Федеральноеагентство по образованию
Санкт-Петербургскийгосударственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Кафедра ЭлектронногоприборостроенияДоклад
по дисциплине:
Измерение ииспытание в СВЧ диапазоне
на тему
«Измерение СВЧ мощности»
Выполнил:
Студент Лебедев Р.Ю.
Группа 5062
Проверил:
Беневоленский Д. М.
Санкт-Петербург
2010
Содержание
Введение
1. Способы измерения СВЧ мощности
2. Методы измерения СВЧ мощности
2.1 Измерение поглощаемой мощности
2.2 Измерение проходящей мощности
Заключение
Список литературы
Введение
Мощность в общем видеесть физическая величина, которая определяется работой, производимой в единицувремени. Единица мощности ватт (Вт) соответствует мощности, при которой за однусекунду выполняется работа в один джоуль (Дж). На постоянном токе и переменномтоке низкой частоты непосредственное измерение мощности зачастую заменяетсяизмерением действующего значения электрического напряжения на нагрузке U, действующего значения тока,протекающего через нагрузку, угла сдвига фаз между током и напряжения P=U I cosφ. В СВЧ диапазоне измерение напряженияи тока становится затруднительным. Соизмеримость размеров входных цепейизмерительных устройств с длинной волны является одной из причиннеоднозначности измерения напряжения и тока. Измерения сопровождаютсязначительными частотными погрешностями. Следует добавить, что измерениенапряжения и тока в волноводных трактах при некоторых типах волн, теряетпрактический смысл, так как продольная составляющая в проводнике отсутствует, ареальная разность потенциалов между концами любого диаметра сечения волноводаравна нулю. В связи со сказанным на частотах начиная с десятков мегагерцпредпочтительным и более точным становиться непосредственное измерениемощности, а на частотах свыше 10000 МГц – это единственный вид измерения,однозначно характеризующий интенсивность электромагнитного колебания. Длянепосредственного измерения мощности СВЧ применяют методы, основанные нафундаментальных физических законах, включающих метод прямого измерения основныхвеличин: массы, длинны и времени.
При этом различают дваосновных случая:
— измерение мощности,проходящей от источника в данную нагрузку;
— измерение мощности,которую источник может отдать в согласованную нагрузку (поглощаемой мощности).
1. Способыизмерения СВЧ мощности
Измерениемощности источника электромагнитных колебаний (генератора).
Согласнообщепринятому определению, под мощностью генератора понимают мощность,отдаваемую им в согласованную нагрузку (рис.1).В этом случае измеряемаямощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузкис последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители мощностиназываются ваттметрами поглощающего типа. Так как нагрузка должна полностьюпоглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь приотключенном потребителе. Результат измерения будет наиболее точным, есливходное сопротивление измерительного прибора полностью согласовано с выходнымсопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линиипередачи, т. е. Zг = Z н.
/>
Измерение электрическоймощности, выделяемой в нагрузке, полное сопротивление которой может бытьпроизвольно.
В этом случае междугенератором и нагрузкой включается специальное устройство, преобразующее вдругую форму лишь незначительную часть передаваемой по линия энергии и ненарушающее процесса ее передачи (Рис.2)
/>
Принципиальное отличиеэтих двух групп заключается в том, что приемные преобразователи в первом случаерассеивают всю подводимую СВЧ мощность, а во втором, как правило, потребляютнезначительную часть мощности, проходящей в нагрузку.
Измерительное устройство
Как правило, оно включаетузлы и блоки, преобразующие выходной сигнал приемного преобразователя в сигнал,удобный для индикации и подачи на отсчетное устройство, калибратор (принеобходимости) и другие вспомогательные узлы. В зависимости от типа приемногопреобразователя, измерительным устройством может служить самобалансирующийся мостили мост с ручной балансировкой (для биологический и термисторных ваттметров),усилитель постоянного или переменного тока, импульсный усилитель, механическаяизмерительная система и т.д.
Основные требования,предъявляемые к измерительному:
— постоянствокоэффициента передачи в рабочих условиях эксплуатации (линейная амплитуднаяхарактеристика);
— малая инерционность;
— малая нестабильностипоказаний (в том числе дрейф нуля);
— удобное и (или)автоматизированное управление.
Отсчетное устройство
Индуцирует мощность,рассеиваемую преобразователем, в аналоговом или цифровом виде. Обычно отсчетноеустройство совмещают с измерительным.
2. Методы измерения СВЧ мощности
А. Измерение поглощаемоймощности
Измерение поглощаемоймощности является наиболее распространенным видом измерения СВЧ мощности.Приемные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, являющиесяэквивалентом согласованной нагрузки, включат на конце передающей линии. Взависимости от вида применяемых преобразователей различают следующие методыизмерений: тепловые (калориметрический, болометрический, термоэлектрический);метод вольтметра; метод с использованием частотно – избирательных ферритовыхэлементов.
Измерениемощности с помощью резистивных термочувствительных элементов (терморезисторов)
Наиболеераспространенным методом измерения малых мощностей, на котором построеныпромышленные ваттметры, является метод измерения сопротивления терморезисторапри рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве резистивныхтермочувствительных элементов используются болометры, сопротивление которыхрастет с повышением температуры (положительный температурный коэффициентсопротивления), и термисторы, сопротивление которых с ростом температурыпадает.
Основнымипреимуществами термисторов по сравнению с болометрами являются их более высокаячувствительность и большая устойчивость к перегрузкам.
Термисторомназывают терморезистор, изготовленный из специального полупроводниковогоматериала, обладающего большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления,т.е. температурная характеристика термистора — отрицательная. Применяют дватипа термисторов: стержневой и бусинковый. Стержневые термисторы обладают болеевысокой электрической прочностью и имеют относительно меньшее реактивноесопротивление. Термисторы бусинкового типа при прочих равных условиях имеютменьшую поверхность охлаждения и поэтому обладают большей чувствительностью.Чувствительность термистора высокая— от 10 до 100 Ом/мВт. Для получения высокойчувствительности рабочую точку термистоpa выбирают на участке с максимальнойкрутизной характеристики.
Болометр —проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурнойхарактеристикой, помещенный в стеклянный (вакуумный или наполненный инертнымгазом) баллон. Для увеличения чувствительности нить выполнена из материала свысоким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры менеечувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные, не зависящие оттемпературы окружающей среды характеристики.
Термистор или болометр помещаютвнутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальнойлинии. Изменение сопротивления терморезистора при рассеянии в немэлектромагнитной энергии измеряется обычно с помощью мостовых схем.
Промышленныетерморезисторные ваттметры имеют общую абсолютную погрешность порядка 4...10 %.Погрешности измерения таких ваттметров определяются в основном степеньюсогласованности нагрузки и качеством измерительной головки. Существеннымнедостатком термисторных и болометрических ваттметров является ограничениемаксимального значения измеряемой мощности. Практически стандартные термисторыспособны выдержать без разрушения мощность, не превосходящую несколькихдесятков милливатт.
Измерение мощноститермопарами
Данный методизмерения основан на регистрации значения термоЭДС, возникающей при нагреваниитермопары энергией СВЧ. Структурная схема ваттметра состоит из приемноготермопреобразователя и измерительной части. Основным элементом преобразователяявляется блок высокочастотных дифференциальных термопар, одновременновыполняющих функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. ВСВЧ-диапазоне чаще применяют термопары в виде тонких металлических пленок,напыленных на диэлектрическую подложку.
Основнымэлементом измерительной части прибора является вольтметр постоянного тока сцифровым дисплеем.
Кпреимуществам таких ваттметров следует отнести малую зависимость результатовизмерения от колебаний температуры окружающей среды и малое время подготовкиприбора к работе. Недостатки ваттметров: ограниченный верхний уровеньдинамического диапазона и недостаточная устойчивость к перегрузкам,ограничивающая допустимое значение средней мощности при измерении импульсныхсигналов. Практически стандартные термопары способны выдерживать без разрушениямощность, не превышающую 50… 75 мВт. Уровень измеряемой мощности может бытьнесколько увеличен, если перед термисторной, болометрической или термопарнойкамерой поместить калиброванный аттенюатор.
Калориметрическийметод измерения мощности
Калориметрическийметод измерения мощности отличается высокой точностью, является универсальным ииспользуется во всем радиотехническом диапазоне частот, как для малых, так идля больших мощностей. Meтод основан на преобразовании энергии электромагнитныхколебаний, поглощаемых согласованной нагрузкой, в тепловую. Поглощение энергиипоглотителем, составляющим основной элемент прибора, можно зарегистрировать либонепосредственно по изменению его температуры, либо косвенно как изменениеобъема, давления или других характеристик.
Надежныекалориметрические методы отличаются обратимостъю в том смысле, что споглотителем не происходит никаких необратимых изменений и все калориметрывозвращаются в свое первоначальное состояние за время установления равновесия.
Калориметрическиеизмерители состоят из двух частей: поглощающей нагрузки и измерителятемпературы. Наиболее распространены нагрузки с проточной водой. Мощность,поглощаемая в водяной нагрузке с проточной водой, определяется по разноститемператур на выходе и входе нагрузки калориметра и по скорости расходапротекающей воды.
Б. Измерение проходящеймощности
Подпроходящей мощностью Рпр понимают разность мощностей падающей
Рпад иотраженной Ротр электромагнитных волн:
Рпр = Рпад — Ротр.
Проходящуюмощность электромагнитной волны можно измерить рассмотренными ранееваттметрами, используемыми совместно с направленными ответвителями, илиприборами, действие которых основано на использовании физических явлений, нетребующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятсяизмерители мощности на преобразователях Холла, с поглощающей стенкой и др. Впоследние годы для измерения мощности СВЧ-колебаний начали использовать эффекттак называемых горячих носителей тока в полупроводниках.
В волноводныхизмерителях мощности разделение падающих и отраженных волн СВЧ-энергиипроизводят волноводным направленным ответвителем, упрощенная структурная схемакоторого представлена на рис.3
Структураклассического направленного ответвителя содержит две волноводные линии: главнуюА и вспомогательную В, имеющие общую стенку. По главной волноводной линиираспространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная отнагрузки к генератору. Вспомогательная волноводная линия работает в режимесогласования с обеих сторон. Между главной и вспомогательной линиями имеютсяотверстия в общей стенке. Расстояние между отверстиями cd равно четверти длиныволны, распространяющейся в главной линии. Через отверстия c и d падающая иотраженная волны проникают во вспомогательную линию, но фазовые сдвиги этихволн таковы, что около отверстия d падающие волны складываются — точка 1, аотраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2.
/>
Рис.3 Использованиенаправленного ответвителя в ваттметрах
Околоотверстия с, наоборот; складывают отраженные волны — точка 3 и взаимнокомпенсируются падающие — точка 4.В результате падающая волна поступает наваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5.Таким образом измеряется мощность падающей волны. Измерение мощности отраженнойволны, необходимое для определения проходящей мощности, может осуществлятьсятем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180°.
Достоинствамиваттметров на основе направленных ответвителей являются широкие пределыизмеряемой мощности 10-4...105 Вт; возможность раздельногоизмерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон частот такихваттметров 0,03… 40 ГГц, пределы допускаемых погрешностей 2,5… 10 %.
Измерениемощности преобразователями Холла
Прямоеперемножение при измерении мощности можно также получить, используяполупроводниковые преобразователи Холла.
Еслиспециальную полупроводниковую пластину, по которой течёт ток I (показанпунктиром на рис. 4, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью E,поместить в магнитное поле с напряженностью H (индукцией В), то между ееточками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I имагнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемаякак
Ux = kEH
где k —коэффициент пропорциональности.
Согласноизвестной в физике теоремы Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящеймощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется векторнымпроизведением электрической и магнитной напряженностей этого поля П = [ЕН[.Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности E, то с помощьюдатчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящеймощности:Ux = gP, где g— постоянный коэффициент, характеризующий образец —частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинкуХолла — ПХ) помещают в волновод, как показано на 4,6.
/>
Рис. 4Преобразователи Холла: а — возникновение эффекта в электромагнитном поле, б—принцип измерения мощности в волноводе
Рассмотренныйизмеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:
• может работатьпри любой нагрузке, а не только при согласованной;
• высокоебыстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсноймощности.
Однакопрактическая реализация ваттметров на эффекте Холла — достаточно сложная задачав силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющиепроходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.
Ваттметры наоснове эффекта «горячих» носителей тока
Из физикиизвестно, что под воздействием электрического поля в полупроводникеувеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей зарядов илидырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температурыкристаллической решетки материала. Это явление в теории полупроводниковназывается разогревом носителей зарядов.
Еслиосуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пластины, тодолжен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную».Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Этообстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей движениюзарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева»полупроводниковой пластины.
Для усиленияэффекта неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, концентрацияносителей в котором пространственно неоднородна. Если «разогрев»осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощностиСВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколькопорядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки,ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственноизмерять импульсную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс.
Основнымиузлами такого ваттметра являются приемный преобразователь с полупроводниковым элементоми измерительное устройство с цифровым отсчетом.
Заключение
В сущности, измерение СВЧмощности сводиться к измерению состояния различных материалов — индикаторов подвоздействием СВЧ излучения.
Каждый метод измеренияСВЧ мощности имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода измерениязависит от ряда причин, таких как: необходимая точность измерения, диапазонизмеряемой мощности, сложность конструкции измерителя, стоимостью прибора ит.д.
Список литературы
1. М.И. Билько А.К.Томашевский «Измерение мощности на СВЧ» М. Сов. Радио 1976 год.
2. Интернет сайтhttp://www.support17.com — белорусский национальный технический университет