Метод с использованием эффекта Холла

 

Эффект Холла проявляется, как известно, в полупроводниковых материалах, обладающих большой подвижностью носителей тока (германий, кремний и др.). В полупроводниковой пластине (преобразователь Холла) возникает поперечная разность потенциалов Е_х (ЭДС Холла), если в продольном направлении протекает ток I, а

 

Рис. 4.15. Преобразователь Холла: а — схема; б — размещение в тракте.

сама пластина помещена в магнитное поле с индукцией В, перпен­дикулярное к направлению тока (рис. 4.15, а). ЭДС Холла связана с параметрами преобразователя зависимостью

(4.18)

где R_x — постоянная Холла.

 

При измерении Р_пр преобразователь Холла (ПХ) размещают в тракте так, чтобы электрическая составляющая поля создавала в ПХ ток, а магнитная составляющая была перпендикулярна к его поверхности. Например, в волноводе с волной Н₁₀ размещение ПХ должно соответствовать изображению, показанному на рис. 4,15,6. Можно доказать на основании формулы (4.18) и теоремы Умова — Пойнтинга, что в этом случае показание индикатора, измеряющего Е_х, будет пропорционально среднему значению Р_пр.

Ваттметры с ПХ имеют ряд достоинств: линейность градуиров­ки шкалы в значениях Р_пр при слабой зависимости показаний от частоты (поэтому градуировка выполняется на низких частотах), малая инерционность (как и у других электронных методов), про­стота и высокая надежность. Недостатки ваттметров: малая чув­ствительность, низкая точность измерений и значительная зависи­мость Е_х от температуры за счет изменения подвижности носителей тока. Последние два недостатка успешно преодолеваются путем уравновешивания Е_х второй ЭДС Холла, создаваемой внешним электрическим и магнитным полями. Ваттметр прямого преобразо­вания трансформируется в ваттметр сравнения, у которого отсут­ствует зависимость показаний от коэффициента преобразования ПХ и его температурных изменений, а значения напряженностей внеш­них полей, соответствующие моменту компенсации, точно изме­ряются.

 

ПОНДЕРОМОТОРНЫЙ МЕТОД

 

Пондеромоторный метод измерения мощности основан на пре­образовании электромагнитной энергии в механическую. Это пре­образование в свою очередь использу­ет хорошо известный эффект механи­ческого (пондеромоторного) воздейст­вия (давления) электромагнитных волн на стенки линии передачи или на отражающие элементы, расположен­ные внутри линии. Механическое дав­ление пропорционально модулю пер­пендикулярного отражающей поверх­ности вектора Умова — Пойнтинга. Существуют два основных способа практической реализации пондеромо­торного метода.

В ваттметрах, использующих пер­вый способ, часть боковой стенки: волновода заменяется упругой пласти-^ ной — СВЧ мембраной, которая дефор­мируется под воздействием Р_Пр. Для измерения степени деформации могут использоваться пьезоэлемент или кон­денсаторный элемент. При этом верх­ний предел измеряемых мощностей

Рис. 4.16. Схематическое уст­ройство крутильного ваттметра.

практически ограничивается только электрической прочностью вол­новода.

Ваттметры, реализующие второй способ, получили название крутильных. Как видно из рис. 4.16, конструктивно такой ваттметр представляет собой отрезок волновода, внутри которого помещена металлическая пластинка 1, подвешенная на упругой кварцевой нити 2, а с другой стороны укрепленная на жестком стержне 4, вто­рой конец которого опущен в масляный амортизатор 7. Нить в свою очередь соединяется с осью крутильной головки 3, на которой на­несены деления в градусах. Согласующая диафрагма 9 компенси­рует неоднородность, вносимую пластиной /. Пластина с помощью крутильной головки располагается под некоторым начальным углом к оси волновода (оптимальным является угол 45°).

При распространении по волноводу волны Н₁₀ возникает вра­щающий момент, который дополнительно поворачивает пластину на угол, пропорциональный значению Р_пр- Этот угол фиксируется оптической системой, состоящей из зеркала 6, укрепленного на стержне 4, источника света 5 и шкалы 8. Противодействующий мо­мент создается нитью 2.

Пондсромоторные ваттметры — одни из самых точных измери­телей мощности на СВЧ. Для них характерны также- широкие пре­делы измерений (от нескольких милливатт до сотен киловатт), при­чем приборы не выходят из строя даже при значительных перегрузках. В то же время пондеромоторные ваттметры очень чув­ствительны к вибрациям и не могут работать в жестких условиях эксплуатации. Необходимость в тщательном согласовании с трак­том существенно ограничивает диапазон рабочих частот ваттмет­ров. Они применяются как образцовые СИ при проведении метро­логических исследований.