Rekayasa Gelombang Mikro - Pengukuran

Dalam bidang rekayasa gelombang mikro, terdapat banyak penerapan, sebagaimana telah dikemukakan pada bab pertama. Oleh karena itu, saat menggunakan aplikasi yang berbeda, kami sering menemukan kebutuhan untuk mengukur nilai yang berbeda seperti Daya, Atenuasi, Pergeseran fasa, VSWR, Impedansi, dll. Untuk penggunaan yang efektif.

Dalam bab ini, mari kita lihat teknik pengukuran yang berbeda.

Pengukuran Daya

Daya Gelombang Mikro yang diukur adalah daya rata-rata di setiap posisi di pandu gelombang. Pengukuran daya dapat terdiri dari tiga jenis.

Pengukuran daya rendah (0,01mW hingga 10mW)

Contoh - Teknik bolometrik
Pengukuran daya Sedang (10mW hingga 1W)

Contoh - Teknik kalorimeter
Pengukuran Daya Tinggi (> 10W)

Contoh - Kalorimeter Watt meter

Mari kita bahas secara detail.

Pengukuran Daya Rendah

Pengukuran daya gelombang mikro sekitar 0,01mW hingga 10mW, dapat dipahami sebagai pengukuran daya rendah.

Bolometeradalah perangkat yang digunakan untuk pengukuran daya Microwave rendah. Elemen yang digunakan dalam bolometer dapat berupa koefisien suhu positif atau negatif. Misalnya, barrater memiliki koefisien suhu positif yang resistansinya meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Termistor memiliki koefisien temperatur negatif yang resistansinya menurun seiring dengan kenaikan temperatur.

Semua dapat digunakan di bolometer, tetapi perubahan resistansi sebanding dengan daya gelombang mikro yang digunakan untuk pengukuran. Bolometer ini digunakan di jembatan lengan sebagai satu sehingga setiap ketidakseimbangan yang disebabkan, mempengaruhi keluaran. Contoh tipikal rangkaian jembatan yang menggunakan bolometer adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Miliammeter di sini, memberikan nilai arus yang mengalir. Baterai bersifat variabel, yang divariasikan untuk mendapatkan keseimbangan, bila ketidakseimbangan disebabkan oleh perilaku bolometer. Penyesuaian yang dilakukan pada tegangan baterai DC ini sebanding dengan daya Microwave. Kapasitas penanganan daya sirkuit ini terbatas.

Pengukuran Daya Sedang

Pengukuran daya gelombang mikro sekitar 10mW hingga 1W, dapat dipahami sebagai pengukuran daya sedang.

Beban khusus digunakan, yang biasanya mempertahankan nilai panas spesifik tertentu. Daya yang akan diukur, diterapkan pada masukannya yang secara proporsional mengubah suhu keluaran dari beban yang sudah dipertahankannya. Perbedaan kenaikan suhu, menentukan daya gelombang mikro input ke beban.

Teknik keseimbangan jembatan digunakan di sini untuk mendapatkan hasil. Metode perpindahan panas digunakan untuk pengukuran daya yang merupakan teknik Kalorimetri.

Pengukuran Daya Tinggi

Pengukuran daya gelombang mikro sekitar 10W hingga 50KW, dapat dipahami sebagai pengukuran daya tinggi.

Daya Gelombang Mikro Tinggi biasanya diukur dengan meteran watt Kalorimetrik, yang dapat berupa tipe kering dan aliran. Tipe kering dinamai demikian karena menggunakan kabel koaksial yang diisi dengan di-elektrik dengan kehilangan histeresis tinggi, sedangkan tipe aliran dinamai demikian karena menggunakan air atau minyak atau cairan yang merupakan penyerap gelombang mikro yang baik.

Perubahan suhu cairan sebelum dan sesudah memasukkan beban, diambil untuk kalibrasi nilai. Batasan dalam metode ini seperti penentuan aliran, kalibrasi dan inersia termal, dll.

Pengukuran Atenuasi

Dalam praktiknya, komponen dan perangkat gelombang mikro sering kali memberikan atenuasi. Jumlah atenuasi yang ditawarkan dapat diukur dengan dua cara. Mereka adalah - Metode rasio daya dan metode substitusi RF.

Atenuasi adalah rasio daya input ke daya output dan biasanya dinyatakan dalam desibel.

$$ Atenuasi \: dalam \: dBs = 10 \: log \ frac {P_ {masuk}} {P_ {keluar}} $$

Dimana $ P_ {in} $ = Daya input dan $ P_ {out} $ = Daya keluaran

Metode Rasio Daya

Dalam metode ini, pengukuran atenuasi dilakukan dalam dua tahap.

Step 1 - Daya input dan output dari seluruh meja Microwave dilakukan tanpa perangkat yang atenuasinya harus dihitung.
Step 2 - Daya input dan output dari seluruh meja Microwave dilakukan dengan perangkat yang atenuasinya harus dihitung.

Rasio kekuatan-kekuatan ini jika dibandingkan, memberikan nilai redaman.

Gambar berikut adalah dua konfigurasi yang menjelaskan hal ini.

Drawback - Daya dan pengukuran atenuasi mungkin tidak akurat, ketika daya input rendah dan atenuasi jaringan besar.

Metode Substitusi RF

Dalam metode ini, pengukuran atenuasi dilakukan dalam tiga tahap.

Step 1 - Daya keluaran dari seluruh meja Microwave diukur dengan jaringan yang atenuasinya harus dihitung.
Step 2 - Daya keluaran dari seluruh meja Microwave diukur dengan mengganti jaringan dengan attenuator terkalibrasi presisi.
Step 3 - Sekarang, peredam ini disesuaikan untuk mendapatkan daya yang sama seperti yang diukur dengan jaringan.

Gambar berikut adalah dua konfigurasi yang menjelaskan hal ini.

Nilai yang disesuaikan pada atenuasi memberikan atenuasi jaringan secara langsung. Kelemahan dalam metode di atas dihindari di sini dan karenanya ini adalah prosedur yang lebih baik untuk mengukur atenuasi.

Pengukuran Pergeseran Fase

Dalam kondisi kerja praktis, mungkin terjadi perubahan fasa pada sinyal dari sinyal sebenarnya. Untuk mengukur pergeseran fasa tersebut, kami menggunakan teknik perbandingan, yang dengannya kami dapat mengkalibrasi pergeseran fasa.

Setup untuk menghitung pergeseran fasa ditunjukkan pada gambar berikut.

Di sini, setelah sumber gelombang mikro menghasilkan sinyal, itu dilewatkan melalui sambungan Tee bidang-H dari mana satu port dihubungkan ke jaringan yang pergeseran fasa akan diukur dan port lainnya dihubungkan ke pemindah fase presisi yang dapat disesuaikan.

Output yang didemodulasi adalah gelombang sinus 1 KHz, yang diamati pada CRO yang terhubung. Pengalih fase ini diatur sedemikian rupa sehingga output gelombang sinus 1 KHz juga sesuai dengan yang di atas. Setelah pencocokan dilakukan dengan mengamati dalam mode ganda CRO, shifter fase presisi ini memberi kita pembacaan pergeseran fasa. Ini jelas dipahami oleh gambar berikut.

Prosedur ini adalah yang paling banyak digunakan dalam pengukuran pergeseran fasa. Sekarang, mari kita lihat bagaimana menghitung VSWR.

Pengukuran VSWR

Dalam aplikasi praktis Microwave, segala jenis ketidaksesuaian impedansi menyebabkan pembentukan gelombang berdiri. Kekuatan gelombang berdiri ini diukur dengan Rasio Gelombang Berdiri Tegangan ($ VSWR $). Rasio tegangan maksimum ke minimum menghasilkan $ VSWR $, yang dilambangkan dengan $ S $.

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

Dimana, $ \ rho = refleksi \: co - efisien = \ frac {P_ {tercermin}} {P_ {insiden}} $

Pengukuran $ VSWR $ dapat dilakukan dengan dua cara yaitu pengukuran $ VSWR $ Rendah dan Tinggi $ VSWR $.

Pengukuran VSWR Rendah (S <10)

Pengukuran low $ VSWR $ dapat dilakukan dengan mengatur attenuator untuk mendapatkan pembacaan pada DC millivoltmeter yaitu VSWR meter. Pembacaan dapat dilakukan dengan menyesuaikan garis slotted dan attenuator sedemikian rupa sehingga DC millivoltmeter menunjukkan pembacaan skala penuh serta pembacaan minimum.

Sekarang kedua pembacaan ini dihitung untuk mengetahui $ VSWR $ jaringan.

Pengukuran VSWR Tinggi (S> 10)

Pengukuran tinggi $ VSWR $ yang nilainya lebih besar dari 10 dapat diukur dengan metode yang disebut double minimum method. Dalam metode ini, pembacaan pada nilai minimum diambil, dan pembacaan pada titik setengah dari nilai minimum di puncak sebelum dan setelah juga diambil. Hal tersebut dapat dipahami dengan gambar berikut.

Sekarang, $ VSWR $ dapat dihitung dengan relasi, diberikan sebagai -

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

Di mana, $ \ lambda_g \: is \: the \: guided \: wavelength $

$$ \ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {\ sqrt {1 - (\ frac {\ lambda_0} {\ lambda_c}) ^ 2}} \ quad di mana \: \ lambda_0 \: = {c} / {f} $$

Karena dua titik minimum sedang dipertimbangkan di sini, ini disebut sebagai metode minimum ganda. Sekarang, mari kita pelajari tentang pengukuran impedansi.

Pengukuran Impedansi

Selain Magic Tee, kami memiliki dua metode berbeda, satu menggunakan garis slotted dan yang lainnya menggunakan reflectometer.

Impedansi Menggunakan Garis Slotted

Dalam metode ini, impedansi diukur menggunakan slotted line dan memuat $ Z_L $ dan dengan menggunakan ini, $ V_ {max} $ dan $ V_ {min} $ dapat ditentukan. Dalam metode ini, pengukuran impedansi dilakukan dalam dua tahap.

Step 1 - Menentukan Vmin menggunakan load $ Z_L $.
Step 2 - Menentukan Vmin dengan melakukan hubungan arus pendek pada beban.

Ini ditunjukkan pada gambar berikut.

Ketika kami mencoba untuk mendapatkan nilai $ V_ {max} $ dan $ V_ {min} $ menggunakan beban, kami mendapatkan nilai tertentu. Namun, jika hal yang sama dilakukan dengan melakukan hubungan arus pendek pada beban, beban minimum akan bergeser, baik ke kanan atau ke kiri. Jika pergeseran ini ke kiri berarti beban induktif dan jika pergeseran ke kanan berarti beban bersifat kapasitif. Gambar berikut menjelaskan hal ini.

Dengan merekam data, impedansi yang tidak diketahui dihitung. Koefisien impedansi dan refleksi $ \ rho $ dapat diperoleh baik dalam besaran maupun fasa.

Impedansi Menggunakan Reflektometer

Tidak seperti garis slotted, Reflectometer membantu menemukan hanya besarnya impedansi dan bukan sudut fasa. Dalam metode ini, diambil dua penggandeng arah yang identik tetapi berbeda arahnya.

Kedua skrup ini digunakan dalam pengambilan sampel daya insiden $ P_i $ dan daya pantulan $ P_r $ dari beban. Reflektometer terhubung seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Ini digunakan untuk mendapatkan besarnya koefisien refleksi $ \ rho $, dari mana impedansi dapat diperoleh.

Dari pembacaan reflektometer, kami punya

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

Dari nilai $ \ rho $, $ VSWR $, yaitu $ S $ dan impedansinya dapat dihitung dengan

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

Dimana, $ z_g $ dikenal sebagai impedansi gelombang dan $ z $ adalah impedansi yang tidak diketahui.

Meskipun parameter gelombang maju dan mundur diamati di sini, tidak akan ada gangguan karena properti arah dari skrup. Atenuasi membantu menjaga daya input rendah.

Pengukuran Q Resonator Rongga

Meskipun ada tiga metode seperti metode transmisi, metode impedansi, dan metode peluruhan transien atau penurunan untuk pengukuran Q dari resonator rongga, metode termudah dan paling banyak diikuti adalah Transmission Method. Oleh karena itu, mari kita lihat pengaturan pengukurannya.

Dalam metode ini, resonator rongga bertindak sebagai perangkat yang mentransmisikan. Sinyal keluaran diplot sebagai fungsi frekuensi yang menghasilkan kurva resonansi seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Dari pengaturan di atas, frekuensi sinyal dari sumber gelombang mikro bervariasi, dengan menjaga level sinyal konstan dan kemudian daya keluaran diukur. Resonator rongga disetel ke frekuensi ini, dan level sinyal serta daya keluaran kembali dicatat untuk melihat perbedaannya.

Ketika output diplot, kurva resonansi diperoleh, dari mana kita dapat melihat nilai Half Power Bandwidth (HPBW) $ (2 \ Delta) $.

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

Dimana, $ Q_L $ adalah nilai yang dimuat

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

Jika kopling antara sumber gelombang mikro dan rongga, serta kopling antara detektor dan rongga diabaikan, maka

$$ Q_L = Q_0 \: (diturunkan \: Q) $$

Kekurangan

Kelemahan utama dari sistem ini adalah, keakuratannya agak buruk dalam sistem Q yang sangat tinggi karena pita operasi yang sempit.

Kami telah membahas banyak jenis teknik pengukuran parameter yang berbeda. Sekarang, mari kita coba memecahkan beberapa contoh soal tentang ini.