Методы измерения мощности СВЧ

ЧАСТЬ 1

МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЙ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ

Введение.

Измерения на СВЧ можно разбить на две группы:

а) Измерения параметров пассивных цепей.

6) Измерения характеристик и параметров СВЧ приборов.

Для измерения параметров пассивных цепей используется СВЧ генераторы, измерители частоты, мощности, коэффициента отражения (или КСВ) и т.д. Рассмотрим методы измерения в следующей последовательности.

Измерение мощности СВЧ генераторов.

Измерение частоты СВЧ генераторов.

Измерение качества согласования (КСВ) и других параметров пассивных цепей.

Методы измерения мощности СВЧ

В зависимости от методов измерения мощности приборы принято делить на четыре группы:

Измерители больной мощности от 10 Вт до 10 МВт.

Измерители средней мощности от 100 мВт до 10 Вт.

Измерители малой мощности от 10 мкВт до 100 мВт.

Измерители весьма малой мощности менее 10 мкВт.

Мощность измеряется двумя способами:

а) Измерение методом поглощения всей мощности в приборе (ваттметры поглощаемой мощности);

6) Измерение проходящей мощности, когда почти вся энергия поступает в реальный оконечный элемент (антенна и т.д.), а измерение проводится почти без поглощения этой мощности (см. рис.1).

Рис 1

1) Калориметрические методы

Для измерения больших и средних мощностей первым способом широко используется калориметрический метод. На вход СВЧ измерителя по фидеру (коаксиальная линия, волновод) поступает энергия СВЧ колебаний. В приборе эта энергия поглощается в оконечной нагрузке. В результате возрастает температура поглощающего элемента. Измеряя каким - то способом эту температуру, мы можем судить о величине мощности.

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид:

где: P - мощность СВЧ на нагрузке; T - температура нагрузки; Θ- температура окружающей среды; C и V – теплоемкость и объем калориметра; Н- коэффициент теплового рассеяния.

Решниие (1) имеет вид: где

Практически используются два метода:

а) метод быстрого измерения (при t → 0):

б) метод инертного измерения (при t → ∞):

Рис 2

Первый метод требует, чтобы постоянная H была достаточно мала. Достоинство таких измерителей в том, что проста их градуировка – достаточно знать лишь теплоемкость нагрузки. Недостаток – необходимо периодически отключать СВЧ мощность от измерителя.

Более широкое применение получили приборы инертного измерения мощности. В этих приборах через калориметрическую нагрузку пропускают калориметрическую жидкость (воду), которая нагревается и уносит тепло.

Мощность подсчитывают по формуле:

P = 4,19 GCD D T.

где: ∆ T - разность температур входящего и выходящего потока жидкости; P - измеряемая мощность в Вт; D - расход калориметрической жидкости см/сек; G - плотность калориметрической жидкости г/сек; С - теплоемкость калори-метрической жидкости кал/г град.

Разность температур измеряется термопарой (см рис. 2), погрешность метода менее 10 %. Источники ошибок:

а) непостоянство расхода воды;

б) рассогласование нагрузки и фидера и т.д.

Существуют другие разновидности калориметрического метода (микрокалориметрический и другие).

2) Измерение малых уровней мощности.

При измерении малых уровней мощности используются болометрические и термисторные измерители мощности.

Болометр - стеклянный баллон (вакуум или инертный газ) с впаянными в стекло выводами. Внутри болометра между выводами - тонкая плати­новая нить. Ее толщина порядка 0,5 - 5 мкм.

Термисторы - полупроводники, обладающие отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в отли­чии от болометров с положительным ТКС. Полупроводник, как и платино­вая нить, помещается в стеклянный баллон.

Размер полупроводникового элемента 0.2 мм в диаметре и 1 мм в длину (рис. 3)

Рис 3

Принцип действия измерителей состоит в том, что при наличии СВЧ мощности, которая поглощается в термочувствительном элементе, растет его температура и меняется сопротивление. Для повышения чувствительности термочувствительный элемент включается в плечо мостовой схемы (рис 3).

Перед началом измерений проводится балансировка моста сопротивлением R_и. Изменяя это сопротивление, мы устанавливаем стрелку индикатора на нуль.

Затем проводят установку чувствительности. Для этого к точкам моста подключается напряжения от генератора низкой частоты (50 - 100 кГц). В результате прохождения переменного тока через термистор он нагревается, его сопротивление падает и баланс моста нарушается (стрелка индикатора отклоняется). Мощность, выделяемая переменным током в термисторе известна (обычно 1 милливатт). Чувствительность калибруется с помощью сопротивления R₀. Изменяя его, мы устанавливаем стрелку в положение «1» милливатт. Генератор переменного напряжения отключают и прибор готов для измерений мощности.

Следует отметить, что измерители весьма чувствительны к температуре окружающей среды. Поэтому при каждом измерении необходима балансировка и калибровка. С целью уменьшения этой зависимости используются схемы с термокомпенсацией и термостабилизацией. Заметим также, что для повышения точности измерений необходимо согласование сопротивления термочувствительного элемента со входом фидерного тракта (рис. 4).

Рис 4

3) Другие методы измерений. Существует другие способы (на эффекте Холла и на основе пондемоторного эффекта), описанные в литературе.

С целью расширения пределов измерения, а также для проведения измерений проходящей мощности используется направленные ответвители (с ос­лаблением 20 - 30 дБ), к которым подключается обычный измеритель мощности. Здесь можно раздельно измерять проходящую и отраженную от нагрузки мощность.