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 Р_вх 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 Е_пит.

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 R_t, находящийся в головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R₁, R₂, R₃, рав­ные по величине R_t0 — 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 I_м = I₀ - I_ш, а ток через данный резистор, когда мост уравновешен, I_Rt = 0,5I_м.

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 Р_вых в заданное число раз меньше входной мощности Р_вх. Результат измерения равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора k_oсл = Р_вх/Р_вых.