4.3.2. Электронные методы

Общим для электронных методов является преобразование из­меряемой мощности в пропорциональное напряжение постоянного или переменного тока с последующим измерением этого напряже­ния. Основное достоинство этих методов — малая инерционность, благодаря чему они позволяют прямо измерять Р_И. В ваттметрах поглощаемой мощности реализуются, как правило, метод вольтмет­ра и метод с использованием эффекта «горячих» носителей тока.

Метод вольтметра

Метод вольтметра, называемый еще методом измерения напряжения на изве­стном сопротивлении, весьма прост и заключается в измерении с помощью вольт­метра напряжения на резисторе, включаемом в качестве нагрузки на конце линии передачи. Так как нагрузка должна быть согласована с линией передачи, имеющей волновое сопротивление W, значение Р_х может быть определено по показаниям вольтметра, как , если детектор вольтметра квадратичный, либо , если детектор пиковый (при измерении, например Р_И).

Рис. 4.12. Схематическое устройство нагрузки и детекто­ра электронного ваттметра.

Основные трудности при реализации метода и источники погрешностей свя­заны с конструированием и согласованием нагрузки и детектора вольттметра. Для расширения частотного диапазона детектор конструктивно объединяют с нагрузкой, как это схематично показано на рис. 4.12, снимая напряжение либо со всего резистора, либо с его части. На практике применяют как полупроводни­ковые, так и ваккумные детекторы (при измерении больших мощностей). Полупроводниковые диоды в сочетании с пленочными СВЧ резисторами обеспечивают частотный диапазон ваттметров до 40 ГГц.

Основными достоинствами метода являются простота и высокая надежность ваттметров, а также возможность измерения малых и больших значений Р и Р_и. Однако погрешность измерения может достигать ±25 %.

Метод с использованием эффекта «горячих» носителей тока

В полупроводниковых элементах, помещенных в сильное элек­трическое поле, заметно разогреваются носители тока, и этот эф­фект может быть использован для измерения СВЧ мощности. Если использовать полупроводниковый элемент с точечным невыпрямляющим контактом, то разогрев носителей в области контакта ока­зывается неоднородным. Вследствие этого на потенциальном барье­ре перехода металл — полупроводник возникает ЭДС, которую условно называют термоЭДС «горячих» носителей. В качестве то­чечного невыпрямляющего контакта используется резкий р —р+-переход антизапорного типа на кристалле германия р-типа, термоЭДС которого в определенном интервале уровней мощности прямо про­порциональна Р_х. Чувствительность такого преобразователя зави­сит от удельного сопротивления германия, размеров контакта, его формы, высоты потенциального барьера и некоторых других кон­стант. Для малых размеров контакта концентрация электрического поля высока даже при относительно малой поглощаемой мощности. Благодаря этому ваттметры, использующие эффект «горячих» но­сителей тока, аналогичны по чувствительности болометрическим (термисторным) и термоэлектрическим ваттметрам. За счет малого времени релаксации носителей тока появляется возможность пря­мо измерять Р_и при длительности импульсов до 0,1 мкс.

Конструктивно преобразователи ваттметров представляют со­бой головки на П-образном волноводе с размещением полупровод­никового элемента по аналогии с головками, изображенными на рис. 4.8. Отличительной особенностью их является большое выход­ное сопротивление по постоянному току (более 3 кОм). Поэтому возникает необходимость согласования в широком диапазоне час­тот, и в практических конструкциях преобразователей вместо око­нечной короткозамыкающей заглушки (см. рис. 4.8) устанавливает­ся согласованная нагрузка. Кроме того, преобразователь имеет за­метный температурный дрейф коэффициента преобразования, и для его компенсации применяется дополнительный делитель выходного напряжения с терморезистором.

Измерительное устройство ваттметров, использующих эффект «горячих» носителей тока, является комбинированным и в режиме измерения Р представляет собой вольтметр постоянного тока, а в режиме измерения Р_и — пиковый вольтметр, в котором предусмот­рена калибровка коэффициента усиления. Параметры преобразо­вателя и вольтметра определяют погрешность ваттметра, которая находится в пределах ± (15...25) %.