Электрорадиоизмерения (В. И. Винокуров) (554136), страница 46
Текст из файла (страница 46)
ф Измерение мощностн СВЧ с по- У мощью преобразователей Холла. б1 Эффект Холла, лежащий в основе прннцнпа действия преобразователей, Ркс. 10.12. Измерение мощности с по- состоит в том, что если полупровод- мощыа преобразователей Холла: паковую пластинку, по которой течет и — тРаектории движения носителе» еерядсе. ток й поместить в магнитное поле с б — принцип ияиереиия нндукцней В, то между ее тачкамн, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям тока н поля, возникнет разность потенциалов — э,д.с.
Холла, равная я е„= йр (1В), (10.25) где йс — коэффнцнент пропарцнональностн. Так как э. д. с. Холла возрастает с уменьшением канцентрацнн носителей тока в твердом теле,.та возможность использования эффекта Холла в практическая целях появилась одновременно с полученнем полупроводников высокой пктоты, 213 Длн измерения проходящей мощности СВЧ полупроводниковую пластину помещают в электромагнитное поле линни передачи так, чтобы электрическая составляющая поля возбуждала ток вдоль пластины, а магнитная-. была направлена перпендикулярно ее поверхности (рис, 10.12). Причину возникновения э. д. с.
на гранях пластины можно пояснить, рассмотрев движение электрических зарядов (рис. 10.12, а). Пусть электри ческое поле Е направлено вдоль оси ОХ. Тогда электрон — д, находящийся в точке 1, и дырка +ш находящаяся в точ. ке 1', испытывают действие сил Ел, направленных также вдоль осн ОХ. При этом заряды будут двигаться по прямой 1 — 1' к точке 3, в которой возможна их рекомбннация. Если магнитное поле Н с индукцией В направлено вдоль оси Оу, ' то на движущиеся заряды будут дей- ствовать также силы Е„направлеимуз. ные вдоль оси 02, т.
е, перпендикулярно Н. При одновременном и взаимно перпендикулярном действии по- 2 лей заряды — и и +и движутся по 2 гз/ ™7 искривленным траекториям: элек- 4 трон — по траектории 1 — 2, а дырка— по.1' — 2'. Очевидно, что в точку 8 заряды не попадут и не рекомбинируются, а придут соответственно в 2 24 точки 2 н 2'.
В результат между этими точками появится разность пог теицнилов, нли э.д.с. Холла. Количественное описание подоб- ных процессов при конечном мнажеа) Л стае частиц показывает, что среднее значение з. д. с. Холла ~ = йз(ЕН), (10.26) Рис„10.13.
Измеритель мощности с погло- щающей стенкой: где ли — коэффициент пропорциональа — пплупппзолипкпиый термпилекеит; З вЂ” ностИ. Эиииешеиие тепыпилеииитпи и степке ипл. Установим соотношение между ипыти; г-исипикике типыпилиипитж 7 э. д. с. Холла и величиной вектора сплав супьык — кккыий; 3 — сплав супьыи — иипк; з — слюаииый пппклилки Умова в Пойнтиига, характеризующе- го плотность потока мощности СВЧ в заданной точке электромагнитного поля. Пусть, например, в яолиоводе распространяется волна типа Нги (рис. 10.!2, б). Прн этом силовые линни электрического поля лежат в плоскости поперечного сечения волновода и перпендикулярны его широким степкам, а магнитные силовые линии замкнуты и расположены в плоскостях, параллельных широким стенкам.
Учитывая пространственную ортогоиальность Е н Н, разместим преобразователь Холла так, как это представлена иа рисунке. Так как линейные размеры преобразователя много меньше длины волйы Х, то э. д. с. Холла пропорциональна среднему значению произведения (ЕН) в заданной точке поперечного сечения волновода. Из сравнения соотношений (10.9) и (1020) следует, что между плотностью потока мощности в заданной точке волнавода н э. д. с.
преобразователя, помещенного в ту же точку, у с ществует однозначное соответствие. Это позволяет считать измеряемую зг д. с. алла мерой проходящей мощности. Следовательно, индикаторный прибор, ро- , я градуированный с учетом конфигурации сечения волиовода типа волны, в также места размещения и параметров преобразователя Холла, зарегистрирует проходящую мощиосгь, равную интегралу от плотности потока, взятому па всему сечен но.
.и Преимуществами ваттметров с преобразователями Холла являются простота конструкции, надежность, линейность шкалы и слабая зависимость покйзаинй от частоты электромагнитных колебаний. Последнее облегчает градунровку шкалы приборов. Измерители с поглощающей стенкой. Чувствительным элементом измерителя служат полупроводниковые термоэлементы (рис. 10.13, а), состоящие из двух частей.
Термоэлементы размещают 214 в отверстиях, выполненных в широкой стенке волновода. Внутренний'торец термоэлемента нагревается до температуры Т, токами, протекающими в поверхностном слое стенки волновода. Сила тока и интенсивность нагрева пропорциональны мощности, передаваемой по волноводу. Внешний торец термоэлемента принимает температуру массы волновода Ть Разность температуры (Тз — Т,) определяет значение термо-э. д. с., которая оказывается функцией мощности, распространяющейся по волноводу. При несогласованной нагрузке значение э. д. с.
одного термоэлемента, установленного в йолноводном тракте, будет зависеть от значения и фазы коэффициента отрагкения, а также от длины рабочей волны. Для устранения зависимости результата измерения от коэффициента отражения обычно устанавливают два тсрмоэлемента, удаленных друг от друга на расстояние Х/4. В этом случае искомой величине проходящей мощности Р пропорционально среднегеометрическое из э. д. с. двух термоэлементов: Р„р — — й1/ е,ез, (10.27) где Й вЂ” коэффициент пропорциональности; е~ и еа — э. д.
с. термоэлементов. Для устранения зависимости результата измерения от длины волны в волноводе устанавливают несколько пар термоэлементов (рис. 10.13, б). Термоэлемент ТЭ, используют постоянно, л остальные подключают в зависимости от длины волны так, чтобы расстояние между основным и дополнительным термоэлементом всегда было приблизительно равно Ц4. Преимуществами рассмотренных ваттметров являются: высокая электрическая прочность, малый собственный КСВ, виброустойчивость, независимость показаний от климатических условий, отсутствие источников питания, большой срок службы. Ватгметры этого типа позволяют вести непрерывный контроль за уровнем мощности а могут служить датчиками в устройствах автоматического контроля.
Их основной недостаток состоит в относительно большой инерционности. Практически отсчет показаний можно производить лишь через 30 с после поступления мощности СВЧ в линию передачи. Пондеромоторный ваттметр. Распространяющуюся мощность СВЧ можно определить по механическому (пондермоторному) действию электромагнитных волн. Явление механического давления электромагнитных волн открыто П.
Н. Лебедевым. Давление электромагнитных волн, испытываемое отражающей поверхностью, пропорционально значению вектора Умова — Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Работа понденромоторного ваттметра крутильного типа (рис 10.14) основана на измерении механического вращающего момента, который испытывает металлическая пластинка, помещенная в волноводе, при распространении по нему мощности СВЧ. Прибор представляет собой отрезок волновода 1, внутри которого помеще-, на легкая металлическая пластинка 2, укрепленная на стержне. Концы стержня выведены наружу через отверстия в узких стенках 215 волновода. Нижний конец стержня опускается в масляный амортизатор 4.
Верхний конец с помощью упругой кварцевой нити соединен с осью верньерной крутильной головки З,,на которой нанесены деления в градусах. Внутри волновода в месте расположения пластины имеются согласующие диафрагмы 5, компенсирующие неоднородность волповода, обусловленную наличием металлической пластины. К оси волновода пластина располагается под некоторым на- чальным углом, которому соответ-' У ствует нуль шкалы верньерной головки. При распространении по волноводу волны Нег типа возникает пара сил,'поворачиваюшая пластину на угол, пропорциональный измеряемой мощности.
г Причина возникновения момента заключается в следующем. При распространении по волноводу волны типа Оог между его широкими стенками возникает поперечное электрическое поле. Под воздействием этого поля на концах металлической пластины на-водятся переменные электричеРнс. 10.14. Пондеромаго и скис заРЯДы пРотивоиоложных метр крутильногтг типа; знаков.
В результате образуется г — стрелок вслнсвслв; я — метеллнческвя некоторый диполь с электрнчеСкиМ пластинка; 3 — вервьернвя крутвльнвя гс- моментом 1)=Г~, Где н — заряд. а ловка; 4 — масляный Вмсртнветср; т — ссглвсгющне янвФрвгмы 1 — длина диполя. Взаимодействие электрического диполя с электрическим полем приводит к возникновению пары сил, приложенных к пластинке. Момент этих сил определяют соотношением 110.28) М=-ЯЕ з1'и 9, где Π— угол между осью диполя и направлением вектора электрического поля Е. Крутящий момент стремится увеличить угол О.
В результате пластинка поворачивается на угол, соответствующий мощности, распространяющейся по волноводу. Этот угол фиксируется отсчетным устройством прибора. Пондеромоторные ваттметры обладают высокой точностью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок.
Их недостатком является низкая виброустойчивость, а также необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности. Измерение мощности, основанное на аффекте кгорячнхв носителей тока н полупронодниках. Известно, что лод воздействием злекгрнчсского поля а полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заряда. Последнее знениалснтно повышению их температуры относительно темпера- туры кристаллической решетки полупроводника.
Это явление называется р азатаг р е в о м носителей зарядов. Если полупроводник подвергнуть неоднородному «разогреву», то должен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей», области в «холодную». Вместе с тем ток разомкнутой цели ранен нулю. Последнее свидетельствует о возникновении э. д. с., противодействующей движению зарядов. Значение э.
д, с. связано со степенью «разогревам Для усиления эффекта неоднородному «разогреву> подвергагот полупроводник, концентрация носителей которого пространственно неоднородна. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению. э д. с.
можно судить о мощности СВЧ. Так как время установления температуры 'носителей зарядов на несколько порядков меньше временн. установления температуры кристаллической решетки, то ваттметры этого вида позволяют непосредственно измерять импульсную (пиковую) мощность прн длительностях импульсов до 0,1 мкс. Основными узламн ваттметра являются приемный преобразователь с полупроводниковы»1 элементом и измерительное устройство с аналоговым или цифровым отсчетом. где 1„— длительность импульса;, средней мощностью в импульсе р = цтса; (10.30) средней мощностью импульсно-модулированного излучения Р = 1 (~ и)с(1, т,) е (10.31) где Т вЂ” период повторения импульсов.
Энергия и мощность излучения лазеров — это различные, хотя и связанные друг с другом величины. Поэтому некоторые приборы пригодны для измерения мощности излучения полной энергии в импульсе. Измерения энергии и мощности излучения'не отличаются высокой точностью (ошибки измерения имеют порядок бтэ и редко понижаются до 1гга). Для измерения мощности и энергии излучения лазеров применяют различные способы, в том числе и подобные рассмотренным ранее для СВЧ-диапазона. Однако их реализации для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия. Рассмотрим кратко эти способы и измерители, построенные на их основе. Калориметрические измерители. Поглощение энергии поглотителем, составляющим основной элемент прибора, можно зарегистри- 217 ' $10Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
