9.3. Измерение мощности СВЧ-колебаний

9.3. Измерение мощности СВЧ-колебаний

Большое  практическое значение имеет измерение мощности СВЧ-колебаний. Способы  измерения мощности СВЧ существенно отличаются от рассмотренных. Все  они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Косвенные  методы, изложенные выше, не находят применения, так как токи и напряжения  различны в разных сечениях линии передач (стоячие волны) и подключение  измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне используют методы преобразования энергии | электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Различают два основных метода измерения мощности СВЧ-колебаний.

 

1. Измерение мощности источника электромагнитных колебаний (гене ратора).

Согласно общепринятому определению, под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую им в согласованную нагрузку (рис. 9.3, а).В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители мощности называютсяваттметрами поглощающего типа. Так как нагрузка должна полностью поглощать изме- ряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном  потребителе. Результат измерения будет наиболее точным, если входное сопротивление измерительного прибора полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением  линии передачи, т. е. Rг = R н ;xг = – x н .

Генератор

 

нагрузка-измеритель поглощаемой мощности

 

 

а)                                  б)

Рис. 9.3. Способы измерения мощности ваттметром.

а — поглощающей мощности, б— проходящей мощности

 

2. Измерение электрической мощности, выделяемой в нагрузке, полное сопротивление которой может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включается специальное устройство, преобразую­щее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линия энергии и не нарушающее процесса ее передачи (рис. 9.3, б).

Измерение мощности с помощью резистивных термочувствительных элементов (терморезисторов)

Наиболее распространенным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения сопротивления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве резистивных термочувствительных элементов используются болометры, сопротивление которых растет с повышением температуры (положительный  температурный коэффициент сопротивления), и термисторы,

сопротивление которых с ростом температуры падает.

Основными преимуществами термисторов по сравнению с болометрами являются их более высокая чувствительность и большая устойчивость к пе­регрузкам.

Термистором называют терморезистор, изготовленный из специального полупроводникового материала, обладающего большим отрицательным тем­пературным коэффициентом сопротивления, т.е. температурная характеристика  термистора — отрицательная. Применяют два типа термисторов:

стержневой и бусинковый. Стержневые термисторы обладают более высокой  электрической прочностью и имеют относительно меньшее реактивное со- противление. Термисторы бусинкового типа при прочих равных условиях  имеют меньшую поверхность охлаждения и поэтому обладают большей чув- ствительностью. Чувствительность термистора высокая— от 10 до 100 Ом/мВт. Для получения высокой чувствительности рабочую точку термисто- pa выбирают на участке с максимальной крутизной характеристики.

    Зависимость сопротивления термистора от температуры нагрева можно представить                      

                                               ,

где  – сопротивление термистора при начальной температуре ;

T – температура нагрева термистора,0 К; – постоянный коэффициент.

   Болометр — проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой, помещенный в стеклянный (вакуумный или наполненный инертным газом) баллон. Для увеличения чувствительности нить выполнена из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры менее чувствительны, чем терморези­сторы, но имеют более стабильные, не зависящие от температуры окружающей среды характеристики. Экспериментально установлено, что между  сопротивлением болометра RT и мощностью Р ,рассеиваемой на нем ,существует следующая зависимость

                             RT = R0 + a Pb ,

где   RT – сопротивление болометра, на котором рассеивается мощность Р, мВт; R0 – начальное сопротивление болометра, Ом; a,b – постоянные коэффициенты , зависящие от материала и размеров нити болометра.

Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, со- стоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение сопро-тивления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии измеряется обычно с помощью мостовых схем. Используют два способа из­мерения сопротивления термистора: с помощью неуравновешенного и урав­новешенного мостов. Неуравновешенные мосты применяют для построения измерителей мощности по типу приборов прямого действия, уравновешен­ные — в ваттметрах, основанных на методе сравнения. Схема неуравновешенного моста с терморезистором представлена на рис. 9.4.

Исходное уравновешивание моста (при отсутствии измеряемой мощности СВЧ) обеспечивают схемой температурной компенсации, состоящей из по-тенциометраR плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выходных колебаний -50… 100 кГц. При равновесии  моста ток в измерительной  диагонали и показания  гальванометра равны  нулю.

Измеряемую мощность СВЧ Рвх подают на термистор Rt. Если схема измерителя согласована с генератором, то мощность полностью рассеивается на термисторе. В результате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах мощности, используя калиброванный источник постоянного токаЕпит .

 

E пит
 

 

Рис.9.4.Схема неуравновешенного моста.

 

К преимуществу измерителей электрической мощности с неуравновешен- ными мостами относится наглядность индикации результата измерений, а к  недостатку— сравнительно малая точность. Последнее объясняется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности  СВЧ изменение сопротивления термистора влечет за собой нарушение coгласования сопротивлений термисторной камеры и линии передачи электромагнитных колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от нагрузки, а значит, неполное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Во-вторых, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности.

Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные мосты, в которых измеряемую мощ­ность СВЧ сравнивают с калиброванной мощно­стью постоянного тока. Пример одной из схем измерительного уравно­вешенного моста с тер­морезистором представ­лен на рис. 9.5.

Терморезистор Rt, находящийся в измерительной головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R1,R2,R3, равные  по величине Rt0 — сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания Е на мост подается через резистор R4 ,сопротивление  которого велико и поэтому через него протекает достаточно малый ток питания I0 . Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R5, R6 .Резистор R6 представляет собой реостат, с движком которого связана измерительная шкала (на рис. 9.5 не показана); через этот резистор протекает Iш ,отсчитываемый по шкале. От сопротивления резистора R6 зависит ток IRt ,протекающий через терморезистор: поскольку ток питания моста Iм  = I0 – Iш , то когда мост уравновешен, ток IRt  = 0,5 Iм .

 

 

 

 

              Рис.9.5.Схема уравновешенного моста с терморезистором                                                         

 

До подачи мощности СВЧ мост сбалансирован за счет двух источников  питания: постоянного тока и переменного тока генератора Г. При этом положение  движка резистора R6 такое, чтобы сопротивление R6 было максимальным, если используется термистор, или минимальным, если используется болометр. При подаче СВЧ-колебания баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста (а, следовательно, и терморезистора) с помощью сопротивления R6 и источника питания Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т.е. уменьшать сопротивление R6 , а для болометров — наоборот. Как правило, шкала движка R6  градуируется непосредственно в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора Г позволяет исключить влияние тем-пературы окружающей среды и сохранить градуировку при старении тер-морезисторов и их замене.

Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую абсолютную погрешность порядка 4…10 %. Погрешности измерения таких ваттметров определяются в основном степенью согласованности нагрузки и качеством  измерительной головки. Существенным недостатком термисторных и болометрических ваттметров является ограничение максимального значения измеряемой мощности . Практически стандартные термисторы способны выдержать без разрушения мощность, не превосходящую нескольких десятков милливатт.

Измерение мощности термопарами

Данный метод измерения основан на регистрации значения термоЭДС, возникающей при нагревании термопары энергией СВЧ. Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобразователя и измерительной части. Основным элементом преобразователя является блок высокочастотных дифференциальных термопар, одновременно выполняющих функции согла-сованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне чаще применяют термопары в виде тонких металлических пленок, напыленных на диэлектрическую подложку. Основным элементом измерительной части прибора является вольтметр постоянного тока с цифровым дисплеем.

К преимуществам таких ваттметров следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и малое время подготовки прибора к работе. Недостатки ваттметров: ограничен­ный верхний уровень динамического диапазона и недостаточная устойчивость к перегрузкам, ограничивающая допустимое значение средней мощно­сти при измерении импульсных сигналов. Практически стандартные термопары способны выдерживать без разрушения мощность, не превышающую 50… 75 мВт. Уровень измеряемой мощности может быть несколько увеличен, если перед термисторной, болометрической или термопарной камерой поместить калиброванный аттенюатор.

Аттенюатор — устройство, у которого выходная мощность Рвых в заданное число раз меньше входной мощности Рвх. Результат измерения равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора:

kосл = Рвх / Рвых . Аттенюаторы различают по принципу действия (поглощающие, предельные) и конструкции (волноводные, коаксиальные, полосковые). Они бывают с фиксированным или изменяемым коэффициентом ослабления (затухания).

Волноводный поглощающий аттенюатор состоит из отрезка волновода, внутри которого помещен слой вещества, эффективно поглощающего энергию. Коэффициент ослабления (поглощения) энергии определяется свойствами вещества, а также размерами и расположением поглощающего слоя  относительно электрической составляющей электромагнитного поля волновода.

В предельных аттенюаторах используется явление экспоненциального затухания электромагнитного поля вдоль волновода, поперечные размеры которого выбраны меньше критических для рабочей длины волны.

Аттенюаторы с плавным изменением коэффициента затухания и шкалой  проградуированной в децибелах, обычно применяются в приборах, результат  измерения которыми фиксируется в относительных единицах.

Калориметрический метод измерения мощности

Калориметрический метод измерения мощности отличается высокой точностью, является универсальным и используется во всем радиотехническом  диапазоне частот, как для малых, так и для больших мощностей. Meтод основан на преобразовании энергии электромагнитных колебаний, поглощаемых  согласованной нагрузкой, в тепловую. Поглощение энергии поглотителем, составляющим основной элемент прибора, можно зарегистрировать  либо непосредственно по изменению его температуры, либо косвенно как изменение объема, давления или других характеристик.

Надежные калориметрические методы отличаются обратимостъю в том  смысле, что с поглотителем не происходит никаких необратимых изменений  и все калориметры возвращаются в свое первоначальное состояние за время  установления равновесия.

Калориметрические измерители состоят из двух частей: поглощающей  нагрузки и измерителя температуры. Наиболее распространены нагрузки с  проточной водой. Мощность, поглощаемая в водяной нагрузке с протонной водой, определяется по разности температур△ T на выходе и входе нагрузки  калориметра и по скорости расхода протекающей воды v. Для определения величины уровня мощности пользуются формулой:

P=4,17sGd△T                      (9.6)

где s — удельная теплоемкость жидкости (для воды s  = 1); G — paсход воды — объем воды, протекающей через нагрузку, см3/ s ; d — удельная масса поглощающей нагрузки; △T — разность температур на входе и выходе колориметра. При постоянных показателях s, G и d измеряемая мощность пропорциональна разности температур: Р = 4,17△T .

Структура построения водяной калориметрической нагрузки noказана на рис. 9.6. Внутри отрезка волновода 1 закреплен стеклянный конус 2,через  который протекает вода. В основание конуса впаяны две трубки 3 и 4.Вода  входит в трубку4, а вытекает через трубку 3. Нагрузка соединяется с источником измеряемой мощности соединительным фланцем 5,заполненный водой конус представляет нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряется термопарами, включенными на входе и выходе воды в нагрузку. Термопары включены встречно, так что индикаторный прибор фиксирует разность температур. Как же говорилось ,калориметрический метод самый точный. Погрешности образцовых калориметров составляют около 1% ,а промышленные калориметры обеспечивают погрешность 2,5…5%.

 

   Рис.9.6. Водяная поглощающая нагрузка калориметрического ваттметра

 

Ваттметры проходящей мощности

Под проходящей мощностью Рпр понимают разность мощностей падающей

Рпад и отраженной Ротр электромагнитных волн:

Рпр = Рпад – Ротр .                       (9.7)

Проходящую мощность электромагнитной волны можно измерить рас-смотренными ранее ваттметрами, используемыми совместно с направленными   ответвителями, или приборами, действие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители мощности на преобразователях Холла, с поглощающей стенкой и др. В последние годы для измерения мощности СВЧ-колебаний начали использовать эффект так называемых  горячих носителей тока в полупроводниках.

В волноводных измерителях мощности разделение падающих и отраженных волн СВЧ-энергии производят волноводным направленным ответвителем, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 10.7.

Структура классического направленного ответвителя содержит две волноводные линии: главную А и вспомогательную В, имеющие общую стенку. По главной волноводной линии распространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная от нагрузки к генератору. Вспомогательная волноводная ли­ния работает в режиме согласования с обеих сторон. Между главной и вспомогательной линиями имеются отверстия в общей стенке. Расстояние между отверстиямиcd равно четверти длины волны, распространяющейся в главной линии. Через отверстия c и d падающая и отраженная волны проникают во вспомогательную линию, но фазовые сдвиги этих волн таковы, что около отверстия d падающие волны складываются — точка 1, а отраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2.

 

 

генератору

 

Рис. 9.7. Использование направленного ответвителя в ваттметрах

Около отверстия с, наоборот; складывают отраженные волны — точка 3 и взаимно компенсируются падающие — точка 4.В результате падающая волна поступает на ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5. Таким образом измеряется мощность  падающей волны. Измерение мощности отраженной волны, необходимое  для определения проходящей мощности, может осуществляться тем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180°.

Достоинствами ваттметров на основе направленных ответвителей  являются широкие пределы измеряемой мощности 10-4…105 Вт; возможность  раздельного измерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон частот таких ваттметров 0,03… 40 ГГц, пределы допускаемых погрешностей  2,5… 10 %.

Измерение мощности преобразователями Холла

Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

Если специальную полупроводниковую пластину, по которой течёт ток I  (показан пунктиром на рис. 9.8, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью E, поместить в магнитное поле с напряженностью H (индукцией  В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной  направлениям протекающего тока I  и магнитного поля, возникает разность  потенциалов (эффект Холла), определяемая как

                              Ux = kEH,                              (9.8)

где k — коэффициент пропорциональности.

Согласно известной в физике теоремы Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется  векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля П = [ЕН[. Отсюда, если ток I  будет функцией электрической напряженности E, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения  от проходящей мощности:Ux = gP, где g— постоянный коэффициент, характеризующий образец — частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника  (пластинку Холла — ПХ) помещают в волновод, как показано на 9.8,6.

 

 

       

     

        а)                                                           б)

Рис. 9.8. Преобразователи Холла:

а — возникновение эффекта в электромагнитном поле, б— принцип измерения мощности в волноводе

 

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

• может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

• высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении  импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью  не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока

Из физики известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей зарядов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление в теории  полупроводников называется разогревом носителей зарядов.

Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пластины , то должен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей  движению зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины.

Для усиления эффекта неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник,  концентрация носителей в котором пространственно неоднородна. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно  судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульсную  мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс.

Основными узлами такого ваттметра являются приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифровым отсчетом.