Метод измерения мощности с помощью терморезисторов
Основным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения проводимости терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов применяются термисторы и болометры.
Термистор — полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от температуры, а следовательно, от рассеиваемой на нем мощности. Температурная характеристика термистора — отрицательная (рис. 11.2, а). Основным преимуществом термисторов является их высокая чувствительность до 100 Ом/мВт.
![]() | ![]() | ||
Болометр — проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой (рис. 2, б). Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные, не зависящие от температуры окружающей среды характеристики.
а) б)
Рис. 11.2. Температурные характеристики: а – терморезисторов; б – болометров
Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение величины сопротивления терморезистора измеряется обычно с помощью мостовых схем (уравновешенного и неуравновешенного мостов).
Неуравновешенный мост
Схема неуравновешенного моста представлена на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Схема неуравновешенного моста
Исходное уравновешивание моста (при отсутствии измеряемой мощности СВЧ) обеспечивают схемой температурной компенсации, состоящей из потенциометра R плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выходных колебаний 50... 100 кГц. При равновесии моста ток в измерительной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Измеряемую мощность СВЧ Рвх подают на термистор. Если схема измерителя согласована с генератором, то мощность полностью рассеивается на термисторе. В результате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах мощности, используя калиброванный источник постоянного тока Епит.
К преимуществу измерителей электрической мощности с неуравновешенными мостами относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку — сравнительно малая точность. Последнее объясняется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности свч изменение сопротивления термистора влечет за собой нарушение согласования сопротивлений термисторной камеры и линии передачи электромагнитных колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от нагрузки, а значит, неполное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Кроме того, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности.
Уравновешенный мост
Рис. 11.4. Схема уравновешенного моста с терморезистором
Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Пример одной из схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлен на рис. 11.4.
Терморезистор Rt, находящийся в головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R1, R2, R3, равные по величине Rt0 — сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания на мост подается через резистор R4, сопротивление которого велико. Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R5, R6. Резистор R6 представляет собой реостат, с движком которого связана отсчетная шкала. От сопротивления R6 зависит ток через терморезистор, поскольку ток питания моста Iм = I0 - Iш, а ток через данный резистор, когда мост уравновешен, IRt = 0,5Iм.
До подачи мощности СВЧ мост сбалансирован за счет двух источников питания: постоянного тока и переменного тока генератора Г. При этом положение движка резистора R6 такое, чтобы сопротивление R6 было максимальным, если используется термистор, или минимальным, если используется болометр. При подаче сигнала СВЧ баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста (а следовательно, и терморезистора) с помощью сопротивления R6 источника Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т.е. уменьшать R6, а для болометров — наоборот. Шкала движка R6 градуируется в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора Г позволяет исключить влияние температуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене.
Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую погрешность порядка 4... 10 %. Погрешности измерения определяются в основном степенью согласованности нагрузки и качеством измерительной головки.
Существенным недостатком термисторных (и болометрических) ваттметров является ограничение максимального значения измеряемой мощности. Известно, что стандартные термисторы способны выдерживать без разрушения мощность, не превышающую нескольких десятков милливатт. Уровень измеряемой мощности может быть несколько увеличен, если перед термисторной камерой поместить калиброванный аттенюатор.
Аттенюатор — устройство, у которого выходная мощность Рвых в заданное число раз меньше входной мощности Рвх. Результат измерения равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора koсл = Рвх/Рвых.