Термисторная установка с тепловой компенсацией

Для большей конкретности рассмотрим, например, термисторную установку Agilent 478А (рис. 21.2.1). Она содержит 4 согласованных термистора: два измерительных и два компенсационных , и может измерять мощность в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц, или дл 18 ГГц. Измерительные термисторы по 100 Ом каждый включены последовательно (200 Ом) в балансном мосте по постоянному току, и параллельно по радиочастоте, образуя нагрузку 50 Ом для измеряемого сигнала. Принципиальное достоинство такой схемы включения – образование моста с радиочастотной «землей».

Компенсационные термисторы, которые отслеживают изменения температуры окружающей среды, но не изменений радиочастотной мощности, также соединены последовательно, образуя второй мост, называемый компенсационным. Они полностью заключены в полость для электрической изоляции от радиочастотного сигнала, но установлены в том же теплопроводящем блоке, что и измерительные термисторы. Тепловая масса блока достаточно велика, чтобы предотвратить резкие температурные градиенты между термисторами. Это улучшает изоляцию системы от тепловых влияний, подобных эффекту человеческих рук.

Описанное коаксиальное включение термисторов, при котором два термистора параллельны на радиочастоте, но последовательны по постоянному току, порождает специфическую ошибку компенсации, а следовательно, измерения: если два термистора не одинаковы по сопротивлению, то больший радиочастотный ток течет (а следовательно, большая радиочастотная мощность выделяется) на меньшем сопротивлении, а большее постоянное напряжение падает (а следовательно, большая мощность постоянного тока выделяется) на большем сопротивлении. Ошибка, возникающая из-за неэквивалентности распределения диссипируемых мощностей на радиочастоте и на постоянном токе, называется дуально-элементной, пропорциональна измеряемой мощности и для современных термисторов составляет меньше 0.1 % на правом конце диапазона измеряемых мощностей.

Термопарные сенсоры

В результате технической эволюции комбинирования тонкопленочной и полупроводниковой технологий термопарные сенсоры стали в целом предпочтительными для восприятия радиочастотной и СВЧ мощности в сравнении с термисторными сенсорами примерно в 1974 году. Главные причины этого: преимущество в чувствительности и внутренне свойственная квадратичная характеристика. Другие преимущества: бо`льшая механическая жесткость, бо`льшая чувствительность и меньшая измерительная неопределенность.

В термопаре, состоящей из двух разнородных металлических проводов, соединенных на одном конце и подсоединенных к измерителю на другом, генерируется термоэлектрическое напряжение, если контактная температура выше, чем на соединении с измерителем. Простые проволочные термопары, сконструированные из сурьмы и висмута, редко используются на СВЧ из-за трудностей поглощения мощности в горячем стыке. Комбинируя тонкопленочную технологию с полупроводниковым материалом, возможно произвести термопары с калибровочным коэффициентом, сравнимым с тем, что имеют термисторные установки, но со много меньшими коэффициентами отражения [21.8], обычно 0.1. Мощностной измерительный диапазон: от 0.1 мкВт до 1 Вт; он может быть расширен вверх с помощью использования калибровочных аттенюаторов, но не вниз, т. к. ограничен шумом Джонсона в элементе.

Главные характеристики термопарного сенсора таковы:

• Очень широкий динамический диапазон порядка 70 дБ.
• Высокая температурная стабильность.
• Частотный диапазон от постоянного тока до 40 ГГц.
• Высокая точность 1 %.
• Быстрый отклик.
• 300 % кратковременная перегрузка.