Широкосмужний датчик прохідної потужності нвч

Широкосмужний датчик прохідної потужності НВЧ, який містить відрізок коаксіальної лінії з поглинаючою стінкою і батареєю термопар, який відрізняється тим, що поглинаюча стінка має композитну структуру у вигляді поглинаючого і екрануючого шарів з теплопровідним діелектриком між ними, при цьому поглинаючий шар, повернений в порожнину відрізка коаксіальної лінії, має товщину меншу, ніж глибина скін-шару в робочій смузі частот і виконаний з металу з питомою електропровідністю 104 106 См/м, а екрануючий шар, повернений назовні відрізка коаксіальної лінії, має товщину більшу, ніж глибина скін-шару в робочій смузі частот і виконаний з металу з питомою електропровідністю 107 108 См/м, при цьому батарея термопар виконана плівковою і розміщена на ЗОВНІШНІЙ поверхні поглинаючого шару О 00 Винахід відноситься до вимірювальної техніки надвисоких частот (НВЧ) і може бути застосований для контролю режиму порожнистої коаксіальної лінії передачі великої і надвеликої потужності у метровому, дециметровому та сантиметровому діапазонах довжин хвиль як крапковий датчик для комплексних вимірювань прохідної потужності, модуля і фази коефіцієнта відбиття і як протяжний датчик прохідної потужності у сантиметровому діапазоні в різних радіоелектронних установках великої потужності у прискорювачах заряджених часток, в радіолокаційних, навігаційних та зв'язкових станціях, установках НВЧ нагрівання та сушіння, випробувальних стендах електронних НВЧ приладів Відомий термопарний напівпровідниковий датчик (Измерения в электронике, справочник /В А Кузнецов, В А Долгов, В М Коневских и др , Под ред В А Кузнецова - Енергоатомиздат, 1987г 512с ил с с 142-147, 167-168, 178) Датчик являє собою вмонтовану через подовжувач в циліндричний корпус з зовнішньою різьбою об'ємну циліндричну термопару з нанесеним на и кінець поглинаючим електромагнітну енергію елементом у вигляді шару Під час укручування датчика в стінку хвилеводу, поглинаючий елемент занурюється у нього і нагрівається Різниця температур між поглинаючим елементом і корпусом датчика обумовлює виникнення термоерс, котра пропорційна потужності НВЧ у перерізі хвилеводу, де встановлено датчик Термопарні датчики мають низьку чутливість, невеликі динамічний та частотний діапазони, недостатню швидкодію, низьку електричну МІЦНІСТЬ через те, що являють собою неоднорідність в хвилеводі Найбільш близьким до заявленого за сукупністю ознак с датчик прохідної потужності (В Д Кукуш, И К Овчинников, Я П Цар, В С Жилков, ВФ Пасечник, М К Соболь, В М Волков Измеритель о 00 48208 отклонений уровня мощности на основе балансного статического калориметра Вопросы радиоэлектроники Серия "Радиоизмерительная техника, 1966, вип 2, с 104 - 112) Датчик, який представляє собою прохідну калориметричну секцію (с 107, мал 5), котра складається з двох ідентичних відрізків коаксіальної лінії - високочастотного, який має вхідний і вихідний рознімач для ввімкнення в НВЧ тракт, та компенсаційного ЗОВНІШНІ провідники цих відрізків виконані з поглинаючого матеріалу (поглинаючої стінки) - пермалоєвої стрічки НМ-79 завтовшки 0,02мм Частина потужності, що проходить через секцію, поглинається та викликає нагрівання зовнішнього провідника Різниця температур між секціями фіксується батареєю термопар На високочастотному і компенсаційному відрізках встановлюються спіралі підігрівачів, необхідних для проведення колібровки на постійному струмі та досягнення балансу системи В діапазоні частот затухання, як вказано в статті (с 110, мал 8) сильно змінюється, що призводить до великої похибки вимірювань - до ± 35% в діапазоні октави (с 111) Останні дослідження (В М Волков, С А Бортник Затухание в двухслойной поглощающей стенке //Меж вед сб Радиотехника 1997, вып 104 с 20 - 28) показують, що затухання в порожнистих коаксіальних ЛІНІЯХ З хвилею типу ТЕМ пропорційне квадратному корню з частоти, що не дозволяє створювати широкосмужні датчики без додаткової частотної корекції нагрівання двохшарової поглинаючої стінки від частоти Датчик містить відрізок коаксіальної лінії 1 з поглинаючою стінкою 2, яка складається з поглинаючого 3 і екрануючого 4 шарів, з теплопровідним діелектриком 5 між ними На поверхні екрануючого шару 4 розміщена батарея плівкових термопар 6 Несучою основою датчика є екрануючий шар 4, виконаний у СТІНЦІ зовнішнього провідника коаксіальної лінії 1 за допомогою електроерозійного або механічного зняття частини стінки з зовнішнього боку до декількох десятків мікрометрів, або впаювання тонкої металічної фольги 10 - 50мкм у вирізане вікно зовнішнього провідника лінії На внутрішній поверхні екрануючого шару 4 розміщується діелектричний шар 5 - Юмкм завтовшки з полммідної плівки, або слюди, На діелектричний прошарок 5 наноситься поглинаючий шар 3, який напилюється вакуумним, плазмовим або клеєвим способом У якості поглинаючого шару 3 можуть бути використані нікель, ніхром, константан, або інший метал з питомою провідністю 104 - 106См/м Плівкова батарея термопар може бути виконана з сурьми та вісмуту Екрануючий шар 4 може виконуватись з металу з питомою провідністю 104 106См/м, наприклад з МІДІ, срібла, платини Для зняття термоерс використовуються контактні площинки з виводами 7 "Гарячі" спаї 8 термопари 6 розташовані на середині екрануючого шару 4, а "холодні" 9 - в зоні його периферії В основу винаходу поставлена задача створення широкосмужного датчика прохідної потужності НВЧ, нове конструктивне виконання якого з двох металевих шарів з діелектричним прошарком поміж ними дозволяє розширити робочу область частот без корекції коефіцієнта передачі, а також забезпечує високі швидкодію, електричну та теплову МІЦНІСТЬ Такий технічний результат може бути досягненний, якщо в широкосмужному датчику прохідної потужності НВЧ, що містить відрізок коаксіальної лінії з поглинаючою стінкою і батареєю термопар, згідно з винаходом, поглинаюча стінка має композитну структуру у вигляді поглинаючого та екрануючого шарів з теплопровідним діелектриком поміж ними, при цьому поглинаючий шар, зверненний в порожнину коаксіальної лінії, має товщину меншу, ніж глибина скін-шару в робочій смузі частот і виконаний з металу з питомою провідністю 104 - 106См/м, а екрануючий шар, зверненний в ЗОВНІШНІЙ бік хвилеводу, має товщину більшу ніж глибина скін-шару в робочій смузі частот і виконаний з металу з питомою провідністю 107 - 108См/м, при цьому батарея термопар виконана плівковою і встановлена на поверхні екрануючого шару Така конструкція датчика дозволяє розширити робочу смугу частот від сантиметрового до метрового діапазону довжин хвиль без корекції коефіцієнта перетворення, а також забезпечує високі швидкодію (до часток секунди), електричну (до сотень кіловат) та теплову (до 100 - 150°С) МІЦНІСТЬ На фіг 1 представлена конструкція широкосмужного датчика прохідної потужності НВЧ у розрізі, на фіг 2 наведена залежність температури Датчик працює наступним чином Частина електромагнітної енергії, яка розповсюджується в коаксіальній лінії 1, проникає в поглинаючий шар З, розсіюється в ньому і нагріває його Не дивлячись на те, що товщина поглинаючого шару 3 менша глибини скін-шару, за межі коаксіальної лінії 1 електромагнітне поле практично не проникає Це пояснюється сильним відбиттям плоскої електромагнітної хвилі, що розповсюджується в поглинаючому шарі 3 Ця хвиля спрямована на зовні коаксіальної лінії перпендикулярно и осі і відбивається від межі розподілу середовищ метал-діелектрикта діелектрик-метал У ВІДПОВІДНОСТІ З формулою Хагена-Рубенса (Борн М , Вольф Е Основы оптики М "Наука", 1970 г -855 с ) при нормальному падінні плоскої електромагнітної хвилі на різку межу розподілу середовищ від неї відбивається більше 99,96% усієї електромагнітної енергії хвилі (І) де S - відбиваюча здібність металу у відносR них частках електромагнітної енергії, а - питома електропровідність металу, JL - відносна магнітна проникність вільного LO простору, f - частота Так, наприклад, на частоті 1 ГГц для МІДІ (а = 5,98 • 107См/м) S = 0,9997, а для константану (а = R 1,98- 1O 6 CM/M)5R = 0,9999 Складові електромагнітного поля в поглинаючому шарі можна записати наступним чином 48208 2жь/Ьг F Fe(r)~Fffi(r) (2) (3) F = F e (b)-F ffi (b), z) (2) H •f и Hi - функції Ханкеля другого роду ну льового і першого порядку, Р = auss o |j. o - хвильове число, с - ЗОВНІШНІЙ радіус поглинаючого шару, b - внутрішній радіус поглинаючого шару, со - циклічна частота, so, s - відносна діелектрична проникність При цьому функція Fe(r) характеризує падаючу на межу розподілу середовищ складову електромагнітної хвилі, а Fr(r)-Bifl6my від неї складову При цьому вектор Пойтінга в порожнині коаксіальної лінії спрямований уздовж осі лінії, а в поглинаючому шарі - перпендикулярно осі лінії передачі За рахунок забезпечення доброї теплопровідності між поглинаючим 3 і екрануючим шарами останній нагрівається, збуджуючи термоерс в батареї плівкових термопар, розташованій на його ЗОВНІШНІЙ поверхні Ця термоерс пропорційна прохідній в навантаження потужності Коефіцієнт перетворення датчика визначається температурним полем в поглинаючому шарі 3, оскільки нагрівання екрануючого шару повністю визначається нагріванням поглинаючого шару 3 Формули для приросту температури в поглинаючому Ті і екрануючому Тг шарах мають вигляд Tl(x,y,z,t) 16W, (5) де Wi - об'ємна ЩІЛЬНІСТЬ джерел теплоти в поглинаючому шарі 4, кі - коефіцієнт теплопровідності поглинаючого шару, d - ширина поглинаючої стінки, І - и довжина Значення коефіцієнта перетворення обчислюється із відношення температури нагрівання поглинаючої стінки до потужності, що передається ЛІНІЄЮ передачі Частотна залежність коефіцієнту перетворення датчика визначається, головним чином, товщиною поглинаючого шару 4 - чим менша товщина шару, тим менша залежність коефіцієнта перетворення від частоти Товщина екрануючого шару на частотну залежність коефіцієнту перетворення практично не впливає Залежність температури нагрівання двохшарової поглинаючої стінки від частоти при різних товщинах константанового поглинаючого шару 4 і товщині 50мкм мідного екрануючого шару 3 вказана на фіг 2 Якщо товщина поглинаючого шару 4 не перевищує глибини скін-шару в межах робочого діапазону частот (товщина поглинаючої стінки 5 = Юмкм, глибина скін-шару константану на частоті f = 1200МгцД3 = Ю.Змкм, глибина скін-шару константану на частоті f = 50мГц Д 3 = 50,6мкм), тоді перепад температури в діапазоні частот 50 - 1200МГц не перевищує 7%, коли ж товщина більше скіншару, тоді перепад температури в цьому діапазоні частот становить 1,8 - 4,5 разів (при 5 = 20мкм і 5 = 50мкм ) (див фіг 2) Стала часу датчика може бути оцінена із виразу і .f M..(tt_iY) f 1+ () б де х і , 12 коефіцієнти температуропроводності поглинаючого і екрануючого шарів ВІДПОВІДНО, k-і, кг - їх коефіцієнти теплопровідності, 5-і, 52 - IX ТОВЩИНИ, Як видно із (5) - стала часу датчика визначається розмірами поглинаючої стінки - довжиною, шириною та товщиною, а також теплофізичними параметрами матеріалу поглинаючої стінки і складає частки секунди 48208 Т, град і, С?1=10мш Г$ »3=50мкм