Термоелектричний спосіб вимірювання надвисокочастотної потужності та пристрій для його здійснення

1 Термоелектричний спосіб вимірювання надвисокочастотної потужності (НВЧ), який поляв розміщенні (11,55528 (із) С2 (51)7GO1R21/O2 ОПИС ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ гає (19) U А робочих КІНЦІВ напівпровідникового термоелемента з електронною і дірковою провід ностями у хвилеводі, вимірюванні напруги на вільних кінцях термоелемента, пропусканні постійного струму через термоелемент, додаткових вимірюваннях напруги при охолоджених та перегрітих робочих кінцях термоелемента і визначенні вимірюваної потужності по формулі, який відрізняється тим, що після вимірювання напруги Ui на вільних кінцях термоелемента, нагрітого коливаннями НВЧ, пропускають через термоелемент постійний струм, охолоджують термоелемент струмом, силу якого встановлюють оптимальною по фіксації мінімального значення напруги U-i, вимикають струм і вимірюють напругу ІІ2 охолодженого термоелемента, змінюють напрям протікання струму через термоелемент на протилежний, нагрівають термоелемент струмом, вимикають струм і вимірюють напругу ІІз перегрітого термоелемента, Винахід відноситься до техніки радіовимірювань і може бути використаний для вимірювання надвисокочастотної (НВЧ) потужності, яка перетворюється в електричну напругу термоелектричними перетворювачами, переважно напівпровідниковими термоелементами електронної та діркової провідностей Термоелектричний метод вимірювання НВЧ НАДВИСОКОЧАСТОТНОЇ ПОТУЖНОСТІ ТА при цьому час охолодження та нагрівання обирають в 3-4 разів більше теплової сталої термоелемента, а результат вимірювання НВЧ потужності визначають по формулі ,2 (U3-U2)(U2 + U3-2U ¥ де и і , и 2 , и 3 - напруги на вільних кінцях термоелемента при його калібруванні відомою потужністю Ро, охолодженні і нагріванні робочих КІНЦІВ термоелемента тим же оптимальним постійним струмом 2 Термоелектричний пристрій для вимірювання надвисокочастотної потужності, який містить напівпровідниковий термоелемент, робочі КІНЦІ електродів якого з'єднані металічним містком з поглинаючим шаром, який розташовано на одному рівні 3 внутрішньою поверхнею хвилеводу, подовжуючі дроти, нормуючий підсилювач і мілівольтметр, під'єднано до виходу нормуючого підсилювача, який відрізняється тим, що в нього введено джерело постійної напруги, змінний резистор, міліамперметр та два двополюсні перемикачі, входи першого перемикача через подовжуючі дроти з'єднано з вільними кінцями електродів термоелемента, одна пара виходів його з'єднана з входами нормуючого підсилювача, друга пара виходів з'єднана з виходами другого двополюсного перемикача, пари яких ввімкнені між собою зустрічно, а входи другого перемикача під'єднано до виходів джерела постійної напруги через змінний резистор і міліамперметр потужності засновано на перетворенні електромагнітної енергії в теплову Мірою НВЧ потужності є термоелектрорушійна сила (ТЕРС), яка виникає в результаті нагрівання одного з КІНЦІВ термопари або термоелемента НВЧ коливаннями ВІДОМІ два різновиди термоелектричного спо собу термопарний з прямим підігрівом, в якому НВЧ струм безпосередньо проходить через робо О 0 0 ю ю ю 55528 чий спай термопари і його підігріває, та термоелементний, в якому НВЧ коливання нагрівають резистивний елемент, контактуючий з робочими кінцями термоелемента Прямий підігрів забезпечує вимірювання НВЧ потужності в діапазоні частот до ЮГГц, в той час як термоелементи з непрямим підігрівом застосовуються на частотах до декількох десятків ГГц До сих пір ВІДОМІ способи вимірювання на основі металічних термоелектричних перетворювачів мають низьку точність і чутливість, оскільки утворювана на виході ТЕРС складає долі мікровольт (на рівні випромінювання потужності менше 10мВт), вимірювання яких пов'язано з великими похибками Відомий термоелектричнй спосіб вимірювання НВЧ потужності по А С СССР №291157, кп G01R21/04, 1973, засновано на вимірюванні температури поглинаючого елемента термоелектричним перетворювачем, Але непостійність чутливості, поступовий дрейф статичної (градуювальної) характеристики термоелектричного перетворювача в умовах інтенсивного опромінювання, а також невідворотні теплові втрати викликають великі похибки вимірювань Відомий також термоелектричний спосіб вимірювання НВЧ потужності по А С СССР №718795, кл G01R21/02, 1980)який полягає в розміщенні робочих КІНЦІВ напівпровідникового термоелемента з електронною та дірковою провідностями у хвилеводі, вимірюванні напруг на вільних кінцях термоелемента, пропусканні постійного струму через термоелемент, додаткових вимірюваннях напруги при охолоджених та перегрітих робочих кінцях термоелемента і визначенні вимірюваної потужності по формулі Крім того, по відомому способу поглинаючий елемент додатково нагрівають відомою потужністю pq низької частоти, а потім примусово охолоджують та вимірюють вихідний сигнал термоелектричного перетворювача, після чого виміряну НВЧ потужність визначають по формулі свч (У1 -У2) (Уз - У і ) - ( У 4 -Уі) '0 де Уі, У2, Уз, У4 - ТЕРС при нагріванні робочих КІНЦІВ термоелектричного перетворювача НВЧ потужністю, примусовому охолодженні, додатковому нагріванні поглинаючого елемента і подальшому його охолодженні Як видно з розрахункової формули, параметри термоелектричного перетворювача в неї не входять, отже їх нестабільність не впливає на результат вимірювання Однак відомий спосіб має недоліки, які викликають великі методичні похибки Так, в процесі примусового охолодження поглинаючого тіла потоком холодної рідини або повітря його температура у встановленому режимі прямує до температури самого потоку При термоелектричному охолодженні тіла його температура встановлюється на рівні заданим струмом, який впливає через робочий спай термоелектричного перетврювача В результаті цього порушується пропорційна залежність між потужністю поглинаючих НВЧ коливань та встановленим вихідним сигналом термоелектричного перетворювача при примусовому охолодженні поглинаючого тіла Тому коефіцієнт q в формулах (2), (3), (6) і т д прототипу не можна вважати величиною постійною, і результат обчислень залежить від змінюваності цього коефіцієнта, тобто коефіцієнта Пельтьє робочого спаю термоелемента При додатковому нагріві поглинаючого елемента ВІДПОВІДНОЮ потужністю Ро низької частоти його температура визначається не тільки значенням цієї потужності, але й умовами теплообміну з оточуючим середовищем, температура якого також не є постійною Тому ВИХІДНІ сигнали термоелектричного перетворювача уі, уг, уз, У4 визначаються не тільки значеннями ВІДПОВІДНИХ потужностей, а й умовами вимірювань, які не залишаються постійними із-за нестабільності процесів охолодження-нагрівання і змінюваності параметрів оточуючого середовища, впливаючих на теплові втрати Відомий термоелектричний пристрій для вимірювання НВЧ потужностей (див Билько М И , Томашевский А К Измерение мощности на СВЧ - 2-е изд , перераб и доп - М Радио и связь, 1986, с 105 - 106), який містить напівпровідникові електроди у вигляді стержнів, розділених ІЗОЛЯЦІЙНОЮ прокладкою, МІДНІ продовжувачі і виводи При цьому робочий спай (місце з'єднання електродів) являє собою площину, яка знаходиться на одному рівні з внутрішньою поверхнею хвилевода Напівпровідникові електроди виконані ВІДПОВІДНО З сплавів Te-Bi-Se і Te-Bi-Sb, чутливість термоперетворювача 160мкВ/°С Із-за нестабільності чутливості напівпровідникового термоперетворювача, коефіцієнт перетворювання НВЧ потужності в постійну напругу поступово змінюється, що викликає великі прогресуючі похибки вимірювання НВЧ потужності Ці похибки в процесі експлуатації термоперетворювача важко врахувати або скомпенсувати Відомий також термоелектричний пристрій для вимірювання НВЧ потужності (див Измерения в электронике Справочник / В А Кузнецов, В А Долгов, В М Коневских и др , Под ред В А Кузнецова - М Энергоатомиздат, 1987, с 142 - 146), який містить напівпровідниковий термоелемент, робочі КІНЦІ електродів якого з'єднані металічним містком з поглинаючим шаром, розташованим на одному рівні з внутрішньою поверхнею хвилеводу, продовжувальні дроти, нормуючий підсилювач і мілівольтметр, під'єднаний до виходу нормуючого підсилювача Крім того, відомий пристрій містить блок компенсації зміни температури вільних КІНЦІВ термоелемента, який увімкнуто між виходом термоелемента і мілівольтметром Нелінійність статичної характеристики напівпровідникового термоелемента із-за залежності коефіцієнта Зеєбека від температури, нестабільність чутливості в часі та складність стабілізації температури вільних КІНЦІВ із-за відносно високої теплопровідності напівпровідникових електродів не дають можливості забезпечити високу точність вимірювання НВЧ потужності Завданням винаходу являється створення таких способу та пристрою для вимірювання НВЧ потужності, у яких введення нових операцій, еле 55528 ментів та зв'язків ДОЗВОЛИЛИ б виключити вплив зміни коефіцієнтів Зеєбека та Пельтьє на термоелектричне перетворення НВЧ потужності, що забезпечить підвищення точності вимірювання та розширення динамічного діапазону вимірювання НВЧ потужності Поставлене завдання досягається тим, що в термоелектричний спосіб вимірювання НВЧ потужності, який полягає в розміщенні робочих КІНЦІВ напівпровідникового термоелемента з електронною та дірковою провідностями у хвилеводі, вимірюванні напруги на вільних кінцях термоелемента, пропусканні постійного струму через термоелемент, додаткових вимірюваннях напруги при охолоджених та перегрітих робочих кінцях термоелемента і визначенні вимірюваної потужності по формулі, згідно винаходу, після вимірювання напруги Ui на вільних кінцях термоелемента, нагрітого коливанням НВЧ, пропускають через термоелемент постійний струм, охолоджують термоелемент струмом, силу якого встановлюють оптимальною по фіксації мінімального значення напруги U-i, вимикають струм і вимірюють напругу ІІ2 охолодженого термоелемента, змінюють напрям протікання струму через термоелемент на протилежний, нагрівають термоелемент струмом, вимикають струм і вимірюють напругу ІІз перегрітого термоелемента, при цьому під час охолодження і нагрівання обирають в 3 - 4 разів більше теплової сталої термоелемента, а результат вимірювання НВЧ потужності визначають по формулі де UT ІЬ', ІІз' - напруги на вільних кінцях термоелемента при його калібруванні відомою потужністю Ро, охолодженні і нагріванні робочого спаю термоелемента тим же оптимальним постійним струмом Поставлене завдання вирішується також тим, що в електричний пристрій для вимірювання НВЧ потужності, який містить напівпровідниковий термоелемент, робочі КІНЦІ електродів якого з'єднані металічним містком з поглинаючим шаром, розташованим на одному рівні з внутрішньою поверхнею хвилеводу, продовжуючи дроти, нормуючий підсилювач і мілівольтметр, під'єднаний до виходу нормуючого підсилювача, згідно винаходу введено джерело постійної напруги, змінний резистор, міліамперметр та два двохполюсних перемикачі, входи першого перемикача через продовжуючи дроти з'єднано з вільними кінцями електродів термоелемента, одна пара виходів його з'єднана з виходами нормуючого підсилювача, друга пара виходів з'єднана з виходами другого двохполюсного перемикача, пари яких ввімкнено між собою назустріч, а входи перемикача під'єднано до виходів джерела постійної напруги через змінний резистор і міліамперметр Власне введення у відомий спосіб та пристрій для вимірювання надвисокочастотної потужності операцій по охолодженню робочих КІНЦІВ напівпровідникового елемента струмом від джерела постійної напруги через змінний резистор і міліампереметр, за допомогою яких встановлюють та фіксують оптимальну силу струму по мінімальному показу мілівольтметра, ввімкненого на виході підсилювача напруги, операцій по перегріву робочих КІНЦІВ термоелемента оптимальним струмом, який через термоелемент протікає в протилежному напрямку, додаткові вимірювання напруг на виході охолодженого та перегрітого термоелемента за час у 3 - 4 рази більший від його теплової сталої часу, порівняння напруг, отриманих при нагріванні термоелемента вимірюваною НВЧ потужністю і відомою НВЧ потужністю при калібруванні, введення двохполюсних перемикачів, увімкнених вказаним чином, які виключають вплив струму охолодження та нагрівання на значення вимірюваної напруги, обробка результатів основного і додаткових вимірювань по запропонованій формулі забезпечують виключення впливу залежності коефіцієнтів Зеєбека та Пельтьє термоелемента від температури, їх ЗМІНІ В часі і нестабільності температури його вільних КІНЦІВ на результат вимірювання НВЧ потужності, що забезпечує підвищення точності та розширення динамічного діапазону вимірювання НВЧ потужності На кресленні (Фіг) запропонована схема термоелектричного пристрою для вимірювання НВЧ потужності Пристрій містить напівпровідниковий термоелемент 1, який включає металічний місток 2 з нанесеним на нього поглинаючим шаром, електроди 3 і 4 з електронною та дірковою провідностями, продовжуючи дроти 5 і 6, двохполюсні перемикачі 7 і 8, підсилювач постійної напруги 9, мілівольтметр 10, джерело постійної напруги 11, змінний резистор 12 та міліамперметр 13 Позицією 14 позначено відрізок хвилеводу, у СТІНЦІ ЯКОГО розташований місток напівпровідникового термоелемента 1, а позицією 15 теплоізоляційна пластина із слюди Металічний місток 2 термоелемента 1 розташований на одному рівні з внутрішньою поверхнею хвилеводу 14 Напівпровідникові електроди 3 і 4 розташовані поза хвилеводом і контактують з містком 2, створюючи робочий спай термоелемента ВІЛЬНІ КІНЦІ термоелемента через продовжуючи дроти 5 і 6 з'єднано з входами двохполюсного перемикача 7, одна пара виходів якого з'єднана через підсилювач 9 з мілівольтметром 10 Друга пара виходів перемикача 7 з'єднана з виходами двохполюсного перемикача 8, пари яких увімкнено між собою зустрічне До входів перемикача 8 під'єднано виходи джерела 11 постійної напруги через змінний резистор 12 і міліамперметр 13 Спосіб здійснюється наступним чином Напівпровідниковий термоелемент 1 увімкнено у хвилеводну ЛІНІЮ передачі між джерелом НВЧ енергії і навантаженням Поглинаючий шар містка 2 споживає малу долю НВЧ потужності, яка розповсюджується вздовж лінії передачі Завдяки слабкому електромагнітному зв'язку поглинаючого елемента з полем НВЧ перехідна потужність не спотворюється і практично в цілому споживається навантаженням Поглинаючий шар являє собою ділянку лінії передачі, на якій розсіюється частина прохідної НВЧ потужності Рі = КіРх (1) де - К-і - коефіцієнт зв'язку, Рх - прохідна НВЧ потужність Активний опір поглинаючого шару міс 55528 тка 2 вибирають значно меншим активної складової опору НВЧ навантаження При поглинанні НВЧ потужності рі місток 2 нагрівається до температури Т1 = К 1 К 2 Р Х (2) де «2 - коефіцієнт, пропорційний термічному опору містка 2 відносно хвилеводу 14 При великій теплопровідності металу можна рахувати, що робочі (гарячі) КІНЦІ електродів 3 і 4 термоелемента мають також температуру Ті ВІЛЬНІ (ХОЛОДНІ) КІНЦІ електродів 3 і 4 знаходяться при температурі Т2, дещо більшій за температуру оточуючого середовища То Утворювані термоелектрорушійні сили (ТЕРС) в обох напівпровідникових електродах направлені від робочого (гарячого) кінця до вільного (холодного) Оскільки термоелектричне коло складається із електронного та діркового провідників, то їх ТЕРС сумуються Е = (а1 + аі) Ті - (а2' + а2) Т2 (3) де ои' і ои - коефіцієнти Зеєбека робочих КІНЦІВ електродів, а-/ і а 2 - коефіцієнти Зеєбека вільних КІНЦІВ електродів Чутливість напівпровідникового термоелемента визначається результуючими коефіцієнтами ои = а-і' + он, а 2 = а2' + а 2 (4) З врахуванням (4) ТЕРС Еі на вільних кінцях термоелемента при нагріванні робочих КІНЦІВ ДО температури Ті можна представити у вигляді Еі = сцТі - а 2 Т 2 (5) ТЕРС вільних КІНЦІВ еі за допомогою продовжуючих дротів 5 і 6 поступає на перемикач 7, який встановлюють в ліве положення згідно креслення Підсилена підсилювачем 9 постійна напруга U = Кз (сцТі - а2Т2), (6) де Кз - коефіцієнт підсилення підсилювача 7, вимірюється мілівольтметром 10 Оскільки коефіцієнт Зеєбека функціонально залежить від температури, то номінальна статична характеристика термоелемента має нелінійний характер Але в околі робочої точки характеристики (Ті ± ДТ) невеликі зміни температури (ДТ « Т-і) викликають пропорційні, тобто ЛІНІЙНІ ЗМІНИ ТЕРС Тоді З врахуванням нестабільності коефіцієнта Зеєбека в часі і ЗМІННОСТІ температури вільних КІНЦІВ Т2 вимірюване значення напруги можна представити у вигляді Е = (Кз + ДКз) [(ои + Даі) Ті - а 2 (Т2 - ДТ2)] + + AU (7) Де ДКз - нестабільність коефіцієнта підсилення підсилювача постійної напруги 9, Дон - зміна коефіцієнта Зеєбека робочих КІНЦІВ термоелемента в часі та від температури, ДТ2 - зміна температури Т2 вільних КІНЦІВ термоелемента в процесі його експлуатації, Дії - дрейф нуля підсилювача постійної напруги Якщо лінійну ділянку характеристики термоелемента апроксимувати дотичною, то вплив вказаних нелінійностей можна звести до паралельного зміщення дотичної, що викликає адитивну похибку вимірювання та деякому повороту дотичної, яка викликає мультиплікативну похибку вимірювання 3 врахуванням мультиплікативної похибки (похибки чутливості) і адитивної похибки 8 (похибки нуля) рівняння (7) зводимо до вигляду Ui = Кз(1 + у) [ои (1 + У1 ) Ті - а2Т2)] + 5і (8) де у = ДКз / Кз - відносна мультиплікативна похибка від нестабільності підсилення ТЕРС, уі = Т-іон / он - відносна мультиплікативна похибка від нестабільності чутливості і нелінійності статичної характеристики, 5і = Ка2ДТ2 + Дії - сумарна абсолютна адитивна похибка від нестабільності температури вільних КІНЦІВ термоелемента та дрейфу нуля підсилювача Після вимірювання напруги Ui перемикач 7 переводять в праве положення і через електроди З і 4 термоелемента 1 пропускають постійний струм від джерела 11 (перемикач 8 в лівому положенні згідно креслення) Напрям струму вибирають таким, щоб за рахунок ефекту Пельтьє викликати охолодження робочих КІНЦІВ термоелемента Одночасно з поглинанням теплоти Пельтьє в робочих кінцях термоелемента відбувається і виділення теплоти Джоуля по довжині електродів Якщо час протікання струму t вибирають значно більшим теплової сталої термоелемента (At = 3 4т), то процес охолодження робочих КІНЦІВ має усталений характер, а його інтенсивність буде визначатися теплопровідністю електродів термоелемента Після охолодження робочих КІНЦІВ на протязі часу At, перемикач 7 переводять знову в ліве положення і вимірюють напругу охолодженого термоелемента U2 = Кз (1 + у1) { [ои (1 + У1 ') ГП + (K4l2R - ПІ) / А,] - СІ2Т2} + 81і (9) де І - сила постійного струму, R - внутрішній опір термоелемента, П - коефіцієнт Пельтьє матеріалів електродів, які створюють робочий спай, «4 - коефіцієнт, який враховує долю теплоти Джоуля, що розсіюється на робочому КІНЦІ термоелемента, X - еквівалентна теплопровідність робочих КІНЦІВ термоелемента з врахуванням питомої теплопровідності електродів та термічного опору містка, у', уі', 5-Г - похибки результату вимірювання напруги U2 Силу струму І вибирають з умови максимального охолодження робочих КІНЦІВ Оскільки при цьому зменшення ТЕРС на вільних кінцях термоелемента буде найбільшим, то оптимальний струм визначають з рівняння dU 2 /dl = 2K4l 0 R-n = 0 (10) ЗВІДКИ Io=n/2K4R (11) При симетричній конструкції термоелемента половина теплоти Джоуля поступає до робочих КІНЦІВ, а половина - до вільних КІНЦІВ Тому «4 = 0,5 і оптимальний струм Іо = П / R (12) Враховуючи, що коефіцієнт Пельтьє робочих КІНЦІВ пов'язаний з коефіцієнтом Зеєбека а через температуру Ті, маємо П = сцТі (13) Тоді напругу U2 при оптимальному струмі Іо і з врахуванням виразу (9) представимо у вигляді (14) U2 = Кз(1 + у1) {а (1 + У і ')Ті + [0,5I0ZR 55528 - cti (1 + yii )Ti Іо] / X - (Х2Т2} + 5і Еквівалентну теплопровідність X, робочих КІНЦІВ вибирають такою, щоб температура охолодження робочого спаю при оптимальному струмі Іо знаходилася в межах лінійної ділянки статичної характеристики термоелемента, тобто необхідно виконання умови 2 - AT = (0,5I0 R - (Х1Т1І0) / X Зх Силу струму отримують і регулюють змінним резистором 12, а ВІДЛІК значень струму роблять за допомогою міліамперметра 13 При струмі близькому до оптимального Іо по закінченні часу At перемикач 7 переводять в ліве положення і вимірюють вихідну напругу и 2 термоелемента 1 мілівольтметром 10 Значення оптимального струму Іо встановлюють змінним резистором 12 по мінімальному показу мілівольтметра 10 (ІІ 2 < U-i) Для цього виконують декілька переключень перемикачем 7 при регулюванні резистора 12 Значення оптимального струму Іо фіксують міліамперметром 13 Далі перемикачі 7 і 8 переводять в праве положення і змінюють таким чином напрям протікання струму через робочі КІНЦІ термоелемента 1, Після нагрівання робочих КІНЦІВ термоелемента 1 також на протязі часу At перемикач 7 переводять в ліве положення і вимірюють вихідну напругу ІІз мілівольтметром 10 Калібровку пристрою проводять перед початком експлуатації для конкретного типу напівпровідникового термоелемента 1 безпосередньо на МІСЦІ його установки в хвилеводі НВЧ тракту при відомому значенні НВЧ потужності Ро і при встановленому значенні оптимального струму Іо При 55528 12 11 цьому на точність вимірювання НВЧ потужності не сплавів SbZn та SbCd, забезпечують чутливість впливає похибка визначення оптимального струму 500 - 600мкВ/град , дають можливість вимірювати Іо Важливо лише те, щоб значення струму Іо було перехідну НВЧ потужність починаючи з 100 однаковим як при калібруванні, так і при вимірю200мВт Оптимальний струм для цього типу терваннях, що контролюються міліамперметром 13 моелемента знаходиться в межах 100 - 200мА, а стала часу не перевищує 3 - 5с При калібруванні З врахуванням потужності калібровки Ро репристрою НВЧ потужністю ЮВт динамічний діапазультат вимірювання невідомої потужності Рх визон вимірювання прохідної потужності складає від значають по формулі (25) 0,5 до ЗООВт Таким чином, термоелектричний пристрій з допоміжним охолодженням і нагрівом забезпечує Використання цифрового міліамперметра типу реалізацію запропонованого способу вимірювання Щ301 і мілівольтметра типу В2-36 забезпечують НВЧ потужності і виключає похибки від нелінійноспохибку вимірювання прохідної НВЧ потужності не ті та нестабільності характеристик термоелектричбільше 0,5% на частоті ЮГГц При роботі в діапаного перетворювача і електронного підсилювача зоні частот 3 - 12ГГц похибки зростають за рахунок залежності коефіцієнта зв'язку Кі від частоти до Приклад Дослідження показали, що викорисзначення 1,5 - 2% тання напівпровідникового термоелемента стержньового типу, в якому використані електроди із Рюч ФІГ. Підписано до друку 05 05 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24