Лекция по "Схемотехнике"

      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. 

      Измерение весьма малой мощности 

      В радиотехнической практике иногда возникает  необходимость измерения таких малых значений мощности СВЧ, на которые не рассчитаны рассмотренные выше методы и ваттметры, например мощности собственного шума высокочувствительных радиоприемников и антенно фидерных устройств систем космической связи или шумов внеземного происхождения, являющихся основной информацией в радиоастрономии. Если измеряемая мощность больше 10^-12 Вт, то измерение выполняют с помощью выпускаемых для этой цели измерителей помех или измерительных приемников с соответствующими диапазоном частот и чувствительностью. Если уровень измеряемой мощности ниже уровня собственных шумов измерительного устройства, то применяют модуляционный метод измерения в сочетании с методами сравнения и накопления.

       Шумовой сигнал модулируется синусоидальным напряжением низкой частоты с помощью модулятора М и модуляционного генератора МГ (рис 11.17) и поступает на широкополосный супергетеродинный СВЧ-приемник. Напряжение промежуточной частоты после детектирования с помощью квадратичного детектора Д преобразуется в сигнал низкой частоты, значение которого пропорционально мощности входною сигнала. Этот сигнал проходит через узкополосный селективный фильтр усилитель У, настроенный на частоту модулирующего напряжения, и затем на синхронный детектор СД. С выхода последнего постоянное напряжение поступает на фильтр нижних частот Ф с постоянной времени, достигающей десятков секунд, и регистрируется выходным магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в единицах мощности и kT

      Выигрыш в чувствительности оценивают по формуле , где 2∆f — полоса пропускания приемника до детектора, τ — постоянная времени фильтра нижних частот. Например, при 2∆f = 8 МГц и τ = 60 с Q = 22 000, т. е. выигрыш в чувствительности превышает четыре порядка Такие высокочувствительные измерители мощности называют радиометрами. Для определения абсолютного значения измеренной мощности радиометр необходимо перед каждым измерением тщательно калибровать, для чего предусмотрен калибровочный генератор шумовых сигналов ГШК. Чувствительность радиометров составляет 10^-15 Вт (0,1 kT₀), погрешность ±0,5дБ Число единичных измерений должно быть не менее 10. 

      Измерение мощности лазерного  излучения

      Мощность  и энергия излучения лазеров  — это различные, хотя и тесно  связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излучения обычно называют энергетическими параметрами. Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

      • мощностью излучения Р при  работе лазера в непрерывном режиме;

      • энергией излучения одиночных импульсов

      где τ_и — длительность импульса излучения;

      • средней мощностью в импульсе

      • средней мощностью импульсно-модулированного  излучения

      Здесь Т— период следования импульсов.

      Измерения энергии и мощности лазерного  излучения не отличаются достаточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко понижаются до 0,5 %).

      Мощность  и энергию излучения лазеров  измеряют различными методами, в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако их реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия.

      Для измерения импульсов лазерного  излучения с энергией менее 10^-3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюрного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1 г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокусной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифференциальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары укреплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, закрепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

      Измеряют  энергию лазера и жидкостными  калориметрами, подобным рассмотренным  выше. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (единицы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня поглощаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам.

      Примером  такого калориметра может служить  специальный сосуд, наполненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10^-4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который может выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости устанавливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение измеряемой энергии на 2,5 Дж.

      Фотоэлектрические измерители лазерного  излучения. Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропорционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность непрерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с р-n-переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегрированием выходного сигнала фотоприемника.

      Измерители  больших импульсных мощностей лазерного  излучения. Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

       Сегнетоэлектрический  измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряжение, которое можно измерить.

      В качестве сегнетоэлектриков применяют  титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противоположные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 11.18).

      Приемник  обычно выполняют в виде цилиндрического  конденсатора с круглым или прямоугольным  входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью — например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

       Измеритель мощности излучения с использованием обратного электрооптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении монохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поляризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 11.19), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

      Наиболее  эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазеров на СО₂). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптической прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пределах (0,15 ..1) 1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптических стекол лучших марок, используемых в лазерах

      Измеритель  мощности с использованием обратного  электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; конденсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера, электронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подключаться осциллограф.

      Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие приборы применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний предел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограничен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точностью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчивость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности. 

        Цифровые ваттметры

      Повсеместно внедряемая в последние годы в  измерительной технике автоматизация процесса измерения распространилась и на средства измерения мощности. Необходимость в автоматизации средств измерения мощности возникла по двум причинам: во-первых, из-за развития автоматических систем контроля и, во-вторых, из-за сложности управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем, которые являются основным элементом любого терморезисторного ваттметра.

      В цифровых ваттметрах применяют различные  типы преобразователей мощности, в том числе и терморезисторные.

      Упрощенная  структурная схема цифрового  ваттметра дана на рис. 11.20.

       Основным элементом схемы ваттметра  является микропроцессор. УПТ усиливает  выходное напряжение термоэлектрического приемного преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напряжение, пропорциональное значению измеряемой мощности, преобразуется с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме не показан) в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ) или может вводиться в специализированное устройство обработки измерительной информации.

      Микропроцессор  ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы и дистанционного переключения пределов измерения, индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используется для самокалибровки ваттметра. Калибратор мощности постоянного тока применяется для калибровки цифрового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитываются от встроенного источника питания постоянного тока.

      Приемный  преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии (или волновода) со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающего элемента, термоэлектрического модуля, «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь на СВЧ трубка покрывается медью и серебром. Поглощающий элемент за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным проводником. Другой его конец впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

      Термоэлектрический  модуль представляет собой диск с  отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холодный спай — с «образцом сравнения». К выводам термоэлектрического модуля припаиваются провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используются внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеяния преобразователя.