7.3.5Терморезисторные мосты.

Для измерения мощности терморезистор обычно включают в схему моста постоянного или переменного тока, и небольшие изменения сопротивления болометра или термистора, происходящие под воздействием СВЧ мощности, могут быть легко измерены.

Простейшая схема терморезисторного моста показана на рис.6.9. В этой схеме терморезистор является единственной деталью (в идеальном случае), сопротивление которой зависит от мощности, рассеиваемой внутри нее. Положим для простоты, что плечи моста R₁, R₂ и R₃, одинаковы. Их сопротивление R₀ выбрано в соответствии с рабочими характеристиками терморезистора. Это значит, что при R = R₀ и сбалансированном мосте терморезистор хорошо согласован с линией СВЧ и в нем рассеивается необходимая мощность. Процесс измерения заключается в том, что при подведении к термистору СВЧ мощности он дополнительно разогревается, в результате чего его сопротивление изменяется на некоторое значение R. Ранее сбалансированный с помощью резистора R мост приходит в состояние разбаланса. Разбаланс индицируется гальванометром, включенным в диагональ моста. При малом разбалансе сохраняется линейная зависимость между током в диагонали моста и изменением сопротивления терморезистора, следовательно, и СВЧ мощностью, вызывающей это изменение, т.е.

Р_свч = kI

где k — коэффициент пропорциональности; I— ток в диагонали моста.

Коэффициент k можно определить на СВЧ токе, постоянном токе или переменном токе низкой частоты. При известном значении k шкалу гальванометра можно проградуировать в единицах мощности. Эту схему применяют только для индикации мощности или при ее относительных измерениях, так как схема не обеспечивает высокой точности измерений и имеет следующие недостатки:

• коэффициент k сильно зависит от температуры окружающей среды и смены терморезистора. Так как сопротивление терморезистора меняется с изменением температуры окружающей среды, то меняется и уровень мощности, при котором мост балансируется. В связи с этим меняется чувствительность и, следовательно, градуировка моста;

• малый динамический диапазон (до 2 мВт), зависящий от уровня рассеиваемой терморезистором мощности постоянного тока, при которой наступает баланс моста;

• степень согласования с СВЧ трактом зависит от уровня измеряемой мощности, так как при ее изменении изменяется сопротивление терморезистора, нагружающего СВЧ тракт

Рис. 6.40. Простейшая схема терморезисторного моста

Для точного измерения мощности на практике более распространены мостовые схемы, основанные на методе замещения. Сущность этого метода заключается в том, что дополнительный разогрев терморезистора мощностью СВЧ компенсируется уменьшением мощности постоянного тока, рассеиваемой термистором. Таким образом, сопротивление терморезистора в процессе измерения поддерживается постоянным. Процедура измерения мощности в этом случае сводится к определению изменения мощности постоянного тока, т.е. замещающей мощности.

Если исходить из предположения эквивалентности теплового воздействия на терморёзистор мощностей СВЧ и постоянного тока питающего моста, то

Р_свч = Р_зам = (I²₁ – I²₂)R (6.6)

где I₁ и I₂ — токи, протекающие через термистор при начальном балансе моста и при подаче СВЧ мощности, т.е. после повторной балансировки; R — сопротивление терморезистора при балансе моста.

Точность измерения по этой схеме сравнительно мала, особенно на малых уровнях мощности.

Более высокую точность обеспечивает способ измерения тока начального баланса моста I₁ и изменения этого тока ΔI = I₁ — I₂ после подачи СВЧ мощности.

С учетом этого (6.6) будет иметь вид

Р_свч = Р_зам = (2I₁ – ΔI) ΔIR_t

Отсюда следует, что при постоянных заданных значениях I₁ и R_t величины Р_свч и ΔI связаны вполне определенной зависимостью, и прибор, регистрирующий значения тока ΔI, может быть отградуирован в единицах СВЧ мощности.

Как показывает практика, значение тока начального баланса моста непостоянно и зависит от характеристик терморезистора, температуры окружающей среды, условий теплообмена его с окружающей средой. Чтобы обеспечить однозначность зависимости Р_свч = f (ΔI) выбирают такую схему, при которой в момент начального баланса моста через терморезистор протекает постоянный ток I₀, несколько меньший тока I₁, при котором сопротивление терморезистора становится равным рабочему. Регулировкой мощности переменного тока низкой частоты, равной (I²₂ —I²₁) R_t сопротивление терморезистора доводится до рабочего значения, и мост оказывается сбалансированным. Выходная мощность генератора низкой частоты при этом должна быть более (I²₁ - I²₂)Rt во всем интервале рабочих температур с любым из используемых в приборе терморезистором. В отдельных случаях баланс моста регистрируют в цепи низкочастотного тока, а терморезистор дополнительно подогревают постоянным током.

Известны несколько способов измерения тока ΔI.

1. Применение схемы сравнения с источником опорного напряжения (рис. 6.10). В этой схеме измерительный мост питается от источника постоянного тока со следящей системой. Начальную балансировку моста осуществляют с помощью источника переменного тока низкой частоты. В момент достижения баланса, индицируемого по вольтметру, напряжение питания моста U₀ равно напряжению источника опорного напряжения U_оп. Источник опорного напряжения выдает стабилизированное напряжение, и поэтому постоянный ток, протекающий через терморезистор, придачальном балансе моста будет неизменным. После подачи СВЧ мощности баланс моста нарушается. Следящая система уменьшает напряжение до значения U'₀, и баланс моста восстанавливается. В этот момент вольтметр покажет разность Напряжений ΔU = U_оп - U'₀, пропорциональную изменению тока I.

Рис. 6.41. Схема сравнения с источником опорного напряжения

Рис. 6.42. Схема подачи встречного тока на терморезистор

Пользуясь уравнением

Р_свч = Р_зам = (2I₀ – ΔI) ΔIR (6.7)

где ΔI = ΔU/k; (к Δ1= ΔU); I₀= const; Р = const, шкалу прибора градуируют в единицах мощности.

2. Использование схемы, с, помощью которой на терморезистор подается встречный ток (рис. 6.11). Перед подачей СВЧ мощности мост М_т, являющийся плечом моста ваттметра М_м, балансируют с помощью источника переменного тока низкой частоты, а от источника постоянного тока Е₁ через терморезистор протекает ток I₀ известного и неизменного значения. При балансе моста М_т наступает баланс моста Мв и источники постоянного тока Е₁ и Е₂ оказываются развязанными. После подачи СВЧ мощности баланс моста М_т нарушается. Для его восстановления с потенциометра на терморезистор подают встречный ток ΔI от источника Е₂. В момент восстановления баланса прибор покажет значение тока, пропорциональное ΔI. Прибор градуируют, используя уравнение (6.7), где I₀ = k ΔI,

3. Шунтирование моста (рис. 6.12). В этом случае мост питается от источника постоянного тока с внутренним сопротивлением, значительно большим сопротивления моста R. Перед подачей СВЧ мощности производится балансировка моста от источника переменного тока низкой частоты. Ключ Кл при этом разомкнут. При первичном балансе через терморезистор протекает ток I₀ известного и неизменного значения, задаваемого стабилизатором тока. После подачи СВЧ мощности ключ Кл замыкают, включая тем самым схему компенсации. Изменяя сопротивление шунта, восстанавливают баланс моста, при этом постоянный ток через терморезистор уменьшается. В момент восстановления баланса моста прибор покажет значение тока, пропорциональное изменению тока через терморезистор, т.е. I_w ≡ ΔI. Градуировку шкалы индикатора производят, также пользуясь уравнением (6.7), где принимают k ΔI = I_w, I₀ = const, R_t = const.

Рис. 6.43. Метод шунтирования моста

4. Если в цепь питания моста от источника постоянного тока схемы на рис. 6.12. включить резистор R_доб, в качестве шунта использовать точный микропотенциометр, то шкалу прибора можно сразу проградуировать в единицах измеряемой мощности, при этом не требуется прибор для измерения тока.