Фаза-Мощность стр207-251 (1066265), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Ваттметры проходящей мощности

Под проходящей мощностью Р_пр понимают разность мощно­стей падающей Р_пад и отраженной Р_отр электромагнитных волн

(8.7)

Проходящую мощность электромагнитной волны можно из­мерить рассмотренными ранее ваттметрами, используемыми со­вместно с направленными ответвителями, или приборами, дей­ствие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители мощности на преобразователях Холла, с поглощающей стенкой и др. В последние годы для изме­рения мощности СВЧ-колебаний начали использовать эффект так называемых горячих носителей тока в полупроводниках.

В волноводных измерителях мощности падающие и отра­женные волны СВЧ-энергии разделяют волноводным направлен­ным ответеителем, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 8.7.

Структура классического направленного ответвителя содержит две волноводные линии: главную А и вспомогательную В, имеющие общую стенку. По главной волноводной линии распространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная от нагрузки к генератору. Вспомогательная волноводная линия работает в режи­ме согласования с обеих сторон. Между главной и вспомогательной линиями в общей стенке проделаны отверстия. Расстояние между отверстиями c-d равно четверти длины волны, распространяющейся в главной линии. Через отверстия с и d падающая и отраженная вол­ны проникают во вспомогательную линию, однако фазовые сдвиги этих волн таковы, что около отверстия d падающие волны склады­ваются —- точка 1, а отраженные — вычитаются и взаимно компен­сируются — точка 2. Около отверстия с, наоборот, складываются отраженные волны — точка 3 и взаимно компенсируются падающие волны — точка 4. В результате падающая волна поступает на ватт­метр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5. Таким образом измеряют мощность падающей волны. Измерение мощности отраженной волны, необходимое для опреде­ления проходящей мощности, можно осуществить тем же ответвите-лем, или вторым, развернутым на 180°.

Достоинствами ваттметров на основе направленных ответви-телей являются широкие пределы измеряемой мощности 10^-4...10⁵ Вт; возможность раздельного измерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон частот составляет 0,03.. .40 ГГц, пределы допускаемых погрешностей — 2,5... 10 %.

Измерение мощности преобразователями Холла

Прямое перемножение при измерении мощности также мож­но получить с помощью полупроводниковых преобразователей Холла (рис. 8.8). Если специальную полупроводниковую пласти­ну, по которой течет ток I (пунктир на рис. 8.8, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Н (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям проте­кающего тока / и магнитного поля, возникает разность потенциа­лов (эффект Холла), определяемая как

(8.8)

где k— коэффициент пропорциональности.

Согласно известной в физике теоремы Умова—Пойнтинга, плот­ность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяют векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: . Отсюда, если ток I удет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряже­ния от проходящей мощности: U_x = gP, где g — постоянный коэффи­циент, характеризующий образец — частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника -— пластинку Холла (ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 8.8, б.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

• работе при любой нагрузке, а не только при согласованной;

• высокое быстродействие ваттметра дает возможность приме­нять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла -- достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока

Из физики известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость сво­бодных носителей заряда (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры кристалли­ческой решетки материала. Это явление в теории полупроводников называют разогревом носителей зарядов.

Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводни­ковой пластины, то возникнет поток носителей зарядов из «горя­чей» области в «холодную». При этом окажется, что ток в замкну­той цепи практически равен нулю. Это обстоятельство свидетель­ствует о возникновении ЭДС, противодействующей движению потоку носителей зарядов. Значение возникшей ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины. Для усиления описанного эффекта, неоднородному «разогреву» следует подвер­гать полупроводник, концентрация носителей в котором про­странственно неоднородна. Если «разогрев» осуществляют энер­гией СВЧ-поля, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени уста­новления температуры кристаллической решетки полупроводни­ка, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульсную мощность при длитель­ностях импульсов до 0,1 мкс.

Основными узлами такого ваттметра являются приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измеритель­ное устройство с цифровым отсчетом.

8.4. Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины, их обычно на­зывают энергетическими параметрами.

Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов

(8.9)

где — длительность импульса излучения; • средней мощностью в импульсе

(8.10)

•средней мощностью импульсно-модулированного излучения

(8.11)

Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не от­личаются достаточно высокой точностью (ошибка измерения со­ставляет около 2,5 % и редко понижается до 0,5 %).

Мощность и энергию излучения лазеров измеряют различ­ными методами, в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако эти измерения для волн оптического диапазона имеют некоторые отличия.

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10^-3 Дж применяют вакуумный микрокалоримемр с погло­тителем в виде миниатюрного конуса, изготовленного из медной фольги массой примерно 0,1 г. Измеряемое излучение направля­ют в поглотитель с помощью короткофокусной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируют дифференциальной мед-но-константановой термопарой. Один из спаев термопары укреп­лен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к тра­версе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, закрепленную в специальных держателях. При использовании в приборе гальванометра чувствительность достигает 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным в разд. 8.2. Основной недостаток ка­лориметров с датчиками температуры — большое время уста­новления теплового равновесия (единицы минут). За это время часть теплоты теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня поглощаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные кало­риметры для измерения больших энергий излучения, работаю­щие подобно термометрам. Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, наполненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм со­ставлял 10^-4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диамет­ром 0,1 мм, в который может выходить жидкость при расшире­нии. Обычно уровень жидкости устанавливают таким образом, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение измеряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения

Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которо­го пропорционален падающему лучистому потоку, позволяет из­мерять мощность непрерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия используют полупро­водниковые фотоприемники с p-n-переходом. Энергию излуче­ния лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют ин­тегрированием выходного сигнала фотоприемника.

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения

Большие импульсные мощности часто измеряют методами, основанными на различных эффектах в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается полу­чить пироэлектрическое напряжение, которое можно измерить. В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противоположные стороны кристалла напыляют се­ребряные или золотые электроды (рис. 8.9, а). Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивнои керамики титаната ба­рия и соединенных специальным образом. На внешнюю и внут­реннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяют тонкие проводники. Для измерения вы­соких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность полу­сфер покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью — например, слоем платины или золота толщиной порядка 0,1 мм.

Измеритель мощности излучения с использованием обрат­ного электрооптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении монохроматического излучения на некото­рые кристаллы в них возникает поляризация. Если такой кри­сталл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 8.9, б), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диа­пазоне (например, лазеров на СОг). При этом верхний уровень измеряемой мощности определяет оптическая прочность кри­сталла, которая для пьезокристаллов находится в пределах (0,15...1) • 10¹⁰ Вт/см², что сравнимо с оптической прочностью оптических стекол лучших марок, используемых в лазерах.

Измеритель мощности лазерного излучения с использовани­ем обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; конденсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимают напряже­ние, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера; электронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длитель­ности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю подключают осциллограф.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) измерителя мощности основано на использова­нии светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энер­гии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие приборы применяют для измерения энергии и мощности излу­чения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерыв­ном режимах. Верхний предел измеряемых уровней мощности или энергии практически не ограничен.

Характеристики

Список файлов учебной работы