Главная ->  Измерение мощности СВЧ 

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

в продольном направлении протекает электрический ток, при помещении ее в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока (рис. 3.14). Эффект Холла, как и эффект изменения сопротивления в магнитном поле (эффект Гаусса), относится к так называемым гальваномагнитным явлениям, обусловленным взаимодействием магнитного

поля с движущимися зарядами. Э. д. с. Холла прямо пропорциональна произведению величин тока и магнитного потока и обратно пропорциональна толщине элемента Холла:

о о-1

/ / /


Ех = RxIB/d,

(3.42)

Рис. 3.14. К определению эффекта Холла в полупроводниках.

где Ех - э. д. с. Холла, В; Rx - постоянная Холла, Вм/А Т; / - ток, Д; В - магнитная индукция, Т; d - размер образца в направлении магнитного поля (толщина), м.

При измерении СВЧ мощности элемент Холла располагают таким образом, чтобы электрическое поле электромагнитной волны создавало в нем ток, а магнитное поле было нормально поверхности элемента. Если фазовый сдвиг между током и магнитным полем в пластинке будет равен фазовому сдвигу на нагрузке, включенной на конце линии передачи, то усредненная величина э. д. с. Холла будет пропорциональна активной мощности, передаваемой по линии.



Рис. 3.15. Расположение элементов Холла р волноводном и коаксиальном трактах.

Применяя полупроводниковые элементы со сравнительно высокой подвижностью носителей тока, эффект Холла можно использовать для измерения СВЧ мощности в широком диапазоне частот. Размещение элементов Холла в коаксиальной и волноводной линии передач (рис. 3.15) различно. Последовательное включение нескольких элементов Холла в цепи индикации позволяет повысить чувствительность системы. Связь между токовыми выводами элемента и проводниками линии передачи емкостная. Это дает возможность согласовать элементы с линией передачи и обеспечить необходимый сдвиг между управляющим током и магнитным полем. 106

3.4.1. Связь между . д. с. Холла и потоком мощностн

Установим связь между возникающим полем Холла и величиной, характеризующей поток мощности в электромагнитном поле. Для этого используем элемент Холла (рис. 3.16) с геомегрическими размерами d, j, I, намного меньшими длины волны. При этом вектор Умова- Пойнтинга Пх пронизывает поперечное сечение элемента s = dt. Под действием электромагнитного поля {Еу и Я) заряды, движущиеся со средней скоростью Vy, отклоняются к боковой грани элемента. В результате накопления зарядовсоздается холловское электрическое поле

Рис. 3.16. Полупроводниковый элемент в электромагнитном поле.

Ех- При равновесии, когда сила воздействия на заряды магнитной составляющей поля Я и сила холловского поля равны, справедливо выражение

еЕх = enVyH = eiiuEyH (3.43)

еЕх фмПх, Ех = luUx,

где е - заряд носителя, Кл; и - подвижность носителей, м/В-с; \i - магнитная проницаемость среды, Г/м.

Усредненная за период величина напряженности холловского поля составляет

£хср = 1 Пхср. (3.44)

Поскольку при распространении электромагнитной волны в свободном пространстве сдвиг фаз между составляющими поля равен нулю, то

Пхср = £o oz/2. (3.45)

где Еоу и Яо7 - амплитудные значения.

Таким образом, из уравнения (3.44) следует, что между плотностью потока энергии в данной точке электромагнитного поля (независимо от того, где распространяется энергия: в свободном пространстве или волноводе) и э. д. с. Холла на гранях полупроводникового элемента существует вполне определенная зависимость. Э. д. с. Холла пропорциональна вектору Пойнтинга и является мерой проходящей мощности. Так как произведение EoyHoz в любой точке идеальной



передающей линии является величиной постоянной, то элементы Холла, не искажающие электромагнитного поля, не реагируют на стоячую волну в линии передачи, и поэтому их можно устанавливать на любом расстоянии от нагрузки.

Элементы Холла могут быть как монолитными, так и пленочными. Подложкой для пленочных элементов должен быть материал с малой диэлектрической постоянной и малым тангенсом угла потерь. Размеры элементов обычно выбирают такими, чтобы ширина была в 2-3 раза меньше длины, а толщина 0,1-0,15 мм для монолитного и 1-10 мкм - для пленочного [26]. Контакты холловских электродов выполняют точечными. Они должны отвечать требованиям достаточной электрической и механической прочности без заметного снижения коэффициенга преобразования (чувствительности). Чувствительность германиевых элементов составляет величину порядка 1-10 мкВ/Вт, элементов из сурьмянистого индия (InSb) - 3-7 мкВ/Вт [28].

Э. д. с. Холла существенно зависит от температуры. Эта зависимость объясняется изменением подвижности носителей тока в интервале температур. Поэтому применение элементов Холла невозможно без схем температурной компенсации или стабилизации. На выходных электродах элемента Холла, кроме э. д. с. Холла, образуются соизмеримые с ней термо-э.. д. с. и напряжение за счет эффекта выпрямления [23], которые существенно влияют на погрешность измерения мощности.

3.4.2. Возможности и достоинства метода

Максимально допускаемая мощность, передаваемая по волноводу при использовании элементов Холла, определяется максимально допустимым нагревом элемента, коэффициентом теплоотдачи и его геометрическими размерами в поперечном сечении. Для 3-сантиметрового диапазона при размерах элемента 4 X 0,15 X 2 мм, расположен-г ного в центре волновода, и нагреве его до 100° С максимально допусти-I мая мощность непрерывных СВЧ колебаний равна 12 Вт (12 кВт им-у пульсной мощности при скважности 1000). Инерционность эффекга очень мала, что позволяет использовать элементы Холла для измерения импульсной мощности. Показано, что инерционность носителей заряда сказывается на частотах свыше 40 ГГц [28].

Верхний предел измерения импульсной мощности ваттметра, как упоминалось, может быть увеличен расположением элемента вблизи одной из узких стенок волновода,

К достоинствам метода относится малая инерционность. Благодаря этому метод может быть применим как для измерения мощности СВУ сигналов непрерывной генерации, так и для импульсной мощности в диапазоне частот до десятков гигагерц. Кроме того, элемент Холла обеспечивает измерение мощности, рассеиваемой в нагрузке (проходящей мощности), независимо от ее рассогласования.

Недостатки метода - низкая чувствительность, малая точность, \зависимость от температурных воздействий; малый динамический диа- пазон. Из-за указанных недостатков метод пока не нашел практической 108

реализации в серийных приборах. Возможно, что с появлением новых полупроводниковых материалов и совершенствованием технологии получения омических (невыпрямляющих) контактов метод найдет более широкое применение.

3.5. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПРОХОДЯЩЕЙ МОЩНОСТИ С НАПРАВЛЕННЫМИ ОТВЕТВИТЕЛЯМИ

Для измерения проходящей мощности могут быть использованы ваттметры поглощаемой мощности, включаемые во вторичный канал направленных ответвителей. Тип ваттметра поглощаемой мощности и

. Pi Рг

\ Ваттметр тглощае] мой мощности

Ваттметр поглощаемой мощности

Рис 3 17 Структурная схема измерения проходящей мощности с помощью дву- .направленного отаетвителя и ваттметров поглощаемой мощности.

характеристики направленного отвегвителя выбирают исходя из диапазона рабочих частот и уровня измеряемых мощностей. При этом

прох

= Рпад - Рохр = l/nep - P.IKr.p,

(3.46)

где Pi, Pa - мощности, измеренные ваттметром поглощаемой мощности, пропорциональные падающей и отраженной мощностям соответственно; /Спер, пер - коэффициенты псрсдачи двунаправленного ответвителя (рис. 3.17).

Если ответвитель содержит поворачивающийся направленный

элемент связи, то

Кпер -/Спер = /Снер. Рпрох = (Р. РУК.т. (3-47)

При нагрузках с небольшим коэффициентом отр.ажения и при невысоких требованиях к точности иногда ограничиваются измерением только падающей мощности, используя однонаправленные ответви-тели. Например, при нагрузке с коэффициентом отражения 0,1 (КСВ = = 1,2) разница между падающей и проходящей мощностью не превышает 1 %, т. е.

(3.48)

Рпрох Рпад = РМ

пер-

Структурная схема ваттметра с прямым отсчетом проходящей мощности, содержащего автоматическое устройство вычитания выходных сигналов приемных преобразователей диодного или термоэлектрического типа, приведена на рис. 3.18.

В [19] описан комбинированный пондеромоторный ваттметр для прямого измерения проходящей мощности (рис. 3.19). Использо-



вание двухнапраВленного ответвиТеля позволяет разместить одиу подвесную систему с чувствительными элементами в каналах падающейи отраженной мощности. Чувствительные элементы укреплены на общем стержне и установлены таким образом, что вращающие мо-

Приемный преобразователь

Устройство вычитания

Приемный лреобразовйтель

Кнагрузке

Рис. 3.18. Структурная схема прямопсжазывающего ваттметра проходящей мощности.

менты Ml и Л!2 действуют на подвижную систему в противоположных направлениях. При таком включении результирующий вращающий момент пропорционален проходящей мощности. Комбинированный пондеромоторныи ваттметр отличается от обычного меньшей погрешностью рассогласования, так как нагрузки во вторичных каналах могут быть согласованы с высокой точностью.

Метод принципиально применим во всем диапазоне СВЧ вплоть до миллиметровых длин волн. Однако отдельные типы ваттметров имеют ограниченный диапазон частот, определяемый диапазоном направленных ответвителей. При использовании ваттметров поглощаемой мощности малого уровня и направленных ответвителей с коэффициентом передачи 20-70 дБ метод позволяет измерять .проходящие мощности от нескольких сотен микроватт до 100 кВт. Верхний предел измеряемой мощности определяется качеством экранировки преобразователя и ваттметра от внешних полей. Погрешность измерения определяется следующими основными составляющими:

- погрешностью аттестации направленного ответвителя по коэффициенту передачи б;

- погрешностью, обусловленной частотной зависимостью коэффициента передачи направленного ответвителя в полосе частот, д,


Крутильная головка

Чувствительный / элемент

К автокол-лиматору-

Чувствительный элемент

\К нагрузке

Рис. 3.19. Упрощенная конструкции комбинированного пондеромоторного ваттметра.

- погрешностью ваттметра поглощаемой мощности 6,;

- погрешностью,

, обусловленной рассогласованием: брасс =

= брасс ~Ь брасс. ГДС брасс = 2 1ианс Ih 1игкс расс = 2 иакс I luaBei

I Гв I макс. I Гв I макс I Г макс I Г (макс - максимальныс значения модулей эффективного коэффициента отражения направленного ответвителя, коэффициентов отражения нагрузки, ваттметра и выхода вторичного тракта направленного ответвителя.

Используя выражение (2.15), можно показать, что при

I Гв I макс ~ .2. I Гв I макс - 0,2, ( Гв (макс - 0,2, Tg макс

= 0,13, 6i = ±7%, ба = ±5% в полосе ±5%, бд = ±6% максимальное значение погрешности измерения проходящей мощности составит 20-25%.

К достоинствам метода следует отнести: возможность применения ваттметров поглощаемой мощности малого уровня для измерения больших мощностей, а также поэлементной проверки отдельных приборов (узлов) на малых уровнях мощности.

Недостатки метода: большая погрешность измерений, которая существенно зависит от КСВ нагрузки, направленности и точности аттестации переходного ослабления направленного ответвителя; необходимость пользования графиками поправок при измерениях в полосе частот.



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