детектирования. Самый неблагоприятный угол сдвига фаз равен п/4 для второй гармоники и п/З для третьей гармоники.

Если коэффициенты преобразования на частотах гармонической составляющей и основной одинаковы, то при пиковом детектировании максимальное значение дополнительной погрешности будет равно удвоенному значению коэффициента гармоники Кг- Например, при /Сг = 0,1 (на 20 дБ меньше основной составляющей) бдоп= 0,2, или 20%.

К достоинствам метода следует отнести простоту, высокую надежность, возможность измерения как непрерывных, так и импульсно-модулированных сигналов.

Недостатками метода являются: низкая точность измерений; ограниченный рабочий диапазон частот, особенно при пользовании вакуумными СВЧ диодами; зависимость показаний прибора от величины гармонических составляющих в измеряемом сигнале; необходимость использования поправочных графиков.

2.6. МЕТОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ ФЕРРИТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Ферритовые элементы обладают свойством резонансного поглощения энергии высокочастотного электромагнитного поля [79-80]. В основу теории этого явления положено классическое объяснение природы магнетизма, из которого следует, что элементарными носителями магнетизма являются электроны и ядра атомов. Исследования показали, что ферромагнитные свойства вещества связаны главным образом со спиновым магнитным моментом электрона. При постоянном магнитном поле напряженности Нд электронный спин начинает прецессировать с частотой, которую называют частотой ферромагнитного резонанса:

(2.57)

где Уг = e/mgC - гиромагнитное отношение; е, Шд - заряд и масса электрона; с - скорость света.

Если в плоскости образца ферромагнитного материала, перпендикулярной направлению магнитного поля Но, приложить переменное СВЧ магнитное поле с частотой, равной собственной частоте прецессии, то возникнет ферромагнитный резонанс и образец ферромагнитного материала будет поглощать энергию СВЧ.

2.6.1. Приемные преобразователи и измерительные блоки ферритовых ваттметров

Для измерения СВЧ мощности применяются следующие разновидности приемных преобразователей с ферритовыми элементами.

1. Преобразователи, у которых под действием поглощаемой СВЧ мощности нагревается ферритовый элемент и измеряется при этом его

температура или мощность замещения постоянного тока или переменного тока низкой частоты, вызывающая аналогичный нагрев.

2. Преобразователи, использующие нелинейные свойства поглощающего ферритового элемента.

Ферритовые преобразователи первого типа подобно болометрическим, работают в сочетании с мостовыми измерительными устройствами. Однако при этом возникают трудности в создании измерительногомоста, пригодного для работы с высокоомными элементами [81, 87] (номинальное сопротивление марганцевых и магний-марганцевых ферритовых элементов, имеющих ширину резонансного поглощения порядка 800-400 А/м, составляет 10*-10 Ом, а номинальное сопротивление иттриевых ферритовых элементов со структурой граната, отличающихся узкой кривой резонансного поглощения, - У гН/ превьппает 10 Ом). Поэтому на прак- 71>оЛ)

Рис. 2.61. Расположение ферритового элемента З в волноводе:

/ - деджатель; 2 - выводы катушки; 3 - феррнтооый элемент.

Рсвч

тике для измерения СВЧ мощности чаще применяют термопары или термисторы, с помощью которых регистрируют температуру нагрева ферритового элемента [82].

В [83-85] описано явление, связанное с нелинейными свойствами ферритов, которое легло в основу создания ферритового приемного преобразователя для измерения СВЧ мощности. Сущность.его заключается в следующем. Если намагниченный ферритовый элемент, помещенный в магнитное поле СВЧ в плоскости с круговой поляризацией (рис. 2.61), расположить внутри катушки, питаемой подмагни-чивающим током частоты F, значительно меньшей частоты ферромагнитного резонанса то в результате модуляции магнитного поля при ферромагнитном резонансе появятся нутационные колебания вектора намагниченности феррита, а в катушке возникнет э. д. с. с частотами, кратными частоте модуляции. При это амплитуда каждой из спектральных составляющих э. д. с. оказывается прямо пропорциональной мощности СВЧ сигнала, распространяющегося в волноводе. Поскольку амплитуды составляющих быстро уменьшаются с ростом номера гармоник, для измерения предпочтительно использовать вторую гармонику.

Инерционность ферритового элемента определяется шириной полосы ферромагнитного резонанса и для 2ДЯ = 1Э (что соответствует 2Д/ 3 МГц) время установления прецессии составляет величину порядка 0,1 мкс. Это значит, что ферритовый элемент может практически безынерционно преобразовывать непрерывные и импульсно-модули-рованные СВЧ сигналы (длительностью более 1 мкс) в радиосигналы с той же огибающей и амплитудой, пропорциональной СВЧ мощности. Таким образом, задача измерения СВЧ мощности может быть сведена

к измерению амплитуды напряжения относительно низкой радиочастоты на выходе ферритового преобразователя (кроссумножителя) (преобразователя, в котором используется описанное явление).

Ваттметр, основанный на данном методе, включает в себя кросс-умножитель (рис. 2.62) с согласованной нагрузкой на выходе, модулятор с фильтром, усилитель с фильтром и пиковый вольтметр. .Феррит намагничивается с помощью электромагнита. При измерении СВЧ мощности напряженность магнитного поля Но устанавливают такой, при которой на частоте измеряемого СВЧ сигнала возникнет ферромагнитный резонанс и феррит будет поглощать СВЧ мощность. Намагничивающее поле модулируется низкочастотным полем, соз-

Пиковый вольтметр

К россум-ножитель

Рис. 2.62. Структурная схема ваттметра с кроссумножителем.

даваемым катушкой, на которую подается сигнал частоты F от модулятора. Возникающий при этом в катушке сигнал частоты 2F отфильтровывается, усиливается и измеряется пиковым вольтметром, шкалу которого градуируют в единицах измеряемой мощности. *

Коэффициент преобразования кроссу множителей - отношение э. д. с. 2-й гармоники к величине падающей мощности - порядка 5-10 мкВ/мВт. Согласованная нагрузка обеспечивает малый КСВ кроссумножителя в отсутствие ферромагнитного резонанса. Нетрудно видеть, что описанная структурная схема может быть применена для измерения мощности непрерывных и импульсно-модулированных сигналов, а при соответствующей градуировке электромагнита - также и частоты СВЧ сигнала.

Кроссумножители можно использовать и для измерения мощности больших уровней, если будут обеспечены условия возникновения дополнительного ферромагнитного резонанса [86]. При этом СВЧ мощность, проходящая через отрезок волновода, практически не ослабляется, а амплитуда преобразованного сигнала пропорциональна ей. Максимальная измеряемая мощность в такОм случае ограничивается электрической прочностью волновода.

Некоторые особенности конструкции волноводных ферритовых преобразователей. Ферритовый преобразователь (кроссумножитель) представляет отрезок прямоугольного волновода, в котором на конце диэлектрического держателя расположена катушка с ферритовой сферой в центре. Феррутовая сфера находится в плоскости с круговой поляризацией магнитного ноля СВЧ (см. рис. 2.61). Катушка имеет 78

вид плоской спирали, параллельной широкой стенке волновода. Отре* зок волновода размещен между полюсами электромагнита, создающего необходимую напряженность подмагничивания. На конце отрезка волновода включена согласованная нагрузка.

Известно [82], что при расположении феррита (см. рис. 2.61) в точке

Хо = (а/п) arc sin {\J2a) (2.58)

(где Яррз - длина волны при ферромагнитном резонансе) коэффициент отражения приемного преобразователя на частоте ферромагнитного резонанса почти равен нулю, а коэффищюнт преобразования, зависящий от поглощения, стремится к максимуму при коэффициенте связи, равном 1. При этом обеспечивается высокая направленность (фер- рит, помещенный в плоскость с круго-вой поляризацией магнитного поля пра- вого вращения, слабо реагирует на от- г-раженную волну).

О 25

Рис. 2.63. Зависимость коэффициента поглощг- иия от параметра связи при Лв=2а.

ЦП/ 0,1 1,0 10 Ксв

Размеры сферы феррита и параметры электромагнита выбирают исходя из величины коэффициента связи ферритового элемента с волноводом на средней частоте диапазона:

iCcB - я (vja%) Х;, (2.59)

где гсф - объем сферы феррита; а, b - размеры волновода; Хр = = MJ2AH; - намагниченность насыщения; 2ДЯ - ширина

резонансной кривой поглощения ферритового монокристалла, из которого изготовлен элемент (сфера).

Величина коэффициента связи определяет степень поглощения мощности, распространяющейся по. волноводу. Полное поглощение наступает при коэффищ1енте связи, равном единице (рис. 2.63).

Выбирая размеры сферы феррита и коэффициента связи, можно создать приемный преобразователь для измерения поглощаемой мощности {Ксв = !) Так как ферриты обладают направленностью на частоте ферромагнитного резонанса, т. е. не реагируют на магнитное поле с круговой поляризацией левого вращения, то при соответствующем расположении двух ферритовых элементов можно сконструировать приемный преобразователь для измерения проходящей мощности. В этом случае должно выполняться условие /Сев С 1- Тогда один феррит будет поглощать часть мощности падающей волны, а другой - такую же часть отраженной. Разность поглощенных ферритовыми элементами мощностей будет пропорциональна проходящей мощности В миллиметровом диапазоне длин волн с целью уменьшения габаритов электромагнитов желательно применять магнитоодноосные ферриты, обладающие значительной внутренней магнитной анизотропией.

2.6.2. Возможности и достоинства метода

Метод применим в диапазоне частот от сотен мегагерц до нескольких десятков гигагерц. Диапазон частот сверху ограничивается габаритами электромагнитов и свойствами монокристаллов фер-рогранатов.

Динамический диапазон порядка 20-25 дБ. Преобразователи поглощаемой мощности обеспечивают измерение мощностей от сотен микроватт до сотен милливатт. Нижний уровень определяется чувствительностью измерительного блока и ограничивается уровнем на его входе, а верхний-спин-волновой нестабильностью, характерной для нелинейного ферромагнитного резонанса, обусловленной разогревом тела феррита в результате поглощения им мощности СВЧ.

Преобразователи проходящей мощности из-за малого коэффициента связи обеспечивают измерение мощностей более высоких уровней. При этом методе отсутствует зависимость измерений от длительности и частоты следования импульсов при длительностях импульсов более 0,5 мкс.

Приборы с ферритовыми преобразователями, как правило, калибруют по образцовым ваттметрам. Их погрешность без учета погрешности рассогласования составляет порядка 10-15%.

К достоинствам метода следует отнести следующее:

- ферритовые приемные преобразователи обладают высокой надежностью и устойчивостью к перегрузкам, стабильными параметрами в течение длительного времени. Устойчивость к перегрузкам обусловлена эффектом насыщения ферритового элемента в области температуры Кюри, в результате чего значительное увеличение мощности СВЧ после достижения этой температуры не приводит к заметному повышению температуры элемента;

- ферритовые элементы являются избирательными, поэтому метод применим для избирательного измерения мощности в присутствии мешающих сигналов, избирательность при расстройке на 50 МГц составляет 20-30 дБ;

- ферритовые элементы обладают направленностью, поэтому могут быть использованы при конструировании приемных преобразователей ваттметров проходящей и поглощающей мощности;

- метод позволяет измерять мощность как непрерывных, так и

импульсных сигналов. )- wj Недостатками метода являются: небольшой динамический диапа-./зон; сложность в управлении измерительными приборами (при изме-J нении частоты измеряемого сигнала приходится перестраивать под-1 магничивающую систему прибора); сравнительно большая инерцион-i ность (порядка 0,1-10 с) ферритовых преобразователей, у которых

используется нагрев ферритового. элемента поглощаемой мощностью;

температурная зависимость резонансной частоты феррита.

2.7. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИБОРАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

В ваттметрах, предназначенных для измерения мощности оптических квантовых генераторов, в основном используют калориметрический метод измерения [89]. Аналогично СВЧ ваттметрам приборы состоят из двух основных частей - приемного преобразователя (калориметрической нагрузки) и измерительного блока с отсчетным устройством. Если измерительные схемы приборов почти идентичны схемам ваттметров СВЧ, то приемные преобразователи значительно отлича-ются.

В [90] проанализированы различные конструкции калориметрических нагрузок в виде сферы, конуса, мотка проволоки, помещенного в зеркальную сферу, показано, что основные требования, предъявляемые к ним, - малая величина коэффициента отражения для света и достаточно полная эквивалентность замещения измеряемой мощности мощностью подогрева, - могут быть выполнены при правильном выборе конструкции.

Исходя из геометрических размеров калориметрической нагрузки и коэффициента поглощения внутренней поверхности ар, можно определить коэффициент поглощения в направлении падающего луча ар/. Так, для калориметрической нагрузки в виде сферы коэффициент поглощения может быть выражен в виде

ар, 1 - (1 - ар) (ro /2rcф) (2.60)

где Гсф, Го к - радиусы сферы и окна. Для конусной нагрузки

ар, = 1 - (1 - ар)2/з (Р/г\ + 1)-/2, (2.61)

где / - высота конуса.

На практике применяют калориметрические нагрузки в виде медного конуса. Луч; идущий вдоль конуса, поглощается почти полностью. Для лучей, идущих под углом к оси конуса, коэффициент поглощения очень быстро уменьшается с увеличением угла. Медный конус нагрузки прибора МКЗ-18А и МЗ-24 имеет угол при вершине 45° и диаметр основания 20 мм. Для увеличения коэффициента поглощения поверхность конуса чернят. Экспериментально установлено, что коэффициент отражения для конусной калориметрической нагрузки зависит от частоты. При уменьшении длины волны он уменьшается.

В табл. 2.5 приведены значения коэффициента отражейия для медного почерненного конуса [93]. Лучшие результаты получаются при покрытии поверхности конуса аквадагом с лаком, что позволяет расширить частотный диапазон конусной калориметрической нагрузки. Нарушение покрытия, возникающее при больших плотностях мощности падающего излучения, приводят к искажению результатов измерений. Это отмечается при импульсном сигнале длительностью 100 не, если плотность излучения больше 10* Вт/см.

1емпературу нагрева конуса индицируют с помощью резистора в виде обмотки из тонкой никелевой проволоки, намотанной на конус.