Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Г, и Г2, Re - действительная часть выражения в квадратных скобках, а звездочка - комплексное сопряжение Для пояснения сущности метода точного определения А, В, С, D и Д не требуется, и поэтому оно здесь не приводится.

Когда последнее слагаемое в (3.15) равно нулю, Рпр определяется на основе показаний датчиков, ввслюченных во вторичные каналы направленных ответвителей:

Pnp = /c,P,-fc,P,. (3.16)

Значения коэффициентов пропорциональности fej и fcj определяются экспериментально при калибровке ваттметра. Хотя Рдр, Pi и Pj являются функциями коэффициента отражения нагрузки Г„, его значение не влияет на результат. Соотнощение (3.16) справедливо, если положить

BD-C=0 или В = С=0. (3.17)

Первое условие выполняется в том случае, если при движении короткозамыкателя во втором плече (согласующее устройство здесь не нужно) согласующее устройство Ту обеспечивает В1/В2 = const, т. е. отношение В1/В2 не зависит от фазы фн коэффициента отражения Г„ = е)ч>я, когда BD - АС = 0. ! При реализации второго условия, т. е. В = С = О, получается дополнительное пре-.имущество. В этом случае измеритель становится настраиваемым рефлектометром, способным при его калибровке точно измерять модуль коэффициента отражения нагрузки во втором плече и настраивать Тх совместно

с Ту

Измеритель мощности с регулируемым импедансом находит широкое применение, особенно при измерении по методу сравнения. Ошибка рассогласования исключается в том случае, когда равны коэффициенты отражения во вторичном канале ответвителя и нагрузки. Настройка Ту или Тх и Ту (рис. 3.45) и калибровка для определения значений fc, и не зависят от характеристик нагрузки в первом плече. Кроме того, выражение (3.15) справедливо при любом направлении распространения энергии во втором плече 2. Прибор с двумя направленными от-ветвителями, удовлетворяющий одному из уравнений (3.17), можно использовать в качестве измерителя -мощности с регулируемым импедансом, если к первому плечу (см. рис 3.45) подключить нагрузку с переменным импедансом (Т„ со своей нагрузкой). Согласующее устройство Т„ настраивается до получения нужного коэффициента отражения Г„.

В зависимости от физического принципа


Рис. 3.46. Воздействие плоской электромагнитной волны на идеально проводящую поверхность

работы измерительного датчика и типа связи с линией передачи электромагнитной энергии различают следующие методы измерения проходящей мощности: пондеромоторный, на эффекте Холла, зондовый и др.

Пондеромоторный метод измерении проходящей мощности. Пондеромоторный метод является абсолютным методом измерения мощности, который основан на оценке механического действия электромагнитной волны на стенки волновода или на помещенные в него отражающие пластинки, путем прямого измерения массы, длины и времени.

При воздействии плоской электромагнитной волны на идеально проводящую поверхность М (рис. 3.46) комплексные амплитуды электрической и магнитной составляющих поля определяются соотношениями

£x = ZoHoexp(-;PZ);

Hy = Hoexp(-;PZ),

где Zo = Uo/eo - волновое сопротивление.

Таким образом, плоская волна оказывает на проводящую поверхность давление, пропорциональное плотности потока мощности. На основе этого явления могут быть построены измерители проходящей мощности.

В прямоугольном волноводе, возбуждаемом волной типа Но1, механизм передачи энергии можно представить как результат многократного отражения электромагнитной волны от стенок волновода. Определив составляющие поля волны Нщ, можно рассчитать компоненты вектора Умова-Пойнтин-га у стенок волновода, а затем вычислить изменение количества движения электромагнитной волны и, следовательно, среднее за период давление на стенку волновода.

Конструктивно подобный измеритель мощности может быть выполнен путем удаления узкой стенки волновода и замены ее упругой пластиной, связанной с датчиком механического давления пьезоэлектрического, конденсаторного или другого типа, ко-




Рис. 3.47. Упрощенная модель работы измерителя мощности крутильного типа

торый вырабатывает сигнал, пропорциональный уровню проходящей мощности.

Упрощенная модель работы прибора крутильного типа, основанного на измерении вращающего момента, действующего со стороны электромагнитного поля на подвижный элемент на упругой нити, подвешенный в линии передачи, показана на рис. 3.47. Электрическое поле волны типа Hgi в прямоугольном волноводе является поперечным, и силовые линии его направлены от одной широкой стенки к другой. Если в волновод ввести свободно подвешенную пластинку, то часть силовых линий, идущих от одной стенки волновода, будет оканчиваться на ближайшей к ней части пластинки. Из другой части пластинки будут выходить силовые линии, оканчивающиеся на другой стенке волновода. Таким образом, заряд на каждой стенке волновода индуцируег заряд противоположного знака на ближайшей к ней части пластинки, в результате чего возникает вращающий момент, который имеет максимальное значение при расположении пластинки под углом 45° относительно поперечной плоскости. Подобные приборы могут применяться для измерения средних уровней мощности, начиная от 0,1 Вт, с погрешностью 1-2%. Их недостатками являются высокая чувствительность к вибрациям и сложность механической конструкции, зависимость показаний от частоты. Наиболее полно преимущества понде-ромоторного метода могут быть реализованы при измерении больших уровней мощности.

Метод измерения проходящей мощности, основанный иа эффекте Холла. Возникновение разности потенциалов в проводящей пластине, по которой в продольном направлении протекает электрический ток, при по-


Рис. 3.48. Принцип действия датчика Холла

мещении ее в магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны направлению тока, называют эффектом Холла (рис.. 3.48).

В качестве материала для датчиков Холла, как правило, используется германий. Применение полупроводниковых материалов типа InSb, InAsP, InAs позволяет получить напряжение на выходе датчика Холла на один-два порядка выше напряжения на выходе германиевого датчика. \

Коэффициент Холла L зависит от inicna положительных и отрицательных носителей тока в единице объема полупроводника. Напряжение на выходе датчика, вызванное эффектом Холла, максимально, когда он имеет малую концентрацию носителей электрических зарядов, и большую подвижность носителей электрических зарядов. Напряженность Eg электрического поля, вызванного эффектом Холла, а следовательно, полярность выходного напряжения датчика зависят от направления вектора электрического и магнитного полей. Если датчик ориентирован в электрическом поле так, что ток возникает за счет поперечной составляющей электрического поля Efi, а плотность потока В - за счет поперечной составляющей магнитного поля Н {В = fxH, где р - магнитная проницаемость полупроводникового датчика), а i и L находятся в фазе и пропорциональны компонентам поля £ и Н, то напряжение Холла пропорционально мгновенному произведению £ и Н и, следовательно, мгновенной плотности потока мощности.

Если между Ей Н имеется разность фаз, то такая же разность фаз будет между i и В, поэтому усредненное по времени напряжение Холла является средней мощностью, отдаваемой в нагрузку. Полярность напряжения Холла совпадает с направлением потока мощности в тракте, а погрешность измерения практически не зависит от формы волны. Это объясняется тем, что измеряется истинное значение мощности, пропорциональное векторному произведению £ и Н, но не квадрату величины одной из составляющих по-



ля, как это имеет место в других случаях. Исследования показывают, что свойства датчиков по постоянному току мало изменяются во всем СВЧ диапазоне частот. Если датчик поместить в электромагнитное поле с синусоидальными компонентами £ и Н, то через него потечет ток, пропорциональный £. С учетом того, что магнитная индукция . пропорциональна Н, для выходного напряжения датчика можно записать следующее выражение:

и = 0,5кЕгНг [cos Дф - cos (2соЧ + ф)],

(3.18)

где к - постоянная, определяющая свойства полупроводникового материала датчика; Еу и Hz - соответствующие составляющие векторов электромагнитного поля; Дф - разность фаз между составляющими электромагнитного поля; ф - фазовый угол переменной составляющей выходного напряжения датчика Холла.

Из (3.18) видно, что выходное напряжение датчика имеет две составляющие: постоянную и переменную. Номинальное значение постоянного напряжения зависит от разности фаз между составляющими элек-I тромагнитного поля, и оно максимально, когда электрический и магнитный векторы находятся в фазе.

В волноводном передающем тракте преобладает волна типа ТЕ. Векторы электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Электрическое поле имеет компонент, направленный вдоль оси У, который находится в фазе с компонентом вектора магнитного поля, направленного вдоль оси X. Магнитное поле имеет также компонент, направленный вдоль оси X, фаза которого отличается от фазы электрической составляющей поля на 90°. Из (3.18) видно, что напряжение Холла зависит от разности фаз, и поэтому размещение датчика в волноводе должно быть строго ориентированным.

Постоянная Холла может иметь большее влияние на значение напряжения датчика, чем подвижность электрических зарядов, только в том случае, если ток смещения через датчик создается стабильным источником и есть возможность рассеивать в датчике большую мощность. На практике это выполнить сложно, и поэтому подвижность электрических зарядов остается основной характеристикой Холла.

В табл. 3.3 приведены сравнительные свойства датчиков, изготовленных из германия и из некоторых соединений индия.

Из таблицы видно, что подвижность ос-

Маисимальное . тепловое

Датчик(олла влияние

----

Минимальное

тепловое

влияние

Рис. 3.49. Схема размещения датчика Холла в волноводном тракте

новных носителей электрического заряда у соединений индия значительно больше, чем у германия и кремния. Форсид индия имеет наибольшую подвижность из всех приведенных в таблице полупроводниковых материалов, но он также имеет больший температурный коэффициент и поэтому на практике не используется.

На рис. 3.49 показано размещение датчика Холла в волноводном тракте.

Постоянное выходное напряжение на электродах датчика Холла имеет следующие составляющие:

Uo=Uh+Ue + Ul+Uth,

где Uq - суммарное выходное напряжение постоянного тока на электродах датчика; Uh - постоянное напряжение, вызванное «чистым» эффектом Холла; Ue - постоянное напряжение, вызванное эффектом Эттингс-хаузена; Ul - постоянное напряжение, обусловленное вентильным эффектом; Uth - постоянное напряжение, вызванное термоэлектрическим эффектом.

Рассмотрим, как влияет положение датчика в волноводном тракте на значения составляющих выходного напряжения датчика Холла. Главным условием, при котором возникает напряжение Холла, является взаимная перпендикулярность векторов тока смеще-

Таблица 3.3. Сравнительные свойства датчиков

Тип полупроводника

P Is

Подвижность Uj, • (300 K) cmVc

Постоянная Холла L

электронов

дырок

0,68

3800

1300

InAs

0,35

23000

InAsP

35000

InSb

0,18

1200



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