НИИ, и конструктивный конденсатор вставки исключают взаимное влияние цепей СВЧ и постоянного тока (рис. 2.25, б).

Для тепловой развязки входа преобразователя и термисторной вставки внутренний проводник коаксиальной линии иногда выполняют из тонкостенных трубок (никель или нержавеющая сталь), обладаю-

К измвритет-ному Ьаоку

Рис. 2.25. Конструкция широкополосного термисторного /преобразователя (а) и его

эквивалентная схама (б): Rfo , Ro - рабочая и термокомпенсиругощая термисторные вставки; Ci - керамический конденсатор.

щих малой теплопроводностью. Кроме того, корпус преобразователя заключают в теплоизолирующий футляр, благодаря чему уменьшается влияние резких изменений температуры окружающей среды.

2.3.3. Конструкции волноводных термисторных приемных преобразователей

Волноводные приемные преобразователи, как и коаксиальные, представляют собой отрезки волноводов с включенными на их концах

Рассмотрим простейшую схему конструкции, положенную в основу термисторных преобразователей М5-19-М5-22 и М5-26- М5-28 (рис. 2.26).

Р-ис. 2.26. Упрощенная схема консг-рукции волноводных преобразователей М5-26 -М5-28:

; - ступенчатый переход (трансформатор: 2 - заглушка; 3 - ороткозамыкатель;

- термистор: - конденсатор.

В приемном преобразователе со стороны входа имеется ступенчатый или плавный переход (трансформатор). С его помощью трансформируется (уменьшается) характеристическое сопротивление волновода, что улучшает условия согласования последнего с отрезком коаксиала, в разрыве центрального проводника которого помещен термистор Ri . Один конец термистора замыкается на корпус с помощью

термочувствительными элементами.

к изшри-петному-блоку

плунжера 5 в коаксиальной линии, а второй-через плунжер и конденсатор Ск- Смещая подвижные короткозамыкатели, преобразователь согласуют с трактом. Волноводный тракт заканчивается заглушкой 2- отрезком волновода с большим входным сопротивлением. Конденсатор С разделяет СВЧ цепи и цепи постоянного тока. КСВ таких преобразователей составляет 1,4-1,7 в рабочем диапазоне частот волновода.

Чтобы улучшить согласование волноводных преобразователей в узкой полосе частот (А/ = ± 5%), используют трансформатор полных сопротивлений в виде подвижного полистиролового стержня с металлической отражающей пластинкой на конце. Стержень вводят в плоскость заглушки через отверстие. Смещая пластину вдоль оси

К измерительному блоку

Рис. 2.27. Учрсщеиная схема конструкции волноводных преобразователей М5-40 -

М5-45:

/ - отрезок волновода; 2 -рабочая термисторная встаяка; 3 - короткозамыкатель; контакт; R(a - термистор; Cjj - конденсатор.

волновода И поворачивая ее, регулируют фазу и амплитуду коэффициента отражения. Такая регулировка позволяет достигнуть КСВ около 1,05 на любой частоте в диапазоне волновода, и ее применяют в образцовых термисторных преобразователях.

Основной недостаток описанной конструкции преобразователей - сложность их регулировки. Кроме того, в-таких преобразователях невозможно заменять термисторы без последующей подстройки на СВЧ. Этот недостаток устранен в преобразователях М5-40-М5-45 (рис. 2.27). Каждый из них представляет собой отрезок волновода /, на конце которого включена полноводная термисторная вставка 2, прижатая к волноводу короткозамыкателем 3.

Отрезок волновода / выполнен в виде плавного перехода от волновода прямоугольного сечения к П-образному, что уменьшает величину и интервал изменения характеристического сопротивления и вместе с короткозамыкателем обеспечивает хорошее согласование термисторной вставки во всем диапазоне рабочих частот волновода. Термисторная вставка 2, как и волновод, имеет П-образную форму. В ее зазоре монтируют рабочий термистор У?(0. Один вывод термистора приваривают к корпусу вставки, второй-к контакту 4. Контакт и корпус вставки, разделенные изоляционной прокладкой, образукгг конденсатор Ск такой емкости, что его реактивное сопротивление токам СВЧ пренебрежимо мало по сравнению с импедансом термистора. К приливам корпуса волновода в непосредственной близости к рабо-

чей термисторной вставке крепят вставку с опорным (термокомпенси-рующим) термистором, идентичным рабочему.

Тонкостенный корпус волновода изготавливают методом гальванопластики и опрессовывают пластмассой, что обеспечивает достаточную тепловую развязку между входом преобразователя и вставками. Преобразователь заключают в пластмассовый кожух, который защищает термисторные вставки от механических воздействий и кратко-

Рис. 2.28. Приемный термисторный преобразователь М5-49:

I -волновод; 2 -корпус термокомпеисирующего термореэистора; 3-терморезистор ММТ-9; * - расшивочиая панель; 5 - кронштейн; б - соединительный кабель; 7 -кожух; 8 - теплоизоляционный экран; 9 -рабочий терморезистор СТЗ-29; 10 - термокомпенсирующий терморезистор СТЗ-29.

временных изменений температуры окружающей среды. Преобразователи подключают к измерительному блоку с помощью гибкого кабеля, провода которого с одной стороны присоединяют к соответствующим выводам термочувствительных элементов, а с другой-к однополюсным штеккерам. Рассмотренная конструкция обеспечивает возможность включения термистора в тракт СВЧ и измерительную цепь. СВЧ характеристики термисторных вставок контролируют в процессе производства и поэтому их заменяют без подрегулировки. Преобразователи М5-40 - М5-45 перекрывают диапазон частот от 5,64 до 37,5 Гц.

Для измерения мощности в миллиметровом диапазоне применяют преобразователи М5-49 и М5-50 (рис. 2.28) со специальными термисторами СТЗ-29 цилиндрической формы, имеющими жесткие допуски на длину и диаметр. Рабочий термистор 9 монтируют непосредственно на конце плавного перехода. Из-за малых размеров волновода / часть рабочего тела термистора располагается в волноводе, а часть - во втулке,

при этом образуется короткозамкнутый коаксиальный отрезок. Втулка изолирована от корпуса слюдяной прокладкой, что обеспечивает включение термистора в схему моста постоянного тока. Волновод преобразователя изготовлен методом гальванопластики и имеет со стороны входа тонкостенный участок для уменьшения влияния скачков температуры на фланце. На его корпусе размещен второй терморезистор СТЗ-29 (10), используемый при работе преобразователя в схемах с температурной компенсацией. В преобразователях М5-40 - М5-45, М5-49 и М5-50 предусмотрена возможность установки термокомпенсационных термисторов другого типа, например ММТ-9 на случай работы с мостом М4-3.

К недостаткам преобразователей М5-49 и М5-50 следует отнести-то, что заменять рабочие термисторы можно только в специализированных лабораториях или на заводе-изготовителе. Кроме того, эти преобразователи имеют сравнительно низкий коэффициент эффективности и повышенную чувствительность к внешним тепловым воздействиям.

Сопротивление термистора на постоянном токе существенно отличается от сопротивления на СВЧ, особенно на частотах свыше 5-7 ГГц. Степень различия зависит от конструкции термистора и свойств материала, из которого он изготовлен. Для достижения согласования сопротивление термистора постоянному току (рабочее сопротивление) приходится устанавливать значительно отличающимся от характеристического сопротивления линии передачи. Так, для коаксиальной линии 50 Ом рабочее сопротивление термистора СТЗ-18 составляет 50-100 Ом, а для волноводных преобразователей с характеристическим сопротивлением тракта 100 Ом в месте включения термистора - 200 - 400 Ом. На практике принят следующий ряд рабочих сопротивлений: 50, 75, 100, 150, 200, 240, 330, 400, 500 Ом.

2.3.4. Неэквивалентность замещения

В болометрических и термисторных преобразователях в той или иной мере проявляется неэквивалентность замещения СВЧ мощности мощностью постоянного тока или переменного тока низкой частоты [39 - 45]. Так как измерительные устройства ваттметров калибруют по замещающей мощности, то неэквивалентность замещения - это источник возникновения погрешности при измерении СВЧ моицюсти.

Неэквивалентность замещения может быть обусловлена: различным распределением СВЧ мощности и замещающей мощности в рабочем теле термистора (болометра), а также между выводами термистора и его рабочим телом; образованием термо-э. д. с. в термисторах; потерями СВЧ мощности в разъемах, передающей линии и на излучение.

Из-за различного распределения СВЧ мощности и замещающей мощности в рабочем теле болометра (термистора) распределение температур по длине л сечению элемента различно. Это приводит к неравенству изменений сопротивления болометра (термистора) под воздействием СВЧ мощности и замещающей мощности одинакового уровня. Поскольку измерительное устройство в процессе измерений поддерживает сопротивление термистора постоянным, эквивалентность за-

мещения не является полной. Неэквивалентность, обусловленная различным распределением СВЧ мощности и замещающей мощности вдоль рабочего тела, исследована теоретически и экспериментально [39]. Показано, что для платинового болометра она не превышает 2% вплоть до миллиметровых волн при длине 1 мм и диаметре 1-3 мкм (рис. 2.29). Следует отметить, что при использовании вакуумированных боло-/ метров возникают значительно большие погрешности, чем при использовании болометров таких же размеров, но охлаждаемых путем конвекции. Это обусловлено параболическим распределением температуры вдоль нити болометра в вакууме. Несколько больше неэквивалентность при использовании термисторов [38].

Неэквивалентность замещения, вызванная различным распределением мощностей СВЧ и замещающей между выводами термистора

и его рабочим телом приближен-

100%, (2.25)

но равна

О 10

1000 L/a

Рис. 2.29. Зависимостьдлины нити болометра, выраженной в длинах волн, от-его диаметра при погрешности 2%.

где Гв, Rt° - активное сопротивление выводов термистора и рабочего тела току СВЧ соответственно.

При этом предполагается, что СВЧ мощность, рассеиваемая в выводах, несущественно влияет на температуру рабочего тела, а также что сопротивление выводов на постоянного токе пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением рабочего тела. Воспользовавшись экспериментальной частотной зависимостью активного сопротивления рабочего тела и определив активное сопротивление выводов термистора г, можно рассчитать величину неэкв!!-валентности. Она достигает значения-1,3% на частоте 10 ГГц при диаметре платиновых выводов 25 мкм, их суммарной длине 1 мм и сопротивлении термистора на постоянном токе 50 Ом.

При измерении СВЧ мощности с использованием термисторов может возникать погрешность неэквивалентности замещения, вызванная действием термо-э. д. с, образуемой на выводах термисторов. Однако влияние термо-э. д. с. на погрешность измерения достаточно мало и для приборов общего применения может не учитываться. Экспериментальная проверка показывает, что абсолютное значение термо- э. д. с. достигает единиц милливольт.

Погрешность из-за неэквивалентности замещения, обусловленная потерями СВЧ мощности в разъемах, стенках передающей линии и на излучение, существенно зависит от качества контактов и механических соединений и материала, из которого изготовлен отрезок передающей линии. С ростом частоты эта составляющая погрешности неэквивалентности также растет и в короткой части миллиметрового диапазона может достигать нескольких десятков процентов.

\ Есть еще один источник неэквивалентности замещения, присущий только преобразователям с двумя термочувствительными элементами [41, 4?]. Как уже указывалось, в этих преобразователях термисторы включы в цепь постоянного тока последовательно, а СВЧ - параллельно. Такое включение приводит к тому, что. при поступлении мощности СВЧ на термисторы, обладающие различной чувствительностью, и замещении ее мощностью постоянного тока сопротивление каждого из термисторов изменяется относительно первоначального: одного в положительную сторону, а другого-в отрицательную. Это приводит к неэквивалентности замещения. Предполагая, что чувствительность для каждого из термисторов на СВЧ и на постоянном токе одинакова, данную составляющую неэквивалентности замещения в первом приближении можно определить выражением

6K, = (llSti-l/Sto)ARto/PcB4,

(2.26)

где Sjo, S(c-чувствительность термисторов, Ом/мВт; А/?(= - изменение сопротивления каждого термистора в процессе замещения. Ом.

С увеличением измеряемой мощности неэквивалентность замещения термисторных преобразователей с двумя термисторами растет, а для болометрических уменьшается. В формуле (2.26) не учтена частотная зависимость активного сопротивления термочувствительных элементов, которая для различных термисторов может заметно отличаться.

Неэквивалентность, обусловленную изменением уровня мощности, можно уменьшить, используя теплосвязанный сдвоенный термистор (см. рис. 2.22). При этом вследствие значительной теплопроводности материала термистора степень разогрева элементов перестает зависеть от распределения мощности между ними.

Анализ источников неэквивалентности замещения показывает, что в зависимости от диапазона частот и уровня измеряемой СВЧ мощности неэквивалентность может быть существенной и при измерениях ее необходимо учитывать. С этой целью, как уже было отмечено, введен коэффициент эффективности Ка (или эффективность):

К = Р за J Рсвч-

(2.27)

Коэффициент эффективности определяют с помощью образцовы.х средств - калибраторов мощности. Обычно его измеряют при уровне мощности около 1 мВт. Когда неэквивалентность значительно зависит от уровня мощности, Кэ измеряют при нескольких уровнях.

2.3.5. Измерительные блоки ваттметров

Простейшим измерительным блоком термисторного или болометрического ваттметра является резистивный мост Уитстона (рис. 2.30), в одно из плеч которого включено сопротивление термочувствительного элемента (например, термистора) приемного преобразователя. Термистор RfO одновременно включен в линию передачи как оконечная нагрузка. Сопротивления резисторов остальных плеч моста