Основным элементом схемы является измерительный преобразо­ватель.

Термопары представляют собой две тонкие пленки (напр. висмут-сурьма) напыленных в вакууме на диэлектрик. Как правило преобразователи конструктивно выполняются в виде выносных коаксиальных или волноводных головок, соединяемых с прибором коаксиальным фидером. Эти преобразовательные головки должны обеспечивать согласование с СВЧ трактом и перекрытие требуемого частотного диапазона.

Термоэлектрический метод широко используется в ваттметрах поглощаемой и проходящей мощности и имеет следующие достоинства: хорошее согласование с фидерным трактом, независимость показаний от внешних условий, малое время прогрева и простоту реализации. Применяется для измерения малых уровней мощности (от десятков нановатт до единиц ватт) в диапазоне частот от дециметрового до миллиметрового.

6.Терморезисторный метод измерения мощности радиосигналов

В основу терморезисторного метода измерения мощности положе­но измерение сопротивления термочувствительного элемента, значение которого изменяется, под влиянием СВЧ энергии, преобразованной в тепло.

В качестве термочувствительных элементов в ваттметрах при­меняют термисторы и болометры, нагрев которых осуществляется за счет рассеиваемой на нем мощности СВЧ колебаний. Они помещаются внутрь отрезка жесткого коаксиального фидера или волновода. Для полного поглощения измеряемой мощности предусмотрен режим согласования.

Основными параметрами этих элементов являются зависимость сопротивления от величины рассеиваемой на нем мощности, чувствитель­ность и ТКС (температурный коэффициент сопротивления).

Термистором называют резистор с отрицательным коэффициентом изменения сопротивления от температуры ( а, значит, и от рассеиваемой мощности). График этой зависимости приведен на рис. 7,а). Их выполняют из полупроводниковых материалов ( смесь окислов: марганца, кобальта, никеля, меди) в виде бусины или стержня. Работают с уровнем мощности от единиц мкВт до десятков мВт, т. е. имеют высокую чувствительность. Сопротивление термистора в холодном состоянии единицы – десятки КОм.

Болометром называют термочувствительный элемент, у которого положительный коэффициент R_Б изменения сопротивления от температуры (рис. 2.60,б). Конструктивно его выполняют в виде стеклянного вакуумного баллона, в который впаяна металлическая нить.

Сопротивление как термисторов, так и болометров зависит от температуры, в том числе и окружающей среды. Поэтому их предварительно подогревают постоянным током или переменным током НЧ для вывода на рабочую точку на участке характеристики с большой крутизной (например R_T.50-250 Ом).

а) б)

Рис. 7

Чувствительность термисторов лежит в пределах (10...100) 0м/мВт, а у болометров она ниже, чем у термисторов и лежит в пределах (3...12) Ом/мВт.

Основным преимуществом термисторов перед болометрами явля­ется их более высокая чувствительность и устойчивость к перегрузкам. Болометры обладают более высокой стабильностью характеристик и меньшей тепловой инерцией.

Конструкции приемных преобразователей представляют собой отрезки коаксиальных или волноводных линий и расположенными внут­ри них термистором или болометром. Они в основном определяют пог­решность прибора, которая зависит от степени согласования вход­ного сопротивления приемного преобразователя с волновым сопротивлением тракта. Для перекрытия заданного частотного диапазона используются сменные приемные преобразователи. (М529  М543).

Измерительное устройство ваттметра представляет собой мостовую схему, позволяющую определить значение изменения сопротивления термистора. В простейшем варианте мост называют неуравновешенным, его схема имеет вид (рис. 8,а):

а) б)

Рис. 8

До подачи измеряемого СВЧ - сигнала мост уравновешивается. При этом R₁=R₂=R₄=R_Т=R; потенциалы точек а и б будут одинаковыми и ток через измерительный миллиамперметр протекать не будет.

После подачи энергии мост разбалансируется R_ТR ( потенциалы точек а и б не будут одинаковыми) и измерительный прибор – миллиамперметр, включенный в диагональ моста, покажет значение пропорциональное .

Но схема неуравновешенного моста имеет недостаток – показания в значительной степени зависят от температуры, отсюда низкая точность.

Поэтому чаще применяют уравновешенный мост (рис. 8,б), где производится сравнение мощности СВЧ, рассеиваемой на термисторе, с мощностью постоянного или переменного НЧ тока, вызывающей одинаковый нагрев термистора. При этом измерение производится в два этапа:

1. До подачи СВЧ энергии мост уравновешивается по показанию первого миллиамперметра, включенного в диагональ моста. Но через термистор будет протекать ток от постоянного источника, создавая рассеиваемую на нем мощность:

(8)

При этом значение тока измеряется вторым миллиамперметром.

2. Затем подается энергия СВЧ. Под ее воздействием R_Т уменьшается (применительно к термисторному преобразователю) и мост выходит из уравновешенного состояния, что индицируется первым измерительным прибором.

Его вторично уравновешивают с помощью R_П. При этом показания первого прибора опять будут равными 0. Но баланс будет происходить при другом значении тока второго миллиамперметра I₀₂. Мощность, рассеиваемая на термисторе, при этом составит:

(9)

Исходя из закона сохранения энергии, можно утверждать, что разница равна мощности , т.е.

. (10)

Данный метод является косвенным нулевым методом измерения (методом замещения).

Обе рассмотренные схемы реализованы в МЗ1А, вторая схема в МЗ1ОА.

Терморезисторные ваттметры позволяют измерять мощности от единиц микроватт до единиц ватт. Верхний предел можно расширить в счет использования различных масштабных преобразователей (делители мощности, аттенюаторы и т.д.).

За счет использования сменных преобразователей частоты, диапазон таких ваттметров лежит в пределах от 1 до 78 ГГц.

Заключение

На лекции мы узнали, что на частотах до 300 МГц можно использовать косвенный метод измерения мощности. Но на частотах более 300 МГц все большее предпочтение отдают прямым методам измерений мощности, а на частотах более 1000 МГц они являются единственными, так как измерительный прибор будет влиять своим входным сопротивлением на режим волн в линии передачи, нарушая условие согласования. Поэтому прибегают к преобразованию энергии ЭМВ (энергии СВЧ) в другой вид энергии, более удобный для измерений.

Изучили принципы построения калориметрического, термоэлектрического, терморезис-торного измерителей мощности, их достоинства и недостатки, метрологические характе-ристики, перспективы дальнейшего развития.