Болометрический (термисторный) метод

Болометрический (термисторный) метод основан на изменении сопротивления резистивного термочувствительного элемента, в котором электромагнитная энергия превращается в тепловую. В диапазоне СВЧ применяют два вида термочувствительных элементов – болометры и термисторы (соответственно ваттметры называются болометрическими или термисторными).

Болометр представляет собой проволоку диаметром примерно 1 мкм и длиной 0,8...1,2 мм (проволочные болометры) или пленку из платины (палладия), нанесенную на подложку из стекла или слюды (пленочные болометры). Проволочные болометры запаивают в стеклянный вакуумный или заполненный инертным газом баллон, а пленочные болометры выполняют в виде специальной вставки.

Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2...0,5 мм или цилиндра диаметром 0,2...0,3 мм и длиной 1...1,5 мм. Полупроводниковая масса состоит из порошкообразной смеси оксидов меди, марганца, кобальта, титана, спекаемой в определенной среде. В тело термистора ввариваются выводы из платины (платиноиридиевого сплава), а сам термистор может помещаться в стеклянный баллон или эксплуатироваться без него (безбалонные термисторы).

Рассмотрим типичные зависимости R_t(P) для болометров (рис. 1, а) и термисторов (рис. 1, б), из которых видно, что термистор изменяет свое сопротивление в более широких пределах, чем болометр. Это определяет более высокую чувствительность термистора S_t=5... 100 Ом/мВт по сравнению с болометром (S_t =3...15 Ом/мВт) и облегчает согласование термистора с трактом.

В то же время проволочные болометры имеют значительно меньшую тепловую постоянную 10^-3…10^-5 с чем термисторы (0,1...1 с), и могут применяться для измерения импульсной мощности. Основным достоинством пленочных болометров является возможность расширения пределов измерения мощности от 10 мВт (термисторы и проволочные болометры) до 1 Вт. Таким образом, в зависимости от конкретных требований ваттметры могут комплектоваться болометрическими или термисторными головками (рис. 2).

Рис. 1 Рабочие характеристики термочувствительных элементов:
а – болометра; б – термистора

Рис. 2 Коаксиальная болометрическая (термисторная) головка: а – устройство; б – эквивалентная схема.

Конструктивно головки представляют собой отрезки коаксиальных или волноводных трактов со встроенными болометрами или термисторами. При этом важно разделить цепи питания болометра (термистора) по постоянному току (для включения в схему измерительного устройства) и СВЧ (для подачи измеряемой мощности Р_х). В коаксиальных головках это достигается с помощью высокочастотного дросселя и конструктивного конденсатора (рис. 2, а). Дроссель (Др) представляет собой спираль Архимеда, не нарушающую согласования головки с трактом подачи Р_х, а конструктивный конденсатор С_к образован внешним проводником коаксиала и оконечной короткозамыкающей заглушкой. Болометр (термистор) конструктивно встроен в центральный проводник коаксиала, что облегчает согласование головки с трактом. Эквивалентная схема головки (рис.2, б) поясняет способ разделения цепей питания.

В качестве измерительных устройств болометрических (термисторных) ваттметров применяют измерительные мосты. В простейшем случае это четырехплечий уравновешенный мост постоянного тока, в одно из плеч которого включен болометр (термистор)– рис. 3.

Рис.3 Простейшая схема измерительного устройства болометрического (термисторного) ваттметра

Как видно из рис. 3, мост является равноплечим, причем R выбираются из условия согласования болометра (термистора) с трактом. Перед измерением мост балансируется с помощью потенциометра R₀, который регулирует ток питания моста I, изменяя при этом значение R_t до величины R_t=R. Момент баланса фиксируется с помощью магнитоэлектрического индикатора, а по шкале амперметра отсчитывается значение I₁. Очевидно, что мощность, рассеиваемая в этом случае на болометре (термисторе), равна

После подачи Р_х мост вновь балансируется уменьшением тока питания от значения I₁ до значения I₂.В этом случае

Откуда

По другому принципу может осуществляться измерение мощности в болометрических ваттметрах. В процессе измерения под действием радиоимпульса болометр нагревается, сопротивление его изменяется, и при постоянном токе питания напряжение на болометре будет иметь форму пилообразных видеоимпульсов. Если радиоимпульсы короче тепловой постоянной болометра, то амплитуда видеоимпульсов будет пропорциональна энергии радиоимпульсов. Эти видеоимпульсы усиливаются, дифференцируются и подаются на импульсный вольтметр, шкала которого может быть проградуирована в значениях Р_и. Такие ваттметры называются интегрально-дифференциальными.

Основными достоинствами болометрических и термисторных ваттметров являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность, позволяющая измерять значения мощности порядка единиц микроватт, малое время установления показаний и высокая точность, обеспечиваемая параметрами головок и измерительных мостов. Наряду с калориметрическим, этот метод также использован при создании специальных эталонов единицы мощности электромагнитных колебаний. К недостаткам ваттметров, существенно ограничивающим их применение, необходимо отнести малые пределы измерений и большой температурный дрейф, требующий применения специальных схем термокомпенсации.