Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



3.3.3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

Термоэлектрический метод измерения мощности основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. Мерой мощности является термо-ЭДС, возникающая в результате нагрева одного из спаев термопары СВЧ мощностью. Известны две разновидности термоэлектрического метода: термопарный с прямым подогревом, в которых высокочастотный ток проходит через термопару, и термоэлементный, в котором электромагнитная энергия нагревает резистив-ную пленку или проволоку, а термопара реагирует на разность температур. Термопара выполняет одновременно функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. Зависимость между измеряемой мощностью и термо-ЭДС определяется соотношением

Рсвч = и, с„р,

где [/, -напряжение термо-ЭДС на-выходе термопары, мВ; кщ, - коэффициент преобразования термопары, мВ/мВт.

Прямой подогрев обеспечивает измерение мощности в диапазоне частот, верхний предел которого составляет около 10 ГГц, в то время как термоэлементы с косвенным подогревом применяются на частотах до 40 ГГц.

Чувствительность термоэлемента и его стабильность обеспечиваются соответствующим размещением его в стеклянном баллоне. Такие вакуумные термоэлементы применяются для непосредственного измерения мощности от 1 до 5 мВт с погрешностью 1 % в диапазоне частот от 10 до 1000 МГц. С помощью направленных ответвителей диапазон измеряемых мощностей можно расширить до 1000 Вт.

К преимуществам термопарных измерителей мошности следует отнести простоту индикаторных устройств, простоту калибровки и периодической поверки методом замещения на постоянном токе или токе низкой частоты и их способность выдерживать без разрушения 50%-ную перегрузку. Недостатками являются низкая чувствительность, плохое согласование и нелинейная зависимость напряжения от мощности. Как правило, постоянная времени термопарных измерителей мощности составляет 0,1 - 5 с, а непосредственно измеряемая мощность находится в пределах от 1 до 150 мВт при погрешностях измерения 1 - 2%. Главным преимуществом термопарного метода по сравнению с терморезисторным является слабая

зависимость показаний от температуры окружающей среды и незначительное потребление мощности от источников питания, так как термопара не требует начального подогрева.

Материалы для термопар выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечивались линейная температурная зависимость термо-ЭДС, малый температурный коэффициент сопротивления и высокая чувствительность. Наибольшее распространение получили термопары висмут-сурьма, копель-сурьма, хромель-копель. В общем случае термопара состоит из двух соединенных между собой металлических проводников (или полупроводников). Под действием температуры в контуре, составленном из двух разнородных металлов, со спаями, нагретыми до различных температур, возникает термо-ЭДС. Для каждой пары металлов термо-ЭДС зависит только от температуры спаев. Цепь термопары состоит из двух термоэлектродов, один спай помещают в измерительную среду и называют рабочим концом термопары, а второй - свободным. В зависимости от температуры в спаях возникают соответственно термо-ЭДС и «,0, направленные встречно. В цепи термопар действует результирующая термо-ЭДС:

EtitO = en-eto = fiti -Q.

Для устранения влияний колебаний температуры свободных концов термопар последние термостатируются или используются специальные схемы температурной автоматической компенсации.

Физически из-за разности температур проводника, соединяющего два спая термопары, средняя кинетическая энергия носителей заряда вблизи горячего спая оказывается больше, чем вблизи холодного. Носители диффундируют от горячего носителя к холодному, и последний приобретает потенциал, знак которого определяется знаком носителей.

Разность нотенциалов горячего и холодного спаев и есть термо-ЭДС.

Чтобы расширить диапазон измеряемых мощностей, две термопары или более соединяют последовательно по постоянному току. При этом по высокой частоте их соединяют параллельно, и для оптимального согласования их общее активное сопротивление должно бьггь равно характеристическому сопротивлению линии передачи.

В диапазоне СВЧ в основном применяют пленочные и объемные термопары. Пленочные термопары представляют собой тонкие металлические пленки, напыленные




Рис. 3.19. Пленочные термопары

в вакууме на слюдяные, стеклянные или иные диэлектрические подложки. На рис. 3.19 показаны пленочные термопары, изготовленные на отрезках стекловолокна. Термопары образованы слоями / и 2 разнородных металлов (рис. 3.19, а), выводы 3 выполнены также в виде пленочных контактов. Наружность термопар защищена от внешних воздействий диэлектрическим покрытием 4. При протекании через термопару токов СВЧ в месте соединения слоев 2 и 3 температура повышается по сравнению с местами соединения этих слоев и выводов.

Для повышения температуры горячего спая (рис. 3.19,6) в разрьгее слоев 1 и 2 наносится тонкий слой 5 материала с большим удельным сопротивлением. Под действием токов СВЧ этот слой сильно нагревается, повышая чувствительность термопреобразователя.

Коаксиальная термоэлектрическая головка (рис. 3.20) состоит из отрезка коаксиа-ла с разделительной емкостью 2 в центральном проводнике вставки, с двумя термопарами i и кожуха с выходным разъемом. Вставку 1 согласуют с трактом, подбирая размеры согласующей камеры в заглушке 4, и проточки 5 в корпусе отрезка линии передачи, а также рабочее сопротивление термопар.

Вставка (рис. 3.21) состоит из слюдяной подложки 2 в виде диска, на которую методом вжигания нанесены серебряные электроды /. Нитевидные пленочные термопары 4 соединены с электродами токопроводящей пастой 3. Опоры 5 из нитей стекловолокна создают необходимый для согласования и определенного теплового режима зазор




Рис. 3.21. Вставка с нитевидными пленочными термопарами

между подложкой вставки и нитями. Ветви термопар, напыленные на стеклянную нить-подложку диаметром 20- 40 мкм, защищены от воздействия влаги тонким слоем моноокиси кремния. В результате ток, протекающий по проводящему слою термопары, имеющему сопротивление около 100 Ом, разогревает место спая и вызывает термо-ЭДС на концах термопары.

Коэффициент преобразования термопреобразователя (см. рис. 3.20) равен 1 ± + 0,3 мВ/мВт, нагрев места спая при помощи рассеяния мощности 10 мВт и температуре окружающей среды + 20 "С составляет примерно 70-80°С.

Термоэлектрическая вставка для коаксиальных термопреобразователей может быть выполнена так, как показано на рис. 3.22. Ветви термопар 1, 3 нанесены на слюдяное основание и образуют с корпусом полосковую линию передачи с потерями. Температура холодных спаев 4 термопар поддерживается близкой к температуре корпуса благодаря применению диэлектрической пластины из поликора или другого материала с высокой теплопроводностью.

Вставка для волноводных термопреобразователей по конструкции мало отличается от термисторной. Термопару, геометрически не отличающуюся от термопар для коаксиальной вставки, располагают в зазоре между гребнями волновода. Контакты 2 изготавливают методом напыления.


Рис. 3.20. Коаксиальная термоэлектрическая головка

Рис. 3.22. Вставка для коаксиальных термопреобразователей




8 /,ГГц

Рис. 3.23. Зависимость КСВ головок от частоты

В отличие от терморезисторных термоэлектрические преобразователи имеют некоторые особенности согласования с СВЧ трактом. С повышением частоты на согласование пленочных нитевидных термопар начинает заметно влиять реактивная составляющая полного сопротивления, определяемая индуктивностью термопары, емкостью контактной системы и другими неоднород-ностями. Индуктивность нитевидных пленочных термопар уменьшают их допустимым укорочением и выбором расположения над проводящими пленочными электродами. Согласуют термопары с помошью проточек в корпусе головки в непосредственной близости к месту включения термопар. При этом образуется система с низкой добротностью из-за шунтирующего действия термопары. Это способствует отсутствию значительных отклонений КСВН головок в широкой полосе частот (рис. 3.23).

Оптимальное согласование нитевидной пленочной термопары в волноводе обеспечивают выбором рабочего сопротивления термопары, примерно равным характеристическому сопротивлению тракта в месте ее включения. Рабочее сопротивление для волноводных головок выбирают таким, чтобы оно составляло около 100 Ом. Для согласования используют плавные переходы с регулярного волновода на П-образный с характеристическим сопротивлением 100 Ом на средней частоте рабочего диапазона. Волноводная головка оканчивается короткозамк-нутым отрезком прямоугольного волновода.

При термоэлектрическом преобразовании мощности имеются потери, возникающие в разъеме, держателях, диэлектрических опорах, диафрагмах для компенсации реак-тивностей, конструктивных конденсаторах и других неоднородностях. Это приводит к тому, что некоторая доля мощности не поступает непосредственно на термопару и соответственно уменьшается коэффициент эффективности. Для термоэлектрических методов коэффициент эффективности представляет собой отношение коэффициента пре-

образования на СВЧ к коэффициенту преобразования на переменном токе низкой частоты:

э = СпрСВч/СпрНЧ-

Поскольку пленочные термопары относятся к термопарам прямого нагрева, их калибровка на постоянном токе является невозможной. В области частот до 2-4 ГГц отличие Кэ от единицы небольшое, и им можно пренебречь. На наиболее высоких частотах Кэ для коаксиальных (рис. 3.24, линии о) и волноводных (рис. 3.24, линии б) преобразователей может значительно отличаться от единицы, и его необходимо учитывать.

Для повышения линейности амплитудной характеристики термоэлектрического преобразователя предусматривается использование методов, позволяющих компенсировать определенную степень ее нелинейности за счет выбора материалов ветвей термопар и соответствующей конструкции головки.

Несколько иной принцип действия имеют полупроводниковые объемные термопары с нанесенным на них слоем, поглощающим электромагнитную энергию. Один конец термоэлемента, покрытый поглощающим слоем, в процессе измерения мощности нагревается, а второй имеет температуру волноводного тракта за счет контакта с массой волновода. Таким образом, в полупроводнике образуется градиент температуры ДГ/Х. В горячем конце концентрация и скорость электронов выше, чем в холодном. Поэтому электроны диффундируют в направлении температурного градиента значительно больше, чем в обратном.

Диффузионный поток, унося отрицательный заряд из горячего конца термопары в холодный, создает между ними разность потенциалов. В процессе диффузии поток электронов будет тормозиться электриче ским полем внутри полупроводника, пока поток, вызываемый диффузией, не сравняется с обратным потоком, создаваемым обра-


6 е 10 ,ГГц

Рис. 3.24. Зависимость коэффициента эффективности от частоты



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 [45] 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0129