- номиналы шкал: 12; 30; 60; 120; 300; 600; 1200; 3000; 6000 мкВт;

/ , 0,.5i4+50 мкВт \ ,

- основная погрешность ± I +-р-)> где Л -

предел измерения, мкВт; Рв - показание прибора, мкВт; В = = I б/Сэ1 + 0,5; б/Сэ - погрешность определения коэффициента эффективности. Рабочие сопротивления преобразователей: 50; 75; 100; 200; 240; 330; 400 Ом.

Основные характеристики коаксиальных и волноводных термисторных преобразователей, входящих в комплект прибора, приведены в табл. 2.3.

Ности термопар могут работать непосредственно со стрелочным индикатором. Поскольку термопара не требует начального подогрева, как термистор или болометр, потребление ваттметра от источников питания мало, что особенно важно в случае питания прибора от первичных источников (например, аккумуляторов).

2.4.1. Приемные преобразователи термозлектрических ваттметров

Основным элементом приемного преобразователя является термопара (блок термопар). Материалы для ветвей дифференциальных термопар выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечивались линейная температурная зависимость термо-э. д. с, малый температурный коэффициент сопротивления и высокая чувствительность. Наибольшее рас-

Вход

Выход

2.4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Термоэлектрический метод основан на преобразовании СВЧ энергии в тепловую с помощью высокочастотных дифференциальных термопар прямого или косвенного нагрева и измерении возникающей в результате нагрева термо-э. д. с, пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ мощности. Термопары выполняют одновременно функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. Зависимость между измеряемой мощностью и величиной термо-э. д. с. выражается соотношением

Рсвч та i/тэ.д.с./прб СВЧ,

(2.37)

где i/тэ.д.с. - напряжение термо-э. д. с. на выходе термопары, мВ; /Спрбсвч - коэффициент преобразования термопары, мВ/мВт.

Термоэлектрический метод, как и болометрический, применяют в основном для измерения мощности малых уровней, однако он имеет ряд преимуществ перед болометрическим. Так как величина термо-э. д. с. пропорциональна подводимой СВЧ мощности и практически не зависит от температуры окружающей среды, в термоэлектрических ваттметрах отсутствуют элементы и узлы для температурной компенсации. Приемные преобразователи термоэлектрических ваттметров не требуют длительного времени прогрева и при высокой чувствитель-

Рис. 2.41. Упрощенная конструктивная (а) и принципиальная электрическая (б) схемы коаксиального термоэлектрического лреобразователя: / - вставка; 2 -отрезок коаксиала; 3 - термопары; 4 -заглушка; 5 -проточка.

пространение получили термопары висмут-сурьма, копель-сурьма, хромель-копель. Чтобы расширить динамический диапазон измеряемых мощностей, две термопары и более соединяют последовательно по постоянному току. При этом по высокой частоте их соединяют параллельно и для оптимального согласования их общее активное сопротивление должно быть равным характеристическому сопротивлению линии передачи.

В диапазоне СВЧ в основном применяют пленочные термопары, представляющие собой тонкие металлические пленки, напыленные в вакууме на слюдяные, стеклянные или иные диэлектрические подложки [65-71].

К основным требованиям, предъявляемым к приемным термоэлектрическим преобразователям, относятся: хорошее согласование с СВЧ трактом; постоянство коэффициента эффективности в диапазоне частот и уровней сигнала при абсолютном его значении, близком к единице; высокий коэффициент преобразования; устойчивость к перегрузкам и воздействиям внешних факторов.

Коаксиальный преобразователь (рис. 2.41) состоит из отрезка коаксиала с разделительной емкостью Q в центральном проводнике,

вставки с двумя термопарами Rr п кожуха с выходным разъемом. Вставку / 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. 2.42) состоит из слюдяной подложки 2 в виде диска, на которую методом вжигания нанесены серебряные электроды /. Нитевидные пленочные термопары 4 соединены с электродами токо-

Рис. 2.42. Термоэлектрическая .вставка:

/ - электроды; 2 - слюдяной диск; 3 - контакт; 4 - термопары: 5 - опора.

проводящей пастой. Опоры 5 из нитей стекловолокна создают необходимый для согласования и определенного теплового режима зазор между подложкой вставки и нитями. Ветви термопар, напыленные на стеклянную нить-подложку диаметром 20-40 мкм, защищены от воз-

Спай

Резистивный слой

Спай /

Рис. 2.43. Распределение температуры вдоль ветвей термопары: а-сопротивление спая намного меньше общего еапротнвления термопары; б -сопротивление спая близко к общему сопротивлению термопары.

действия влаги тонким слоем моноокиси кремния. В результате протекания тока по проводящему слою термопары, имеющему сопротивление около 100 Ом, место спая разогревается, что вызывает возникновение термо-э. д. с. на концах термопары.

Чтобы повысить температуру в месте спая (а следовательно, коэффициент преобразования) при одной и той же мощности рассеяния применяют следующую конструкцию. Ветви термопар выполняют низко-омными (рис. 2.43, б) и наносят на нить с небольшим зазором (0,2-

0,3 мм). В зазор между ветвями напыляют резистивный слой (МЛТ). Таким образом, сопротивление слоя определяет общее активное сопротивление термопары. Вследствие этого теплота концентрируется на коротком отрезке резистивного слоя и соответственно повышается температура спаев положительная ветвь - резистор и резистор - отрицательная ветвь. Описанный способ повышения температуры позволяет применять для ветвей термопар более температуро-прочные пленки с меньшей чувствительностью, не снижая при этом коэффициент преобразования и повышая устойчивость к перегрузкам. Кроме того, при большей толщине низкоомных ветвей термопар увеличивается стабильность их характеристик.

Рис. 2.44. Термоэлектрическая вставка для коаксиального преобразователя:

1. 3 -ветви термопар: 2- контакты; - спай.

Для приемного преобразователя, изображенного на рис. 2.41, коэффициент преобразования равен 1 ± 0,3 мВ/мВт, нагрев места спая при мощности рассеяния 10 мВт и температуре окружающей среды + 20°С составляет примерно 70-80°С.

Рсвч

I Диэлектрическая пластина

Рис. 2.45. Термоэлектрический преобразователь.

Термоэлектрическая вставка для коаксиальных преобразователей может быть выполнена, как показано на рис. 2.44. Ветви термопар, нанесенные на слюдяное основание, образуют с корпусом полосковую линию передачи с потерями (рис. 2.45). Температура холодных спаев термопар поддерживается близкой к температуре корпуса благодаря применению диэлектрической пластины из поликора или другого материала с высокой теплопроводностью.

Вставка для волноводных термоэлектрических преобразователей по конструкции аналогична термисторной (см. рис. 2.27).

Термопару, геометрически ие отличающуюся от термопар для коаксиальной вставки, располагают в зазоре между гребнями волновода. Для волноводных преобразователей возможно применение вставок, конструкция которых мало отличается от изображенной на рис. 2.44.

2.4.2. Особенности согласоаания пленочных нитевидных термолар с СВЧ трактом. Коэффициент эффективности термоэлектрических лреобразователей

С повышением частоты на согласование термоэлектрического преобразователя начинает заметно влиять реактивная составляющая его полного сопротивления, определяемая индуктивностью пленочных термопар, емкостью контактной системы и другими нетднородностя-

10 f,rrn

Рис. 2.46. Частотная зависимость КСВ коаксиального термоэлектрического преобразователя М5-51.

ми, возникающими при включении вставки в тракт. Индуктивность нитевидных пленочных термопар уменьшают их допустимым укорочением и соответствующим расположением над проводящими пленочными электродами [66]. Согласуют термопары с помощью проточек в корпусе преобразователя в непосредственной близости к месту включения термопар. Образуемой при этом резонансной системе свойственна низкая добротность из-за шунтирующего действия сопротивления термопары. Это определяет отсутствие значительных экстремумов КСВ преобразователей в широкой полосе частот (рис. 2.46, 2.47).

В коаксиальных преобразователях наиболее часто применяют симметричное включение двух термопар. При этом сопротивление каждой термопары выбирают равным удвоенному волновому сопротивлению тракта. Так, для коаксиального тракта 50 Ом применяют термопары с рабочим сопротивлением 100 Ом каждая.

Оптимальное согласование короткой нитевидной пленочной термопары в волноводе обеспечивают выбирая рабочее сопротивление термопары приблизительно равным характеристическому сопротивлению тракта в месте ее включения. Рабочее сопротивление термопары для волноводных преобразователей выбирают таким, чтобы их общее сопротивление на СВЧ было около 100 Ом. Для согласования при-менякуг плавные переходы с регулярного волновода на П-образный

с характеристическим сопротивлением 100 Ом на средней частоте рабочего диапазона. Волноводный преобразователь оканчивается короткозамкнутый отрезком прямоугольного или круглого (запредельного) волновода.

В термоэлектрический преобразователь входят элементы, приводящие к нежелательным потерям. Это разъем, держатели, диэлектрические опоры, диафрагмы для компенсации реактивностей, конструктивные конденсаторы и другие неоднородности. В связи с этим некоторая доля мощности не поступает непосредственно на термопару, что уменьшает коэффициент эффективности преобразователя. Для термоэлектрических преобразователей коэффици-ент эффективности представляет отношение коэффициента преобразования на СВЧ к коэ(}х})Ициенту преобразования на переменном токе низкой частоты (НЧ), т. е.

Кг = /Спрб СВч/КпрбНЧ- (2.38)

Поскольку термопары СВЧ относятся к термопарам прямого нагрева, их калибровка на постоянном токе является невозможной. В области нижних частот (до 3- 4 ГГц) для коаксиальных

1,2 -

1Sf,rrn

Рис. 2.47. Область изменения КСВ для волноводных преобразователей М5-52 - М6-54 в диапазоне частот.

преобразователей M5-5I отличие Кв от единицы незначительно (до 1-2%) и им зачастую пренебрегают. На более высоких частотах Кэ как для коаксиальных, так и для волноводных преобразователей может значительно отличаться от единицы, и при измерениях его следует учитывать (рис. 2.48 и 2.49).

Известно [27], что коэффициент термо-э. д. с. (df/т э.д.с./Л°) материалов, применимых для изготовления термопар. Является нелинейной функцией температуры. Компенсируют нелинейность температурной характеристики термопары (f/тэ.д.с. = f ()) применяя для ветвей материалы с различной по знаку нелинейностью коэффициентов термо-э. д. с.

Однако для измерения мощности СВЧ практический интерес представляет не температурная, а амплитудная характеристика преобразователя (£/тэ.д.с. = Ф {Р))- Линейность амплитудной характеристики в общем случае не о&спечивается при линейной температурной характеристике, так как при нагреве термопары преобразуемой мощностью изменяется коэффициент теплоотдачи и, следовательно, температура горячего спая нелинейно зависит от подводимой мощности.

Поскольку качество термопреобразователя определяется степенью линейности его амплитудной характеристики, то это обусловливает соответствующие требования к материалам ветвей термопар и кон-