93
5.3. Преобразователи СВЧ мощности
Для измерения СВЧ мощности используются детекторные и термисторные преобразователи (секции, головки), которые преобразуют непрерывные или импульсно-модулированные СВЧ сигналы в постоянный или низкочастотный ток. Для линии передачи такой двухполюсник представляет собой нагрузку, желательно близкую к согласованной.
Детекторный преобразователь (англ. – detector) – это отрезок волновода или коаксиальной линии, оборудованный элементами для подключения детекторного СВЧ-диода, согласования его с линией и подключения к регистрирующему устройству. Детекторные преобразователи используются для относительного измерения СВЧ мощности. Это обусловлено теми обстоятельствами, что для детекторного СВЧ-диода при низких уровнях мощности характерным является пропорциональность продетектированного напряжения мощности сигнала или квадрату напряженности электрического поля (квадратичное детектирование). При мощности, выше 2–8 мкВт для диодов с барьером Шоттки (ДБШ) и больше 10–40 мкВт для точечных диодов, продетектированное напряжение становится пропорциональным не мощности, а корню квадратному из мощности или первой степени напряженности электрического поля (линейное детектирование). Кроме того, так как даже в одной партии диодов их характеристики могут иметь значительный разброс, то п ри замене диода чувствительность головки может значительно измениться.
Детекторные преобразователи, которые применяются в измерительных приборах, могут содержать элементы для согласования. Для них КСВ не явл я- ется критическим, вполне допустим уровень 1,5, он ограничивается чувствительностью регистрирующего устройства. Для увеличения чувствительности диода на него подается дополнительное напряжение, так называемое напряжение смещения (ток смещения составляет от единиц до десятков микроампер).
На рис.5.4 схематически показаны примеры устройства детекторных преобра-
|
Д Ф |
Ш |
Ф |
|
|
Рпад |
|
Рпад |
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
Д |
Н |
х0 |
|
|
|
б |
|
|
|
Ф |
|
Ф |
|
|
Рпад |
Рпад |
|
|
||
КЗ |
|
|
|
||
|
|
|
|
х0 |
|
|
~Λ/4 |
|
Д |
Н |
|
|
в |
|
|
г |
|
д
Рис.5.4. Детекторные преобразователи: а – коаксиальный;
б– волноводный; в,г – волноводные уменьшенной высоты;
д– обозначения на схемах
|
|
|
|
94 |
|
|
|
|
|
|
зователей. В коаксиальном преобразователе (рис.5.4,а) отсутствуют элементы, |
||||||||||
электрическая длина которых зависит от частоты, поэтому он, в принципе, яв- |
||||||||||
ляется широкополосным. Диод (Д) находится в пучности напряжения (попе- |
||||||||||
речной компоненты электрического поля). Блокирующий конструкционный |
||||||||||
конденсатор (Ф) служит фильтром для предотвращения просачивания СВЧ |
||||||||||
сигнала в низкочастотную цепь. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
В волноводном преобразователе (рис.5.4,б) диод включен с помощью |
||||||||||
штыря (Ш). Оптимизацию характеристик преобразователя выполняют путем |
||||||||||
выбора диаметра штыря, соответствующего его размещения относительно бо- |
||||||||||
ковой стенки, а также введения дополнительных реактивных элементов, распо- |
||||||||||
ложенных в плоскости диода. Такая оптимизация возможна, очевидно, в отно- |
||||||||||
сительно узком частотном диапазоне. |
|
|
|
|
|
|
||||
Волноводные преобразователи (рис.5.4,в-г) имеют уменьшенную высоту |
||||||||||
волновода, которая равна приближенно высоте керамической части диода. |
||||||||||
Что касается амплитудных детекторов систем связи, то они применяются |
||||||||||
для определения огибающей СВЧ сигнала, контроля и автоматического регули- |
||||||||||
рования уровня мощности, определения частоты (при этом их включают после |
||||||||||
узкополосных фильтров). Амплитудные детекторы также являются составляю- |
||||||||||
щими частотных и фазовых детекторов. Основными компонентами детектор- |
||||||||||
ной секции амплитудного детектора является диодная камера, настроенная на |
||||||||||
частоту входного сигнала, нелинейный элемент и фильтрующая цепь. Распро- |
||||||||||
страненными типами детекторных СВЧ-диодов являются точечные диоды на |
||||||||||
основе контакта металл-полупроводник, ДБШ с планарно-эпитаксиальной |
||||||||||
структурой, обращенные диоды. Чувствительность современных промышленно |
||||||||||
|
|
|
|
|
выпускаемых амплитудных детекто- |
|||||
|
|
Rt0 |
|
|
ров имеет широкий диапазон 20– |
|||||
|
|
L |
|
Cк |
2000 мкВ/мкВт. |
|
|
|
||
|
|
|
|
Термисторный |
преобразова- |
|||||
|
|
б |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
тель (англ. – thermistor) применяется |
||||||
|
Cк |
t0 |
|
|
для |
абсолютного |
измерения |
малых |
||
а |
в |
|
уровней СВЧ мощности. Первичным |
|||||||
|
|
|||||||||
Рис.5.5. Термисторный преобразователь: |
преобразователем |
является |
терми- |
|||||||
стор – полупроводниковый элемент, |
||||||||||
а – продольное сечение, б – эквивалентная |
|
|||||||||
|
сопротивление которого существен- |
|||||||||
схема, в – обозначение на схемах |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
но зависит от температуры нагрева, |
|||||
то есть от величины подведенной мощности. Конструкции термисторных пре- |
||||||||||
образователей определяются типом линии передачи и частотным диапазоном. |
||||||||||
Коаксиальная термисторная головка с одним термистором бусинкового типа |
||||||||||
(рис.5.5) представляет собой отрезок коаксиала, на конце которого включен |
||||||||||
термистор R0 |
таким образом, что один из его выводов продолжает централь- |
|||||||||
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ный проводник, а второй соединен с корпусом заглушки, которая образует с |
||||||||||
внешним проводником линии конструктивный конденсатор Ск . Конденсатор |
||||||||||
Ск и дроссель L в виде спирали Архимеда обеспечивают подключение терми- |
||||||||||
95
стора к цепи постоянного тока. Сопротивление дросселя постоянному току и токам низкой частоты значительно меньше рабочего сопротивления преобразователя. Для токов СВЧ дроссель представляет собой большое реактивное сопротивление в рабочем диапазоне частот и потому не создает рассогласование. Размеры дросселя определяют рабочий диапазон частот преобразователя. Емкость конденсатора Ск подобрана таким образом, чтобы его реактивное сопро-
тивление в рабочем диапазоне частот было намного меньше рабочего сопротивления преобразователя.
Термистор включается в одну из ветвей измерительного моста. Сначала при отсутствии СВЧ колебаний мост балансируется с помощью постоянного тока или тока низкой частоты. При этом на термисторе рассеивается мощность постоянного тока P0 . Затем подается СВЧ мощность PСВЧ , после чего снова
восстанавливается баланс моста постоянным током до уровня P1:
P1 + PСВЧ = P0 . |
(5.5) |
Разность мощностей постоянного тока равна мощности СВЧ. Измерение мощности сводится к измерению напряжений моста. Диапазон измеряемой мощности составляет от нескольких микроватт до 5–10 мВт. Для расширения верхней границы диапазона измерений используются аттенюаторы и направленные ответвители. Погрешность измерения составляет ±3%. Значительная тепловая инерционность термистора не дает возможности измерять мгновенную мощность в случае амплитудной модуляции.
Контрольные вопросы
1.Что представляет собой СВЧ двухполюсник?
2.Что понимают под согласованной нагрузкой?
3.Какие особенности типовых конструкций согласованных нагрузок?
4.Каковы типовые значения КСВ для согласованных нагрузок?
5.С какой целью поглощающие пластины изготавливают клинообразной
формы?
6.Что понимают под реактивной нагрузкой?
7.Каким образом реализуют реактивную нагрузку?
8.Каковы типичные значения КСВ для реактивных нагрузок?
9.Чем отличаются частотные зависимости сопротивлений сосредоточенных емкости и индуктивности от сопротивления реактивной нагрузки?
10.В чем состоит физические принципы работы дроссельного короткозамыкающего поршня, какова его конструкция?
11.Каковы типы преобразователей СВЧ существуют, какие из них обеспечивают измерение абсолютной, а какие относительной мощности?
12.Какой физический принцип положен в основу измерения мощности на основе диодных детекторных преобразователей?
13.Каковы границы квадратичности характеристики диодного детектора?
14.Каким образом используется мостовая схема в измерителях мощности?
96
15.Какие требования выдвигаются к измерителям мощности по согласованию, какие значения КСВ являются допустимыми?
16.Каковы типичные значения чувствительности преобразователей мощ-
ности?
17.Каковы типичные значения погрешности измерения мощности для разных типов преобразователей?
18.Каков диапазон измерения мощности, каким образом обеспечивается расширение диапазона измерений?
19.Каковы функции конструктивной емкости и дросселя в схеме термисторного преобразователя?