мощности. Ваттметр первого типа поглощает мощность электромагнитных волн и преобразует ее в другой вид энергии. Такие ваттметры могут работать при отключенной нагрузке генератора.

Ваттметры, измеряющие передаваемую (проходящую) мощность, потребляют только небольшую часть мощности генератора; основная часть мощности передается в нагрузку (антенну или заменяющий ее элемент).

Наиболее распространепны.ми методами измерения мощности электромагнитных волн высокой частоты являются фотометрический, болометрический и пондеромоторный методы. Всестороннее описание этих методов и сравнение их с методом измерения мощности при помощи датчиков Холла дали Бокринская и Скорик [Л. 555]. В 1955 г. Барлоу первый опубликовал работу ![Л. 11] на тему об измерении мощности электромагнитного поля с помощью датчиков Холла, которые позволяют производить непосредственное измерение передаваемой мощности; при этом напряжение Холла линейно зависит от передаваемой мощности.

В следующие годы Барлоу совместно с сотрудниками выполнил ряд дальнейших оригинальных работ в этой области Л. 12-25]. Как известно, электромагнитную волну можно характеризовать векторами напряженности электрического и магнитного полей. Эти поля являются компонентами электромагнитной волны. Пространственная

Рис. 16-5. Расположение датчжа Холла в поле плоской электромагнитной волны.

ортогональность между этими составляющими электромагнитной волны позволяет использовать их для получения э. д. с. Холла в германиевых и кремниевых пластинах, так как эти материалы имеют относительно большой коэффициент Холла и допускают значительное проникновение электромагнитного поля в материал даже при самых больших частотах.

Поэтому в принципе можно сконструировать полупроводниковый ваттметр на весь диапазон частот, используемый в современной , радиотехнике.

Датчик Холла с размерами, значительно меньшими длины волны Л, помещен в электромагнитное поле (рис. 16-5). При этом вектор Умова - Пойнтинга Р = [ЕН] направлен вдоль осп г, а поток мощности пересекает поперечное сечеиие S = bc.

Электрическая составляющая Е электромагнитного поля вызывает движение свободных зарядов в полупроводнике со средней скоростью V и ПЛОТНОСТЬЮ тока i, Если проводи.мость полупро-

ЁбДниЁа связйнй е HocnfejlHMtt тока толЬко oAnofo ЗнаКа, т6

v = p.E, 1 = аЕ = И9р.Е, (16-15)

где р,-подвижность носителей тока; л - концентрация носителей тока; q - величина заряда носителя тока.

Под влиянием магнитной составляющей поля Н движущиеся со средней скоростью v заряды подвергаются действию силы F, отклоняющей их в боковом направлении, которая равна:

F = <7 [V В] = 9и„,,л„ [vH] (16-16)

(если принять во внимание зависимость В = ЦтЦ1)Н)-

В положении равновесия на этих боковых торцах образуются заряды, электрическое поле Ех которых (поле Холла) .уравновешивает силу F, т. е.

<7Е. = </р.„,1о([ЕН1. (16-17)

Знак поля Холла определяется знаком носителей заряда. Таким образом, для полупроводников л-типа

Е.=-(„,р.о(Р, (16-18)

а для полупроводников р-типа

Е. = р.„,р.о(Р. (16-19)

Среднее значение напряженности поля Холла за один период составляет

E.op=H-ml.H-Pcp. (16-20)

Так как при распространепии электромагнитных волн в вакууме фазовый угол между составляющими электромагнитной волны равен О, то

(16-21)

где Етх и Нту - значение амплитуд напряженности магнитного и электрического полей.

Из зависимости (16-20) видно, что между плотностью потока энергии в данной точке электромагнитного поля и полем Холла в датчике Холла, помещенном в этой точке, существует однозначная зависимость. Это позволяет считать измеряемую э. д. с. Холла мерой проходящей мощносги, причем направление распространения определяется знаком э. д. с. (с учетом знака носителей тока). Если источник тока является модулированным или генерирует импульсную мощность, то э. д. с. Холла, представленная как функция времени, является также модулированной или импульсной, но в каждом случае ее среднее значение за период определяет среднее значение мощности.

Для случая малых линейных размеров датчика Холла имеем:

где Pz -мощность вдоль оси z, падающая на единицу площади датчика Холла.

Принимая Во внимание зависимость (16-20), получаем:

(16-22)

KSSSSSSSN

Полученная зависимость указывает на существование прямой пропорциональности между э. д. с. Холла и измеряемой мощностью электромагнитных волн.

Рассмотрим сейчас несколько конструкций датчиков Холла для измерения мощности электромагнитных волн. На рнс. 16-6 показан эскиз конструкции ваттметра на датчике Холла, предназначенного для работы в коаксиальной линии. Датчик Холла подключен к участку линии с волновым сопротивлением значительно меньшим, чем импеданс основной линии передачи. Так как участок линии с датчиком Холла имеет длину, равную Яь/2, а датчик Холла подключен

посередине этой линии с помощью двух четвертьволновых трансформаторов, то сопротивление датчика Холла и на входе и на выходе ваттметра равно полному волновому сопротивлению. Благодаря этому сохраняется согласование линии передачи. Ваттметром такой конструкции Барлоу измерял мощность на частоте 300 Мгц, достигая чувствительности 3 мкв1вт.

На рис. 16-7 (Л. 14] показана простейшая конструкция волноводного ваттметра для измерения мощности Р в прямоугольном волноводе с волной основного типа Hot. Управляющий ток датчика Холла возбуждается электрической составляющей волны Еу или полным напряжением между верхней и нижней стенками волновода, это напряжение равно ЬЕу. Носители тока отклоняются поперечной составляющей магнитного поля Hz. Концентрические настраивающие поршни ?! и Tz, через которые пропущены выводы для снятия э. д. с. Холла, пропорциональной проходящей мощности, устанавливаются так, чтобы ток высокой частоты, протекающий через выводы, был минимальным. Фаза тока в датчике Холла, при которой достигается Uh = 0, устанавливается при помощи настраивающего поршня Тз. Холловские выводы подсоединяются к измерительному прибору или усилителю.

При изготовлении ваттметров этого типа трудно избежать явления выпрямления на контактах датчика Холла.

Простейшая конструкция волноводного ваттметра характеризуется малой чувствительностью и большим рассогласованием линии. Кроме того, датчик Холла в линии с волной Яо1 работает хужё, че.м в случае волны ТЕМ. Это возникает от того, что волновой импеданс для волны На больше, чем волновой импеданс вакуума, т. е. электрическая составляющая растет, а магнитная уменьшается, в то время как для нормальной работы датчика Холла должно быть наоборот.

Рис. 16-6. Эскиз ваттметра на датчике Холла, предназначенного для работы в коаксиальной линии передачи.

С целью улучшений условий работы датчика ХолЛа МоЖнО сконцентрировать магнитное поле и ослабить электрическое поле с помощью объемного резонатора (рис. 16-8).

Датчик Холла X укреплен в середине камеры резонатора р, имеющей магнитную связь с основным волноводом. Длина камеры в соответствии с длиной волны выбрана так, что датчик Холла находится в максимуме магнитного поля и минимуме электрического поля. Явление выпрямления, зависящее только от электрического поля, является при этом минимальным. Токовая цепь датчика Холла возбуждается электрической составляющей поля в волноводе с помощью зонда, проходящего че-

Л нагрузке

Рис. 16-7. Измерение мощности в прямоугольном волноводе.

Т"]-Гз - поршни.

рез зазор возбуждения резонатора. Так как ток, проходящий через зонд, связан с волной ТЕМ, то он ие нарушает условий резонанса в резонаторе. Регулирование электрической симметрии схемы, настройка и регулировка фазы схемы выполняются с помощью регулирующих винтов резонатора. Настройка фазы схемы заключается в том, что при закрытом фланце волновода (нагрузка исключительно пассивная) устанавливают схему на нулевое показание прибора.

Описанный ваттметр с обычным резонатором имеет при частоте

4 ООО Мщ линейную градуировку и чувствительность 0,02 мкв/мвт. При соответствующей настройке резонансной камеры градуировка в общем зависит от характера нагрузки. Собственно прибор потребляет около 5% проходящей мощности. Недостатками конструкции такого ваттметра являются узкая полоса пропускания, а также необходимость предварительной настройки иа рабочую частоту. Дальнейшее развитие должно идти в направлении расширения полосы частот, а также использования систем сопряженных объемных резонаторов.

Усовершенствование датчиков Холла и измерительных методов позволяет получить очень чувствительные ваттметры. Значительный рост чувствительности ваттметра достигается при использовании

датчиков Холла из InSb. Датчик Холла обеспечил в волноводе чувствительность 0,1 мкв/мвт, а в резоиаисиом ваттметре - 1 мкв/мвт.

Наибольшее значение частоты, при которой измерялась мощность при помощи датчиков Холла, составляет 10 Ггц 1Л. 23].

Кроме того, Барлоу определил связь между излучением, оказывающим давление иа полупроводниковый элемент, и явлением Холла при «амереииях мощности электромагнитных воли {Л. 13 и 19].

17-1401 257

Рис. 16-8. Объемный резонатор. Х -датчик Холла: Р -резонатор- В - регулировочные винты.

и:мЁЁнйЁ эЛЕКТРосоГ1РбГиё/1ЁНИЯ

Перельман [Л. 649] запатентовал схему прибора (рис. 16-9) на датчиках Холла, применяемого для измерения активного сапрогивления, активной проводимости, реактивного сопротивления и реактивной проводимости. На рис. 1б-9,а два датчика Холла J и 2 помещаются в зазоре дросселя 3. Через датчик Холла 1 течет ток /жь цропорциональный току, текущему через измеряемое сопротивление токоприемника 4, а через датчик Холла 2

Рнс. 16-9. Схемы для измерения активных и реактивных сопротивлений и проводимостей. „.„.„м-/, г-датчики Холла: 3-дроссель; 4-приемник (измеряемый импеданс), S -резист<ч); 6 - гальванометр.

течет ток 1x2, пропорциональный напряжению U на токоприемнике 4. Датчик Холла / работает лри этом как квадратичный детектор тока (или наиряжения), а датчик Холла 2 -как измеритель активной мощности (или пассивлой).

При измерении активного содротивления (или активной проводимости) токоприемника 4 постоянные составляющие напряжения Холла обоих датчиков Холла уравновешиваются с помощью резистора 5. Зная величину активного сопротивления этого резистора, определенную при нулевом показании гальванометра, находим искомую величину активного сопротивления (или активной проводимости).

Измерение реактивного сопротивления или реактивной проводимости токоприемника 4 производится аналогично, только вместо резистора используют регулируемую реактивность.

Такие же измерения можно провести, используя только один датчик Холла (рис. 16-9,6). Отсутствие технической разработки этой схемы не дает возможности оценить ее с точки зрения точности и других свойств. Схема обещает быть интересной ввиду возможности создания одного прибора, который служил бы для измерения сразу четырех величин.

16-4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАЛЫХ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ

При измерении, а в особенности при использовании для регулирования малых постоянных напряжений и токов возникает необходимость их усиления. Известные трудности в исполнении хороших усилителей постоянного тока приводят к необходимости преобразования постоянных величин в переменные, последние затем уже усиливаются при помощи усилителя переменного тока, а усиленный преобразованный сигнал выпрямляется.

Для преобразования напряжения и постоянного тока применяются вибрационные, механические, транзисторные, емкостные и другие преобразователи. Многообещающие свойства имеют преобразователи на датчиках Холла, характеризующиеся бесконтактным преобразованием, отсутствием дрейфа нуля, большой надежностью, практически неограниченным временем работы и большой механической устойчивостью.

Принцип преобразователя постоянного тока в пере>--менный с использованием датчика Холла очень прост. Преобразуемый постоянный ток пропускаем через датчик Холла, к катушке, возбуждающей поле, подводим переменный ток постоянной амплитуды и получаем переменное напряжение Холла, пропорциональное значению преобразованного тока. Можно преобразуемый постоянный ток: пропустить также через катушку, создающую магнитное поле, а модулирующий переменный ток - через датчик Холла, но в этом случае преобразователь имеет худшие характеристики. Коэффициентом преобразования называется отношение значения переменного выходного напряжения к значению постоянного входного напряжения.

Чаще всего магнитное поле имеет синусоидальный характер. В этом случае выходное переменное напряжение имеет также синусоидальный характер и ту же 17» 259