Файл: Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения.pdf

торов используются термисторы или болометры. Независимо от типа терморезистора такие измерители мощности обычно назы­ вают термисторными. Измерители с термисторами применяются для измерения малых мощностей, а измерители с болометрами —• средних.

Термистор — это полупроводниковый резистор с отрицатель­ ным температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление термистора резко зависит от температуры, а следовательно, от величины поглощаемой им мощности (рис. 9.1). Эта зависимость является наиболее важной характеристикой термистора.

Конструктивно термистор для измерения мощности СВЧ пред­ ставляет собой бусинку из полупроводника с электронной прово­ димостью (например, смеси окислов металлов) диаметром 0,1—■ 0,5 мм, в которую заварены два платиновых проводника диамет­ ром 0,02—0,03 мм. Платиновые проволочки припаиваются к более толстым выводам. Вся конструкция помещается в стеклянный бал­ лон (рис. 9.2).

Когда термистор поглощает мощность СВЧ или мощность по­ стоянного тока, он нагревается и его сопротивление изменяется. Ра­ бочая точка выбирается на участке характеристики /?Т= / ( Р ) с большой чувствительностью. Чувствительность термисторов

_dRI

°r dP

велика и достигает 100 Ом/мВт, вследствие чего они применяются для измерения мощностей от единиц мкВт до единиц мВт. Сопро­ тивление термистора в рабочей точке обычно лежит в пределах 100—300 Ом. Так как сопротивление холодного термистора состав­ ляет величину от единиц до сотен килоом, то для получения тре­ буемого режима термистор предварительно нагревают постоян­ ным или низкочастотным током. Термисторы выдерживают значи­ тельные перегрузки. Недостатком термисторов является сильная зависимость их сопротивления от температуры среды, поэтому в измерителях с термисторами применяют термокомпенсацию.

Болометр — это терморезистор с положительным температур­ ным коэффициентом сопротивления. В настоящее время наиболее

139

Широко распространены пленочные болометры. Они представляют собой тонкую (толщиной 20—50 мкм) пластинку из слюды или стекла, на которую нанесена тончайшая (десятые доли мкм) ме­ таллическая пленка (платина или сплав платины с палладием).

Пленочные болометры обладают очень слабой зависимостью сопротивления от частоты, что позволяет согласовать их с пере­ дающей линией в широком диапазоне частот. Достоинством таких болометров является также большая перегрузочная способность. Однако болометры значительно менее чувствительны, чем термис­ торы (еБ ^ 2 0 —250 Ом/Вт), поэтому их применяют для измерения средних мощностей (от единиц мВт до 1 Вт). Рабочее сопротивле­ ние болометров составляет сотни Ом. Иногда применяются прово­ лочные болометры из вольфрамовой или платиновой проволочки диаметром 5—15 мкм. Термисторы и болометры применяются на частотах от 0,1 МГц до 80 ГГц.

Для измерения мощности ВЧ и СВЧ термистор или болометр должен быть включен в передающий тракт в качестве согласован­

ки при изменении частоты измеряемых колебаний, практически не применяются.

Наибольший практический интерес представляют широкополос­ ные головки, в которых отсутствуют подстроечные элементы. В ка­ честве примера на рис. 9.3,а схематически показано устройство волноводной термисторной головки, а на рис. 9.3,6 — коаксиаль­ ной. Сопротивление термистора головки и его положение в волно­ воде выбирают так, чтобы головка имела минимальный коэффи­ циент стоячей волны в рабочем диапазоне частот данной головки. Например, коаксиальная головка М5-17 (с термистором ТК'2-75) работает в диапазоне частот 150—3000 МГц без подстройки при коэффициенте стоячей волны, не превышающем 1,5; волноводная головка М5-21 работает в диапазоне частот 11,5—14,6 ГГц при коэффициенте стоячей волны не более 1,7.

140

Измеритель мощности состоит из двух основных частей: измери­ тельной головки и схемы для измерения сопротивления терморе зистора. Обычно в состав измерителя входит комплект головок, перекрывающих весьма широкий частотный диапазон. Так, измери­ тель М3-10 с набором из 6 головок обеспечивает измерение мощ­ ности в диапазоне частот от 0,15 до 16,7 ГГц.

Так как принципы работы термисторного и болометрического ваттметров практически одинаковы, в дальнейшем рассматривают­ ся только термисторные измерители мощности.

Схемы для измерения мощности по изменению сопротивления термистора

Изменение сопротивления термистора, обусловленное поглоще­ нием мощности СВЧ, измеряется с помощью различных мостовых схем. Применяются уравновешенные (сбалансированные) и не­ уравновешенные мосты.

Простейшая схема термисторного моста с волноводной голов­ кой приведена на рис. 9.4. Сопротивления резисторов Ru R2, Rs не

зависят от температуры, причем R t = R3, а сопротивление Я2 выби­ рается равным так называемому рабочему сопротивлению термис­ тора RT°. Рабочее сопротивление термистора R T° — это такое фиксированное сопротивление предварительно нагретого термис­ тора, при котором термистор имеет заданную чувствительность (при этом справедлива градуировка шкалы или отсчетиого лимба

измерителя мощности). Величина рабочего сопротивления являет­ ся параметром термистора и указывается в паспорте измеритель ной головки. Для термисторов различных типов рабочие сопротив­ ления чаще всего лежат в пределах 75—300 Ом. При измерении термисторная головка должна быть согласована с трактом, по ко юрсму передается измеряемая мощность.

141

Измерение мощности производится следующим образом. Вна­ чале мост балансируют, не подавая измеряемой мощности. Для этого общий ток / питания моста, измеряемый миллиамперметром, с помощью резистора Rp устанавливают таким, чтобы термистор разогрелся до температуры, при которой его сопротивление станет

стоянного тока, рассеиваемая в термисторе, когда мост сбаланси­ рован, равна

(9.2)

Затем подают измеряемую мощность Рх. Термистор дополнитель­ но разогревается, его сопротивление уменьшается и баланс моста нарушается. После этого, увеличивая сопротивление резистора R p,

суммарная мощность, рассеиваемая в термисторе, осталась той же, что и при первоначальном балансе моста, т. е. мощность постоянно- ю тока при уменьшении тока питания на А/ уменьшилась на вели­ чину, равную измеряемой мощности Рх.

Мощность постоянного тока, поглощаемая термистором при втором балансе, равна

(9.3)

Следовательно, изменение мощности постоянного тока в тер­ мисторе

(9.4)

равно Рх. Таким образом, зная ток / до подачи измеряемой мощ­ ности и изменение тока А/ после подачи, можно вычислить изме­ нение мощности ДР0 и, следовательно, измеряемую мощность Рх. Однако так обстоит дело лишь в том случае, если мощность СВЧ рассеивается только в термисторе и нигде больше. В действитель­ ности измеряемая мощность, кроме термистора рассеивается в стенках волновода головки, в изоляционных материалах, в подво­ дящих проводах термистора. Уменьшение мощности СВЧ, погло­ щаемой термистором, по сравнению с измеряемой мощностью Р х учитывается коэффициентом преобразования головки т]г. Значение Т|г приводится в паспорте головки (г/г =0,7—0,85). Зная А Я0 и т)г, можно рассчитать измеряемую мощность

Рх = А Яо/Ѵ

142

Очевидно, что такой измеритель будет иметь большую темпера­ турную погрешность, так как при изменении температуры окру­ жающей среды будет изменяться ток /, необходимый для началь­ ной балансировки моста. Чтобы при любой температуре среды и старении термистора начальный баланс моста имел место при од­ ном и том же токе /, используют дополнительный подогрев термис­ тора от встроенного генератора низкой частоты, как показано на рис. 9.4 пунктиром. Это позволяет исключить влияние температуры и старения термистора на показания прибора и проградуировать орган регулировки тока / непосредственно в единицах мощности.

Такие мосты называют уравновешенными. Этот же мост можно использовать в качестве неуравновешенного. При использовании неуравновешенного режима об измеряемой мощности судят по от­

уравновешенных, но дают большую погрешность. Кроме того, при разбалансе моста нарушается согласование термисторной головки с передающим трактом. Режим неуравновешенного моста обычно используется для весьма грубого измерения (оценки) мощности.

Рассмотренный одинарный мост не обеспечивает точное измере­ ние мощности даже в уравновешенном режиме. Действительно, из

сложные мостовые схемы, свободные от этого недостатка и позво­ ляющие производить отсчет измеряемой мощности в режиме урав повешенного моста непосредственно по шкале магнитоэлектриче­ ского прибора высокого класса точности. Рассмотрим упрощенную схему двойного моста, используемого в современном термисторной измерителе мощности типа МЗ-10 (рис. 9.5).

Основой измерительной схемы является двойной мост, состоя­ щий из внешнего моста Ml и измерительного моста М2. Термистор (/?т) включен в одно из плеч моста М2, а сам мост М2 служит пле­ чом моста Ml. Мост Ml предназначен для питания моста М2 од­ новременно от двух независимых источников постоянного напря­

При балансе моста М2 мост Ml также оказывается сбалансиро­ ванным. Баланс мостов фиксируется нуль-индикатором, в качестве которого используется микроамперметр, включенный в диагональ

.моста М2. Для упрощения будем считать, что оба моста при ба­ лансе являются равноплечими.

143

Процесс измерения состоит в следующем.

1.Производится калибровка прибора (переключатель П в по

ложении «КАЛИБР.»). В этом режиме вместо мостов к источнику £ 1 подключается резистор R0, сопротивление цепи которого вместе

2. Производится начальная балансировка прибора (переключа­ тель П устанавливается в положение «БАЛАНС» — «ИЗМЕРЕ­ НИЕ», при этом источник Еі оказывается подключенным к диаго­ нали моста Ml, а миллиамперметр с помощью не показанного на схеме переключателя отключается из цепи калибровки и включает­

тов. Балансировка мостов достигается изменением мощности низ­ кой частоты, подаваемой на термистор от генератора 65 кГц е по­

мощность постоянного тока Pq от источника Е х (в приборе М3-10 мощность P q ' = 8 мВт). Источник Е2 в процессе балансировки вы­

144