Терморезисторные мосты. 
Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах

Для измерения мощности терморезистор обычно включают в схему моста постоянного или переменного тока, и небольшие изменения сопротивления болометра или термистора, происходящие под воздействием мощности СВЧсигналов, могут быть легко измерены.

Простейшая схема терморезисторного моста представлена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Простейшая схема терморезисторного моста.

В этой схеме терморезистор является единственной деталью (в идеальном случае), сопротивление которой зависит от мощности, рассеиваемой внутри нес. Положим для простоты, что плечи моста R_v R₂ и R₃ одинаковы. Сопротивление R_{) выбрано в соответствии с рабочими характеристиками терморезистора. Это значит, что при R = R_{) и сбалансированном мосте терморезистор хорошо согласован с линией СВЧ и в нем рассеивается необходимая мощность. Процесс измерения заключается в том, что при подведении к термистору СВЧ-мощности он дополнительно разогревается, в результате чего его сопротивление изменяется на некоторое значение R. Ранее сбалансированный с помощью резистора R мост приходит в состояние разбаланса, который индуцируется гальванометром, включенным в диагональ моста. При малом разбалансе сохраняется линейная зависимость между током в диагонали моста и изменением сопротивления терморезистора, следовательно, и мощностью СВЧ-сигнала, вызывающей эго изменение, т. е.

где k — коэффициент пропорциональности; I — ток в диагонали моста.

Коэффициент k можно определить на СВЧ-токе, постоянном токе или переменном токе низкой частоты. При известном значении k шкалу гальванометра можно проградуировать в единицах мощности. Эту схему применяют только для индикации мощности или при ее относительных измерениях, так как она не обеспечивает высокой точности измерений и имеет следующие недостатки:

• • коэффициент k существенно зависит от температуры окружающей среды и смены терморезистора. Изменение температуры окружающей среды влияет на сопротивление терморезистора, а значит, и на уровень мощности, при котором мост балансируется. В связи с этим меняется чувствительность и, следовательно, градуировка моста;
• • малый динамический диапазон (до 2 мВт), зависящий от уровня рассеиваемой терморезистором мощности постоянного тока, при которой наступает баланс моста;
• • степень согласования с СВЧ-трактом зависит от уровня измеряемой мощности, так как при ее изменении изменяется сопротивление терморезистора, нагружающего СВЧ-тракт.

На практике более распространены мостовые схемы, основанные на методе замещения и позволяющие точно измерять мощность. Сущность этого метода заключается в том, что дополнительный разогрев терморезистора мощностью СВЧ компенсируется уменьшением мощности постоянного тока, рассеиваемой терморезистором. Таким образом, сопротивление терморезистора в процессе измерения поддерживается постоянным. Процедура измерения мощности в этом случае сводится к определению изменения мощности постоянного тока, т. е. замещающей мощности.

Если исходить из предположения эквивалентности теплового воздействия на терморезистор мощностей СВЧ и постоянного тока питающего моста, то.

где /j и L — токи, протекающие через термистор при начальном балансе моста и при подаче СВЧ-мощности, т. е. после повторной балансировки; R — сопротивление терморезистора при балансе моста.

Точность измерения по этой схеме сравнительно мала, особенно при малых уровнях мощности.

Более высокую точность обеспечивает способ измерения тока начального баланса моста /, и изменения этого тока А/ = /j — /₂ после подачи СВЧ-мощности.

С учетом этого (6.6) будет иметь вид.

Отсюда следует, что при постоянных заданных значениях /j и R_f величины Р _ц и АI связаны вполне определенной зависимостью, и прибор, регистрирующий значения тока Л/, может быть отградуирован в единицах СВЧ-мощности.

Как показывает практика, значение тока начального баланса моста непостоянно и зависит от характеристик терморезистора, температуры окружающей среды, условий теплообмена его с этой средой. Чтобы обеспечить однозначность зависимости Р_свч = / (А/) выбирают такую схему, когда в момент начального баланса моста через терморезистор протекает постоянный ток /₀, несколько меньший тока I_v при котором сопротивление терморезистора становится равным рабочему. Регулировкой мощности переменного тока низкой частоты, равной (Я₂ — I²_{) R_r сопротивление терморезистора доводится до рабочего значения, и мост оказывается сбалансированным. Выходная мощность генератора низкой частоты при этом должна быть более (Р_{ — во всем интервале рабочих температур с любым из используемых в приборе терморезисторов. В отдельных случаях баланс моста регистрируют в цепи низкочастотного тока, а терморезистор дополнительно подогревают постоянным током.

Известны несколько способов измерения тока А/.

1. Применение схемы сравнения с источником опорного напряжения (рис. 6.10). Здесь измерительный мост питается от источника постоянного тока со следящей системой. Начальную балансировку моста осуществляют с помощью источника переменного тока низкой частоты. В момент достижения баланса, индуцируемого по вольтметру, напряжение питания моста U₀ равно напряжению источника опорного напряжения U_on. Источник опорного напряжения выдает стабилизированное напряжение, и поэтому постоянный ток, протекающий через терморезистор, при начальном балансе моста будет неизменным. После подачи СВЧ-мощности баланс моста нарушается. Следящая система уменьшает напряжение до значения U'₀, и баланс моста восстанавливается. В этот момент вольтметр покажет разность напряжений AU = U_on — U'₀> пропорциональную изменению тока I.

Рис. 6.10. Схема сравнения с источником опорного напряжения.

Рис. 6.11. Схема подачи встречного тока на терморезистор.

Пользуясь уравнением.

где А1 = AU/k] (kM = AU); /₀= const; Р= const, шкалу прибора градуируют в единицах мощности.

• 2. Использование схемы, с помощью которой на терморезистор подается встречный ток (рис. 6.11). Перед подачей СВЧ-мощности мост М_т, являющийся плечом моста ваттметра М_м, балансируют с помощью источника переменного тока низкой частоты, а от источника постоянного тока Е_х через терморезистор протекает ток /₍₎ известного и неизменного значения. При балансе моста М_т наступает баланс моста М и источники постоянного тока Е. и Е₀ оказываются развязанными. После подачи СВЧ-мощности оаланс моста М_т нарушается. Для его восстановления с потенциометра на тсрморсзистор подают встречный ток AI от источника Е_т В момент восстановления баланса прибор покажет значение тока, пропорциональное А/. Прибор градуируют, используя уравнение (6.7), где /₍₎ = kAl.
• 3. Шунтирование моста. В этом случае мост питается от источника постоянного тока с внутренним сопротивлением, значительно большим сопротивления моста R. Перед подачей СВЧ-мощности производится балансировка моста от источника переменного тока низкой частоты. Ключ (Кл) при этом разомкнут. При первичном балансе через тсрморсзистор протекает ток /₀ известного и неизменного значения, задаваемого стабилизатором тока. После подачи СВЧ-мощности ключ (Кл) замыкают, включая тем самым схему компенсации. Изменяя сопротивление шунта, восстанавливают баланс моста, при этом постоянный ток через терморезистор уменьшается. В момент восстановления баланса моста прибор покажет значение тока, пропорциональное изменению тока, протекающего через терморезистор, т. е. I_w = Д/. Градуировку шкалы индикатора производят, также пользуясь уравнением (6.7), где принимают kAl = I_w, /₀ = const, R_t = const.
• 4. Если в цепь питания моста от источника постоянного тока включить резистор /?_1об, а в качестве шунта использовать точный микропотенциометр, то шкалу прибора можно сразу проградуировать в единицах измеряемой мощности, при этом не требуется прибор для измерения тока.