Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



где р (£) - удельное сопротивление полупроводника; V - объем полупроводникового образца, помещенного в волновод.

Для случая, когда образец помещен через широкую стенку волновода, по которому проходит волна типа Н, и при £ = E„cosa р не зависит от £ и

Ё,„ = (2p/F)

где Р - поглощаемая импульсная мощность, определенная экспериментально.

Если Рк Е, что в действительности имеет место в германии при достаточно больших £, то, проведя усреднение, получим

E„{кPp(EJ/2V).

Очевидно, от конкретного выражения, определяющего функцию £ = / (jP), будет зависеть и погрешность определения Е. Кроме того, из-за этой погрешности возникают трудности определения Р, когда образец имеет малый объем, и часть мощности, падающая на образец, выводится через отверстие в широкой стенке волновода, через которое он вводится в волновод. Предположив, что Р = кРд, где Рд - мощность, падающая на образец, прямо пропорциональная электропроводимости полупроводника, можно записать

Е„ = В{РУ\

B = (2PgplPV)\

Значение В можно определить при малых СВЧ полях (в области, где справедлив закон Ома).

Полупроводниковые образцы представляют собой брусочки, длина которых равна высоте прямоугольного волновода. Сечение образца около 10" см. Образец помещается в волноводный тракт в область максимального электрического поля через отверстие в середине широкой стенки волновода. Экспериментальная проверка показывает, что изменение проводимости в наибольшей степени проявляется в кремнии с электронной проводимостью и в германии с электронной и дырочной проводимостями. у германия с электронной проводимостью при напряженности поля 5 кВ/см подвижность электронов изменяется в 4 раза. Для разогрева носителей тока электромагнитным полем высокой частоты требуются мощности, в миллионы раз меньшие мощностей для нагрева до такой же температуры атомов кристаллической решетки. Этим и объясняется безынерционный разогрев носителей тока в полупроводнике в отличие от

инерционного в болометрических, калориметрических и термопарных методах.

На подвижность носителей тока оказывает влияние окружающая температура, причем в сильных электромагнитных полях эта зависимость значительно меньше, чем в слабых. Вследствие этого применение полупроводниковых образцов из германия п-и р-типов при температуре выше комнатной ограничено, поскольку удельное сопротивление германия быстро уменьшается с повышением температуры.

Полупроводниковые образцы из кремния и-типа могут работать до 100 "С и выше, однако требуют температурной компенсации. Схемы термокомпенсации могут быть основаны на термостатировании или на автоматическом изменении параметров измерительной схемы. В ряде случаев удается получить хорошую термокомпенсацию температур от -50 до -Ь60°С с полупроводни-KOBbmiH кремниевыми образцами и-типа. В качестве компенсирующего элемента в мостовой схеме используется второй образец из такого же материала. Погрешность метода зависит также от качества обработки поверхности полупроводника, поскольку при различных способах обработки изменяется скорость поверхностной рекомбинации носителей тока. Чтобы концентрация носителей тока оставалась постоянной, необходимо стабилизировать скорость поверхностной рекомбинации электронов путем обработки поверхности полупроводника в специальных растворах, после чего их поверхность покрывают защитным слоем лака. Влияние поверхностных эффектов устраняется путем уменьшения диффузионной длины носителей тока за счет уменьшения времени их жизни, что достигается применением примеси из золота.

Датчики для измерения импульсной мощности, основанные на эффекте изменения проводимости полупроводника в электромагнитном поле, обладают очень хорошими свойствами. Расчеты показывают, что погрешность датчика не зависит от частоты до 10° Гц из-за безынерционности разогрева носителей тока в полупроводниковом материале. Градуировка датчиков принципиально возможна по видеоимпульсному сигналу, что значительно уменьшает погрешность калибровки датчика по сравнению с погрешностью калибровки по СВЧ мощности, так как в последнем случае погрешность увеличивается при пересчете средней мощности в импульсную.

Для уменьшения погрешности за счет изменения КСВН применяется конструкция датчика в виде пластинки длиной Хв/2, ко-



торая устанавливается на широкой стенке волновода вдоль распространения волны в максимуме поля, при этом чувствительность датчика несколько снижается. Такая конструкция обеспечивает погрешность измерения мощности ±15% при изменении КСВН от 1,05 до 3,6. Полупроводниковый образец обладает сравнительно большим сопротивлением, поэтому для его согласования с измерительной цепью требуется катодный или эмиттерный повторитель.

Метод с использованием газоразрядного датчика. Методы, основанные на использовании эффекта изменения проводимости полупроводника, кристаллических и вакуумных диодов, хотя и применяются для измерения и контроля импульсной мощности, но имеют ряд недостатков, ограничивающих область их возможного использования. Например, датчики, основанные на эффекте изменения проводимости полупроводника, имеют недостаточную чувствительность, которая к тому же уменьшается с уменьшением частоты. Кристаллические детекторы и болометры имеют низкую перегрузочную способность, а вакуумные диоды требуют дополнительных источников питания и трудно согласуются с трактом, а также имеют возрастающую погрешность с увеличением частоты.

Эти недостатки отсутствуют в методах, основанных на использовании некоторых свойств газоразрядных приборов. В газоразрядных датчиках для контроля СВЧ мощности используется эффект изменения проводимости плазмы под действием электромагнитной энергии. Существуют две разновидности плазменных приборов: газоразрядные датчики и газоразрядные детекторы. В первых в результате взаимодействия поля с плазмой между электродами датчика возникает направленный диффузионный ток заряженных частиц вследствие разности их энергии и концентрации в различных зонах газового разряда. Во вторых плазма возбуждается вспомогательным источником постоянного тока. Прирост начального тока в цепи электродов пропорционален уровню мощности, воздействующей на плазму. Этот


Рис. 3.40. Измерительная головка газоразрядного датчика

прирост происходит в результате повышения энергии и изменения концентрации заряженных частиц под воздействием электромагнитного поля.

Газоразрадные детекторы и датчики имеют двухэлектродную конструкцию. Разряд происходит мeжд) центральным электродом в виде штыря и цилиндром, являющимся вторым электродом. Датчики включаются в СВЧ тракт с помощью измерительной головки (рис. 3.40). Высокочастотная энергия поступает на вход датчика через разъем. Внешний цилиндрический электрод изолируется от корпуса по постоянному току диэлектрической прокладкой. Штыревой электрод соединяется с корпусом головки. Выходной сигнал снимается между корпусом и цилиндрическим электродом. Датчик работает на произвольную нагрузку и может рассматриваться как источник напряжения и как источник тока.

Для работы газоразрядного детектора необходим источник постоянного напряжения 120-130 В. Поджиг прибора осуществляется кратковременной подачей напряжения 300 - 600 В. Внутреннее сопротивление детектора удовлетворительно согласуется с волновым сопротивлением коаксиального тракта в широком диапазоне частот. Увеличение падающей мощности вызывает рост разрядного тока и уменьшение внутреннего сопротивления детектора. Детекторная характеристика датчика близка к линейной в диапазоне изменения мощности от 0,5 до 2 Вт. Нижний предел зависит от мощности погасания газового разряда и равен 200 - 300 мВт. Мощность по джига в непрерывном режиме не более 1,5 Вт. В случае необходимости разряд может быть получен при меньшей мощности путем кратковременной подачи напряжения амплитудой 2СЮ В. Верхний уровень мощности определяется уровнем теплового разрушения электродов и изоляторов датчика и не превышает 5 Вт.

Крутизна характеристики по току максимальна при нагрузке 10 - 50 Ом, и на частоте 3100 МГц она составляет 1,5 - 2 мА/Вт. Датчик работоспособен при повышении сопротивления нагрузки и не выходит из строя при коротком замыкании электродов, но включение в тракт необходимо производить через направленный ответвитель как нагрузку, поскольку датчик имеет значительный КСВН.

В импульсном режиме детекторная характеристика датчика линейна в диапазоне мощностей 0,3 - 2 кВт; крутизна характеристики 150 В/кВт на частоте 3000 МГц. На



частоте 10000 МГц крутизна характеристики уменьшается до 40 В/кВт.

Мощность поджига на частоте повторения импульсов 1500 Гц составляет 40 Вт. При уменьшении частоты следования импульсов мощность поджига возрастает и на частоте 10 Гц достигает 800 Вт. Инерционность датчика меньше 0,1 мкс. Газоразрядные детекторы более чувствительны, чем датчики. Детекторная характеристика их линейна в пределах от 1 до 100 мВт и может бьггь выражена следующим соотношением:

где Д/ - прирост тока; Р - падающая СВЧ мощность; к - коэффициент, зависящий от частоты и сопротивления нагрузки.

Верхний предел ограничивается переходом разряда постоянного тока в высокочастотный и увеличением КСВН прибора. Время нарастания выходного импульса не пре-вьппает 3,5 мкс. Детекторная характеристика в импульсном режиме практически не отличается от детекторной характеристики, снятой в непрерывном режиме. При подаче на вход детектора импульса длительностью менее 1 мкс с выхода можно получить треугольные импульсы, крутизна которых пропорциональна мощности. Продифференцировав эти импульсы, можно получить прямоугольные импульсы с амплитудой, пропорциональной импульсной мощности.

Газоразрядные приборы устойчиво работают в диапазоне температур от -60 до +125 "С, при этом температурный коэффициент не превышает 1% на 10 °С

Пьезоэлектрический метод измерения импульсной мощности. Для измерения импульсной СВЧ мощности могут применяться пьезоэлектрические датчики, принцип действия которых основан на деформации пьезоэле-

мента под действием электромагнитной энергии. Электродвижущая сила на электродах такого датчика пропорциональна энергии, вызвавшей его деформацию. Пьезодат-чик конструктивно накладывается на отверстие в узкой стенке волновода. Минимальный уровень измеряемой мощности 3 - 5 кВт в миллиметровом диапазоне длин волн. Чувствительность датчика составляет 100 - 250 мкВ/кВт при длительности импульса 0,1-0,2 мкс. Длительность фронта выходного импульса пьезоэлемента равна 1 мкс, а среза - 80-100 мкс. Температурная погрешность метода не превышает 5% в диапазоне температур от -10 до - 70°С. Результирующая погрешность измерения не превьш1ает 15%.

Метод сравнения с опорной мощностью СВЧ непрерывных колебаний. Измерение импульсной мощности по этому методу основано на сравнении пиковой мощности радиочастотного импульса с непрерывной СВЧ мощностью той же частоты. На рис. 3.41 приведена структурная схема, которая содержит быстродействующий коммутатор на полупроводниковом диоде, позволяющий производить идентичные выборки импульсного и непрерывного сигналов.

При измерении импульсная мощность через ручной коаксиальный коммутатор поступает на вход диодного коммутатора, имеющего два выхода. Выход 1 нормально закрыт. Генератор стробирующих импульсов подключает вход к выходу 2 на время, меньшее длительности импульса СВЧ. Этот генератор через линию задержки синхронизируется генератором импульсов, модулирующих источник измеряемой импульсной мощности. Таким образом, коммутатор переключается каждый раз, когда на его входе появляется измеряемый импульс. Импульс

Переменная линия задержки

Болометрический мост

Генератор СВЧ непрерывного сигнала

Кл 1

Генератор СВЧ импульсных сигналов

Поверяемый прибор

Детектор Рр

Генератор импульсов

Диодный

коммутатор

Согласованный диодный детектор

Осциллограф

Рис. 3.41. Структурная схема измерителя импульсной мощности, основанного на методе

сравнения



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


0.0114