Прецизионный преобразователь мощности в волноводных трактах с болометрическим чувствительным элементом

Полезная модель относится к измерительной технике, ваттметрам оконечного типа (поглощаемой мощности) и предназначена для измерения мощности электромагнитных колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в волноводных трактах.
Известны преобразователи мощности СВЧ, содержащие пластину из диэлектрика, с одной стороны которой нанесена металлическая пленка, сопротивление которой согласовано с волноводом, а с другой стороны нанесен слой полупроводника с большим температурным коэффициентом сопротивления [1]. Поглощенная мощность СВЧ нагревает металлическую пленку, изменение температуры которой приводит к изменению сопротивления слоя полупроводника, которое регистрируется методом замещения внешним измерительным прибором.
Известны также пленочные болометры, которые представляют собой термочувствительную пленку V-образной формы с омическими контактами на ее концах, нанесенную на основание из слюды толщиной 30-50 мкм. [2].
Известен также тонкопленочный тепловой датчик с волноводным входом для измерения мощности импульсного СВЧ излучения [3], представляющий собой диэлектрический клин с высокой теплопроводностью, помещаемый внутрь волновода с нанесенным слоем адсорбирующего тонкого слоя диэлектрика. На этой пленке сформировано N термочувствительных тонкопленочных резисторов, включенных последовательно.
Указанным приборам присущи нелинейная зависимость изменения сопротивления от изменения уровня рассеиваемой мощности и температуры окружающей среды, малый динамический диапазон измеряемой мощности СВЧ, ограниченный способностью пленочного поглотителя рассеивать поглощенную мощность, а также технологические трудности фиксации положения пленочных элементов в волноводном тракте. В силу указанных причин на практике предпочтение отдают термисторам из-за их более высокой стабильности, положения пленочных элементов в волноводном тракте. В силу указанных причин на практике предпочтение отдают термисторам из-за их более высокой стабильности, чувствительности и большей энергии сгорания при одном и том же максимальном пределе измерений.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) взят пленочный болометр для измерения мощности в миллиметровом диапазоне длин волн, представляющий собой поглощающую пленку, выполненную в виде V-образного клина, расположенного в плоскости электрического поля основной волны [4].
К недостаткам прототипа относится малый динамический диапазон измеряемой мощности СВЧ, ограниченный способностью пленочного поглотителя рассеивать поглощенную мощность, зависимость коэффициента преобразования от уровня мощности, высокая погрешность из-за рассогласования, сложность изготовления, а также трудность фиксации положения пленочных элементов в волноводном тракте.
Для преодоления указанных недостатков предлагается отказаться от пленочных элементов конструкции, совместив поглотитель электромагнитной энергии и чувствительный элемент в виде V-образной нагрузки с омическими контактами на ее концах путем изготовления поглотителя из материала, обладающего достаточной механической прочностью, хорошо поглощающего и рассеивающего энергию падающей электромагнитной волны и одновременно имеющего высокий температурный коэффициент сопротивления и теплопроводность. Такими свойствами обладают монокристаллические полупроводники, в частности - кремний.
Технические результатом использования заявленной полезной модели является повышение точности измерения мощности электромагнитных колебаний.
На Фиг. 1 изображен преобразователь мощности СВЧ оконечного типа, где 1 - отрезок прямоугольного волновода, 2 - полупроводниковый чувствительный элемент (болометр), 3 - теплоизолирующая вставка; 4 - омический контакт; 5 - короткозамыкатель; 6 - выводы по постоянному току, 7 - вход преобразователя.
Прецизионный преобразователь мощности в волноводных трактах с болометрическим чувствительным элементом включает в себя отрезок прямоугольного волновода 1 и V-образную нагрузку 2 с омическими контактами 4 на ее концах, одновременно являющуюся термочувствительным элементом и поглотителем электромагнитной энергии. Преобразующий элемент расположен в центральной части волновода вдоль направления распространения электромагнитной волны параллельно узким стенкам волновода. V-образная нагрузка, выполненная из монокристаллического полупроводника, установлена в теплоизолирующую вставку 3 и короткозамыкатель 5.
Применение монокристаллического полупроводника, обладающего высокой теплопроводностью, обеспечивает наиболее равномерное распределение температуры при поглощении мощности СВЧ, что обеспечивает повышение точности измерений за счет снижения неэквивалентности замещения мощности СВЧ эквивалентной по тепловому воздействию мощностью постоянного или переменного тока при реализации метода замещения, в т.ч. с применением автобалансной мостовой схемы.
Омические контакты расположены на одной стороне монокристаллического полупроводника. Термочувствительный элемент может быть выполнен из монокристаллического кремния. Волновод может быть закорочен. При перемещении чувствительного элемента вдоль продольной оси волновода изменяется фаза отраженной от нагрузки волны без изменения модуля коэффициента отражения, что дает возможность учесть погрешность из-за рассогласования при проведении прецизионных измерений падающей на вход преобразователя мощности СВЧ.
Прецизионный преобразователь мощности в волноводных трактах с болометрическим термочувствительным элементом имеет сходство с прототипом по следующим признакам: чувствительный элемент имеет V-образную форму и расположен по центру прямоугольного волновода в плоскости электрического поля основной волны.
Отличается разработанное устройство тем, что преобразующий элемент, одновременно являющейся чувствительным элементом и поглотителем электромагнитной энергии, выполнен из монокристаллического полупроводника и имеет возможность перемещения вдоль продольной оси волновода.
Конструкция преобразователя мощности СВЧ оконечного типа позволяет обеспечить значение КСВН входа не более 1,20 в рабочем диапазоне частот волноводного тракта, имеет высокий коэффициент эффективности (отношение поглощенной мощности в чувствительном элемента к полной мощности, поданной на вход преобразователя) и благодаря простоте конструкции может быть использована вплоть до миллиметрового диапазона длин волн.
Принцип действия преобразователя мощности СВЧ основан на изменении сопротивления чувствительного элемента при его нагреве, вызванным поглощением падающей на вход преобразователя мощности СВЧ. Параметры чувствительного элемента (геометрические размеры, положение в волноводном тракте, удельное сопротивление и толщина) обеспечивают максимальное поглощение мощности СВЧ при минимальном отражении падающей электромагнитной волны.
Устройство работает следующим образом.
При подаче мощности СВЧ изменяется сопротивление чувствительного элемента 2, которое измеряется внешним измерительным прибором непосредственно, либо с помощью мостовой схемы. Зная чувствительность преобразующего элемента (отношение изменения сопротивления к мощности подогрева), вычисляется мощность электромагнитной волны. Конструкция преобразователя мощности позволяет использовать для фиксации изменения сопротивления автобалансную мостовую схему, с помощью которой производится непосредственное замещение поглощенной мощности СВЧ эквивалентной по тепловому воздействию мощностью постоянного тока. Применение автобалансной мостовой схемы предпочтительно, так как при этом сокращается время переходного процесса и обеспечивается более высокая точность измерений.
Использование теплоизолирующей вставки повышает чувствительность преобразователя мощности СВЧ благодаря снижению теплопередачи от чувствительного элемента к элементам конструкции преобразователя.
Короткозамыкатель 5 (фиг. 1) предотвращает излучение электромагнитной волны из канала волновода, что также приводит к повышению точности измерений.
Повышение точности измерений достигается за счет хорошего согласования преобразователя мощности с трактом СВЧ, реализации метода замещения простоты конструкции, предотвращения излучения электромагнитной волны из канала волновода и исключения погрешности из-за рассогласования.
[1] Авторское свидетельство СССР №123586. В.А. Югов. Пленочный болометрический элемент для измерения мощности сверхвысокочастотных колебаний
[2] М.И. Билько, А.К. Томашевский, П.П. Шаров, Е.А. Баймуратов. Измерение мощности на СВЧ М., "Сов. радио", 1976,
[3] Авторское свидетельство (патент) №2447453 Тонкопленочный тепловой датчик с волноводным входом для измерения мощности импульсного СВЧ-излучения,
[4] Авторское свидетельство СССР №140104. А.И. Бродский. Пленочный болометр (термистор) для измерения мощности в миллиметровом диапазоне волн.