Доклад: Измерение СВЧ мощности
Как правило, оно включает узлы и блоки, преобразующие выходной сигнал приемного преобразователя в сигнал, удобный для индикации и подачи на отсчетное устройство, калибратор (при необходимости) и другие вспомогательные узлы. В зависимости от типа приемного преобразователя, измерительным устройством может служить самобалансирующийся мост или мост с ручной балансировкой (для биологический и термисторных ваттметров), усилитель постоянного или переменного тока, импульсный усилитель, механическая измерительная система и т.д.
Основные требования, предъявляемые к измерительному:
- постоянство коэффициента передачи в рабочих условиях эксплуатации (линейная амплитудная характеристика);
- малая инерционность;
- малая нестабильности показаний (в том числе дрейф нуля);
- удобное и (или) автоматизированное управление.
Отсчетное устройство
Индуцирует мощность, рассеиваемую преобразователем, в аналоговом или цифровом виде. Обычно отсчетное устройство совмещают с измерительным.
2. Методы измерения СВЧ мощности
А. Измерение поглощаемой мощности
Измерение поглощаемой мощности является наиболее распространенным видом измерения СВЧ мощности. Приемные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, являющиеся эквивалентом согласованной нагрузки, включат на конце передающей линии. В зависимости от вида применяемых преобразователей различают следующие методы измерений: тепловые (калориметрический, болометрический, термоэлектрический); метод вольтметра; метод с использованием частотно – избирательных ферритовых элементов.
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 сопротивление. Термисторы бусинкового типа при прочих равных условиях имеют меньшую поверхность охлаждения и поэтому обладают большей чувствительностью. Чувствительность термистора высокая— от 10 до 100 Ом/мВт. Для получения высокой чувствительности рабочую точку термистоpa выбирают на участке с максимальной крутизной характеристики.
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.
Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение сопротивления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии измеряется обычно с помощью мостовых схем.
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 согласованной 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.
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 проточной водой, определяется по разности температур на выходе и входе нагрузки калориметра и по скорости расхода протекающей воды.
Б. Измерение проходящей мощности
Под проходящей мощностью Рпр понимают разность мощностей падающей
Рпад и отраженной Ротр электромагнитных волн: