Измеритель мощности СВЧ излучения

Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, как элементы электрической цепи, являются двухполюсниками. Идеальный ваттметр поглощаемой  мощности должен иметь преобразователь  с входным сопротивлением Z_п, равным выходному сопротивлению генератора Z_г. В этом случае коэффициент отражения преобразователя ваттметра Г_п будет равен нулю. На практике с целью достижения взаимозаменяемости входные и выходные сопротивления всех устройств, а особенно измерительных приборов СВЧ, стремятся сделать равными друг другу и равными характеристическому (волновому) сопротивлению стандартного идеального волновода Z₀. Этот идеальный случай никогда не достигается.

4. Конструкции первичных преобразователей.

Конструкция первичного преобразователя должна обеспечивать:

1. возможность присоединения к генератору (для ваттметра поглощаемой мощности) или к генератору и нагрузке (для ваттметра проходящей мощности);
2. возможность подключения к блоку измерительному ваттметра;
3. размещение и согласование поглотителя и чувствительного элемента в требуемом диапазоне частот;
4. защиту чувствительного элемента преобразователя от внешних воздействий (механических, тепловых, электромагнитных).

Первичный преобразователь  поглощаемой мощности, как правило, представляет собой отрезок волновода  с соединителем, внутри которого располагается  чувствительный элемент. Между чувствительным элементом и входным соединителем размещают согласующие элементы: диафрагмы, трансформаторы сопротивлений, согласующие штыри и другие неоднородности. Позади чувствительного элемента располагается  на выбранной специально длине короткозамыкатель. К чувствительному элементу подключаются проводники, обеспечивающие передачу преобразованного сигнала, а иногда и питания. Как правило, чувствительный элемент изолируется от корпуса преобразователя [4].

5. Типы чувствительных элементов

Чувствительные элементы и поглотители удобно совместить. Для малых уровней мощности такое  совмещение реализуется в болометрах, термисторах, детекторных диодах. Свойства чувствительных элементов решающим образом определяют основные свойства преобразователей и ваттметров в  целом. Рассмотрим кратко виды и характеристику наиболее распространенных чувствительных элементов [5].

1. Болометры

Болометр, или терморезистор, - это резистор, сопротивление которого на постоянном токе зависит от температуры. Различают болометры с положительным  температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) – это бареттеры, и с отрицательным  ТКС – это термисторы. Общее  имя для тех и других – СВЧ  терморезистор. Обычно болометры имеют  форму цилиндра или шара с характерными размерами доли миллиметров, хотя бывают платиновые бареттеры с толщиной 1 – 2 мкм. Получили распространение  также бареттеры, изготовленные  по пленочной технологии на специальных  подложках. Размеры термисторов  больше, чем у бареттеров по толщине (несколько десятых миллиметра). Длина тех и других – порядка  одного миллиметра. Понятно, что чувствительность тем больше, чем меньше коэффициент  теплоотдачи и чем больше ТКС. Терморезисторы применяют для измерения  малых уровней мощности. Принцип  действия состоит в том, что терморезистор  подогревается первоначально постоянным током до такой температуры, когда  его сопротивление на СВЧ становится сравнимым с волновым сопротивлением волновода, так что он согласован с трактом и, следовательно, поглощает  практически всю падающую мощность. Под воздействием мощности СВЧ происходит дополнительный нагрев тела терморезистора и, как следствие, изменяется его  сопротивление. Для преобразования изменения сопротивления в более  удобный сигнал – напряжение, терморезистор  включают в мостовую схему. Сигнал, появляющийся в диагонали моста  обрабатывается блоком измерительным.

2. Термопары

Высокочастотные термопары  состоят из двух тонких пленок «металл  – металл», например, хромель –  копель, или «металл – полупроводник», например, висмут – теллурид свинца, нанесенных методом вакуумного напыления  на диэлектрическую подложку, с контактом  между ними. В качестве подложки чаще всего используют цилиндрическое стекловолокно диаметром около 20 мкм. Сопротивление термопары постоянному току должно быть приблизительно равным волновому сопротивлению для согласования с трактом. Мощность СВЧ, поглощаемая термопарой, нагревает ее. Область, в которой расположен один из спаев, нагревается больше, так что возникает разность температур между двумя спаями и появляется термо-ЭДС e_т. В дальнейшем термо-ЭДС усиливается и преобразуется блоком измерительным. Термопара характеризуется чувствительностью [В/Вт]. Способы размещения и согласования термопар в преобразователях подобны размещению и согласованию терморезисторов.

3. Другие типы чувствительных элементов

В качестве чувствительных элементов применяют также высокочастотные  диоды, полупроводниковые резистивные  преобразователи на основе разогрева  носителей тока в полупроводнике, ферромагнитные пленки, полупроводниковые  датчики на эффекте Холла. Все  эти элементы можно отнести к  электронным преобразователям. Для  них характерны малые постоянные времени, то есть высокое быстродействие, что обеспечивает возможность выделения  огибающей модулированных сигналов.

Для измерения мощностей  больше 10^–2 Вт поглотители с малыми размерами не пригодны, ибо имеют малую поверхность, малый коэффициент теплоотдачи и нагреваются до температур 80-100 градусов уже мощностью 10-20 мВт. Поэтому для ваттметров среднего и большого уровней применяют калориметрические преобразователи, в которых поглощение мощности осуществляется согласованной распределенной нагрузкой с достаточно большим коэффициентом теплоотдачи. А в качестве чувствительного элемента применяют термометр сопротивления [5].

6. Метод (принцип) замещения

Важную роль в повышении  точности тепловых ваттметров СВЧ имеет  метод замещения. В основу метода положено предположение о том, что  тепловой преобразователь одинаково  преобразует в тепло как энергию  СВЧ излучения, так  и энергию  постоянного тока. «Одинаковость» преобразования проявляется в том, что чувствительность или коэффициент преобразования преобразователя должны быть равны  относительно мощности СВЧ и мощности постоянного тока. Если такое предположение  верно, то пригоден следующий метод  измерения. Сначала в преобразователе  рассеивают измеряемую мощность СВЧ P_СВЧ и измеряют выходной сигнал преобразователя, например, DR или De_т. Затем снимают сигнал СВЧ и в преобразователе рассеивают в том же поглотителе, например, в термопаре или терморезисторе, такую мощность постоянного тока или тока низкой частоты P_зам, которая производит тот же выходной сигнал преобразователя. Измеряя эту мощность P_зам , которая называется мощностью замещения, определяют неизвестную мощность P_СВЧ. Поскольку измерение мощности постоянного или НЧ тока – это сравнительно простые и точные измерения, то благодаря методу замещения могут быть уменьшены погрешности измерений СВЧ мощности. Особенно большой выигрыш в точности достигается, если сама операция замещения, то есть замены мощности СВЧ мощностью постоянного тока, и операция измерения значения P_зам производятся автоматически, как это реализуется в наиболее совершенных современных приборах [3].

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

3.1. Область  применения МК

Термин контроллер образовался  от английского слова "to control" - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и  габаритов устройства, которым требуется  управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых  систем связи или радиорелейные  линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные  компьютеры. Управление при этом можно  осуществлять через встроенные порты  компьютера (LPT, COM, USB или ETHERNET). В такие  компьютеры при включении питания  заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный  компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет  в кратчайшие сроки производить  разработку новых систем связи,

легко их модернизировать (путём простой  смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются  особенные требования, такие, как  работа в условиях тряски, расширенном  диапазоне температур, воздействия  агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных  компьютеров. Естественно, что эти  компьютеры значительно дороже обычных  универсальных компьютеров, но всё  равно они позволяют экономить  время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

Контроллеры требуются не только для  больших систем, но и для малогабаритных устройств таких как радиоприёмники, радиостанции, магнитофоны или сотовые  аппараты. В таких устройствах  к контроллерам предъявляются жёсткие  требования по стоимости, габаритам  и температурному диапазону работы. Этим требованиям не могут удовлетворить  даже промышленные варианты универсального компьютера. Приходится вести разработку контроллеров на основе однокристальных  ЭВМ, которые в свою очередь получили название микроконтроллеры.

Любые устройства, в том числе  и устройства связи, радиоавтоматики  или аудиовизуальной аппаратуры требуют присутствия в своем  составе устройства управления (контроллера). Контроллеры требуются практически  во всех предметах и устройствах, которые окружают нас.

3.2. Применение  в СВЧ приборах

Основное назначение МК в  измерителе СВЧ мощности - это обработка  измеряемых данных и управление процессом  измерения. Как правило, у преобразователей СВЧ-сигнала зависимость, в данном случае мощности, от непосредственно  снимаемой величины имеет нелинейный характер. Поэтому 

для представления измеряемой величины  в линейном виде прибегают  к линеаризации датчиков (преобразователей СВЧ).

В аналоговых измерительных  приборах используют аналоговое вычитание, компенсацию для представления  измеряемой величины в исходном виде. С развитием современной цифровой техники стало возможным обрабатывать нелинейность датчиков цифровым способом. Для этого необходимо знать зависимость  измеряемой величины от снимаемой и  запрограммировать ее в микропроцессор. Тем самым, можно обойтись без  сложных схемных решений по вычислению искомой величины.

В данном устройстве МК должен обрабатывать зависимость падающей мощности на термистор от напряжения разбалансировки моста. По экспериментальным данным, зависимость падающей СВЧ мощности на термистор от разбалансировки моста имеет сложный характер, но имеет также линейный участок. Так как зависимость была выбрана на линейном участке, то не  нужно линеаризовать данные. МК в данном случае будет вычислять линейную зависимость.

Требования, предъявляемые  к МК различны. Во-первых, МК должен содержать АЦП (аналого - цифровой преобразователь), преобразующий входное напряжение в цифровой сигнал. Во-вторых, МК как процессор должен иметь необходимую вычислительную мощность для расчета зависимости СВЧ мощности от напряжения. В-третьих, МК должен обеспечивать вывод результата в соответствующем виде на модуль ЖКИ (жидкокристаллический индикатор). Так как измерений может быть большое количество, то необходимо наличие внешней памяти для сохранения результатов измерений. Для дальнейшей обработки измерений на компьютере необходим интерфейс для связи прибора с компьютером. Так как прибор должен быть портативным, то нужен МК, который содержал бы в себе как можно больше периферийных составляющих, в том числе и инструментальный усилитель сигнала до необходимого уровня [7].

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА

4.1. Постановка  задачи