Датчик напряженности электрического поля свч Советский патент 1974 года по МПК G01R29/08 G01R21/04 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике СВЧ и может быть использовано для измерения электрического поля сверхвысоких частот, импульсной СВЧ мощности, коэффициента стоячей волны в волноводных трактах с волной типа Ню.

Известен датчик, принцип действия которого основан ца изменении проводимости под действием сильного СВЧ поля, имеющий V-образную форму с углом при вершине меньщим 45°, высоту больще 0,15 высоты волновода, щирину каждой ветви меньше 0,3 его высоты и толщину меньше 0,25 высоты датчика.

Однако такой датчик имеет большое тепловое сопротивление и, следовательно, малую рассеиваемую мощность, вследствие чего он сильно нагревается при сравнительно небольших средних СВЧ мощностях.

Кроме того, в результате большого разброса ватт-вольтных характеристик из-за больших неконтролируемых градиентов электрического СВЧ поля на острых углах датчика и в приконтактной области увеличивается погрешность измерений.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений в сторону больших СВЧ мощностей.

Это достигается тем, что датчик выполнен в виде тела вращения, образованного двумя

коаксиально сопряженными цилиндрами, меньший из которых заканчивается полусферой, а больший, служащий основанием датчика, снабжен омическими контактами, причем

от основания до центра полусферы датчик разделен на две части узкой щелью, проходящей через его ось.

На чертеже изображен описываемый датчик.

Он имеет полусферу 1, меньший цилиндр 2, щель 3, основание 4, омические контакты 5, слой 6 припоя, держатель 7, слой 8 эпоксидной смолы, проводник 9 для подключения внешней цепи и изоляционную трубку 10.

Датчик работает следующим образом.

Распределение температуры в датчике определяется выражением:

+ ( + (Ш С)

Л

или

T, T, + P(Rr. + ,),

(2)

TI - температура сечения датгдечика на расстоянии х от начала координат;

TO - температура среды (держателя);

Р - поглощаемая датчиком мощность; h - высота рабочей части датчика;S - сечение датчика; Xi - коэффициент теплопроводности материала датчика;Х2 - коэффициент теплопроводности материала держателя;г - эквивалентный радиус пятна пайки датчика к держателю; RT, и/ г. - соответственно тепловые сопротивления датчика и держателя. Слои 6 и 8 припоя и эпоксидной смолы также обладают тепловым сопротивлением, выражение которого имеет вид: где б - толщина слоя припоя 6; X - коэффициенттеплопроводности слоя 6; S - теплопроводящая площадь. Из приведенных уравнений (2) и (3) следует, что нагрев датчика будет определяться суммой всех тепловых сопротивлений, т. е. Го + яип + .. « 1 Имея в виду, что толщина слоя припоя б мала (не превышает 0,2-10- м, а х сравнительно велик (хпос 85 вт/м°К, XAU+SI 246 вт/м°К) - слоя припоя и контактного сплава Аи + Si будет меньще Rr Rr,- Таким образом, тепло в основном отводится через паяное соединение и температура датчика будет определяться теплосопротивлениями RT в свою очередь RT также можно представить суимой сопротивлений отдельных участков датчика, например, RT - рабочей части и Го - основания. Величину Rrp и / г. , как следует из (1), будут определять параметры h и Si, и /ii и S, соответственно. Высота основания h выбирается в пределах 0,15flf 1 0,25d, где d - диаметр меньщего цилиндра рабочей части датчика. Величина R т, определяется Х2 держателя и радиусом сечения контактирующего слоя г, который при условии, что щирина щели t значительно меньще диаметра основания D, выбирается г Диаметр основания D определяется из уелоВИЯ равенства ,, откуда 2 / .-/4кГ7лГ D - ( (5) причем -0,W - O.lSflf. Величина d определяется условиями равенства величины напряженности электрического поля в датчике д 0,9 в волноводе и составляет порядка 0,1 толщины скин-слоя. Кроме того, для компенсации гармо-эдс в выходном сигнале величина d не должна превышать 1/8 длины волны второй гармоники. Датчик располагается в волноводе так, что его ось параллельна вектору напряженности Е электрического СВЧ поля, а высота его рабочей части h d + D. Наибольшим сопротивлением обладает рабочая часть датчика, имеющая диаметр d. В результате этого уменьщается влияние приконтактной области, обладающей наибольшими разбросами электрофизических параметров (сопротивления, подвижности) на ваттвольтную характеристику, а также уменьщается и влияние градиентов сильного электрического поля, которые создаются на неровностях и краях омического контакта. Это уменьщает разброс вольтваттных характеристик и увеличивает точность измерений. Верхняя часть датчика выполнена в виде полусферы, что уменьщает градиенты сильного поля и, кроме того, способствует увеличению электрической прочности системы датчик-волновод. Вторая причина, указывающая на выполнение верщины датчика в виде сферы, заключается в том, что у вершины прямого угла плотность тока стремится к бесконечности. Это может привести к локальным перегревам и образованию областей сильного паля, в результате чего увеличивается сопротивление датчика независимо от СВЧ поля. Минимальный радиус скругления определяется выражением: 2 У arcth 1/- - 2 arcth / где b - диаметр стороны угла, применяемый в конформных преобразованиях. Датчик может быть изготовлен из полупроводникового материала, в котором происходит изменение проводимости под действием сильного СВЧ поля, например, германия и кремния. При измерениях датчик включается в измерительную цепь, состоящую из датчика, постоянного резистора и источника питания. При проходе по волноводу импульса СВЧ мощности меняется сопротивление датчика, а тем самым и ток в цепи. Ввиду того, что ток в этой цепи повторяет огибающую СВЧ импульса, измерительный прибор будет мерить амплитуду видеоимпульса, величина которой ависит от напряженности электрического СВЧ поля. Предмет изобретения Датчик напряженности электрического поля ВЧ, изготовленный из полупроводникового атериала, содержащий омические контакты закрепленный внутри линии передачи на

дер кателе, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона измерений, он выполнен в виде тела вращения, образованного двумя коаксиально сопряженными цилиндрами, меньший из которых заканчивается полусферой, а больший, служащий основанием датчика, снабжен омическими контактами, причем от основания до центра полусферы датчик разделен на две части узкой щелью, проходящей через его ось.