Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Болометр – проволочный или плёночный терморезистор с положи- тельной температурной характеристикой, помещённый в стеклянный (ва- куумный или наполненный инертным газом) баллон. Для увеличения чув- ствительности нить выполняют из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные характеристики, не завися- щие от температуры окружающей среды. Термисторы представляют собой рабочее тело в виде бусинки диа- метром 0,2...0,3 мм или цилиндра диаметром 0,2...0,3 мм и длиной 1...1,5 мм из полупроводниковой массы, состоящей из окислов меди, марганца, ко- бальта, титана и других металлов, спекаемой в специальной среде. В элек- трическую цепь термистор включают с помощью вваренных в его тело вы- водов из платины, платиноиридиевого или платинородиевого сплава. Тер- мисторы имеют отрицательный температурный коэффициент (рис. 14.7). Рис. 14.7. График изменения температурного коэффициента термисторов R т 50 С 0 С –30 С 20 С 15 МВт 10 5 0 1000 800 600 400 200 Р Ом Раздел 2. Измерительная техника 464 Основными характеристиками термистора (болометра) являются: сопротивление в рабочей точке, при котором термистор (боло- метр) согласуется с волновым сопротивлением СВЧ-тракта; чувствительность η = f (P x ) – dR / dP x ; тепловая постоянная, характеризующая скорость установления температуры термистора (балометра) при изменении теплового режима; максимально допустимая мощность рассеяния. Эти характеристики обычно указывают в паспорте на терморези- стор. Термистор или болометр помещают внутри измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение со- противления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энер- гии обычно измеряют с помощью мостовых схем. Используют два метода измерения сопротивления термистора: с помощью неуравновешенного и уравновешенного мостов. Неуравновешенные мосты применяют для по- строения измерителей мощности по типу приборов прямого действия, уравновешенные – в ваттметрах, основанных на методе сравнения. На практике при конструировании измерительных преобразователей наибольшее распространение получили термисторы, так как они обладают бóльшей чувствительностью и энергией перегорания. В последнее время широко применяются так называемые термистор- ные вставки, представляющие собой миниатюрную согласованную нагруз- ку. Конструктивно термисторный измерительный преобразователь пред- ставляет собой отрезок передающего тракта с включёнными на его конце термисторной вставкой (или термистором) и короткозамыкателем. Терморезисторный метод позволяет создавать измерители малой мощности – от единиц микроватт до десятков милливатт – в диапазоне от метровых до миллиметровых длин волн. Применение плёночных плоских болометров позволяет расширить диапазон измеряемых мощностей до со- тен милливатт. Погрешность измерения терморезисторными мостовыми методами определяется следующими составляющими. 1. Погрешностью измерения мощности замещения δ 1 , т. е. погрешно- стью измерительной схемы. В обычных условиях эта погрешность состав- ляет не более 1 %, в то время как экспериментальные данные, полученные на частоте 10 ГГц, свидетельствуют о том, что эта составляющая погреш- ности может достигать 0,1 %. 2. Погрешностью определения коэффициента эффективности приём- ного преобразователя δ K э , которая во многом зависит от точности методов калибровки и собственно калибраторов и составляет от 1 до 5 % в зависи- мости от диапазона частот. Глава 14. Измерение мощности 465 3. Погрешностью температурного дрейфа, которая при наличии вы- сококачественных схем температурной компенсации может не превышать 0,5 мкВт за 0,5 мин. 4. Погрешностью за счёт отражения мощности от приёмного преоб- разователя δ 2 (если в результат измерения вносят поправку на отражённую мощность, то неисключённый остаток погрешности составит не более 0,5 %). 5. Погрешностью рассогласования δ рс , которая зависит от значений коэффициентов отражения генератора и нагрузки. Эту погрешность рас- считывают по формулам и определяют по графикам. С учётом законов распределения составляющих погрешность изме- рения терморезисторным методом можно рассчитать по формуле 2 2 max max рсmax 3 3 3 0,16 i i i i (14.13) Без учёта погрешности рассогласования суммарная погрешность из- мерения мощности терморезисторными методами составляет от 1,0 до 10 % в зависимости от диапазона частот и условий выполнения измерений. 14.9. Мостовые методы измерения мощности Основным элементом термисторного ваттметра является измери- тельный мост. Могут использоваться неуравновешенные и уравновешен- ные мосты. Неуравновешенные мосты имеют бóльшую погрешность изме- рения мощности, обусловленную тем, что чувствительность = dR / dP х термистора зависит от температуры окружающей среды и свойств исполь- зуемого термистора. Кроме того, согласование термистора с трактом СВЧ зависит от уровня измеряемой мощности. Поэтому в ваттметрах СВЧ, как правило, применяются уравновешенные мосты (рис. 14.8). В одно из плеч моста включено сопротивление термистора измери- тельного преобразователя. Для обеспечения максимальной чувствительно- сти сопротивления плеч выбираются равными R, которое в свою очередь равно волновому сопротивлению СВЧ-тракта. Начальный баланс моста (до подачи мощности СВЧ) устанавливается с помощью переменного ре- зистора R 0 . При этом изменяется подводимое к мосту напряжение посто- янного тока, а следовательно, и ток, протекающий через термистор. При некотором значении тока I 1 сопротивление термистора становится равным R т = R = . При этом мощность, рассеиваемая на термисторе от источника постоянного тока, Раздел 2. Измерительная техника 466 2 2 1 т т 4 R I Р R I , (14.14) где I т – ток, протекающий через термистор. Рис. 13.8. Упрощенная схема термисторного ваттметра После подачи мощности СВЧ термистор нагревается и изменяет свое сопротивление. Баланс моста нарушается и в его диагонали появляется ток. Для восстановления равновесия мостовой схемы ток в общей цепи с помощью резистора R 0 уменьшается до значения I 2 . Происходящий при этом процесс может быть описан следующей цепочкой: СВЧ т 1 0 т тз СВЧ т const Р R I R I Р Р Р , где – возрастание или убывание параметра соответственно. При выполнении условия баланса моста можно записать выражение 2 2 1 2 т 4 4 x R I R I P P . (14.15) Приравняв выражения (14.14) и (14.15) получим, что измеряемая мощность равна 2 2 1 2 4 x R P I I (14.16) В данном случае используется метод замещения, т. е. тепловое воз- действие мощности СВЧ на термистор замещается воздействием постоян- ного тока, мощность которого и измеряется. В момент равновесия моста R т = R = , поэтому согласование термистора с линией передачи не нару- шается. Для предотвращения влияния изменения окружающей температуры на точность измерения в термисторных ваттметрах применяют различные P свч E R т R 0 R R R С PS PA Глава 14. Измерение мощности 467 методы компенсации. Наиболее распространен способ компенсации, осно- ванный на применении двух измерительных мостов, один из которых явля- ется рабочим, а второй – компенсационным. В обоих мостах используются идентичные по своим характеристикам термисторы, которые находятся в измерительном преобразователе в аналогичных температурных условиях. Компенсационный термистор изолирован от воздействия СВЧ-энергии, поэтому его сопротивление зависит только от температуры окружающей среды. Сопротивление рабочего термистора зависит как от температуры окружающей среды, так и от уровня действующей на него мощности СВЧ. Это позволяет снизить влияние температуры окружающей среды на точ- ность измерения мощности в 10...20 раз. Компенсационный мост применя- ется практически во всех термисторных ваттметрах (М3-22А, М3-28). 14.10. Термоэлектрический метод измерения мощности СВЧ-сигналов Термоэлектрический метод основан на преобразовании энергии СВЧ в тепловую с помощью термопар с последующим измерением термоЭДС (Е), которая пропорциональна рассеиваемой СВЧ-мощности (Р СВЧ ) Е ≈ K пр Р СВЧ , (14.17) где K пр – коэффициент преобразования термопары, мВ/мВт. Конструктивно термоэлектрические преобразователи выполнят в ви- де вставки (рис. 14.9, а). а б Рис. 14.9. Термоэлектрический преобразователь R т1 Выход 3 2 1 R т2 С пр С вых Вход Выход Вход R т1 С пр С вых R т2 Раздел 2. Измерительная техника 468 На слюдяной диск 1 напыляются плёночные контакты 2, обеспечи- вающие подсоединение вставки. К контактам крепится термопара 3, пред- ставляющая собой интегральную тонкопроволочную СВЧ-схему, выпол- ненную на коротком отрезке стеклянного волокна малого диаметра. Наи- большее распространение получили термопары «висмут – сурьма», у которых K пр = 0,5...2,5 мВ/мВт. Для повышения чувствительности преобразователя термопары вы- полняются дифференциальными и по высокой частоте, как видно по экви- валентной схеме (рис. 14.9, б), соединяются параллельно, а по постоянно- му току – последовательно, что обеспечивается конструктивно конденса- торами с ёмкостями С пр и С вых . Эти конденсаторы представляют короткое замыкание для СВЧ-токов и большое сопротивление для постоянного и низкочастотного тока, используемого для калибровки. Ёмкость С пр (300…400 пФ) предотвращает ответвление тока калибровки в цепь источ- ника СВЧ-сигналов. Термоэлектрическая вставка может размещаться в коаксиальном или волноводном тракте, образуя преобразователь (термоэлектрическую го- ловку), подключаемый к измерительному прибору. На выходе преобразо- вателя при подаче на его вход измеряемой мощности появляется термо- ЭДС, которую можно измерить высокочувствительным вольтметром по- стоянного тока. В схемах ваттметров используются как аналоговые вольт- метры (М3-21А), так и цифровые (М3-51, -52, -53, -90, -93). Так как чувствительность преобразователя невелика, в вольтметрах постоянное напряжение измеряется милливольтметром постоянного тока (рис. 14.10). Рис. 14.10. Структурная схема термоэлектрического ваттметра Для компенсации разброса чувствительности термоэлектрических преобразователей в ваттметрах предусматривается предварительная калиб- ровка. Перед измерением мощности на преобразователь подаётся калибро- вочная мощность (при включенном ключе S). Изменением чувствительно- S ГНЧ УПТ Вольтметр Калибратор УНЧ ДУ М Ф P x Преобра- зователь Глава 14. Измерение мощности 469 сти милливольтметра добиваются необходимых показаний ваттметра. В ка- честве калибраторов используют стабилизированные автогенераторы или генераторы напряжения типа «меандр» с частотой 20…50 кГц. Наличие в приборе калибратора позволяет уменьшить имеющуюся некоторую зависимость характеристик преобразователя от температуры окружающей среды и их изменения при замене термопар. При использовании цифровых вольтметров реализуется метод пре- образования измеряемого напряжения в пропорциональный временнóй ин- тервал с последующим измерением последнего, как в вольтметрах с вре- мяимпульсным преобразованием. К основным достоинствам термоэлектрических ваттметров относятся: малая зависимость результата измерения от температуры окру- жающей среды; широкий частотный диапазон (до 37,5 ГГц); малая инерционность (40…50 мс), определяемая быстродействием датчика. Основными недостатками термоэлектрических ваттметров являют- ся малые пределы измерений средней мощности и недостаточная устойчи- вость к перегрузкам. 14.11. Измерение проходящей мощности Применение измерителей поглощаемой мощности при эксплуатации пе- редающих устройств радиотехнических средств затруднено, поэтому возника- ет необходимость применять средства измерений проходящей мощности. Под проходящей мощностью понимают мощность, рассеиваемую в нагрузке линии передачи. Известно, что при идеально согласованной на- грузке (Г н = 0) в линии передачи отсутствует отраженная волна и мощность, проходящая в нагрузку, равна падающей: Р прох = Р согл = Р пад . В реальных случаях Г н ≠ 0 и проходящая мощность всегда меньше падающей: 2 прох пад отр пад н 1 P Р Р Р Г (14.18) В зависимости от типа применяемых преобразователей и вида связи чувствительных элементов с полем СВЧ различают следующие методы измерения проходящей мощности: метод поглощающей стенки; зондовый; пондеромоторный; метод направленных ответвителей. Раздел 2. Измерительная техника 470 14.11.1. Метод поглощающей стенки Метод поглощающей стенки основан на измерении мощности, рассеиваемой в термочувствительном резистивном элементе, который представляет собой участок линии передач с потерями, с последующим определением проходящей мощности в соответствии и формулой Р прох = K · Р рас , (14.19) где K – коэффициент, обратно пропорциональный коэффициенту связи; Р рас – мощность СВЧ, рассеянная в термочувствительном резисторном элементе. В простейшей конструкции ваттметра проходящей мощности, осно- ванного на данном методе, часть боковой стенки волновода заменена тер- мочувствительным элементом (энтракометром) в виде поглощающей стен- ки из платины. 14.11.2. Зондовый метод Под зондом понимают устройство, содержащее преобразователь и элемент связи. Размеры элемента связи выбирают такими, чтобы его влияние на поле в линии передачи и вносимые потери были пренебрежимо малы. С помощью зондов измеряют величину, пропорциональную напря- жению (току) или напряжённости поля в линии передачи, а проходящую мощность определяют по известным соотношениям. В качестве зонда ис- пользуют термопары, болометры, диоды СВЧ, другие СВЧ-датчики. Неподвижный зонд в зависимости от частоты, фазы коэффициента отражения нагрузки и расстояния до нее может попасть в минимум U пад (1 – |Г н |) или максимум поля U пад (1 + |Г н |). Поэтому показания индика- тора однозондового ваттметра Р при одном и том же уровне мощности мо- гут принимать любое значение от Р пад (1 – |Г н |) 2 до Р пад (1 + |Г н |) 2 . Так воз- никает погрешность рассогласования. Для уменьшения погрешности рассогласования применяют много- зондовые преобразователи. Если преобразователь рассчитан на фиксиро- ванную частоту, то достаточно применить два идентичных зонда, распо- ложенных на расстоянии в / 4 друг от друга и просуммировать их выход- ные сигналы. Если преобразователь рассчитан на работу в полосе частот, то зонды располагают в виде неэквидистантной решетки следующим обра- зом. Пару зондов располагают на расстоянии в1 / 4, затем вторую пару зондов, расстояние между которыми также составляет в1 / 4, располагают на расстоянии в2 / 4 относительно первой пары, а входные сигналы всех зондов суммируют. Такой четырехзондовый преобразователь не имеет за- висимости показаний от фазы коэффициента отражения на двух частотах, Глава 14. Измерение мощности 471 соответствующих длинам волн в1 / 4 и в2 / 4. Многозондовый преобразо- ватель с числом зондов 2 n оказывается согласованным на n частотах диапа- зона. При этом частоты выбираются так, чтобы обеспечить минимальное рассогласование во всем рабочем диапазоне частот. 14.11.3. Пондеромоторный метод Пондеромоторный метод основан на измерении силы механическо- го воздействия электромагнитного поля на чувствительные элементы, по- мещённые в тракт СВЧ, или непосредственно на стенки волноводного трак- та. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность было экспериментально подтверждено еще в опытах П.П. Лебедева в 1900 г. Из физики известно, что сила F, действующая на отражающую поверх- ность, пад н 1 Г Р F С , (14.20) где Г н – коэффициент отражения отражающей поверхности. Следовательно, для измерения мощности Р пад достаточно измерить силу F, действующую на отражающую поверхность с известным коэффи- циентом отражения Г н Существуют два основных способа практической реализации пон- деромоторного метода. В ваттметрах, реализующих первый способ, часть боковой стенки волновода заменяется упругой пластинкой, которая деформируется под воздействием проходящей мощности. Изгиб пластинки измеряется с по- мощью пьезоэлектрических или конденсаторных элементов. При этом верхний предел измеряемой мощности практически ограничивается элек- трической прочностью волновода. В ваттметрах, реализующих |