Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн (стр. 9 из 13)

Мощность в импульсе обычно определяется по среднему значению импульсно-модулированной мощности, параметрам импульса и частоте их повторения.

Измерение мощности колебаний субмиллиметрового диапазона может быть произведено приборами, основанными на тепловом и пондеромоторном действиях высокочастотной энергии. В первом из этих способов измерения используется закон сохранения СВЧ энергии при превращении ее в тепловую, которая измеряется калориметрическими методами, во втором — механическое давление энергии электромагнитной волны на вещества, находящиеся на пути ее распространения.

Использовать эффект Холла, излучение черного тела, фотометрический и другие методы в субмиллиметровом диапазоне затруднительно из-за малых поперечных размеров устройств или особенностей излучения.

Большое затухание СВЧ энергии в волноводах основного сечения и малые поперечные размеры волноводов, а также то, что эти размеры необходимо выдерживать с высокой точностью, делают практически невозможным использование в измерителях мощности термисторов и нитяных болометров, которые так широко распространены в более длинноволновых диапазонах.

Далее кратко рассмотрим основные измерители мощности, применяемые на практике.

5.2.1 Калориметрические измерения

Небольшие размеры волноводных элементов субмиллиметровых волн позволяют создать калориметрические измерители мощности с высокой чувствительностью и небольшим временем измерения. Такие измерители позволяют измерять малые уровни мощности - от единиц микроватт до сотен милливатт - и часто являются легкими компактными приборами, простыми и надежными в работе.

Широкое распространение получили калориметры переменной температуры, балансные, постоянной температуры и проточные.

В волноводных калориметрах следует вводить поправку на высокочастотные потери мощности в стенках подводящего волновода. Следует также учитывать шероховатость поверхности волновода, которая увеличивает затухание, т. е. отношение действительного периметра волновода к его номинальному значению.

В зависимости от способов получения волноводов коэффициент шероховатости может изменяться в пределах от 1,05 до 1,25. Одноволновые металлические волноводы ввиду значительного увеличения затухания практически применяются только на волнах не короче 1,5 мм. В более коротковолновой части используются металлические волноводы повышенного сечения, в которых может распространяться большое число видов колебаний. Затухание волноводов повышенного сечения значительно меньше, но оно может изменяться в зависимости от состава распространяющихся видов колебаний.

Калориметры переменной температуры и термобалансные калориметры

В калориметрах переменной температуры СВЧ мощность поглощается в нагрузке и повышение температуры нагрузки регистрируется одним из известных способов. В качестве поглощающей нагрузки могут быть использованы твердые диэлектрики с большими потерями или металлические пленки с большим сопротивлением. Для измерения повышения температуры могут быть использованы металлические и полупроводниковые термопары, термобатареи, термисторы, термометры сопротивления и другие устройства. Калибровка таких измерителей может производиться абсолютным методом по известным тепловым постоянным прибора, с помощью эталонного ваттметра или методом замещения мощностью постоянного или низкочастотного тока.

Калориметры постоянной температуры

Широкое распространение получили изотермические калориметры, в которых поглощающая нагрузка во время измерений не изменяет своей температуры. В одном случае это достигается тем, что тепловая мощность отбирается от нагрузки холодным спаем термоэлемента вследствие эффекта Пельтье. В другом случае нагрузку окружают смесью определенных веществ, находящихся в твердой и жидкой фазах, и при отборе тепловой мощности используется фазовый переход из твердой фазы в жидкую. В качестве рабочего вещества чаще всего выбирают воду и используют фазовый переход лед-вода. Кроме воды можно использовать дифенилметан, уксусную кислоту, нафталин, фенол, дифениловый эфир и другие вещества.

Основным преимуществом изотермических калориметров является почти полное отсутствие перепада температуры между калориметрическим телом и окружающей оболочкой и, следовательно, минимальная погрешность неэквивалентности тепловых потерь.

Проточные калориметры

Поглощающая нагрузка такого калориметра представляет собой специальной формы трубку из диэлектрика с малыми потерями в рабочем диапазоне длин волн, по которой с постоянным расходом течет вода. Температура водяного потока на входе нагрузки с высокой степенью точности поддерживается равной температуре волновода, в который вмонтирована нагрузка.

Контролируемая термочувствительным элементом разность температур между входным и выходным потоками воды прямо пропорциональна рассеиваемой тепловой мощности и обратно пропорциональна расходу воды. Следовательно, измеряемая мощность может быть определена по формуле:

P = vcDT,

где DT — разность температур, °С;

Р — рассеиваемая в водяном потоке мощность, Вт;

с — удельная теплоемкость воды, дж*град/г;

v — расход воды, г/сек.

5.2.2 Тепловые измерители проходящей мощности

В коротковолновой части миллиметрового и в длинноволновой части субмиллиметрового диапазонов, где еще используются прямоугольные волноводы, в которых распространяются колебания основного вида, с успехом могут быть применены тепловые измерители проходящей мощности с поглощающей стенкой.

Однако ввиду малых значений затуханий и довольно больших размеров волноводов чувствительность их низкая.

Рис. 5.7 Волноводная секция измерителя проходящей мощности

Для очень коротких длин волн увеличивающееся затухание и малые размеры волноводов позволяют создать довольно чувствительные и широкополосные измерители проходящей мощности.

Основным элементом таких измерителей является тонкостенный участок волновода из металла с большим удельным сопротивлением (рис. 5.7), расположенным между толстостенными участками волноводов, концы которых имеют фланцы. Такая измерительная секция включается в волноводный тракт. Стенки волновода должны иметь толщину, превышающую в 3—5 раз глубину проникновения тока вследствие поверхностного эффекта на самой длинной волне, пропускаемой по волноводу, чтобы полностью отсутствовало излучение через сам волновод. Длина тонкостенного участка волновода должна составлять несколько длин волн для уменьшения погрешности показаний, обусловленной фазой коэффициента отражения нагрузки.

При прохождении по волноводу электромагнитной энергии часть мощности поглощается тонкостенным участком. Температура тонкостенного волновода при этом повышается. Повышение температуры прямо пропорционально поглощенной и проходящей мощностям и может быть зарегистрировано при помощи термопар или по изменению сопротивления тонкостенного волновода постоянному току (волноводный болометр). Во втором случае материал тонкостенного участка должен обладать большим температурным коэффициентом сопротивления. Оба эти способа позволяют осуществить абсолютную калибровку измерителей по мощности постоянного тока и экспериментально определенному коэффициенту затухания.

Рассматриваемая система практически не вносит изменений в волноводный тракт и не снижает уровня мощности, пропускаемого волноводом данного сечения. Полоса пропускания прибора определяется полосой волновода.

Распределение температуры по периметру тонкостенного волновода при рассеянии в нем высокочастотной мощности и мощности постоянного тока можно получить после решения уравнения теплопроводности. Постановка такой задачи вызывается тем, что при пропускании постоянного тока мощность его распределяется равномерно по толщине, а СВЧ мощность выделяется в тонком поверхностном слое внутри волновода. Вследствие этого можно ожидать и неравномерности распределения температуры.

5.2.3 Пондеромоторные измерители мощности

За последние годы в сантиметровом диапазоне разработаны пондеромоторные измерители мощности, использующие механическое давление электромагнитных волн на отражающие поверхности. Экспериментально наличие светового давления впервые было доказано замечательными опытами П. Н. Лебедева. И только спустя много лет этот эффект был использован для измерения мощности сверхвысоких частот. В последнее время пондеромоторные измерители находят широкое применение для измерения импульсной энергии и непрерывной мощности оптических квантовых генераторов.

В субмиллиметровом диапазоне может быть использовано явление давления электромагнитных волн на отражающую поверхность в свободном пространстве или подвижное зеркало открытого резонатора. Пондеромоторный измеритель мощности с подвижным зеркалом состоит из двух скрепленных подвижных дисков, подвешенных симметрично на вертикально растянутой проволоке, волноводного входа, оканчивающегося дисковым зеркалом с отверстием связи, и двух пластин, расположенных вблизи подвижных дисков. Один из подвижных дисков и зеркало на конце волновода образуют открытый резонатор. Неподвижные пластины совместно с подвижными дисками образуют два конденсатора, один из которых используется для индикации отклонения подвижного зеркала по изменению емкости, а другой - для калибровки.