4.1.2. Методы измерений, основанные на преобразовании мощности в тепловую энергию

Абсолютные измерения мощности обычно выполняются путем превращения радиочастотной мощности в тепло. Затем тепловая энергия используется для получения термо-э. д. с. или эффекта изменения сопротивления; обе величины измеряются хорошо известными методами постоянного тока или по низкой частоте. В одном из методов абсолютного измерения средних мощностей применяются болометры или бареттеры. Эти приборы состоят из укрепленного соответствующим образом короткого отрезка очень тонкой, обычно платиновой нити, обладающей достаточным сопротивлением для того, чтобы он мог служить согласованной нагрузкой линии передачи. Рабочее сопротивление бареттера обладает положительным температурным коэффициентом, но обычно ограничено малыми пределами значений. Такие бареттеры можно изготавливать с повторяющимися характеристиками чувствительности и импедансными характеристиками, но они плохо ведут себя при перегрузке. Изменение сопротивления обычно обнаруживается мостами постоянного тока или тока звуковой частоты [100].

Наиболее точные результаты измерений получаются по методу замещения, при котором после регулировки мощности сверхвысоких частот последняя отключается и через нить бареттера пропускается ток звуковой частоты, величина которого изменяется до тех пор, пока не восстановится равновесие моста. Зная сопротивление нити [202], можно определить мощность сверхвысоких частот. Точность метода замещения зависит от эквивалентности теплового действия токов низкой и сверхвысоких частот.

Одна из погрешностей бареттера обусловлена поверхностным эффектом [59, 110]. Если сопротивления элемента на сверхвысоких и на звуковых частотах будут соответственно то разность между ними составит

где Р — мощность, рассеиваемая на нити бареттера длиной внешняя температура.

Для хорошо сконструированных болометров эта разность составляет всего 1%. Погрешности, обусловленные охлаждением за счет теплопроводности и конвекции, могут быть сделаны пренебрежимо малыми, если мощность сверхвысоких частот невелика по сравнению с полной калибровочной мощностью по постоянному или переменному току [37, 59]. В случае мощных болометров, охлаждаемых теплоизлучением, ошибки, обусловленные стоячей волной вдоль проволочки [185], могут быть большими. Некоторые болометрические головки могут обладать резонансами и чрезмерными потерями, особенно в перестраиваемых типах головок. Если отсутствуют эталонные источники мощности для определения таких потерь, полезен метод измерения эффективности головки по изменению сопротивления [27, 148].

Рис. 4.4. Бареттерная головка в волноводе. Рабочая частота волновод сечением Резонансная диафрагма дает широкополосное согласование.

Диаметр тонких проволочек, обычно используемых в качестве нити бареттеров, изменяется в пределах и выполняют их из так называемой волластоновой проволоки, в которой тонкий платиновый сердечник окружен серебряной оболочкой диаметром После установки проволоки в головке болометра серебряная оболочка осторожно удаляется с помощью раствора азотной кислоты; этот процесс выполняется посредством микроманипулятора. Поглощающий элемент болометра обычно заключен в капсулу [130], которая вставляется в высокочастотную головку, содержащую выводы и средства согласования. Погрешности, вызванные стоячей волной вдоль проволочной нити, могут быть сведены к минимуму при надлежащем выборе ее длины.

Согласование можно еще улучшить резонансной диафрагмой, как это сделано в бареттерной головке для частоты (рис. 4.4), или пользуясь двумя проволочками, разнесенными на расстояние, равное нечетному числу четвертей длин волн. Для частот от 24 Ггц и выше проволочка обычно устанавливается непосредственно в волноводной сборке. С целью уменьшения дрейфа колебания температуры окружающей среды следует свести к минимуму, что вполне возможно, если, например, поместить проволочку в вакуум. Для

сопротивлений 100—200 ом типичные значения чувствительности составляют или при минимальной обнаруживаемой мощности около 0,01 мквт. Другие характеристики включают [245] постоянную времени 0,5 мсек, дрейф и максимальную среднюю мощность

Другой поглощающий элемент для болометров состоит из тонкой металлической пленки, укрепленной на диэлектрике. Как и ранее, необходимо принять меры, чтобы условия нагрева токами высокой и низкой частоты были эквивалентными. В энтракометре Колларда [67] для частоты пленка имеет структуру сетки и занимает участок боковой стенки волновода, при этом поглощается только часть передаваемой мощности. В более поздних моделях резистивная пленка располагается поперек волновода и обладает такой величиной поверхностного сопротивления, что падающая мощность поглощается полностью с незначительным отражением. Были разработаны модели для частотных диапазонов с пределами измерения мощности от 1 до На частотах имеются энтракометры для измерения мощностей порядка

В болометре Лейна [160, 162, 163, 164, 348] тонкая слюдяная полоска с платиновым напылением располагается в поперечной плоскости волновода. Если сопротивление полоски по постоянному току сделано равным волновому сопротивлению волновода ом, то небольшая индуктивная составляющая, обусловленная геометрией полоски, может быть скомпенсирована регулировкой положения отражающей нагрузки волновода на расстоянии, немного большем Воспроизводимые результаты в промышленных образцах [355] были получены при напылении нихрома на пластинку из кронгласса (щелочно-известковое стекло) толщиной с помощью подвижных короткозамыкателей во всем рабочем диапазоне соответствующего волновода удалось получить КСВН меньше 1,15.

Очень широкополосны устройства на коаксиальных линиях; один из таких болометров [190] мог измерять мощность до в полосе частот Коаксиально-пленочный болометр [125], перекрывающий диапазон от до имел КСВН порядка 1,02 и погрешность в измерении мощности между около тепловая постоянная времени резистивной пленки равнялась 12 сек.

Другим типом элемента является термистор [32, 33, 38, 221]; он состоит из крошечной бусинки полупроводящего материала, составленного из смеси различных окислов металлов и равномерно распределенной по объему металлической меди. Бусинка поддерживается двумя тонкими платино-иридиевыми проволочками диаметром Большая часть сопротивления термистора сосредоточена в материале бусинки, который имеет большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Как видно из характеристики по постоянному току, приведенной на рис. 4.5,

сопротивление бусинки можно легко установить регулировкой тока равным любому значению от 10 до ом. Таким образом, проблема согласования термистора с линией упрощается. Сопротивление бусинки как функция температуры выражается следующим образом [184, 328]:

где постоянная, сопротивление, определяемое формулой

соответственно сопротивления бусинки при температурах в то время как С — коэффициент пропорциональности, связывающий линейно действия окружающей температуры и нагрева, обусловленного мощностью Р, на сопротивление бусинки.

Рис. 4.5. Характеристики типичной термисториой бусиики. На вставке показано устройство бусннкн. Кривые дают значения напряжения тока и поглощаемой мощности при различных температурах.

Если к постоянному сопротивлению включенному последовательно с термистором, приложить разность потенциалов V, то падение напряжения на сопротивлении бусинки будет равно

Выражая Р в уравнении (4.4) через получим

Устойчивое состояние достигается, когда значение сопротивления бусинки таково, что величины определяемые формулами (4.6) и (4.7), будут одинаковыми. Условие баланса может быть найдено графически, если построить на одном и том же графике две кривые, выражающие зависимость от Сопротивление должно

быть достаточно велико, чтобы ограничить величину тока до безопасного значения.

Термисторы часто используются в сочетании с мостами сопротивлений, причем последние должны быть так сконструированы [118, 214, 228], чтобы условие баланса было устойчивым. Для наивысшей точности или для измерений мощности порядка 1 мквт предпочтительны неуравновешенные мосты. Для облегчения и ускорения измерений удобны мостики с прямым отсчетом, причем было разработано несколько вариантов [24, 71, 223, 242].

Рис. 4. 6. Термисториая головка. Рабочий диапазон частот Волновод сечением

В плечи моста часто вводят компенсирующие термисторы низкой частоты для коррекции изменений окружающей температуры.

Термистор довольно устойчив к перегрузкам, и типичные характеристики его таковы: постоянная времени 1 сек, чувствительность дрейф и предельная пиковая перегрузка 400 лет. Разработано несколько типов головок [184,261]. В образце [315] для работы на частоте термистор расположен во внутреннем проводнике коаксиальной линии, которая связана через переход с волноводом.

В приборе для частоты [186] используется два термистора по 100 ом, которые включаются последовательно в цепь моста, но параллельно для мощности высокой частоты, поэтому коаксиальная линия с ом оканчивается согласованной нагрузкой. На сантиметровых волнах бусинка обычно защищается небольшой стеклянной капсулой, в которую впаиваются два никелевых проводничка диаметром На частотах от 24 Ггц и выше в стекле возникают потери, поэтому бусинку желательно располагать

непосредственно в высокочастотной структуре. На рис. 4.6 показана термисторная головка, предназначенная для работы на частоте предусмотрены различные регулировки, и вся головка для уменьшения дрейфа заключена с целью теплоизоляции в паксолиновый (paxolin) экран.

Тщательное сравнение [14, 255, 256, 366] термисторов с другими измерителями мощности показало, что на частотах около расхождения в показаниях приборов не превышают ±3%. Предполагается, что на частотах выше термисторные приборы будут подвержены возрастающей ошибке, обусловленной совместным действием сопротивления вводов, а также активного сопротивления и емкости термистора [68]. Практические результаты [315] показывают, что ошибка гораздо меньше величины, полученной на основе такого простого анализа, причем значение мощности на частоте получается заниженным примерно на 30%. Полупроводниковый болометр, свободный от погрешностей такого рода, состоит [39] из напыленной в вакууме германиевой пленки толщиной защищенной слоем полистирола. При частоте модуляции 30 гц чувствительность такого болометра составляет температурный коэффициент сопротивления равен примерно .

В калориметрах сверхвысоких частот скорость образования тепла можно измерить непосредственно, наблюдая повышение температуры, или косвенно, перенося тепло до измерения к другой среде. В обоих случаях калориметрический процесс может быть циркулирующим либо статическим. Более удобным является процесс замещения, при котором калиброванное сопротивление, через которое протекает известный ток, дает такое же повышение температуры, что и при мощности сверхвысоких частот. В приборах с циркулирующим или непрерывным потоком температура на выходе превышает температуру на входе. В установившемся режиме при повышении температуры на средняя мощность будет [72, 195]

В качестве рабочей жидкости неизменно используется вода, а повышение температуры измеряется с помощью решетки термопар. В некоторых первых волноводных калориметрах [270] для жидкость протекала через полистироловую трубку, которой для улучшения согласования придавалась клинообразная форма; совершенное перемешивание воды достигалось с помощью внутренних перегородок. На частоте использовалась трубка из стекла с малыми потерями, которая вставлялась в волновод наклонно, чтобы постепенно ввести ее в область максимального электрического поля [149]. С тех пор были разработаны улучшенные варианты калориметров проточного типа для [203] и более низких частот [262], а также широкополосные [139] и балансные [201] конструкции. Подобные приборы были построены и на коаксиальных

линиях [232]: в одной из моделей [210] для работы на частотах заполненная водой секция согласовывалась с главной линией при помощи конусообразного перехода, выполненного из двуокиси титана. Такие калориметры проточного типа используются главным образом для измерения больших мощностей [335, 342,

372], хотя, измеряя разность температур с помощью термисторов, можно получить [358] большую чувствительность.

Для измерения мощностей, меньших предпочтительнее статические калориметры [50]: мощность сверхвысоких частот в таких приборах рассеивается в нагрузке, повышение температуры которой служит мерой входной мощности. Основным соотношением будет [259]

где — относительная температура, С — теплоемкость, тепловое сопротивление. В приборах адиабатического типа делается очень большим [104], и для определения Р достаточно знать В неадиабатических калориметрах, где сопротивление конечной величины тщательно калибруется, решение уравнения (4.9) имеет вид

где установившееся повышение температуры, определяемое тепловая постоянная времени

Для уменьшения погрешности до 0,2% необходимо время ожидания около Так как для получения хорошей чувствительности должно быть достаточно большим, то для короткого времени измерения нужна небольшая теплоемкость. Один из таких приборов [176] действовал на частоте и состоял из электрически прокалиброванного анероидного микрокалориметра типа сдвоенной установки Джоуля. Нагревательные элементы, состоящие из тонких платиновых проводничков, подвешивались в полостях с толщиной стенок разность температур измерялась с помощью термостолбика из 20 термопар. Тепловые флюктуации окружающей среды уменьшались путем помещения калориметра в массивный латунный стакан, погруженный в большую масляную ванну. Мощность была измерена с точностью 1%. Подобные приборы были разработаны для использования на частоте [316] и для миллиметровых волн [231]. Такие калориметры с сухой нагрузкой были изготовлены для широкой полосы частот: набор приборов перекрывал диапазон частот и по мощности от 100 мквт до [259].

В микрокалориметре Гордона-Смита [238] для индикации мощности использован принцип дифференциального воздушного термометра [93]. Устройство, работающее на частоте показано на рис. 4.7, в нем две одинаковые стеклянные камеры соединены капиллярной трубкой. В каждой из двух камер помещены пластины,

покрытые углем; одна из них поглощает высокочастотную мощность, которую нужно измерить, а другая нагревается постоянным током. Пластинам придана V-образная форма, причем угольное покрытие оказывается внутри. Пластины имеют также сужение, благодаря которому при нагреве в любом случае имеет место одинаковое распределение температур вдоль пластин. Короткозамыкатель установлен таким образом, что суживающиеся пластины представляют для волновода согласованные нагрузки.

Рис. 4.7. Дифференциальный воздушный термометр, используемый как микрокалориметр. Рабочая частота Волноводвсечением Стеклянные камеры диаметром Капилляр диаметром Общая длина около (См. [238].)

Для индикации баланса мощностей подогрева в капиллярную трубочку вводится капля кремниевого масла, обладающего малой вязкостью (чтобы получить наивысшую достижимую чувствительность); положение капли визуально наблюдается с помощью небольшого микроскопа. Окончательное определение высокочастотной мощности производится путем измерения эквивалентной мощности постоянного тока, поддерживающей состояние баланса. Может быть измерена мощность от 10 до с разрешающей способностью около Инструмент прост в конструктивном отношении и может быть приспособлен как Для более низких, так и для более высоких частот.