Доклад: Измерение СВЧ мощности
Надежные
калориметрические методы отличаются обратимостъю в том смысле, что с
поглотителем не происходит никаких необратимых изменений и все калориметры
возвращаются в свое первоначальное состояние за время установления равновесия.
Калориметрические
измерители состоят из двух частей: поглощающей нагрузки и измерителя
температуры. Наиболее распространены нагрузки с проточной водой. Мощность,
поглощаемая в водяной нагрузке с проточной водой, определяется по разности
температур на выходе и входе нагрузки калориметра и по скорости расхода
протекающей воды.
Б. Измерение проходящей
мощности
Под
проходящей мощностью Рпр понимают разность мощностей падающей
Рпад и
отраженной Ротр электромагнитных волн:
Рпр = Рпад -
Ротр.
Проходящую
мощность электромагнитной волны можно измерить рассмотренными ранее
ваттметрами, используемыми совместно с направленными ответвителями, или
приборами, действие которых основано на использовании физических явлений, не
требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся
измерители мощности на преобразователях Холла, 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 разделение падающих и отраженных волн СВЧ-энергии
производят волноводным направленным ответвителем, упрощенная структурная схема
которого представлена на рис.3
Структура
классического направленного ответвителя содержит две волноводные линии: главную
А и вспомогательную В, имеющие 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. Между главной и вспомогательной линиями имеются
отверстия в общей стенке. Расстояние между отверстиями cd равно четверти длины
волны, распространяющейся в главной линии. Через отверстия c и d падающая и
отраженная волны проникают во вспомогательную линию, но фазовые сдвиги этих
волн таковы, что около отверстия d падающие волны складываются — точка 1, а
отраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2.
Рис.3 Использование
направленного ответвителя в ваттметрах
Около
отверстия с, наоборот; складывают отраженные волны — точка 3 и взаимно
компенсируются падающие — точка 4.В результате падающая волна поступает на
ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5.
Таким образом измеряется мощность падающей волны. Измерение мощности отраженной
волны, необходимое для определения проходящей мощности, может осуществляться
тем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180°.
Достоинствами
ваттметров на основе направленных ответвителей являются широкие пределы
измеряемой мощности 10-4...105 Вт; возможность раздельного
измерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон частот таких
ваттметров 0,03... 40 ГГц, пределы допускаемых погрешностей 2,5... 10 %.
Измерение
мощности преобразователями Холла
Прямое
перемножение при измерении мощности можно также получить, используя
полупроводниковые преобразователи Холла.
Если
специальную полупроводниковую пластину, по которой течёт ток I (показан
пунктиром на рис. 4, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью E,
поместить в магнитное поле с напряженностью H (индукцией В), то между ее
точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и
магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемая
как
Ux = kEH
где k —
коэффициент пропорциональности.
Согласно
известной в физике теоремы Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей
мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется векторным
произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля П = [ЕН[.
Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности E, то с помощью
датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей
мощности:Ux = gP, где g— постоянный коэффициент, характеризующий образец —
частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку
Холла — ПХ) помещают в волновод, как показано на 4,6.
Рис. 4
Преобразователи Холла: а — возникновение эффекта в электромагнитном поле, б—
принцип измерения мощности в волноводе
Рассмотренный
измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:
• может работать
при любой нагрузке, а не только при согласованной;
• высокое
быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной
мощности.
Однако
практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — достаточно сложная задача
в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие
проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.
Ваттметры на
основе эффекта "горячих" носителей тока
Из физики
известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике
увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей зарядов или
дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры
кристаллической решетки материала. Это явление в теории полупроводников
называется разогревом носителей зарядов.
Если
осуществить неоднородный "разогрев" полупроводниковой пластины, то
должен возникнуть поток носителей зарядов из "горячей" области в "холодную".
Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это
обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей движению
зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени "разогрева"
полупроводниковой пластины.
Для усиления
эффекта неоднородному "разогреву" следует подвергать полупроводник, концентрация
носителей в котором пространственно неоднородна. Если "разогрев"
осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности
СВЧ. 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.
Основными
узлами такого ваттметра являются приемный преобразователь с полупроводниковым элементом
и измерительное устройство с цифровым отсчетом.
Заключение
В сущности, измерение СВЧ
мощности сводиться к измерению состояния различных материалов - индикаторов под
воздействием СВЧ излучения.
Каждый метод измерения
СВЧ мощности имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода измерения
зависит от ряда причин, таких как: необходимая точность измерения, диапазон
измеряемой мощности, сложность конструкции измерителя, стоимостью прибора и
т.д.
Список литературы
1.
М.И. Билько А.К.
Томашевский "Измерение мощности на СВЧ" М. Сов. Радио 1976 год.
2.
Интернет сайт
http://www.support17.com - белорусский национальный технический университет
|
