RU224103U1 - Терморезистивный преобразователь мощности СВЧ - Google Patents
Терморезистивный преобразователь мощности СВЧ Download PDFInfo
- Publication number
- RU224103U1 RU224103U1 RU2023135586U RU2023135586U RU224103U1 RU 224103 U1 RU224103 U1 RU 224103U1 RU 2023135586 U RU2023135586 U RU 2023135586U RU 2023135586 U RU2023135586 U RU 2023135586U RU 224103 U1 RU224103 U1 RU 224103U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- absorber
- power
- thermistor
- power converter
- Prior art date
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Полезная модель предназначена для измерения мощности электромагнитных колебаний в волноводных трактах. Преобразователь мощности СВЧ включает отрезок прямоугольного волновода, поглотитель энергии падающей электромагнитной волны в виде пластины из полупроводникового материала с заданным удельным сопротивлением, расположенной на срезе прямоугольного волновода под острым углом к его продольной оси, и чувствительный элемент (терморезистор), установленный непосредственно на поглощающей пластине с внешней стороны волновода. Преобразование мощности электромагнитных колебаний осуществляется в пластине из полупроводника (поглотителе), температура которой изменяется под воздействием поглощенной мощности электромагнитных колебаний. На внешней поверхности поглотителя установлен терморезистор, изменение сопротивления которого пропорционально падающей мощности СВЧ. На внешней поверхности волновода в непосредственном тепловом контакте с ним установлен терморезистор, аналогичный предыдущему, служащий для снижения влияния изменений температуры окружающей среды на результаты измерений. Форма, геометрические размеры и удельное сопротивление материала поглотителя, а также угол среза прямоугольного волновода выбраны таким образом, чтобы обеспечить согласование преобразователя мощности в рабочем диапазоне частот волновода при максимальном поглощении мощности электромагнитных колебаний. Техническим результатом, наблюдаемым при реализации заявленного решения, выступает конструктивное упрощение при одновременном получении хороших технических характеристик преобразователя мощности СВЧ в широком диапазоне частот.
Description
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 поглотитель электромагнитной волны (волноводную нагрузку) и чувствительный элемент (терморезистор, термопара и пр.), расположенный на внешней поверхности волновода и реагирующий на изменение температуры поглотителя в результате преобразования мощности СВЧ в тепловую энергию [1…5]. Для проведения калибровки преобразователей используется нагреватель, расположенный внутри или вне полости волновода.
Достоинством приведенных конструкций преобразователей являются относительная простота сборки, использование серийно выпускаемых термочувствительных элементов и возможность применения в миллиметровом диапазоне длин волн.
Общими недостатками указанных преобразователей мощности СВЧ являются:
- низкая чувствительность из-за утечек тепла по каналу волновода;
- высокий коэффициент отражения падающей электромагнитной волны из-за трудностей хорошего согласования нагрузки с трактом СВЧ, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн;
- существенная погрешность измерения, вызванная неэквивалентностью замещения из-за пространственного разнесения места максимального поглощения электромагнитной волны и чувствительного элемента, а также компенсационного нагревателя.
Известна также конструкция СВЧ-нагрузки, содержащая срез прямоугольного волновода под острым углом к его продольной оси и поглотитель (керамический материал с нанесенным проводящим слоем, поглощающим энергию падающей электромагнитной волны), непосредственно контактирующий с поверхностью среза волновода [6]. СВЧ-нагрузка содержит кососрезанный волновод, объемный поглотитель и экран, выполненный в виде радиатора или фланца. Применение кососрезанного волновода и объемного поглотителя обеспечивает хорошее согласование с трактом СВЧ.
Указанные СВЧ нагрузки обладают простотой изготовления и хорошим согласованием с трактом СВЧ (КСВН менее 1,1), способны рассеивать достаточно высокие уровни мощности СВЧ и устойчивы к воздействию перегрузок.
Предлагаемый терморезистивный преобразователь мощности СВЧ сочетает в себе достоинства упомянутых преобразователей мощности (относительная простота сборки, использование серийно выпускаемых термочувствительных элементов, возможность применения в миллиметровом диапазоне длин волн) и СВЧ-нагрузки с кососрезанным волноводом (хорошее согласование с трактом СВЧ и устойчивость к воздействию перегрузок).
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, удельное сопротивление и угол скоса волновода) обеспечивают максимальное поглощение мощности СВЧ при минимальном отражении падающей электромагнитной волны и могут быть подобраны экспериментально для каждого сечения волноводного тракта, либо путем моделирования с применением систем автоматизированного проектирования.
Техническим результатом, наблюдаемым при реализации заявленного решения, выступает конструктивное упрощение при одновременном получении хороших технических характеристик преобразователя мощности СВЧ в широком диапазоне частот.
Полезная модель содержит следующие графические материалы.
На Фиг. 1 приведена конструкция преобразователя;
на Фиг. 2 приведена конструкция преобразователя с размещенным на термокомпенсационным резистором 5;
на Фиг. 3 представлена схема включения терморезистивного преобразователя для измерений мощности СВЧ, где R1 - рабочий терморезистор; R2, R3 - опорные сопротивления; R4 - компенсационный терморезистор или опорное сопротивление.
Терморезистивный преобразователь мощности СВЧ (Фиг. 1), где 1 - отрезок прямоугольного волновода; 2 - пластина из полупроводника (нагрузка); 3 - чувствительный элемент (терморезистор); 4 - фланец волновода, представляет собой скошенный под углом отрезок волновода с помещенным на месте скоса поглотителем. На внешней стороне поглотителя расположен чувствительный элемент (терморезистор). Поглотитель выполнен в виде пластины из полупроводника, геометрические размеры и удельное сопротивление которого выбраны таким образом, чтобы обеспечить согласование преобразователя мощности в рабочем диапазоне частот волновода при максимальном поглощении мощности электромагнитных колебаний. Поглотитель тщательно герметизирован с каналом волновода без каких-либо зазоров. Компенсационный терморезистор расположен на внешней поверхности широкой стенки волновода (поз.5 на Фиг. 2) в непосредственном тепловом контакте с волноводным трактом. Применение компенсационного терморезистора снижает влияние изменения температуры преобразователя на результат измерения, вызванное как изменением внешних условий, так и изменением температуры корпуса преобразователя вследствие поглощения электромагнитной волны.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии поглотитель электромагнитной волны имеет температуру окружающей среды, установленный на нем терморезистор имеет начальное сопротивление R0. Измеряемым сигналом может быть как сопротивление R0, которое измеряется омметром непосредственно (на Фиг. 1 не показан), либо напряжение в диагонали заранее сбалансированного моста U0 (Фиг. 3). При подаче на вход преобразователя энергии СВЧ-волны, происходит ее поглощение в пластине, приводящее к нагреву поглотителя и, как следствие - к изменению сопротивления чувствительного элемента (терморезистора), расположенного на внешней поверхности поглотителя в зоне максимального поглощения падающей электромагнитной волны до значения R1 Изменение сопротивления терморезистора (R0-R1) пропорционально падающей мощности СВЧ Рсвч и измеряется чувствительным омметром или с применением мостовой схемы (напряжение в диагонали моста после подачи мощности СВЧ изменяется до значения U1). Зная чувствительность преобразующего элемента (отношение изменения сопротивления к поглощенной мощности СВЧ, определяемой при калибровке преобразователя), рассчитывается мощность электромагнитной волны. Расчет мощности СВЧ производится по формуле Рсвч=K1(R0-R1) либо Рсвч=K2(U1-U0) в зависимости от применяемого метода измерений. Коэффициенты пропорциональности K1 и K2 определяются заранее при калибровке преобразователя с использования образцовых ваттметров.
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. При этом терморезистор используется в качестве нагревателя, аналогично используемых в прототипах. Применение автобалансной мостовой схемы предпочтительно, так как при этом сокращается время переходного процесса и обеспечивается более высокая точность измерений.
В качестве материала поглотителя удобно использовать полупроводник (в частности - кремний). Достоинствами применения кремния в качестве поглотителя являются его механическая прочность, относительная простота обработки, высокая теплопроводность от которой зависит чувствительность преобразователя, доступность в различных легирующих составах. Широкий выбор кремния с различным удельным сопротивлением позволяет выбрать материал, оптимально поглощающий энергию электромагнитной волны в заданном диапазоне частот. Контроль параметров полупроводниковой пластины легко осуществляется в процессе изготовления нагрузки перед сборкой изделия.
Применяемый чувствительный элемент (терморезистор) должен иметь хорошую долговременную стабильность, малый шум, высокую линейность преобразования в широком динамическом диапазоне, что вполне обеспечивается серийно выпускаемыми терморезисторами многих производителей.
Хорошее согласование преобразователя мощности с трактом СВЧ в диапазоне частот волновода позволяют проводить измерения не только в основном, но и в расширенном диапазоне частот, применяя волноводные переходы, подключенные к входу преобразователя с последующим учетом потерь, вносимых волноводным переходом.
Предлагаемое решение позволяет упростить конструкцию преобразователя, достичь хорошего согласования преобразователя с трактом СВЧ и обеспечить хорошие технические характеристики преобразователя мощности СВЧ в широком диапазоне частот.
[1] В. Vowinkel, Н.Р. Roser. Precision measurement of power at millimeter-and sub-millimeter wavelengths using a waveguide calorimeter. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol.3, No. 4, 1982, p.471-487.
[2] Shimaoka, M. Kinoshita, K. Fujii, and T. Tosaka. Design of a broadband calorimeter for mm-wave power standard in the frequency range from 110 GHz to 170 GHz. 2012 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 23-28 Sept. 2012. Wollongong, NSW, Australia.
[3] Chao Ma; Xiaohai Cui; Wenze Yuan; Yong Li. Design of a WR-6 thermoelectric conversion power sensor. Published in: 2015 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz) 23-28 Aug. 2015 DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2015.7327599.
[4] Ma Chao; Cui Xiaohai; Yuan Wenze; Li Yong. Optimal designing of the WR-6 thermoelectric conversion power sensor. 12th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments (ICEMI) 16-18 July 2015 Qingdao, China. DOI: 10.1109/ICEMI.2015.7494483.
[5] Y. Tojima, M. Kinoshita, H. Iida and K. Fujii, "Calibrating Power Meters in the 140-220-GHz Frequency Range Using an Absolute-Power Reference Calorimeter," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 70, pp.1-9, 2021, Art no. 1002709, doi: 10.1109/TIM.2020.3036083.
[6] Авторское свидетельство RU 2438215 C1. Сигитов Виктор Валентинович, Хомяков Александр Викторович, Манаенков Евгений Васильевич, Иванов Андрей Викторович. СВЧ-НАГРУЗКА.
Claims (1)
- Терморезистивный преобразователь мощности СВЧ, состоящий из отрезка прямоугольного волновода, поглотителя энергии падающей электромагнитной волны, чувствительного элемента - терморезистора и компенсационного терморезистора, расположенного на внешней поверхности волновода и имеющего с ним хороший тепловой контакт, отличающийся тем, что поглотитель выполнен в виде пластины из полупроводникового материала, расположен на срезе прямоугольного волновода под острым углом к его продольной оси, а чувствительный элемент - терморезистр установлен непосредственно на поглощающей пластине с внешней стороны волновода, при этом форма, геометрические размеры и удельное сопротивление материала поглотителя, а также угол среза прямоугольного волновода выбраны таким образом, чтобы обеспечить согласование преобразователя мощности в рабочем диапазоне частот волновода при максимальном поглощении мощности электромагнитных колебаний.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU224103U1 true RU224103U1 (ru) | 2024-03-18 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1169204A1 (ru) * | 1984-01-11 | 1985-07-23 | Новосибирский электротехнический институт | Устройство дл СВЧ-термообработки диэлектрических материалов |
| SU1437790A1 (ru) * | 1986-07-17 | 1988-11-15 | Московский институт электронной техники | Устройство дл измерени мощности СВЧ |
| US7283014B2 (en) * | 2004-10-25 | 2007-10-16 | Johnson Ray M | High power absorbing waveguide termination for a microwave transmission line |
| RU2438215C1 (ru) * | 2010-07-26 | 2011-12-27 | Открытое акционерное общество Центральное конструкторское бюро аппаратостроения | Свч-нагрузка |
| RU217186U1 (ru) * | 2022-05-26 | 2023-03-22 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Прецизионный преобразователь мощности в волноводных трактах с болометрическим чувствительным элементом |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1169204A1 (ru) * | 1984-01-11 | 1985-07-23 | Новосибирский электротехнический институт | Устройство дл СВЧ-термообработки диэлектрических материалов |
| SU1437790A1 (ru) * | 1986-07-17 | 1988-11-15 | Московский институт электронной техники | Устройство дл измерени мощности СВЧ |
| US7283014B2 (en) * | 2004-10-25 | 2007-10-16 | Johnson Ray M | High power absorbing waveguide termination for a microwave transmission line |
| RU2438215C1 (ru) * | 2010-07-26 | 2011-12-27 | Открытое акционерное общество Центральное конструкторское бюро аппаратостроения | Свч-нагрузка |
| RU217186U1 (ru) * | 2022-05-26 | 2023-03-22 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Прецизионный преобразователь мощности в волноводных трактах с болометрическим чувствительным элементом |
| RU219414U1 (ru) * | 2023-04-10 | 2023-07-14 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Волноводная широкополосная нагрузка |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Scott et al. | New thermocouple-based microwave/millimeter-wave power sensor MMIC techniques in GaAs | |
| CN102494808A (zh) | 微量热计、使用该微量热计的功率基准系统及测量方法 | |
| Erickson | A fast and sensitive submillevieter waveguide power meter | |
| Brush | Measurement of microwave power-A review of techniques used for measurement of high-frequency RF power | |
| Kinard et al. | Performance of multilayer thin-film multijunction thermal converters | |
| Judaschke et al. | Millimeter-wave thermoelectric power transfer standard | |
| CN112903117A (zh) | 一种mems热电堆红外探测器 | |
| RU224103U1 (ru) | Терморезистивный преобразователь мощности СВЧ | |
| CN105445538A (zh) | 一种用于太赫兹频段的新型量热式功率计 | |
| Celep et al. | Power sensor characterization from 110 to 170 GHz using a waveguide calorimeter | |
| CN113125048B (zh) | 可直接测量热偶型功率传感器的微量热计及功率基准系统 | |
| CN102507036A (zh) | 毫米波功率传感器及具有该毫米波功率传感器的量热计 | |
| CN204165669U (zh) | 一种用于射频功率测量的温度电压转换装置 | |
| Rumfelt et al. | Radio frequency power measurements | |
| Kendall | Primary absolute cavity radiometer | |
| CN111239479B (zh) | 集成化自校准辐射功率传感芯片及辐射功率测量方法 | |
| Clague | A method to determine the calorimetric equivalence correction for a coaxial microwave microcalorimeter | |
| Yuan et al. | Development of a WR-6 waveguide microcalorimeter for thermoelectric power sensor | |
| CN108508263B (zh) | 功率传感器 | |
| CN113155281B (zh) | 一种金属电阻探测器及核聚变等离子体物理研究装置 | |
| Chu et al. | RF MEMS thermistor power sensor based on wheatstone full-bridge structure | |
| Erickson | A fast, very sensitive calorimetric power meter for millimeter to submillimeter wavelengths | |
| Vowinkel | Broad-band calorimeter for precision measurement of millimeter-and submillimeter-wave power | |
| Carlin et al. | Broad-Band Calorimeters for the Measurement of Low and Medium Level Microwave Power I. Analysis and Design | |
| JP2003156395A (ja) | 赤外線温度センサー |