Болометрический (термисторный) метод

 

Болометрический (термисторный) метод основан на изменении сопротивления резистивного термочувствительного элемента, в ко­тором электромагнитная энергия превращается в тепловую. В диа­пазоне СВЧ применяют два вида термочувствительных элементов — болометры и термисторы (соответственно ваттметры называются болометрическими или термисторными). Рассмотрим основные ха­рактеристики их.

Болометр представляет собой проволоку диаметром ~ 1 мкм и длиной 0,8...1,2 мм (проволочные болометры) или пленку из пла­тины (палладия), нанесенную на подложку из стекла или слюды (пленочные болометры). Проволочные болометры запаивают в стеклянный вакуумный или заполненный инертным газом баллон, а пленочные болометры выполняют в виде специальной вставки.

Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2.„0,5 мм или цилиндра диаметром 0,2...0,3 мм и длиной 1...1.5 мм. Полупроводниковая масса состоит из порошко­образной смеси оксидов меди, марганца, кобальта, титана и др., спекаемой в определенной среде. В тело термистора ввариваются выводы из платины (платиноиридиевого сплава), а сам термистор может помещаться в стеклянный баллон или эксплуатироваться без него (безбалонные термисторы).

Основными характеристиками болометров и термисторов явля­ются сопротивление в рабочей точке R_t° при котором болометр (термистор) согласуется с СВЧ трактом, чувствительность S _t° = R_t° /dP, тепловая постоянная и максимально допустимая мощ­ность рассеяния.

На рис. 4.6. представлены типичные зависимости R_t° (P) для болометров (рис. 4.6, а) и термисторов (рис. 4.6, б). Видно, что термистор изменяет свое сопротивление в более широких пределах, чем болометр. Это определяет более высокую чувствительность термистора (S_t°= 5... 100 Ом/мВт) по сравнению с болометром (S_t°=3…15 Ом/мВт) и облегчает согласование термистора с трактом.

Рис. 4.6. Рабочие характеристики термочувствительных элементов:

а —болометра; б — термистора.

 

В то же время проволочные болометры имеют значительно меньшую тепловую постоянную (10^-3... 10^-5с), чем термисторы (0,1... 1 с), и могут применяться для измерения как Р, так и Р _и. Что касается пленочных болометров, то основное достоинство их — возможность расширения пределов измерения Рот 10 мВт (термисторы и прово­лочные болометры) до 1 Вт. Таким образом, в зависимости от кон­кретных требований ваттметры могут комплектоваться болометри­ческими или термисторными головками.

 

 

Рис. 4.7. Коаксиальная болометрическая (термисторная) головка:

а — устройство; б — эквивалентная схема.

 

Конструктивно головки представляют собой отрезки коаксиаль­ных или волноводных трактов со встроенными болометрами или термисторами. При этом важно разделить цепи питания болометра (термистора) по постоянному току (для включения в схему ИУ) и СВЧ (для подачи Р_х). В коаксиальных головках это достигается с помощью высокочастотного дросселя и конструктивного конденса­тора (рис. 4.7, а). Дроссель (Др) представляет собой спираль Архи­меда, не нарушающую согласования головки с трактом подачи Р_х, а конструктивный конденсатор С_к образован внешним проводником коаксиала и оконечной короткозамыкающей заглушкой. Болометр (термистор) конструктивно встроен в центральный проводник ко­аксиала, что облегчает согласование головки с трактом. Эквивалентная схе­ма головки (рис. 4.7, б) поясняет спо­соб разделения цепей питания.

В волноводных головках применя­ется переход от прямоугольного волно­вода к П-образному (рис. 4.8), чем достигается согласование головки с трактом в широком диапазоне частот. Конструктивный конденсатор С_к обра­зуется с помощью изоляционной про кладки в месте одного из выводов бо­лометра (термистора).

В качестве ИУ болометрических (термисторных) ваттметров приме­няют измерительные мосты. В простейшем случае это четы-рехплечий уравновешенный мост постоянного тока, в одно из плеч которого включен болометр (термистор). Как видно из рис. 4.9, мост является равноплечим, причем R выбираются из условия со­гласования болометра (термистора) с трактом.

Перед измерением мост балансируется с помощью потенциометра R_o, который регулирует ток питания моста I, изменяя при этом R_t° (см. рис. 4.6) до R_t° = R. Момент баланса фиксируется с по­мощью магнитоэлектрического индикатора, а по шкале амперметра отсчитывается значение 1_%. Очевидно, что мощность, рассеиваемая в этом случае на болометре (термисторе), равна Р_Т = (I₁ I₁ R)/4.

 

 

 

Рис. 4.8. Волноводная боло­метрическая (термисторная) го­ловка.

Рис. 4.9. Простейшая схема ИУ болометрического (тер-мисторного) ваттметра.

 

 

После подачи Р_х мост вновь балансируется уменьшением тока питания от значения I₁до значения I₂Очевидно,

 

 

 

откуда

(4.13)

Легко видеть, что при точном измерении значений I₁ и I₂ расчет Р_х по формуле (4.13) также будет точным. Однако при малых Р_х значения I₁ и I₂ очень близки, и точно различить их не удается. По­этому в практических схемах мостов измеряют величину ΔI= I₁ - I₂, а искомое значение Р_х определяют по следующей формуле, выте­кающей из (4.13):

P_x =(R/4)*ΔI(2I₁- ΔI) (4.14)

Из (4.14) видно, что при постоянных R и I₁ шкала прибора, из­меряющего ΔI, может быть проградуирована в значениях Р_х, и мы получаем прямоотсчетный ваттметр.

По другому принципу может осуществляться измерение Р_и в болометрических ваттметрах. В процессе измерения под действием радиоимпульса болометр нагревается, сопротивление его изменяет­ся, и при постоянном токе питания напряжение на болометре будет иметь форму пилообразных видеоимпульсов. Если радиоимпульсы короче тепловой постоянной болометра, то амплитуда видеоимпуль­сов будет пропорциональна энергии радиоимпульсов. Эти видео­импульсы усиливаются, дифференцируются и подаются на импульс­ный вольтметр, шкала которого может быть проградуирована в значениях Р_и. Такие ваттметры называются интегрально-дифференциальными.

Основными достоинствами болометрических и термисторных ваттметров являются широкий частотный диапазон, высокая чув­ствительность, позволяющая измерять значения Р_х порядка единиц микроватт, малое время установления показаний и высокая точ­ность, обеспечиваемая параметрами головок и измерительных мо­стов. Наряду с калориметрическим этот метод также использован при создании государственных специальных эталонов единицы мощ­ности электромагнитных колебаний, утвержденных ГОСТ 8.073—73 и ГОСТ 8.047—80. К недостаткам ваттметров, существенно ограни­чивающим их применение, необходимо отнести малые пределы из­мерений и большой температурный дрейф, требующий применения специальных схем термокомпенсации.

 

Термоэлектрический метод

 

Термоэлектрический метод основан на преобразовании с по­мощью термопар энергии СВЧ в тепловую и измерении возникаю­щей термоЭДС Е_Т, пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ мощности. Таким образом, термопары одновременно выполняют (в отличие от сухого калориметра) функции согласованной нагрузки и термометра.

Термоэлектрический метод, как и болометрический, применим для измерения малых уровней мощности. Однако он имеет суще­ственное преимущество перед болометрическим: значение Е_Т прак­тически не зависит от температуры окружающей среды, и отпадает необходимость в специальных схемах термокомпенсации. Кроме того, термопары не требуют начального подогрева, имеют высокую чувствительность и совместно с простым ИУ позволяют реализовывать термоэлектрические ваттметры прямого преобразования.

Рис. 4.10. Эквивалентная схема термоэлектрического преобразова­теля с дифференциальным включением термопар.

Рис. 4.11. Амплитудная характери­стика термоэлектрического преобра­зователя.

 

Конструкция термоэлектрических головок коаксиального и волноводного типа в целом аналогична конструкции болометрических (см. рис. 4.7 и 4.8). Для повышения чувствительности термопары выполняют дифференциальными, причем по постоянному току вет­ви термопары соединяют последовательно, а по высокой частоте — параллельно. Как видно из эквивалентной схемы рис. 4.10, это до­стигается с помощью конструктивного конденсатора С2. Конденса­тор С1(также конструктивный) позволяет развязать цепи посто­янного тока и СВЧ. Значения R_Т1 и R_Т2 выбирают из условия со­гласования головки. В основном применяют пленочные термопары (металлические пленки, напыленные на диэлектрические подлож­ки), причем наибольшее распространение получили термопары висмут — сурьма, копель — сурьма и хромель — копель.

Основной характеристикой термоэлектрического преобразова­теля является амплитудная характеристика Е_Т(Р_Х), типичный вид которой представлен на рис. 4.11. Линейный участок характеристи­ки определяет пределы измерения Р_х, причем максимальную линей­ность имеют характеристики дифференциальных термопар.

Поскольку выходным сигналом преобразователя является по­стоянное напряжение, ИУ термоэлектрических ваттметров пред­ставляет собой вольтметр постоянного тока, шкала которого про­градуирована в значениях Р_х. В практических схемах ваттметров применяют как аналоговые, так и цифровые вольтметры. Дополни­тельным функциональным узлом ИУ является калибратор мощно­сти— стабилизированный генератор меандра частоты 20...50 кГц. С его помощью производится калибровка ваттметра перед началом работы и после смены преобразователя. Благодаря этому устра­няется разброс характеристик Е_Т(Р_Х).

Основные достоинства и параметры термоэлектрических ватт­метров те же, что и у болометрических (термисторных). Дополни­тельным важным преимуществом, как уже отмечалось, является малая зависимость результатов измерений от температуры окру­жающей среды. Основной недостаток ваттметров — малые пределы измерений и малая устойчивость к перегрузкам.

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_хможет 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 %.