Микроволновая техника — измерения

В области микроволновой техники, как уже говорилось в первой главе, встречается множество применений. Следовательно, при использовании различных приложений мы часто сталкиваемся с необходимостью измерения различных значений, таких как мощность, затухание, фазовый сдвиг, VSWR, импеданс и т. Д. Для эффективного использования.

В этой главе давайте рассмотрим различные методы измерения.

Измерение мощности

Измеренная мощность микроволнового излучения — это средняя мощность в любой точке волновода. Измерение мощности может быть трех типов.

• Измерение малой мощности (от 0,01 до 10 мВт)

  Пример — Болометрическая техника

• Измерение средней мощности (от 10 мВт до 1 Вт)

  Пример — Калориметрическая техника

• Измерение высокой мощности (> 10 Вт)

  Пример — калориметр ваттметр

Измерение малой мощности (от 0,01 до 10 мВт)

Пример — Болометрическая техника

Измерение средней мощности (от 10 мВт до 1 Вт)

Пример — Калориметрическая техника

Измерение высокой мощности (> 10 Вт)

Пример — калориметр ваттметр

Давайте рассмотрим их подробно.

Измерение малой мощности

Измерение мощности микроволнового излучения от 0,01 до 10 мВт можно понимать как измерение малой мощности.

Болометр — это устройство, которое используется для измерения мощности микроволнового излучения. Элемент, используемый в болометре, может иметь положительный или отрицательный температурный коэффициент. Например, барратер имеет положительный температурный коэффициент, сопротивление которого увеличивается с увеличением температуры. Термистор имеет отрицательный температурный коэффициент, сопротивление которого уменьшается с увеличением температуры.

Любой из них может быть использован в болометре, но изменение сопротивления пропорционально микроволновой мощности, применяемой для измерения. Этот болометр используется в перемычке, так что любой вызванный дисбаланс влияет на выход. Типичный пример мостовой схемы с использованием болометра показан на следующем рисунке.

Миллиамперметр здесь дает значение тока, протекающего. Батарея является переменной, которая изменяется для получения баланса, когда дисбаланс вызван поведением болометра. Эта настройка, выполняемая в напряжении батареи постоянного тока, пропорциональна мощности СВЧ. Мощность обработки этой цепи ограничена.

Измерение средней мощности

Измерение мощности микроволнового излучения от 10 мВт до 1 Вт можно понимать как измерение средней мощности.

Используется специальная нагрузка, которая обычно поддерживает определенную величину удельной теплоемкости. Измеряемая мощность подается на его вход, что пропорционально изменяет выходную температуру нагрузки, которую она уже поддерживает. Разница в повышении температуры, указывает входную мощность СВЧ на нагрузку.

Метод балансировки моста используется здесь, чтобы получить результат. Для измерения мощности используется метод теплопередачи, который является калориметрическим методом.

Измерение высокой мощности

Измерение мощности микроволнового излучения от 10 до 50 кВт можно понимать как измерение высокой мощности.

Высокая СВЧ-мощность обычно измеряется калориметрическими ваттметрами, которые могут быть сухими и проточными. Сухой тип назван так, как он использует коаксиальный кабель, который заполнен диэлектриком с высокими потерями гистерезиса, тогда как тип потока назван так, как он использует воду или масло или некоторую жидкость, которая является хорошим поглотителем микроволн.

Изменение температуры жидкости до и после ввода нагрузки принимается за калибровку значений. Ограничения в этом методе такие, как определение расхода, калибровка и тепловая инерция и т. Д.

Измерение затухания

На практике микроволновые компоненты и устройства часто обеспечивают некоторое ослабление. Величина предлагаемого ослабления может быть измерена двумя способами. Это — метод отношения мощностей и метод RF замены.

Затухание — это отношение входной мощности к выходной мощности, которое обычно выражается в децибелах.

AttenuationindBs=10log fracPinPout $$Attenuation \: in \: dBs = 10 \: log \ frac {P_ {in}} {P_ {out}}$$

Где $P_ {in}$ = входная мощность и $P_ {out}$ = выходная мощность

Коэффициент мощности

В этом методе измерение затухания происходит в два этапа.

• Шаг 1 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется без устройства, для которого необходимо рассчитать затухание.

• Шаг 2 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется с помощью устройства, затухание которого необходимо рассчитать.

Шаг 1 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется без устройства, для которого необходимо рассчитать затухание.

Шаг 2 — Входная и выходная мощность всей микроволновой скамьи выполняется с помощью устройства, затухание которого необходимо рассчитать.

Соотношение этих мощностей при сравнении дает величину затухания.

На следующих рисунках показаны две установки, которые это объясняют.

Недостаток — измерения мощности и затухания могут быть неточными, когда входная мощность мала, а затухание в сети велико.

Метод замещения РФ

В этом методе измерение затухания происходит в три этапа.

• Шаг 1 — Выходная мощность всего микроволнового стенда измеряется с помощью сети, для которой необходимо рассчитать затухание.

• Шаг 2 — Выходная мощность всей микроволновой скамьи измеряется путем замены сети на точно откалиброванный аттенюатор.

• Шаг 3 — Теперь этот аттенюатор настроен для получения той же мощности, что измерена в сети.

Шаг 1 — Выходная мощность всего микроволнового стенда измеряется с помощью сети, для которой необходимо рассчитать затухание.

Шаг 2 — Выходная мощность всей микроволновой скамьи измеряется путем замены сети на точно откалиброванный аттенюатор.

Шаг 3 — Теперь этот аттенюатор настроен для получения той же мощности, что измерена в сети.

На следующих рисунках показаны две установки, которые это объясняют.

Отрегулированное значение на аттенюаторе дает затухание в сети напрямую. Недостаток в вышеупомянутом способе здесь исключается, и, следовательно, это лучшая процедура для измерения затухания.

Измерение сдвига фаз

В практических условиях работы может происходить изменение фазы сигнала от фактического сигнала. Чтобы измерить такой сдвиг фазы, мы используем метод сравнения, с помощью которого мы можем откалибровать сдвиг фазы.

Настройка для расчета сдвига фазы показана на следующем рисунке.

Здесь, после того как микроволновый источник генерирует сигнал, он пропускается через тройник H-плоскости, из которого один порт подключен к сети, фазовый сдвиг которой должен быть измерен, а другой порт подключен к регулируемому точному фазовращателю.

Демодулированный выход представляет собой синусоидальную волну с частотой 1 кГц, которая наблюдается в подключенном CRO. Этот фазовращатель регулируется таким образом, чтобы его синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц также соответствовал вышеуказанному. После того, как согласование выполнено путем наблюдения в CRO двойного режима, этот точный фазовращатель дает нам показание фазового сдвига. Это ясно понимается на следующем рисунке.

Эта процедура наиболее часто используется при измерении фазового сдвига. Теперь давайте посмотрим, как рассчитать КСВН.

Измерение КСВН

В любом практическом применении в СВЧ-диапазоне любые рассогласования импеданса приводят к образованию стоячих волн. Сила этих стоячих волн измеряется с помощью коэффициента стоячей волны напряжения ($VSWR$). Отношение максимального к минимальному напряжению дает значение $VSWR$, которое обозначается как $S$.

$$S = \ frac {V_ {max}} {V_ {min}} = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho}$$

Где  rho=отражениекоэффициент= fracPотраженныйPинцидент$\ rho = отражение \: коэффициент = \ frac {P_ {отраженный}} {P_ {инцидент}}$

Измерение $VSWR$ может быть выполнено двумя способами: измерения Low $VSWR$ и High $VSWR$.

Измерение низкого КСВН (S <10)

Измерение низкого значения $VSWR$ можно выполнить, отрегулировав аттенюатор, чтобы получить показания на милливольтметре постоянного тока, который является измерителем VSWR. Показания могут быть получены путем регулировки линии с прорезями и аттенюатора таким образом, чтобы милливольтметр постоянного тока показывал показания полной шкалы, а также минимальные показания.

Теперь эти два показания рассчитаны для определения $VSWR$ сети.

Измерение высокого КСВН (S> 10)

Измерение высокого значения $VSWR$, значение которого больше 10, может быть измерено методом, называемым методом двойного минимума . В этом методе считываются показания с минимальным значением, а также считываются показания в половине минимального значения в гребне до и после гребня. Это можно понять по следующему рисунку.

Теперь $VSWR$ можно рассчитать с помощью отношения, заданного как —

$$VSWR = \ frac {\ lambda_ {g}} {\ pi (d_2-d_1)}$$

Где  lambdagistheguidedдлинаволны$\ lambda_g \: is \: the \: guided \: длина волны$

 lambdag= frac lambda0 sqrt1−( frac lambda0 lambdac)2 quadwhere lambda0=c/f $$\ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {\ sqrt {1 - (\ frac {\ lambda_0} {\ lambda_c}) ^ 2}} \ quad where \: \ lambda_0 \: = {c} / {f}$$

Поскольку здесь рассматриваются две минимальные точки, это называется методом двойного минимума. Теперь давайте узнаем об измерении импеданса.

Измерение импеданса

Помимо Magic Tee у нас есть два разных метода: один использует щелевую линию, а другой использует рефлектометр.

Импеданс с использованием щелевой линии

В этом методе импеданс измеряется с использованием отрезанной линии и нагрузки $Z_L$, и с помощью этого можно определить $V_ {max}$ и $V_ {min}$. В этом методе измерение импеданса происходит в два этапа.

• Шаг 1 — Определение Vmin с использованием load $Z_L$.

• Шаг 2 — Определение Vmin путем короткого замыкания нагрузки.

Шаг 1 — Определение Vmin с использованием load $Z_L$.

Шаг 2 — Определение Vmin путем короткого замыкания нагрузки.

Это показано на следующих рисунках.

Когда мы пытаемся получить значения $V_ {max}$ и $V_ {min}$, используя нагрузку, мы получаем определенные значения. Однако, если то же самое делается путем короткого замыкания нагрузки, минимум сдвигается либо вправо, либо влево. Если это смещение влево, это означает, что нагрузка является индуктивной, а если это смещение вправо, это означает, что нагрузка носит емкостный характер. На следующем рисунке это объясняется.

Записывая данные, неизвестный импеданс рассчитывается. Коэффициент импеданса и отражения $\ rho$ можно получить как по величине, так и по фазе.

Импеданс с помощью рефлектометра

В отличие от щелевой линии, рефлектометр помогает определить только величину импеданса, а не фазовый угол. В этом методе принимаются два направленных ответвителя, которые идентичны, но различаются по направлению.

Эти два ответвителя используются для выборки падающей мощности $P_i$ и отраженной мощности $P_r$ от нагрузки. Рефлектометр подключен, как показано на следующем рисунке. Он используется для получения величины коэффициента отражения $\ rho$, из которого можно получить импеданс.

Из показаний рефлектометра мы имеем

$$\ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}}$$

Из значения $\ rho$ $VSWR$, т. Е. $S$ и импеданс, можно рассчитать как

$$S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} \ quad и \ quad \ frac {z-z_g} {z + z_g} = \ rho$$

Где $z_g$ — это волновое сопротивление, а $z$ — неизвестное сопротивление.

Несмотря на то, что здесь наблюдаются параметры прямой и обратной волны, помехи не будут возникать из-за направленности ответвителей. Аттенюатор помогает поддерживать низкую потребляемую мощность.

Измерение добротности резонатора резонатора

Хотя существует три метода, таких как метод передачи, метод импеданса и метод переходного затухания или метод затухания для измерения добротности резонатора резонатора, наиболее простым и наиболее часто используемым методом является метод передачи . Итак, давайте посмотрим на его настройку измерения.

В этом методе резонатор резонатора действует как устройство, которое передает. Выходной сигнал представлен в виде функции частоты, которая приводит к резонансной кривой, как показано на следующем рисунке.

Из вышеприведенной настройки частота сигнала микроволнового источника изменяется, сохраняя уровень сигнала постоянным, а затем измеряется выходная мощность. Резонатор резонатора настроен на эту частоту, и уровень сигнала и выходная мощность снова записываются, чтобы заметить разницу.

Когда график выводится, получается резонансная кривая, из которой можно заметить значения $(2 \ Delta)$ Half Power Bandwidth (HPBW).

$$2 \ Delta = \ pm \ frac {1} {Q_L}$$

Где $Q_L$ — загруженное значение

$$или \ quad Q_L = \ pm \ frac {1} {2 \ Delta} = \ pm \ frac {w} {2 (w-w_0)}$$

Если связью между микроволновым источником и полостью, а также связью между детектором и полостью пренебрегают, то

QL=Q0(беззагрузкиQ) $$Q_L = Q_0 \: (без загрузки \: Q)$$

недостаток

Основным недостатком этой системы является то, что точность в системах с очень высоким Q немного плоха из-за узкой полосы действия.

Мы рассмотрели много типов методов измерения различных параметров. Теперь давайте попробуем решить несколько примеров проблем с ними.