Методы измерения мощности в микроволновом диапазоне

, (3.6.1)

где -- эффективная высота потенциального барьера на контакте металл--полупроводник; -- удельная электрическая проводимость материала полупроводника; -- радиус полусферического контакта; -- время релаксации энергии носителей тока; -- подвижность носителей тока.

Зависимость между напряженностью поля и мощностью, поглощаемой полупроводниковым элементом, можно представить в виде

. (3.6.2)

Благодаря малым размерам полусферического контакта полупроводникового элемента обеспечивается высокая концентрация электрического поля при относительно малой величине поглощаемой в нем мощности. Это подтверждает возможность использования эффекта для измерения мощности малых уровней. Практически получен коэффициент преобразования полупроводниковых элементов 5--6 мкВ/мкВт, что значительно больше, чем для обычных пленочных высокочастотных термопар. Поскольку время релаксации носителей тока очень мало, эффект образования термо-э. д. с. «горячих» носителей можно использовать для измерения импульсной (пиковой) мощности. При этом форма видеосигнала на выводах элемента будет аналогична форме огибающей СВЧ импульса. Длительность импульсов измеряемого сигнала ограничивается сопротивлением растекания и паразитными емкостями элемента. Практически метод применим для измерения импульсной (пиковой) мощности при длительностях импульсов свыше 0,05--0,1 мкс.

Основными узлами ваттметра, использующего описанный эффект, является приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измерительный блок с отсчетным устройством. При измерении мощности сигналов непрерывной генерации в качестве измерительного блока используют усилитель постоянного тока, а при измерении импульсной мощности -- пиковый милливольтметр.

Рассматривая полупроводниковый элемент с точки зрения соответствия его импеданса характеристическому сопротивлению линии передачи в диапазоне частот, можно придти к следующему выводу: из-за большого значения активной составляющей (более 3 кОм) элемент трудно согласовать в диапазоне частот и применять его в качестве оконечной нагрузки подобно термистору, болометру, СВЧ термопаре. Практически метод применяют для измерения проходящей мощности. Если приемный преобразователь использовать в сочетании с согласованной нагрузкой, возможно измерение поглощаемой мощности. Границы динамического диапазона преобразователей изучены недостаточно. Имеются данные, что при мощности в волноводном тракте свыше 1 мВт зависимость величины термо-э. д. с. от уровня мощности нелинейная.

Приведенные теоретические соотношения только приближенно оценивают связь между напряжением на входе преобразователя и величиной поглощенной преобразователем мощности. Поэтому прибор нужно обязательно калибровать по образцовому ваттметру. Погрешность метода измерений, определяемая в основном погрешностью методики калибровки, составляет порядка ±(10--30)%.

Достоинствами метода являются применимость для измерения как импульсной мощности, так и мощности сигналов непрерывной генерации, калибровка возможна сигналом непрерывной генерации.

К его недостаткам можно отнести: малый динамический диапазон -- порядка 10--20 дБ; большую температурную зависимость -- порядка нескольких процентов на 10° С (коэффициент преобразования v значительно изменяется при рабочих температурах, свыше 50° С); необходимость калибровки по образцовому прибору.

3.7 ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНОК

Одним из новых является метод измерения импульсной мощности, в основу которого положено использование гальваномагнитных явлений -- аномального эффекта Холла и явления магнитосопротивления в ферромагнитных пленках (ФМП) в области ферромагнитного резонанса. Сущность явлений состоит в том, что при наложении внешнего магнитного поля на размагниченную изотропно проводящую магнитную пленку в последней возникает анизотропия сопротивления, элементы тензора удельного сопротивления которой зависят от величины и направленности намагниченности пленки -- явление магнитосопротивления.

При наличии в пленке первичного электрического тока в ней возникает электрическое поле, направление которого перпендикулярно току, а также намагниченности -- аномальный эффект Холла. Если наряду с постоянным полем на пленку воздействовать электромагнитным полем СВЧ, то в пленке будет возбуждаться СВЧ ток, а вектор намагниченности будет прецессировать вокруг своего положения равновесия, модулируя удельное сопротивление пленки. Глубина модуляции зависит от магнитных и электрических свойств пленки, а также от величины постоянного и переменного магнитных полей. Таким образом, ферромагнитная пленка становится параметрическим детектором. Быстродействие параметрического детектора на основе ФМП определяется в основном временем спин-решеточной релаксации, которая в ФМП имеет величины порядка с. При создании оконечных ваттметров ФМП располагают так, чтобы в ней поглощалась вся мощность СВЧ. При измерении проходящей мощности пленку располагают так, чтобы она не нарушала структуру поля в волноводе и слабо взаимодействовала с полем СВЧ. В этом случае можно измерять большие уровни проходящей мощности. Реализованы коаксиальные преобразователи на базе ФМП с коэффициентом преобразования 1,2 мВ/Bt в диапазоне частот 2--4 ГГц при допустимой средней мощности 200 мВт.

К преимуществам преобразователей на основе ФМП по сравнению с полупроводниковыми элементами относится отсутствие выпрямляющих контактов и технологичность изготовления.

3.8 ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МЕТОД

В отличие от метода пикового детектора, при котором измеряется величина, близкая к амплитуде импульсов, интегральный метод основан на нелинейном преобразовании этих импульсов с помощью нескольких нелинейных преобразователей (расширителей импульсов), имеющих различный характер нелинейности. Благодаря этому по величинам сигналов с их выходов можно определять импульсную мощность, длительность, коэффициент формы импульса. Основными элементами преобразователей являются диоды, в том числе и кристаллические. Преобразование импульсов с помощью расширителей импульсов является интегральным процессом, поэтому и метод измерения назван интегральным.

Интегральный метод требует применения счетных устройств, решающих систему уравнений, с помощью которых описываются расширенные импульсы на выходах преобразователей. Достаточно простые решающие устройства могут быть выполнены лишь при двух-трех расширителях импульсов. Не приводя детального анализа, можно отметить, что этот метод может быть использован преимущественно при малых амплитудах измеряемых импульсов (только при малых амплитудах и в сравнительно узком динамическом диапазоне сохраняется неизменным характер нелинейности характеристики преобразователя, например экспоненциальный) и большой скважности.

Рассмотрим принцип измерения импульсной мощности на примере использования двух преобразователей импульсов.

Пусть на вход расширителя (рис. 3.8.1) подано напряжение

(3.8.1)

Дифференциальное уравнение, описывающее процессы в таком расширителе, имеет вид

. (4.8.2)

Рис.3.8.1- Упрощенная схема расширителя импульсов

Интегральный метод экспериментально опробован в диапазоне частот до 2ГГц. Метод применим для измерения мощности малых уровней от нескольких сотен микроватт до нескольких милливатт. Погрешность приборов, использующих интегральный метод, в основном определяется погрешностью образцовой аппаратуры, с помощью которой они откалиброваны.

К достоинствам метода следует отнести: малую зависимость результата измерения от длительности и скважности импульсов, а также возможность измерения импульсной мощности при малой длительности импульсов (до 10 не).

Недостатки метода: малый динамический диапазон (10--15 дБ) и сравнительно низкая точность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Бурное развитие радиоэлектроники и внедрение в производство автоматизированных систем выдвинули ряд новых проблем в области измерений СВЧ мощности, решение которых требует значительных усилий специалистов. Сюда относится прежде всего создание автоматических ваттметров на средние и большие уровни со временем установления показаний порядка 0,1с и менее с цифровым отсчетом, пригодных как для автономного использования, так и для встраивания в автоматические комплексы. Существующие ваттметры средних и больших мощностей поглощающего типа являются главным образом тепловыми и обладают значительной инерционностью.

Решение проблемы - в резком снижении инерционности тепловых ваттметров за счет применения пленочных поглотителей на подложках с высокой теплопроводностью, а также в создании малоинерционных преобразователей проходящей мощности, базирующихся на различных эффектах в твердом теле.

Важной проблемой является создание импульсных (пиковых) ваттметров, работающих в широких диапазонах частот и уровней мощности с погрешностью 4--10%. Решение проблемы следует искать в разработке новых детекторов на основе эффектов в полупроводниковых, ферромагнитных материалах, пироэлектриках и т. п., а так же в создании автоматизированных устройств, позволяющих быстро анализировать параметры импульсов и автоматически вводить поправки в показания ваттметров средней мощности.

Так же проблемой является создание высококачественных малогабаритных ваттметров проходящей мощности, пригодных для встраивания в автоматизированные системы, а также в другие радиоустройства для непрерывного контроля мощности, проходящей в нагрузку.

Наконец, не менее важно создать автоматизированные системы для поверки ваттметров проходящей и поглощаемой мощности, в том числе импульсной (пиковой). Существующие методы поверки громоздки и связаны с затратой большого времени. Решение этой проблемы может быть разделено на четыре этапа в порядке их важности:

1. Создание систем для поверки рабочих ваттметров поглощаемой мощности малого и среднего уровня.

2. Создание систем для поверки рабочих импульсных ваттметров малого и среднего уровня.

3. Создание- систем для поверки рабочих ваттметров проходящей мощности.

4. Создание систем для поверки рабочих ваттметров поглощаемой мощности большого уровня.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Билько М. И., Томашевский А. К., Шаров П. П., Баимуратов Е. А.. Измерение мощности на СВЧ. (Серия «Радиоэлектронные измерительные приборы».) М.: «Сов. радио», 1976, 168 с.

2 http://www.akran.ru/bt/229/45/

3 http://www.support17.com/component/content/817.html?task=view

4 Измерения в электронике: Справочник/ В. А. Кузнецов, В. А. Долгов, В. М. Коневских и др.; Под ред. В. А. Кузнецова,- М.: Энергоатомиздат, 1987, 521 с.

Размещено на Allbest.ru