Лекция по "Схемотехнике"

      Ваттметр  с неуравновешенным мостом позволяет  непрерывно и непосредственно измерять мощность; схема его проста и надежна в работе. Однако он имеет ряд недостатков: необходимость предварительной градуировки и ее периодической проверки; значительную погрешность, превышающую 10 %.  Причины   погрешности   заключаются в рассогласовании тракта СВЧ с сопротивлением терморезистора, так как последнее изменяется в зависимости от измеряемой мощности, температуры окружающей среды и нестабильности напряжения источника питания.

       Ваттметр с уравновешенным мостом (рис. 11.11, б) обеспечивает лучшее согласование, и потому его погрешность значительно меньше. Измерение производится в два этапа. Сначала мост приводят в равновесие на постоянном токе изменением сопротивления резистора R₁ и замечают значение постоянного тока I₁. Через термистор протекает половина питающего мост тока, поэтому мощность, рассеиваемая термистором R_т,

      Затем подается СВЧ-сигнал, термистор дополнительно  нагревается, его сопротивление  уменьшается и мост выходит из равновесия. Увеличивая сопротивление R_l т. е. уменьшая постоянный ток через термистор, мост вторично приводят в равновесие, которое наступит при значении постоянного тока I₂. Теперь мощность постоянного тока, рассеиваемая на термисторе, согласно формуле (4),

      Очевидно, что уменьшение мощности постоянного тока равно приложенной сверхвысокочастотной мощности Р_~, т. е.

      Измерение мощности с помощью ваттметра  с уравновешенным мостом является косвенным, так как требует вычислений. Преимущество этого ваттметра перед ваттметром с неуравновешенным мостом состоит в том, что сопротивление терморезистора остается неизменным и согласование не нарушается. Недостатком является необходимость двух операций уравновешивания моста в процессе одного измерения и выполнение   вычислений.

      Прямопоказываюшдй ваттметр с уравновешенным мостом, в котором измеряется разность токов ∆I=I₁—I₂, не имеет этих недостатков. Подставим в формулу (6) значение  I₂=I₁-∆I. После элементарных преобразований получаем

       Если поддерживать значения тока I₁ и сопротивления R постоянными, то значение мощности СВЧ однозначно определяется приращением постоянного тока: Р~ =f(∆I). В этом случае шкалу миллиамперметра в цепи питания моста можно градуировать в единицах мощности. Однако градуировка может нарушаться при изменении температуры окружающей среды или замене термистора, когда для первоначальной балансировки моста требуется установка другого значения тока I₁. Для обеспечения постоянства градуировки мост питают от двух автономных источников тока — постоянного и переменного низкой частоты. Постоянный ток получают от стабилизированного по току источника и устанавливают несколько меньшим, чем нужно для уравновешивания моста. Точное равновесие получают путем ручной регулировки мощности генератора низкой частоты, переменный ток которого косвенно подогревает термистор. В процессе измерения первоначальное равновесие моста устанавливают и его изменения от внешних влияющих величин устраняют только изменением переменного тока, а начальное значение постоянного тока не меняется.

      На  рис. 11.12 приведена упрощенная схема прямопоказывающего ваттметра с уравновешенным мостом. Равноплечий мост питается от источника постоянного напряжения ИПН через стабилизатор тока СТ. Перед измерением мост уравновешивают с помощью переменного тока, получаемого от генератора низкой частоты Г. Затем на вход приемного преобразователя ППр подается измеряемая мощность, мост выходит из равновесия и на диагонали моста 1—2 появляется напряжение. Это напряжение после усиления в УПТ подается на базу регулирующего транзистора Т, включенного параллельно второй диагонали моста, и вызывает в транзисторе увеличение тока ∆I. Так как значение тока I₁ измениться не может, то соответственно уменьшается ток через термистор в приемном преобразователе и мост уравновешивается. Приращение тока транзистора (уменьшение тока термистора) фиксируется на шкале миллиамперметра, градуированной в единицах мощности.

      Промышленность  выпускает ваттметры поглощаемой  мощности со сменными приемными преобразователями  и мостовыми измерительными узлами с ручной и автоматической установкой состояния равновесия. Эти ваттметры перекрывают весь диапазон частот, используемый в настоящее время; значение измеряемой мощности составляет от единиц микроватт до единиц ватт. Эти пределы легко расширить с помощью внешних аттенюаторов или направленных ответвителей. Класс точности выпускаемых ваттметров связан с КСВ входной цепи приемного преобразователя и в соответствии с ГОСТ 13605 соотношения их следующие:

       Термоэлектрический  метод. Сущность термоэлектрического метода заключается в преобразовании энергии СВЧ в термоЭДС с помощью высокочастотных термопар, включаемых в приемный преобразователь в качестве поглощающей нагрузки. Конструкции термоэлектрических преобразователей различны, но электрическая схема их может быть представлена рисунком 11.13. Две термопары соединены для СВЧ-тракта параллельно, а для цепи постоянного тока — последовательно. Термопара состоит из двух тонких пленок (висмут—сурьма или хромель—копель), напыленных в вакууме на диэлектрическую подложку. Общее сопротивление двух соединенных параллельно термопар должно равняться волновому сопротивлению линии передачи: ρ=R_т/2. Конструктивный конденсатор С_к разделяет цепи СВЧ и постоянного тока. На выходе приемного преобразователя включается непосредственно или через усилитель постоянного тока магнитоэлектрический измеритель термоЭДС Ет. Так как Р_~=E_T/k, шкалу измерителя градуируют в единицах мощности (коэффициент преобразования термопары k ≈ 1 мВ/мВт).

      К достоинствам термоэлектрического  метода относятся: широкий диапазон частот; малое время измерения; малая  зависимость показаний от температуры  окружающей среды; широкие пределы измеряемой мощности, которые можно расширить применением внешних аттенюаторов и направленных ответвителей на входе преобразователя и высокочувствительных усилителей постоянного тока на выходе.

      Термоэлектрический  ваттметр со стрелочным индикатором легко превратить в ваттметр с цифровым отсчетом. Для этого вместо магнитоэлектрического измерителя нужно включить цифровой микровольтметр постоянного тока.

       Структурная схема одного из выпускаемых  промышленностью ваттметров с термоэлектрическим преобразователем приведена на рис. 11.14. Набор из нескольких приемных преобразователей ППр обеспечивает измерения в диапазоне частот от 100 МГц до 37,5 ГГц. Конструкция преобразователей подобна рассмотренным выше терморезисторным преобразователям (см. рис. 11.10). Возникшую под влиянием мощности СВЧ термоЭДС через фильтр Ф подают на электронный ключ ЭК, с помощью которого она преобразуется в переменное напряжение. После усиления переменное напряжение выпрямляется в синхронном детекторе СД и через усилитель постоянного тока УПТ воздействует на магнитоэлектрический миллиамперметр, шкала которого градуирована в единицах мощности. Электронный ключ и синхронный детектор синхронизируются с помощью вспомогательного генератора Г. В измерительном  узле  осуществлена  глубокая  отрицательная  обратная связь, стабилизирующая коэффициент преобразования ЭДС в ток. Для проверки градуировки шкалы ваттметра в его состав входит калибратор К. 

      Измерение проходящей мощности 

      По  определению, проходящую мощность можно  выразить следующей формулой:

        (8)

      где Р_п и Р_о — мощность падающей и отраженной волн соответственно, а Г_н — коэффициент отражения от нагрузки.

      Ваттметр  проходящей мощности включают в линию  передачи между генератором и  нагрузкой; его включение не должно вызывать искажений структуры электромагнитного поля в линии или его ослабления. Несоблюдение этих требований приводит не только к значительной погрешности измерения, но и к нарушению режима работы нагрузки.

      Для измерения проходящей мощности применяют методы ответвления, поглощающей стенки волновода, зондовый, пондеромоторный и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.

      Метод ответвления реализуется с помощью любых ваттметров поглощаемой мощности в совокупности с направленными ответвителями. Последние подробно изучаются в технической электродинамике. Здесь отметим, что они характеризуются переходным ослаблением С=10lg(Р_П/∆Р_П) и коэффициентом направленности D = 10 lg (∆Р_П/∆Р_О), где Р_п — значение падающей мощности в основном тракте; ∆Р_П и ∆Р₀ — значения ответвленной мощности падающей и отраженной волн в измерительном тракте. Коэффициент D обычно составляет 20 ÷ 40 дБ; С = 10 ÷30 дБ.

       Одна из возможных схем реализации этого метода приведена на рис. 11.15. Направленные ответвители НО₁ и НО₂ с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последовательно в линию передачи. Ответвленные мощности падающей и отраженной волн измеряются поглощающими ваттметрами Вт₁ и Вт₂. Результат измерения каждым ваттметром подается на вычитающее устройство ВУ, на выходе которого включен магнитоэлектрический измеритель, градуированный в единицах мощности. Его показания, в соответствии с формулой (8), пропорциональны проходящей мощности.

      Метод поглощающей стенки реализуется в конструкции, состоящей из отрезка волновода, часть боковой стенки которого заменена поглощающей платиновой пленкой. При прохождении по волноводу энергии СВЧ-пленка нагревается, ее сопротивление изменяется. Измерительный узел, выполняемый обычно по мостовой схеме, позволяет измерить проходящую мощность СВЧ, замещая ее мощностью постоянного токa Метод позволяет измерять малые, средние и большие мощности на участках рабочих диапазонов частот волноводов. Метод прост и надежен. Большим недостатком метода является инерционность и значительная погрешность измерения. Для уменьшения погрешности применяют предварительною калибровку на постоянном токе.

      Зондовый метод основан на измерении напряженности электромагнитного поля (обычно его электрической составляющей) в нескольких точка линии передачи и определении проходящей мощности по известным соотношениям Напряженность поля измеряется зондами, представляющими собой миниатюрные преобразователи с элементами связи. Зонды характеризуются коэффициентом преобразования и амплитудной характеристикой. В большинстве случаев применяют зонды в виде металлических или полупроводниковых термопар, которые погружаются в полость волновода на 0,1—0,2 мм в определенном порядке. Чисто зондов колеблется от двух до восьми. Мощность СВЧ вызывает нагрев термопар, и на их выходных (холодных) концах появляется термоЭДС, пропорциональная проходящей мощности Метод прост, позволяет измерять средние и большие мощности; индикация возможна простым стрелочным прибором. К недостаткам следует отнести значительную погрешность (больше 10%), зависимость показаний от точности согласования, узкополосность и необходимость калибровки на рабочих уровнях мощности.

      Пондермоторный метод обеспечивает высокую точность (погрешность меньше 1 %), однако ваттметры малонадежны, неудобны в работе. Метод используется преимущественно в метрологических исследованиях.

       Измерение мощности преобразователями  Холла . Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

      Если  специальную полупроводниковую  пластину, по которой течет ток I (показан пунктиром на рис. 11.16, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Н (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемая как

      где k — коэффициент пропорциональности.

      Согласно  теореме Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П=[Е^.Н]. Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощности: U_x=gP, где g—постоянный коэффициент, харак теризующий образец — частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Холла—ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 11.16, б.

      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 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 в теории полупроводников называемся разогревом носителей зарядов.