЧ термистор или болометр должен быть включен в передающий тракт в качестве согласован­

ки при изменении частоты измеряемых колебаний, практически не применяются.

Наибольший практический интерес представляют широкополос­ ные головки, в которых отсутствуют подстроечные элементы. В ка­ честве примера на рис. 9.3,а схематически показано устройство волноводной термисторной головки, а на рис. 9.3,6 — коаксиаль­ ной. Сопротивление термистора головки и его положение в волно­ воде выбирают так, чтобы головка имела минимальный коэффи­ циент стоячей волны в рабочем диапазоне частот данной головки. Например, коаксиальная головка М5-17 (с термистором ТК'2-75) работает в диапазоне частот 150—3000 МГц без подстройки при коэффициенте стоячей волны, не превышающем 1,5; волноводная головка М5-21 работает в диапазоне частот 11,5—14,6 ГГц при коэффициенте стоячей волны не более 1,7.

140

Измеритель мощности состоит из двух основных частей: измери­ тельной головки и схемы для измерения сопротивления терморе зистора. Обычно в состав измерителя входит комплект головок, перекрывающих весьма широкий частотный диапазон. Так, измери­ тель М3-10 с набором из 6 головок обеспечивает измерение мощ­ ности в диапазоне частот от 0,15 до 16,7 ГГц.

Так как принципы работы термисторного и болометрического ваттметров практически одинаковы, в дальнейшем рассматривают­ ся только термисторные измерители мощности.

Схемы для измерения мощности по изменению сопротивления термистора

Изменение сопротивления термистора, обусловленное поглоще­ нием мощности СВЧ, измеряется с помощью различных мостовых схем. Применяются уравновешенные (сбалансированные) и не­ уравновешенные мосты.

Простейшая схема термисторного моста с волноводной голов­ кой приведена на рис. 9.4. Сопротивления резисторов Ru R2, Rs не

зависят от температуры, причем R t = R3, а сопротивление Я2 выби­ рается равным так называемому рабочему сопротивлению термис­ тора RT°. Рабочее сопротивление термистора R T° — это такое фиксированное сопротивление предварительно нагретого термис­ тора, при котором термистор имеет заданную чувствительность (при этом справедлива градуировка шкалы или отсчетиого лимба

измерителя мощности). Величина рабочего сопротивления являет­ ся параметром термистора и указывается в паспорте измеритель ной головки. Для термисторов различных типов рабочие сопротив­ ления чаще всего лежат в пределах 75—300 Ом. При измерении термисторная головка должна быть согласована с трактом, по ко юрсму передается измеряемая мощность.

141

Измерение мощности производится следующим образом. Вна­ чале мост балансируют, не подавая измеряемой мощности. Для этого общий ток / питания моста, измеряемый миллиамперметром, с помощью резистора Rp устанавливают таким, чтобы термистор разогрелся до температуры, при которой его сопротивление станет

стоянного тока, рассеиваемая в термисторе, когда мост сбаланси­ рован, равна

(9.2)

Затем подают измеряемую мощность Рх. Термистор дополнитель­ но разогревается, его сопротивление уменьшается и баланс моста нарушается. После этого, увеличивая сопротивление резистора R p,

суммарная мощность, рассеиваемая в термисторе, осталась той же, что и при первоначальном балансе моста, т. е. мощность постоянно- ю тока при уменьшении тока питания на А/ уменьшилась на вели­ чину, равную измеряемой мощности Рх.

Мощность постоянного тока, поглощаемая термистором при втором балансе, равна

(9.3)

Следовательно, изменение мощности постоянного тока в тер­ мисторе

(9.4)

равно Рх. Таким образом, зная ток / до подачи измеряемой мощ­ ности и изменение тока А/ после подачи, можно вычислить изме­ нение мощности ДР0 и, следовательно, измеряемую мощность Рх. Однако так обстоит дело лишь в том случае, если мощность СВЧ рассеивается только в термисторе и нигде больше. В действитель­ ности измеряемая мощность, кроме термистора рассеивается в стенках волновода головки, в изоляционных материалах, в подво­ дящих проводах термистора. Уменьшение мощности СВЧ, погло­ щаемой термистором, по сравнению с измеряемой мощностью Р х учитывается коэффициентом преобразования головки т]г. Значение Т|г приводится в паспорте головки (г/г =0,7—0,85). Зная А Я0 и т)г, можно рассчитать измеряемую мощность

Рх = А Яо/Ѵ

142

Очевидно, что такой измеритель будет иметь большую темпера­ турную погрешность, так как при изменении температуры окру­ жающей среды будет изменяться ток /, необходимый для началь­ ной балансировки моста. Чтобы при любой температуре среды и старении термистора начальный баланс моста имел место при од­ ном и том же токе /, используют дополнительный подогрев термис­ тора от встроенного генератора низкой частоты, как показано на рис. 9.4 пунктиром. Это позволяет исключить влияние температуры и старения термистора на показания прибора и проградуировать орган регулировки тока / непосредственно в единицах мощности.

Такие мосты называют уравновешенными. Этот же мост можно использовать в качестве неуравновешенного. При использовании неуравновешенного режима об измеряемой мощности судят по от­

уравновешенных, но дают большую погрешность. Кроме того, при разбалансе моста нарушается согласование термисторной головки с передающим трактом. Режим неуравновешенного моста обычно используется для весьма грубого измерения (оценки) мощности.

Рассмотренный одинарный мост не обеспечивает точное измере­ ние мощности даже в уравновешенном режиме. Действительно, из

сложные мостовые схемы, свободные от этого недостатка и позво­ ляющие производить отсчет измеряемой мощности в режиме урав повешенного моста непосредственно по шкале магнитоэлектриче­ ского прибора высокого класса точности. Рассмотрим упрощенную схему двойного моста, используемого в современном термисторной измерителе мощности типа МЗ-10 (рис. 9.5).

Основой измерительной схемы является двойной мост, состоя­ щий из внешнего моста Ml и измерительного моста М2. Термистор (/?т) включен в одно из плеч моста М2, а сам мост М2 служит пле­ чом моста Ml. Мост Ml предназначен для питания моста М2 од­ новременно от двух независимых источников постоянного напря­

При балансе моста М2 мост Ml также оказывается сбалансиро­ ванным. Баланс мостов фиксируется нуль-индикатором, в качестве которого используется микроамперметр, включенный в диагональ

.моста М2. Для упрощения будем считать, что оба моста при ба­ лансе являются равноплечими.

143

Процесс измерения состоит в следующем.

1.Производится калибровка прибора (переключатель П в по

ложении «КАЛИБР.»). В этом режиме вместо мостов к источнику £ 1 подключается резистор R0, сопротивление цепи которого вместе

2. Производится начальная балансировка прибора (переключа­ тель П устанавливается в положение «БАЛАНС» — «ИЗМЕРЕ­ НИЕ», при этом источник Еі оказывается подключенным к диаго­ нали моста Ml, а миллиамперметр с помощью не показанного на схеме переключателя отключается из цепи калибровки и включает­

тов. Балансировка мостов достигается изменением мощности низ­ кой частоты, подаваемой на термистор от генератора 65 кГц е по­

мощность постоянного тока Pq от источника Е х (в приборе М3-10 мощность P q ' = 8 мВт). Источник Е2 в процессе балансировки вы­

144

свивается мощность постоянного тока (мощность начального по­ догрева термистора)

Измеряемая мощность СВЧ равна (без учета коэффициента пре­ образования головки) изменению мощности постоянного тока

муле (9.4) AI составляет малую разность токов, протекающих в одной и той же цепи до и после подачи измеряемой мощности, и определяется как разность показаний одного и того же миллиам­ перметра, то ток I" является током, протекающим в цепи источни­

ка Е2 (в диагонали моста Ml) и измеряемым миллиамперметром, включенным в эту цепь. Очевидно, что точность измерения тока I" гораздо выше точности определения разности А/.

Найдем зависимость тока I", протекающего через миллиампер­ метр, включенный в диагональ моста Ml, от измеряемой мощности Рх. Для этого разрешим (9.8) относительно тока I" и подставим в полученное уравнение значение тока /', выраженное через фикси­ рованную мощность начального подогрева термистора Р0' на осно­

вании формулы (9.5), из которой Г -= 4Ѵ~Р0'ІРТ0. Выполнив под­ становку, получим квадратное уравнение относительно искомой величины I"

ся для градуировки шкалы миллиамперметра в единицах мощно­ сти. Чтобы учесть коэффициент преобразования головки т1г, в фор­ мулу (9.9) вместо Рх достаточно подставить Рх~Цг-

Рассмотрим основные источники погрешностей термисторных измерителей мощности.

1. Неточное согласование сопротивления головки с волновы сопротивлением тракта (обычно КСВ-=1,2—1,6). Эту погрешность

146

можно определить следующим образом. Мощность, поглощаемая нагрузкой (термисторной головкой)

где kz— коэффициент стоячей волны головки. Погрешность за счет неполного согласования является систематической.

2.Нестабильность источников питания моста. Эта погрешность носит случайный характер и особенно сильно проявляется при из­ мерении мощности с помощью неуравновешенного моста. Для ее уменьшения применяют стабилизированные источники питания.

3.Температурная погрешность, обусловленная изменением тем­ пературы окружающей среды. Она имеет как систематическую, так и случайную составляющие. Систематическая составляющая уменьшается при использовании термокомпенсации.

4.Неточность градуировки измерителя мощности и неточность значения коэффициента преобразования головки.

Современные термисторные измерители мощности имеют об­ щую основную погрешность порядка + (5 —10)%. Примером термисторного ваттметра является прибор М3-10, который имеет сле­ дующие метрологические характеристики:

—диапазон частот 0,15—16,7 ГГц;

—пределы измерения мощности 0,05—7,5 мВт;

—погрешность измерения без учета погрешности за счет рас­ согласования 10%;

—.коэффициент стоячей волны головок не более 1,5—1,7 в за­ висимости от частотного диапазона (в комплект входят две коак­

сиальные и четыре волноводные головки).

§ 9.3. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Калориметрический метод основан на преобразовании электро­ магнитной энергии, поглощаемой согласованной нагрузкой, в теп­ ловую. О величине мощности судят по изменению температуры на­ грузки. Метод является одним из наиболее точных и используется для измерения средних и больших мощностей в широком диапазо­ не частот (от единиц мегагерц до сотен гигагерц).

Калориметрический измеритель мощности состоит из двух ос­ новных частей: поглощающей нагрузки и измерителя температуры.

Наиболее распространены поглощающие нагрузки с проточной во­

148

Если расход калориметрической жидкости ѵ поддерживать по­ стоянным, то для определения мощности достаточно измерить раз­ ность температур на входе и выходе жидкостной нагрузки. Раз­ ность температур измеряется с помощью встречно включенных термопар и магнитоэлектрического прибора, шкала которого гра­ дуируется непосредственно в единицах мощности.

На практике применяются жидкостные нагрузки различной формы (трубки, конусы и др., по которым с постоянной скоростью протекает вода). Форма и размеры нагрузки обеспечивают плавное введение водяного потока в электромагнитное цоле и достаточное поглощение, благодаря чему нагрузка оказывается хорошо со­ гласованной с волноводом или коаксиальной линией в достаточно широком диапазоне частот.

Основными причинами погрешности рассмотренного измерите­ ля являются наличие утечки тепла, неполное согласование нагруз­ ки с трактом (систематические составляющие), ошибки в измере­ нии разности температур и не вполне строгое постоянство расхода воды (случайные составляющие). Суммарная погрешность состав­ ляет величину порядка +10% .

Меньшую погрешность имеют калориметрические измерители с косвенным отсчетом. Структурная схема такого измерителя при­ ведена на рис. 9.8. Он работает на принципе сравнения. Измеряе­

мая мощность СВЧ поглощается водяной нагрузкой. Нагретая во­ да далее поступает в нагреватель, питаемый переменным током низкой частоты. Мощность низкой частоты Янч, идущая на подо­ грев, измеряется электродинамическим ваттметром.

Разность температур АГі0 на выходе и входе водяной нагрузки, а также на выходе и входе нагревателя АТ% измеряется встречно включенными термопарами. Регулировкой напряжения, питающего

сопротивление нагревателя R, устанавливается одинаковый перепад температур:

А Т* = Д 7у>.

149