сотрудник, общество с ограниченной ответственностью «Митроникс», г. Санкт-Петербург
За последние десять лет достигнут значительный прогресс в освоении коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн. Применение электромагнитных колебаний с очень короткими длинами волн позволяет успешно решать задачи расширения полос пропускания каналов связи, повышения точности пеленгации и дальнометрии. В Министерстве промышленности и торговли РФ проводится ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в диапазоне частот от 78,33 до 405 ГГц. Для решения задач метрологического обеспечения новых разработок необходимо наличие приборов группы Р2, М3, СК4, однако в настоящее время серийный выпуск таких приборов предприятиями отечественной промышленности не освоен.
В диапазоне частот свыше 78,33 ГГц хорошо зарекомендовал себя калориметрический метод измерения мощности СВЧ. Устройства преобразователей калориметрических ваттметров весьма разнообразны и определяются главным образом уровнем мощности, диапазоном частот и требуемой точностью. В основе метода лежит компарирование мощности СВЧ с мощностью постоянного тока по тепловому воздействию.
Конструкции волноводных калориметрических преобразователей довольно подробно описаны в [1], однако классическое применение данного подхода для создания ваттметров в диапазоне свыше 78,33 ГГц затруднительно по технологическим причинам, размеры поглотителя на краях становятся меньше 0,35 мм, что вызывает значительные технологические трудности при его изготовлении. Кроме того, потери мощности в подводящем тракте достигают значений 18 дБ/см (таблица 1), что ведет к снижению коэффициента эффективности (Кэ) до неприемлемых значений.
Теоретические изыскания
Результаты теоретических расчетов потерь в прямоугольных волноводах различных сечений представлены в таблице 1 [2].
Таблица 1
| Частота, ГГц | Длина волны в волноводе, мм | Сечение прямоугольного волновода, мм | Потери, дБ/м |
| 50 | 6 | 3,6х1,8 | 0,9 |
| 100 | 3 | 2,4х1,2 | 3 |
| 150 | 2 | 1,6х0,8 | 5,8 |
| 200 | 1,5 | 1,1х0,55 | 10 |
| 300 | 1 | 0,7х0,35 | 22 |
| 405 | 0,7 | 0,7х0,35 | 18 |
Для реализации преобразователя калориметрическим методом необходимо найти способ снижения потерь в подводящем тракте и найти альтернативный метод согласования в рабочем диапазоне частот. Одним из способов снижения потерь может служить применение металлических прямоугольных волноводов увеличенных сечений. Увеличение внутренних размеров прямоугольного волновода позволяет уменьшить затухание и повысить допустимую мощность. О том, как сильно снижается затухание в волноводе можно судить по расчетным зависимостям [2], представленным на рисунке 1.
Рис. 1. Зависимость затухания волны H10 в прямоугольных волноводах различных сечений от длинны волны
Так, при использовании сечения волновода 3,6х1,8 мм потери в диапазоне частот от 50 до 405 ГГц не превысят 0,9 дБ/м, что в пересчете к длине преобразователя 50 мм позволяет получить КЭ не хуже 0,96. В то же время переход к волноводам увеличенных сечений позволяет использовать поглотитель увеличенного сечения, что снимает большое количество технологических ограничений [3].
Для реализации данного метода необходимо оценить возможность реализации волноводно-волноводного перехода от стандартных сечений волноводных фланцев по ГОСТ РВ 51914-2002 к сечению 3,6 х 1,8 мм.
Проведем моделирование распределения электромагнитного поля для пирамидального перехода методом конечных элементов в программе HFSS. График расчетной зависимости КСВН от частоты представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость значений КСВН пирамидального перехода от частоты
Как видно из рисунка 2, существует принципиальная возможность удовлетворительного согласования на частотах до 405 ГГц, при этом техническая реализация таких микрокалориметров не вызывает существенных трудностей [3].
Для количественной оценки чувствительности термоэлектрического преобразователя рассчитаем температурное поле на границе разделения основание – тепловая развязка – нагрузка для различных материалов и толщины тепловой развязки. Результаты расчетов представлены в таблице 2. Для наглядности расчетов, распределение теплового поля на границе тепловой развязки и время установления теплового равновесия представлено на рисунке 2.
Таблица 2
| Материал тепловой развязки | Длина, мм | Толщина стенок, мм | Масса,
мкг |
Тепловой градиент, оС/мВт | Кпр, мВ/мВт | Время измерений, с |
| Бронза | 150 | 0,1 | 140 | 0,237 | 1,2 | 50 |
| Медь | 150 | 0,1 | 145 | 0,038 | 0,2 | 7 |
| Никель | 150 | 0,1 | 145 | 0,169 | 0,85 | 20 |
| Латунь | 150 | 0,1 | 140 | 0,136 | 0,7 | 7 |
Как видно из расчетов таблицы 2, использование бронзы и меди для изготовления узлов микрокалориметра нецелесообразно. Бронза обладает малой теплоемкостью (время измерений более 40 с является неприемлемым [5]) по сравнению с никелем, а медь имеет высокую теплопроводность, которая не позволяет получить высокий температурный градиент при равных параметрах толщины тепловой развязки и, как следствие, приемлемую чувствительность. С точки зрения технологичности изготовления оптимальным является материал никель, несмотря на существенное увеличение времени измерения.
Рис. 3. Модель распределения теплового поля в калориметрическом преобразователе из никеля
Предельным временем измерения для термоэлектрических ваттметров в соответствиии с ГОСТ 13605 считается время до 40 с [4], что по результатам расчетов обеспечивается выбранными параметрами тепловой развязки.
Рис. 4. Результаты моделирования переходных процессов и времени установления теплового равновесия в калориметрическом преобразователе из никеля
Для подтверждения работоспособности вышеприведенных моделей были проведены аналогичные расчеты температурного поля для коаксиального преобразователя (М3-54) с заранее известной геометрией тепловой развязки и выполнены его натурные измерения температурного поля с использованием тепловизионного измерителя.
При уровне мощности 10 мВт результаты измерений тепловизионным измерителем теплового градиента составляют 2,1оС, что близко совпадает с расчетными результатами в среде ANSYS. Современные пленочные термопары имеют чувствительность не хуже 1 мВ/ оС [3]. При пересчете к 10 мВт, чувствительность калориметра составит 0,2 мВ/мВт. Измерить термо-ЭДС такого порядка не составляет большого труда.
Рис. 5. Сравнение расчетного и измеренного теплового градиента в преобразователе
Для эталонирования ваттметров, построенных по принципу калориметра, хорошо зарекомендовал себя способ поверки на постоянном токе или токе низкой частоты. Данный способ реализован в ваттметрах М3-45, М3-46, М3-47, М3-48, МК3-69, МК3-70. Суть способа заключается в проверке чувствительности термопар и КСВН. К числу общих погрешностей способа относятся погрешности, обусловленные затуханием мощности в подводящем тракте, отражениями из-за неполного согласования рабочей нагрузки с трактом, неэквивалентностью распределения теплоты при нагреве преобразователя мощностью СВЧ и мощностью постоянного (переменного) тока.
Погрешность, обусловленная затуханием мощности в подводящем тракте. Мощность, поглощаемая в стенке волновода, зависит от длины волны, типа и размеров поперечного сечения тракта, вида колебаний, длины участка волновода от входа ваттметра до калориметрической системы, удельной проводимости материала волновода, шероховатости поверхности. Количественная оценка приведена в таблице 1, и, при длине преобразователя не более 5 см, не превышает 2,3%. Погрешность, обусловленная затуханием, является доминирующей, систематической и знак ее известен. Поэтому ее можно учесть, внеся поправку в результат измерений мощности.
Погрешность, обусловленная неэквивалентностью распределения теплоты при нагреве нагрузки преобразователя мощностью СВЧ и мощностью постоянного тока. В чистом виде эту погрешность определить затруднительно. На практике экспериментально определяют поправку, учитывающую как неэквивалентность распределения теплоты, так и потери в стенках подводящих трактов. Исходя из данных таблиц 1 и 2, погрешность, обусловленная неэквивалентностью распределения теплоты при нагреве нагрузки преобразователя мощностью СВЧ и мощностью постоянного тока, не превысит 0,23 %.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о возможности достижения погрешности измерений мощности, без учета погрешности рассогласования, не более 4–6 %, что удовлетворяет большинству измерительных задач на сегодняшний день.
Физическая реализация
Для проверки вышеизложенных расчетов были изготовлены макеты волноводных калориметрических ваттметров на диапазон частот от 118,1 до 118,1 ГГц, от 118,1 до 178,6 ГГц (фланцы по ГОСТ 13317) и от 170 до 260 ГГц (WR-4).
Рис. 6. Макет волноводного калориметрического ваттметра PWM-118 (от 118,1 до 118,1 ГГц)
Результаты практического опробования теоретических расчетов были проведены для трех макетов волноводных калориметрических ваттметров PWM-118 в диапазонах частот от 78,33 до 118,1 ГГц по образцовому калибратору мощности с основной погрешностью не более 2,5 %. Результаты экспериментальных исследований переставлены на рисунке 7.
Рис. 7. Составляющая основной погрешности измерений мощности зависящая от частоты
Как видно из приведенного графика, составляющая основной погрешности измерений мощности, зависящая от частоты, не превысила значения 6%. При этом следует отметить, что при проведении измерений коррекция показаний калориметрического ваттметра не проводилась. При проведении первичной градуировки по образцовому ваттметру возможно снижение суммарной погрешности измерений до величины 2–4%
Проверка линейности в динамическом диапазоне от 10 мкВт до 200 мВт проводилась по схеме, представленной на рисунке 8.
1 – блок питания Б5-45;
2 – вольтметр В7-34А;
3 устройство соединительное;
4 – катушка электрического сопротивления Р321 (1 Ом);
5 – вольтметр В7-34А;
6 – ваттметр PWM-118
Рис. 8. Схема измерений составляющей основной погрешности измерений мощности, зависящей от уровня мощности
Составляющая основной погрешности измерений мощности, зависящая от уровня мощности, не превысила величины 0, 1%.
Таким образом, показаны теоретическая возможность физической реализации измерителей мощности в диапазоне частот до 405 ГГц, методика и алгоритм быстрого расчета в современных средствах моделирования термодинамических и электродинамических расчетов компании ANSYS, выполнены сравнения и оценка результатов теоретических расчетов и физической модели калориметров.
Список использованных источников
- Билько М. И., Томашевский А. К. Измерение мощности на СВЧ. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Радио и связь, 1986. 166 с.
- Техника субмиллиметровых волн / Р. А. Валитов, С. Ф. Дюбко, В. В. Камышан, В. М. Кузьмичев, Б. И. Макаренко, А. В. Соколов, В. П. Шейко. М. : Советское радио, 1969. 477 с.
- Радиоизмерительная аппаратура СВЧ и КВЧ / А. М. Кудрявцев, И. Г. Мальтер, А. Е. Львов, О. П. Павловский. В. А. Шумилов, А. М. Щитов. М. : Радиотехника, 2006. 208 с.
- ГОСТ 13605-91. Ваттметры СВЧ. Основные технические требования и методы испытаний. М., 1991. 19 с. (Система стандартов по информ., библ. и изд. делу).
- Ваттметр поглощаемой мощности М3-54. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М. 44 с.
Dianovskaya Tatiana
сollaborator, Mitronix Limited Liability Company, St. Petersburg
THEORETICAL CALCULATION AND PHYSICAL IMPLEMENTATION OF WAVEGUIDE CALORIMETRIC RF POWER METER IN THE MILLIMETER FREQUENCY RANGE
Requirements for promising power meters of the millimeter frequency range are formed, theoretical calculations and the physical implementation of the models are carried out. An assessment of metrological characteristics.
Keywords: thermoelectric converter, thin film thermocouple, calorimeter, waveguide power meter, RF power sensor.
© АНО СНОЛД «Партнёр», 2019
© Диановская Т. А., 2019