Рис. 2.30. Применение моста Уитстона для иэмерения мощности.

R2, /?з подбирают такими, чтобы при балансе моста термистор обладал заданным значением сопротивления постоянному току. Балансируют мост с помощью переменного сопротивления R, регулируя величину тока питания моста и соответственно тепловой режим TepMHCToj(a.

При подведении к термисюру СВЧ мощности он дополнительно разогревается, в результате чего сопротивление термистора изменяется на некоторое значение А/?( . Баланс моста нарушается. Величину разбаланса индицирует гальванометр, включенный в диагональ моста. При малом разбалансе сохраняется линейная зависимость между величиной тока в диагонали моста и изменением сопротивления термистора, а следовательно, и СВЧ мощностью, вызывающей это изменение, т. е.

Рсвч = kl (2.28)

где k - коэффициент пропорциональности; /j, - ток в диагонали моста.

Коэффициент k можно определить на СВЧ, постоянном токе или переменном токе низкой частоты. При известном значении k шкалу гальванометра можно проградуировать в единицах измеряемой мощности. I Простейшую схему в настоящее время применяют только для ин-/ дикации мощности или при относительных измерениях, так как она имеет существенные недостатки:

- коэффициент k зависит от температуры окружающей среды и смены термистора (болометра). Известно, что чувствительность мостовой схемы прямо зависит от мощности, подводимой к ней. Так как со1Т1)отивление термистора меняется с изменением температуры окружающей среды, то меняется и уровень мощности, при котором мост балансируется. В связи с этим меняется чувствительность и, следовательно, коэффициент k;

- малый динамический диапазон - до 2 мВт. Динамический диапазон зависит от уровня рассеиваемой термистором мощности постоянного тока, при которой наступает баланс моста. Чем выше уровень, тем больше динамический диапазон измеряемых мощностей. Можно показать, что нелинейность измерительного блока не превышает 5%, если начальная балансировка моста наступает при уровне мощности на тер-мисторе не менее 8 мВт, а измеряемая мощность не превышает 2 мВт;

- степень согласования с СВЧ трактом зависит от уровня измеряемой мощности, так как в зависимости от ее величины изменяется сопротивление термистора, нагружающего СВЧ тракт;

- невысокая точность.

На практике распространены мостовые схемы с использованием метода замещения. Особенностью этого метода является то, что до-, полнительный разогрев термистора мощностью СВЧ компенсируется V уменьшением мощности постоянного тока, рассеиваемой термистором.

Такйу образом, сопротивление TcpMHctopa в процессе измерения поддерживается постоянным. Процесс измерения СВЧ мощности сводится к определению изменения мощности постоянного тока, т. е. замещающей мощности.

Исхбя из предположения об эквивалентности теплового воздействия на Термистор мощностей СВЧ и постоянного тока, питающего мост, можнь записать

\ Рсвч = Рэам = (П - /) Rf, (2.29)

где /1, /2 - оки, протекающие через термистор, при начальном балансе моста и при подаче СВЧ мощности, т. е. после повторной балансировки; RfO -\ сопротивление термистора при балансе моста.

В случае, когда непосредственно измеряют и /j и эти токи мало различаются, такбй способ определения замещающей мощности имеет низкую точность. \

Более высокую точность обеспечивает способ измерения тока начального баланса моста /j и величины изменения этого тока А/ = = Ii - /2 после подачи СВЧ мощности.

Выразив /2 в формуле (2.29) через /.и А/, получим

Рсвч = Рзам = (2/i - А/) AIR..

(2.30)

Таким образом, при постоянных заданных значениях и R,-величины Рсвч и А/ связаны вполне определенной зависимостью, и прибор, регистрирующий величину тока А/, может быть отградуирован в единицах СВЧ мощности.

Однако на практике величина тока начального баланса не постоянна. Она зависит от характеристик термистора, температуры окружающей среды, условий теплообмена термистора с окружающей средой. Чтобы обеспечить однозначность зависимости Рсвч = / (А/), выбирают такую схему, при которой в момент начального баланса моста через термистор протекает постоянный ток /q, несколько меньший тока /1, при котором сопротивление термистора становится равным рабочему, а также регулируемый переменный ток низкой частоты. Мощностью переменного тока, равной (/! - /g) RfO сопротивление термистора доводится до рабочего и мост оказывается сбалансированным. Выходная мощность генератора переменного тока низкой частоты при этом должна быть более Щ-Io)Rt° во всем интервале рабочих температур с любым из используемых в устройстве термисторов.

В отдельных случаях баланс моста регистрируют в цепи низкочастотного тока, а термистор дополнительно нагревают постоянным током.

Рассмотрим способы измерения тока А/.

1. Использование схемы сравнения с опорным напряжением (рис. 2.31). Измерительный мост питается от источника постоянного тока со следящей схемой. Начальную балансировку моста осуществляют с помощью источника переменного тока низкой частоты. При достижении баланса, индицируемого вольтметром, напряжение питания моста и о равно напряжению опорного источника U . Так как источник опорного напряжения выдает стабилизированное напряжение,

постоянный ток, протекающий через термистор, при начальном балансе моста всегда будет неизменным. После подачи СВЧ мощнос/и баланс моста нарушается. Следящая система источника постоянного :fOKa уменьшает напряжение до значения Uo\ баланс моста восстанавливается. В этот момент вольтметр покажет разность напряжений AU= Uon - Uo, пропорциональную изменению тока А/. Пользуясь выражением

Рсвч = Р,

(2/о - А/) А ?,о,

(2.31)

Управляемый

источник постоянною тока

Источник опорного напряжения

оп

Рис. 2.31. Схема сравнения с опорнЫМ напряжением.

где М/ = Ai/, /о = const, /jo = const, шкалу прибора градуируют в единицах измеряемой мощности.

2. Использование схемы, с помощью которой на термистор подается встречный ток (рис. 2.32). Перед подачей СВЧ мощности термистор-

Источник постоянного тока

Рсвч..

Рис. 2.32. Схема с источником встречного тока.

ный мост [47], являющийся плечом моста ваттметра М, балансируют с помощью источника переменного тока низкой частоты. При этом от источника постоянного тока £i через термистор протекает ток /о известной и неизменной величины. В момент баланса моста Mf наступает баланс моста М и источники постоянного тока Ei и Е2 оказываются развязанными. После подачи на термистор СВЧ мощ-

тстц баланс моста Ж(= нарушается. Чтобы восстановить его, с помощью потенциометра на термистор подают встречный ток А/ от источника Ё. В момент восстановления баланса прибор покажет величину тока, пропорциональную А/. Прибор градуируют в единицах измеряемой мощности согласно выражению (2.31), где М/ = 1.

3. Шунтирование моста (рис. 2.33). Термисторный мост питается от источннса постоянного тока с внутренним сопротивлением, значительно превосходящим сопротивление моста: Ri %

IcoTist

Источник стабилизированного тока

=кй1

Рис. 2.33. Схема с шунтом.

Перед подачей СВЧ мощности термисторный мост балансируют с помощью источника переменного тока, низкой частоты. Ключ К при этом разомкнут. В момент первичного баланса через термистор протекает ток /о известной и не- изменной величины, задавае- - мой стабилизатором тока. После подачи СВЧ мощности включают схему компенсации (ключ замыкают). Изменением сопротивления шунта восстанавливается баланс моста, при этом уменьшается постоянный ток через термистор. В момент восстановления баланса прибор покажет величину тока, пропорциональную изменению тока через термистор, т. е. = А/.

Источник стабилизированного нагряженая

Рис. 2.34. Схема с источником стабилиз.иро-ванного напряжения постоянного тока и шунтом.

Rio = const,

/ц шкалу индикатора градуируют в единицах измеряемой

Пользуясь выражением (2.31), где /о = const, Ш = мощности.

На практике распространена также схема, приведенная на рис. 2.34, отличающаяся от рассмотренной ( рис. 2.33) тем, что мост питается от источника постоянного тока со стабилизированным выходным напряжением через последовательно включенное сопротивление ?дос- Начальную балансировку моста осуществляют с помощью источника переменного тока звуковой частоты. В момент поступления СВЧ

Рис. 2.35. Схема динамического ватттметра.

МОЩНОСТИ Ключ замыкается и мост Оказывается зашунтирбванныМ Сопротивлением P j, в результате чего уменьшается напряжение на мосте и соответственно ток в термисторе. Изменяя величину можно-умень-шить ток в термисторе и таким образом восстановить балан< моста. Если в качестве шунта использовать точный микропотенциометр, то его шкалу можно откалибровать в единицах измеряемой мощности, при этом не потребуется специальный прибор для измерения ока. Описанная схема применена в приборе МЗ-1А.

Для измерения замещающей мощности применяют и другие схемы, в которых не требуется сохранение величин токов начального баланса моста и вспомогательного источника переменного тока. К ним относится схема с электродинамическим прибором. Электродинамический прибор (рис. 2.35) имеет две неподвижные обмотки Wi, wn одну подвижную (рамку) Wg. Обмотки Wi и включены таким образом, что при прохождении через них тока магнитные потоки суммируются. Угол отклонения рамки прибора равен

угл = kls (/11 + /22)- (2.32)

Если через рамку пропустить ток А/, а через неподвижные обмотки токи и /2 = Л - А/, то показания прибора будут пропорциональны мощности замещения (измеряемой мощности):

Ортл = kMws ИхЩ + (А - А/) Шг] = kMwjilAwi + -

-Afwl (2.33)

При Wi = w.i = w

угл = kAIWa (2/i - A/) w = wWsPsm,

где Лам = (2/i - A/) Alk.

В современных приборах баланс моста при подаче СВЧ мощности восстанавливается автоматически с использованием следящих систем. Такие приборы называют самобалансирующимися. Отсчетные устройства самобалансирующихся приборов, как правило, прямопоказываю-щие, т. е. отградуированы в единицах измеряемой мощности. Начальная балансировка моста при отключенной мощности СВЧ также может Выполняться автоматически с использованием следящей системы с электронной памятью.

2.3.6. Схемы измерительных мостов с термокомпенсацией

Одним из факторов, существенно влияющих на точность термисторных (болометрических) ваттметров, является флуктуация температуры окружающей среды. Учитывая, что применяемые на практике термисторы имеют постоянную рассеяния 0,1 - 0,3 мВт/град, а колебания температуры в процессе измерений нередко составляют 1° С и более за час, можно количественно оценить это влияние. Умножив постоянную рассеяния на изменение температуры за время измерения (например, 0,5 мин), найдем величину кажущегося изменения СВЧ

мощности за времяизмерений: h Af = 0,3- 1/120 = 0,0024 мВт. Отсюда следует, что при измерении мощности малых уровней необходимоуменьшать влияние температуры окружающей среды. С этой целью применяют термокомпенсацию и реже-термостатирование приемных преобразователей. Для термокомпенсации, как правило, используют опорные (компенсационные) мосты, в которые вводят опорный термистор, идентичный рабочему.

Источник тока со следящей системой

Источник тока со следящей системой

Рис. 2.36. Схема самобалансирующегося моста постоянного тока с термокомпеи-

сацией.

В схему самобалансирующегося моста (рис. 2.36) входят два симметричных моста - рабочий и опорный. Оба моста питаются от самостоятельных источников, имеющих системы слежения и автоматически поддерживающих баланс мостов. Токи питания мостов, пропорциональные токам в рабочем и опорном термисторах, протекают через одинаковые образцовые потенциометры Ri и R, затем через неподвижные обмотки отсчетного электродинамического прибора в таком направлении, что возникающие при этом магнитные поля суммируются. При абсолютной идентичности характеристик рабочего и опорного термисторов эти токи равны. В этом случае потенциалы в точках А и Б при одинаковом положении потенциометров Ri и R2 будут равны и ток в подвижной обмотке прибора равен нулю.

После подачи СВЧ мощности на рабочий термистор баланс рабочего моста нарушается и напряжение разбаланса, возникающее в нулевой диагонали, подается на регулятор тока источника питания, изменяющий его величину до восстановления баланса. Вследствие этого в точках А и Б появится разность потенциалов и в подвижной обмотке