Измерение мощности СВЧ колебаний

Методы измерения мощности СВЧ-колебаний (часто проще, СВЧ-мощности, мощности СВЧ) существенно отличаются от рас­смотренных выше. Фактически все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Косвенные методы, из­ложенные ранее, не находят применения, поскольку значения токов и напряжений могут быть различны в разных сечениях линии передач (так называемые 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.

В телекоммуникационных системах используют два основных метода измерения мощности СВЧ-колебаний. Средства измерения мощности СВЧ подразделяют на измерители (ваттметры) поглощае­мой и проходящей мощностей.

Ваттметры поглощаемой мощности включают в СВЧ-тракт вме­сто фактических нагрузок. Поэтому с их помощью нельзя измерять мощность в реальных условиях работы систем, так как полное сопро­тивление ваттметра в общем случае всегда отличается от полного со­противления нагрузки, вследствие чего возникает так называемая по­грешность рассогласования. Однако в связи с большой простотой схемных решений и методик измерения ваттметры поглощаемой мощности получили более широкое распространение.

Ваттметры проходящей мощности позволяют измерять мощ­ность, проходящую к нагрузке, в реальных условиях эксплуатации систем. В этом заключается их несомненное преимущество.

Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами поглощаю­щего типа. Согласно общепринятому определению, под мощностью генератора электрических колебаний понимают мощность, отдавае­мую им в согласованную нагрузку (рис. 8.3, а). В этом случае изме­ряемая мощность полностью рассеивается на некотором измеритель­ном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности те­плового процесса.

                                                а                                                                      б

Рисунок 12.3. Способы измерения мощности ваттметром:

а — поглощающего типа; б — проходящей мощности

Такие измерители мощности называют ваттметрами поглощаю­щего типа. Поскольку нагрузка должна полностью поглощать изме­ряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенной нагрузке. Результат измерения наиболее точен, если входное сопротивление измерителя полностью согласовано с выход­ным сопротивлением исследуемого генератора, а выходное — с вол­новым сопротивлением линии передачи ρ.

Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности. При этом полное сопротивление нагрузки может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включа­ют специальное устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нару­шающее процесса ее передачи (рис. 12.3, б).

12.3.1. Измерение мощности СВЧ – колебаний ваттметрами поглощающего типа

Измерение мощности  СВЧ-колебаний  резистивными термочувствительными элементами. Наиболее распространенным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения сопротивления резистивного термочувствительного элемента (терморезистора) при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов используют болометры, сопротивление которых растет с повышением температуры (положительный температурный коэффициент сопротивления), и термисторы, чье сопротивление с ростом температуры падает. Основные преимущества термисторов перед болометрами — более высокая чувствительность и, большая устойчивость к перегрузкам. Для удобства монтажа в тракта передачи мощности и обеспечения требуемого режима измерении мощности терморезисторы монтируются в специальные конструктивные элементы (коаксиальные и волноводные вставки).

Термистором называют терморезистор, изготовленный из специального полупроводникового материала, обладающего большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При­меняют два типа термисторов: стержневой и бусинковый. Стержне­вые термисторы обладают более высокой электрической прочностью. Термисторы бусинкового типа при прочих равных условиях имеют меньшую поверхность охлаждения и поэтому характеризуются большей чувствительностью (10... 100 Ом/мВт). Для получения высокой чувствительности рабочую точку термистора 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 выполняют из материала с высо­ким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры ме­нее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные характеристики, не зависящие от температуры окружающей среды.

Термистор или болометр помещают внутрь измерительной го­ловки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Из­менение сопротивления терморезистора при рассеянии в нем электро­магнитной энергии обычно измеряют с помощью мостовых схем. Ис­пользуют два метода 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. 12.4. Исходное уравновешивание моста (т. е. при отсутст­вии на его входе измеряемой мощности СВЧ-колебаний) обеспечива­ется схемой температурной компенсации, состоящей из потенциомет­ра К 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. Измеряемая мощность СВЧ РВХ попадает на термистор R1, в ре­зультате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах элек­трической мощности, используя калиброванный источник постоянно­го тока ЕПИТ. Индуктивность L препятствует протеканию переменного тока генератора в цепь моста постоянного тока.

Рисунок 12.4. Схема неуравновешенного моста с терморезистором

К преимуществу измерителя электрической мощности, постро­енного на основе неуравновешенного моста с терморезистором, от­носится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку — сравнительно малая точность измерений. Последнее объясняется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности СВЧ-колебаний изменение сопротивления терморезистора влечет за собой нарушение согласования 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 СВЧ-колебаний.

     Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешен­ные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ-колебаний срав­нивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Одна из та­ких схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлена на рис. 12.5.

Рисунок 12.5. Схема уравновешенного моста с терморезистором

Терморезистор Rt, находящийся в измерительной головке, вклю­чают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются ре­зисторы R1, R2, R3, равные по значению условному сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания Е на уравновешенный мост подают 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 (для упрощения на рис. 8.5 не показана); через этот резистор протекает ток Iш, отсчитываемый по шкале. От сопро­тивления резистора R6 зависит ток 1Rt
, протекающий через терморе­зистор. Поскольку ток питания моста IМ = I0 - Iш, то при уравнове­шенном мосте ток терморезистора IRt = 0,5IМ.

До подачи мощности СВЧ-колебаний мост балансируют двумя источниками питания: напряжениями постоянного тока Е и перемен­ного тока генератора Г. При этом положение движка реостата R6 ус­танавливают так, чтобы его сопротивление было максимальным, если используют термистор, или минимальным, если используют боло­метр. При подаче мощности СВЧ-колебания баланс моста нарушает­ся, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста с помощью со­противления R6 и источника питания Е. Для термисторов нужно уве­личивать шунтирующее действие, т. е. уменьшать сопротивление реостата R6, а для болометров — наоборот. Обычно шкалу движка реостата R6 градуируют в ваттах. Начальная балансировка моста пере­менным напряжением генератора позволяет исключить влияние темпе­ратуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене.

Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую аб­солютную погрешность порядка 4... 10 %.

Измерение мощности СВЧ-колебаний с помо­щью термопар. Этот метод измерения мощности СВЧ-колебаний основан на регистрации значения термо-ЭДС, возникающей при нагре­вании термопары СВЧ-энергией. Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобразователя и измерительной части. Основным элементом термопреобразователя является блок высокочастотных диф­ференциальных термопар, одновременно выполняющих функции согла­сованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне применяются термопары в виде тонких металлических пленок, напы­ленных на специальную диэлектрическую подложку. Измерительная часть такого прибора содержит вольтметр постоянного тока с цифро­вым дисплеем.

К преимуществам ваттметров с термопарами следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и короткое время подготовки прибора к работе. Недостатки ваттметров — ограниченный верхний уровень динамиче­ского диапазона измерения и слабая устойчивость к перегрузкам, ог­раничивающая допустимое значение средней мощности при измере­нии импульсных сигналов.

Практически стандартные термисторы способны выдерживать без физического разрушения уровни мощности, не превышающие 75... 100 мВт. Уровень измеряемой мощности можно несколько уве­личить, если перед термисторной камерой поместить калиброванный аттенюатор.

Аттенюатор — СВЧ-устройство, у которого выходная мощ­ность Рвых
в заданное число раз меньше входной мощности Рвх. Ре­зультат измерения СВЧ-мощности 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 (в том числе и нецело­численным) коэффициентом ослабления (затухания). Аттенюаторы СВЧ-диапазона существенно отличаются от аттенюаторов, упоминав­шихся выше при описании схем вольтметров и универсальных осцил­лографов (они работают на частотах ниже СВЧ-диапазона), которые выполняются на элементах с сосредоточенными параметрами.

Волноводный поглощающий аттенюатор состоит из отрезка ме­таллического волновода, внутри которого помещен слой специально­го вещества, эффективно поглощающего СВЧ-энергию. Коэффициент ослабления (поглощения) энергии определяют свойства вещества, а также размеры и расположение поглощающего слоя относительно элек­трической составляющей электромагнитного поля волновода.

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

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

Калориметрический измеритель мощности СВ Ч-колебаний. Калориметрический метод измерения мощности является наиболее универсальным и его используют во всем радио­техническом диапазоне частот как для малых, так и для больших мощностей. Он отличается от других методов повышенной точно­стью измерения.

Калориметрический метод основан на преобразовании энергии электромагнитных колебаний, поглощаемых согласованной нагруз­кой, в тепловую. Поглощение энергии поглотителем, являющимся основным элементом прибора, можно зарегистрировать либо непо­средственно по изменению его температуры, либо косвенно как из­менение объема, давления или других характеристик.

Калориметрические измерители состоят из двух частей: погло­щающей нагрузки и измерителя температуры. Наиболее распростра­нены нагрузки с проточной водой. Для определения величины уровня мощности используют формулу

P ≈ 4.17 cGd∆T,                                                                  (12.8)

где для калориметрической воды ваттметра: с — удельная теплоем­кость, кал/(г · град); G — расход, см3/с; d — удельная масса, г/см2 ; ∆T — разность температур на входе и выходе калориметра, град.

Структура водяной поглощающей калориметрической нагрузки по­казана на рис. 12.6. Внутри отрезка волновода 1 закреплен стеклянный конус 2, через который протекает вода. В основание конуса впаяны две трубки 3 и 4. Вода входит в трубку 4, а вытекает через трубку 3. Нагрузку соединяют с источником измеряемой мощности соедини­тельным фланцем 5. Заполненный водой конус представляет собой нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряют термопарами, включенными на входе и выходе воды в нагрузку. Термо­пары включены встречно, так что индикаторный прибор фиксирует разность температур. Погрешности образцовых калориметров состав­ляют около 1%, а промышленные калориметры обеспечивают по­грешность 2,5... 5%.

Рисунок 12.6. Структура водяной поглощающей нагрузки калориметрического ваттметра

12.3.2. Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности

Под проходящей мощностью Рпр
понимают разность мощностей падающей Рпад и отраженной Ротр
электромагнитных волн:

                                         Рпр  = Рпад + Ротр.                                                                                                              (12.9)

Измерение мощности с помощью направленных  ответвителей. Проходящую мощность можно измерить с помощью направленных ответвителей.

Направленным ответвителем  называется  СВЧ-устройство  из двух отрезков волноводов, в котором часть энергии электромагнитной волны, распространяющейся в основном волноводе, посредством элементов связи ответвляется во вспомогательный волновод и переда­ется в требуемый канал.

Наряду с направленными ответвителями в ваттметрах применяют­ся приборы, действие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители мощности на преобразователях Холла, ваттметры 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 падающие и отраженные волны СВЧ-энергии разделяют волноводным направленным ответви­телем, структурная схема которого показана на рис. 12.7. Конструкция, классического волноводного направленного ответвителя состоит из двух  волноводных линий: главной А и вспомогательной В, имеющих 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.

Рисунок 12.7. Структурная схема волноводного направленного ответвителя:

А — главная; В — вспомогательная

Между главной и вспомогательной волноводов линиями в общей стенке проделаны отверстия. Расстояние между отверстиями с - d равно четверти длины волны, распространяющейся в главной линии. Через от­верстия c и d падающая и отраженная волны проникают во вспомога­тельную линию, однако фазовые сдвиги этих волн таковы, что около от­верстия d падающие волны складываются — точка 1, а отраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2. Около отверстия с, наоборот, складываются отраженные волны — точка 3 и взаимно ком­пенсируются падающие волны — точка 4. В результате падающая волна поступает на ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5. Таким образом измеряют мощность падающей волны. Измерение мощности отраженной волны, необходимое для опре­деления проходящей мощности, можно осуществить тем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180 °.

Достоинствами ваттметров, построенных на основе волноводных направленных ответвителей, являются достаточно широкие пределы измеряемой мощности (10-4...105
Вт); возможность раздельного из­мерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон рабочих частот составляет 0,03...40 ГГц, пределы допускаемых по­грешностей — 2,5... 10 %.

Измерение мощности ваттметрами с преобра­зователями Холла. Прямое перемножение сигналов при изме­рении мощности также можно получить с помощью полупроводнико­вых преобразователей Холла (рис. 12.8).

                                                  а                                             б

Рисунок 12.8. Преобразователи Холла:

а — возникновение эффекта в электромагнитном поле;

б — принцип измерения мощности в волноводе

Если специальную полупроводниковую пластину, по которой протекает ток I (показан штриховой линией на рис. 12.8, а), возбуж­даемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в маг­нитное поле с напряженностью Я (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям проте­кающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла):

UX = kEH,                                                                                (12.10)

где k — коэффициент пропорциональности.

Согласно общеизвестной в физике теоремы Умова — Пойнтинга (Н.А. Умов, 1846-1915, русск. физик; Дж. Пойнтинг, 1852-1914, англ, физик), плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в нет которой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П = [Е *
H]. Этот вектор является вектором плотности потока электрической мощности — век­тором Пойнтинга, указывающим направление распространении электромагнитных волн.

Из приведенных рассуждений следует, что если ток I будет функции ей электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощно­сти: UX = gР, где g — постоянный коэффициент, характеризующий обра­зец (частоту, проводимость и пр.) Для измерения такой мощности пла­стину полупроводника — пластинку Холла (ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 12.8, б.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает сле­дующими достоинствами:

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

• высокое быстродействие ваттметра позволяет применять его при измерении импульсной мощности.

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

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носи­телей тока. Из курса физики известно, что под воздействием элек­трического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотиче­ская скорость свободных носителей заряда (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно темпе­ратуры кристаллической решетки материала. Это явление называют разогревом носителей зарядов. При неоднородном «разогреве» полу­проводниковой пластины возникнет поток носителей зарядов из «го­рячей» области в «холодную». При этом оказывается, что ток в замк­нутой цепи практически равен нулю, что свидетельствует о возникно­вении ЭДС, противодействующей движению потока носителей зарядов. Значение возникшей ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины. Для усиления описанного эффекта, неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, кон­центрация носителей в котором пространственно неоднородна.

Если «разогрев» осуществляют энергией СВЧ-поля, то по значе­нию ЭДС можно судить о проходящей мощности. 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. Основные узлы ваттметра на эффекте «горячих» носителей тока — приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифровым отсчетом.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) ваттметра основано на использовании давления электромагнитных волн. Давление электромагнитных волн на отра­жающую поверхность пропорционально значению вектора Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей еже­секундно через единичную площадь. Пондеромоторные ваттметры обладают высокой точностью измерений, потребляют незначитель­ную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. К их не­достаткам можно отнести необходимость тщательного согласова­ния и изготовления деталей по высшему классу точности.