Наряду с боковыми стенками испытывают давление при прохождении электромагнитной волны по волноводу также верхняя и нижняя стенки. Величину этого давления можно определить как разность между электромагнитными и электростатическими силами, действующими соответственно на токи в стенках и на заряды на поверхности стенок. Эпюры давления- на стенки волновода изображены на рис. 3.7. Зависимость давления от частоты при постоянном уровне проходящей мощности имеет вид, показанный на рис. 3.8.

Результаты измерения мощности описанным методом были опубликованы В. Г. Пеняковой Ц]. При использовании пьезоэлектрических датчиков (из кварца) получена чувствительность примерно 0,6 мкВ/кВт, что при мощности в импульсе 300 кВт и / 5= 1,5 соответствует 150 мкВ. Постоянная времени пластинки была достаточно мала, что позволило измерять мощность импульсов длительностью до 2 мкс. Нижний предел измеряемой мощности ваттметра с кварцевой пластиной составляет 40-50 кВт в импульсе. При использовании сег-нетового биморфноЕо элемента можно измерять среднюю мощность с нижним пределом до единиц и долей ватта. Верхний предел измеряемых мощностей практически ограничивается электрической прочностью волновода.

3.3.3. Крутильные ваттметры

Приборы, измеряющие угол поворота отражающего элемента, находящегося внутри волновода, или вращающий момент как результат механического воздействия электромагнитного поля на отражающий элемент, получили название пондеромоторных крутильных ваттметров. Эти приборы позволяют сравнительно легко выполнить

абсолютную калибровку h обеспечить измерение проходящей мощности выше 10 мВт.

Рассмотрим простейшую схему такого прибора (рис. 3.9). Тонкая проводящая пластина 2 подвешена на упругой кварцевой нити 6 внутри отрезка прямоугольного волновода 1. Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль волновода, возбуждает в пластине токи и заряды и, взаимодействуя с ними, вызывает вращающий мо-

Рис. 3.9. Схема однопластинчатогв пондеромоторного ваттметра:

. / - волновод; 2 - пластина; 3 --кварцевый стержень; <-зеркальце; 5- индуктивная диафрагма; 5 - варцевая нить; / - крутильная головка; 8 - ванночка с силиконовой жидкостью; 3 - источник света: 10 - шкала.

мент, ПОД действием которого пластинка поворачивается на некоторый угол, определяемый (для данной пластины, волновода и длины волны) мощностью и жесткостью нити подвеса. Индуктивные диафрагмы 5 компенсируют емкостную шунтирующую проводимость, вносимую пластиной. Пластина с помощью жесткого стержня 3 связана с зеркалом 4, находящимся вне волновода. Угол поворота пластинки индицируется световым лучом, отраженным от зеркала. Чтобы возвратить пластинку в первоначальное положение, необходимо закрутить нить подвеса на некоторый угол Aijj.

Соотношение между проходящей мощностью и углом закручивания может быть представлено в виде [6, 16]

р =.

прох

2с Хв [~[ dip + dtj) )

(3.34)

где М р - удельный момент кручения нити подвеса; Эк =

- коэффициент пропорциональности между вращающим мо-

проходящей по вол-

ментом, действующим на подвеску, и мощностью, поводу.

Если известны значения М р и Э , то измерение проходящей СВЧ мощности сведется к измерению угла закручивания Ая];:

прох = Л1 рАя)/Э,.

Удельный момент кручения нити и коэффициент Э для крутильных ваттметров определяют экспериментально. Можно показать, что

4я+1п

(3.35)

где ф, фг - амплитуды затухающих колебаний подвески, отстоящих во времени на период; / - момент инерции подвески относительно оси вращения; Т - период свободных колебаний подвески.

Точно определить момент инерции подвески из-за ее сложной конфигурации трудно, поэтому М р находят, заменяя подвеску брусочками, эталонированными по моменту инерции. При этом измеряют период свободных колебаний подвески с брусочком Ti и без него у 2, а также соответственно величины

Тогда

Л1 р = lWilT\ - 1гТ%

(3.36)

где - момент инерции бруска.

Коэффициент Э иногда называют электрическим калибровочным коэффициентом. Вся трудность его определения заключается в измерении градиента {с1хЩ + rfxVrfij}), Методика измерения градиента состоит в следующем [16].

4В Зак. 4S3 101

Пондеромоторный Ваттметр

Собирают схему в соответствии с рис. 3.10. Поршень в боковом плече / двойного тройника устанавливают произвольно, отмечая его начальное положение х\. Перемещением поршня в плече добиваются минимальных показаний индикатора в цепи детектора при начальном угловом положении системы q. Создавая угловое перемещение Дя]з = я];-я]5д, наблюдают увеличение показаний индикатора. Перемещая поршень в плече / до получения минимальных показаний индикатора, отмечают его новое положение х. Определяют Ах = jc -

- хо- Затем аналогичные измерения производят при начальном положении поршня в плече /, равном х о = Jco + b/4, и начальном угловом положении системы 1)50. Определяют Ajc = = х - х о. Тогда искомый градиент будет (Дл: + Aa: )/Ai1j.

Множитель К/К2с -

= У 1 - {cl2faYI2c находят после измерения частоты и размера широкой стенки волновода.

Нетрудно видеть, что коэффициент Э зависит от частоты. Это усложняет калибровку прибора в процессе его настройки и регулировки.

Ранее было сказано, что ваттметры проходящей мощности должны иметь входной импеданс, очень близкий к волновому сопротивлению линии передачи. Только в этом случае отражения измеряемой мощности от входа прибора будут минимальными. На практике достигнуть коэффициента отражения от входа крутильного ваттметра равным нулю затруднительно. Входной импеданс прибора зависит как от угла поворота пластинок, так и от частоты, т. е.

Г (СВЧ)

Рис. 3.10. Структурная схема калибровки пондеромоторного ваттметра.

(3.37)

тобы компенсировать неоднородность, создаваемую пластиной, в волновод устанавливают согласующие элементы, как показано на на рис. 3.11. Тонкую металлическую пластину в волноводе можно представить в виде реактивной емкостной проводимости

Вс = Bmsin4.

(3.38)

где Вт - проводимость пластины при яр = 90*.

Поскольку вращающий момент, действующий на пластину, пропорционален dBc/dtlp, его максимального значения следует ожидать при Tj; = 45°. Пусть штыри, вводимые для компенсации, обладают

реактивной проводимостью Bl. Тогда Нормированная проводимость, вносимая пластиной и штырями, будет

= (BJYon) sin - BjYo = bc- bt.

(3.39)

где Yo - характеристическая проводимость волновода; be - нормированная емкостная проводимость пластины; be - нормированная индуктивная проводимость штыря.

Отражения в волноводе исчезают при компенсации, т. е. при выполнении условия

bc=bL = bo BjYon = (BjYon) sin i];, (3.40)

где я]; - угол компенсации на частоте /ср (согласующий угол).

Приизменении частоты, т. е. при / = /ср (1 ± Дп). будут меняться соответственно емкостная и индуктивная реактивности, а следовательно, и согласующий угол. Зависимость согласующего угла от частоты приближенно может быть выражена уравнением

я]; = arc sin

Рис. 3.11. Схема расположения пластины и согласующих штырей в прямоугольном волноводе:

1 - волновод; 2 - пластина; 3 - согласующие штыри.

1/2(1±Дп) 1

(3.41)

Пондеромоторные ваттметры крутильного типа подобно зондовым устройствам обладают существенным недостатком, связанным с зависимостью их показаний от степени согласования нагрузки. Если допустить, что реактивность подвижных элементов скомпенсирована и не вносит отражений в линию передачи, то для пондеромоторных ваттметров можно применить выражения погрешности рассогласования, полученные при анализе зондовых устройств.

Расчет показывает, что при коэффициенте отражения нагрузки Гн = 0,05 максимальное значение погрешности рассогласования составит:

- для однопластинчатого ваттметра более 10%,

- для двухпластинчатого ваттметра при работе на средней длине волны и расстоянии между пластинами, равном ?1вср/4, не более 0,5%;

- для трехпластинчатого ваттметра, когда вращающие моменты суммируются и относятся между собой как 1 : 2 : 1, расстояние между пластинами равно Я,вср/4, что идентично четырехзондовому устройству с нулевым смещением между вторым и третьим зондами, при работе на средней длине волны не более 0,5%.

При работе в полосе частот погрешность рассогласования двух-и трехпластинчатого ваттметров принимает большие значения. Так

4В* 103

как погрешность рассогласования на средней длине волны для двух-и трехпластинчатого ваттметров носит систематический характер и Имеет только положительный знак, то ее можно учитывать, внося в результат измерений соответствующие поправки. Для уменьшения погрешности рассогласования при работе в полосе частот в некоторых конструкциях крутильных ваттметров предусмотрена перестройка расстояния между пластинками.

3.3.4. Особенности конструкции некоторых приборов

Рассмотрим функциональную схему пондеромоторного ваттметра СМП-4 - стационарной установки для метрологических исследований в трехсантиметровом диапазоне радиоволн (рис. 3.12). Особенность конструкции ваттметра заключается в том, что подвесная система выполнена в виде гантели с чувствительными элементами, укрепленными под углом ~я/3 на ее концах. В процессе измерения мощности под-

весную систему устанавливают

и Рис. 3.12. Функциональная схема пон-5 деромоторного ваттметра СМП-4:

Si - оптический квадрант КО-10; 2 - держа-7 тель подвесной системы; 3 - нить; 4 - вол-D новодная секция; 5 - чувствительные эле-р менты (пластинки); 6 - диэлектрический * стержень; 7 - автоколлиматор ДК-30; 8 - зеркало; S - демпфер.

ПОД таким углом к оси волновода ф, при котором длина ее проекции на ось равняется KJ4. Это положение соответствует минимальному значению погрешности за счет рассогласования. Ваттметр позволяет измерять мощность от 0,1 до 1 Вт в диапазоне частот 10 ГГц ± 5% спогрешностью,±0,7% при КСВ < 1,05.

Пондеромоторный ваттметр для измерения мощностей больших уровней (рис. 3.13) отличается тем, тo в нем отклоняющаяся пластина

помещена не по центру волновода, а в окне боковой стенки. Ваттметр позволяет измерять мощность до 1 кВт в диапазоне частот 2,45 ± 0,1 ГГц с погрешностью ±4%.

Рис. 3.13. Пондеро.моторный ваттметр больших уровней мощности СВЧ:

/ - волноводный блок; 2 - крутильная головка; 3 - подвесная система; 4 - арретнр-но-демпферное устройство; 5 - индикаторный блок; 6 - осветитель.

3.3.5. Возможности и достоинства метода

Пондеромоторный метод может быть применен вплоть до миллиметрового диапазона длин волн. Однако отдельные приборы имеют сравнительно узкий диапазон частот.

Метод позволяет измерять мощности от нескольких милливатт до сотен киловатт средней мощности. Погрешность измерения мощности при использовании крутильных ваттметров включает в себя следующие составляющие:

- погрешность механической калибровки fij, обусловленную неточностью измерения удельного момента кручения нити; она определяется погрешностью измерения момента инерции бруска, погрешностью измерения амплитуд затухающих колебаний с бруском и без бруска при многократных измерениях, погрешностью измерения периода свободных колебаний с бруском и без бруска;

- погрешность определения электрического калибровочного коэффициента; вычисляется по данным многократных измерений Лл:, Дх , Дя]; при электрической калибровке;

- погрешность fig определения угла закручивания нити подвеса;

- погрешность рассогласования или неисключенный остаток погрешности рассогласования брасс-

Пользуясь выражением (2.15), можно показать, что при использовании соответствующих образцовых средств и методики калибровки достижимое значение погрешности метода измерений порядка 0,7-1,5% при Гн < 0,025 (КСВ < 1,05). Более подробное изложение методики определения частных погрешностей можно найти в [16].

Кроме высокой точности метода, что позволяет применять пондеромоторные ваттметры в качестве образцовых средств, к их достоинствам следует отнести хорошую перегрузочную характеристику приборов. Приборы не выходят из строя при значительном превышении измеряемой мощности (чувствительные элементы при перегрузке устанавливаются в некоторое крайнее положение).

К недостаткам метода относится следующее. Пондеромоторные / ваттметры обладают повышенной чувствительностью к вибрациям ну тряске, обладают малой надежностью.

Необходимость тщательного согласования отрезка передающего тракта ваттметра влечет за собой повышенные требования к точности изготовления механической конструкции. Такие ваттметры узкопо-лосны, их показания зависят от частоты. Пользование графиками частотных поправок при определении результатов измерений создает неудобства при эксплуатации. Рассматриваемый метод неприменим в жестких условиях эксплуатации.

3.4. МЕТОД, ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

Метод измерения мощности электромагнитного поля полупроводниковыми элементами Холла был впервые otiHcan Барлоу [22].

Эффектом Холла называют явление возникновения поперечной разности потенциалов во всякой проводящей пластине, по которой