マイクロ波工学-測定

マイクロ波工学の分野では、最初の章ですでに述べたように、多くのアプリケーションが発生します。したがって、さまざまなアプリケーションを使用しているときに、効果的に使用するために、電力、減衰、位相シフト、VSWR、インピーダンスなどのさまざまな値を測定する必要があることがよくあります。

この章では、さまざまな測定手法を見てみましょう。

電力の測定

測定されたマイクロ波パワーは、導波管内の任意の位置での平均パワーです。電力測定には3つのタイプがあります。

低電力（0.01mW〜10mW）の測定

例-ボロメータ技術
中電力の測定（10mW〜1W）

例-熱量計技術
高出力（> 10W）の測定

例-熱量計電力計

それらについて詳しく見ていきましょう。

低電力の測定

0.01mWから10mW付近のマイクロ波電力の測定は、低電力の測定として理解できます。

Bolometer低マイクロ波パワー測定に使用されるデバイスです。ボロメータで使用される要素は、正または負の温度係数である可能性があります。たとえば、バレーターは正の温度係数を持ち、その抵抗は温度の上昇とともに増加します。サーミスタは負の温度係数を持ち、その抵抗は温度の上昇とともに減少します。

それらのいずれもボロメータで使用できますが、抵抗の変化は測定に適用されるマイクロ波パワーに比例します。このボロメータは、アームのブリッジで1つとして使用されるため、不均衡が発生すると、出力に影響します。ボロメータを使用したブリッジ回路の代表的な例を次の図に示します。

ここでのミリアンメータは、流れる電流の値を示します。ボロメータの動作によって不均衡が生じた場合、バッテリーは可変であり、バランスをとるために変化します。DCバッテリー電圧で行われるこの調整は、マイクロ波電力に比例します。この回路の電力処理容量には制限があります。

中電力の測定

10mWから1W付近のマイクロ波パワーの測定は、中程度のパワーの測定として理解できます。

通常、比熱の特定の値を維持する特別な負荷が使用されます。測定される電力は、入力に適用され、すでに維持されている負荷の出力温度を比例的に変化させます。温度上昇の差は、負荷への入力マイクロ波電力を指定します。

ここでは、ブリッジバランス手法を使用して出力を取得します。熱伝達法は、熱量測定技術である電力の測定に使用されます。

ハイパワーの測定

10Wから50KW付近のマイクロ波電力の測定は、高電力の測定として理解できます。

高マイクロ波電力は通常、熱量測定ワットメーターで測定されます。これは、乾式およびフロータイプの場合があります。ドライタイプはヒステリシス損失の大きい誘電体を充填した同軸ケーブルを使用することから名付けられ、フロータイプはマイクロ波の吸収に優れた水や油などの液体を使用することから名付けられました。

負荷に入る前後の液体の温度変化は、値の校正に使用されます。この方法の制限は、流量決定、校正、熱慣性などです。

減衰の測定

実際には、マイクロ波コンポーネントおよびデバイスは、多くの場合、ある程度の減衰を提供します。提供される減衰量は、2つの方法で測定できます。−電力比法とRF置換法です。

減衰は、出力電力に対する入力電力の比率であり、通常はデシベルで表されます。

$$減衰\：in \：dBs = 10 \：log \ frac {P_ {in}} {P_ {out}} $$

ここで、$ P_ {in} $ =入力電力、$ P_ {out} $ =出力電力

電力比法

この方法では、減衰の測定は2つのステップで行われます。

Step 1 −マイクロ波ベンチ全体の入力および出力電力は、減衰を計算する必要のあるデバイスなしで実行されます。
Step 2 −マイクロ波ベンチ全体の入力および出力電力は、減衰を計算する必要のあるデバイスを使用して行われます。

これらのパワーの比率を比較すると、減衰の値がわかります。

次の図は、これを説明する2つのセットアップです。

Drawback −入力電力が低く、ネットワークの減衰が大きい場合、電力と減衰の測定値が正確でない場合があります。

RF置換方法

この方法では、減衰の測定は3つのステップで行われます。

Step 1 −マイクロ波ベンチ全体の出力電力は、減衰を計算する必要のあるネットワークで測定されます。
Step 2 −マイクロ波ベンチ全体の出力電力は、ネットワークを精密に校正された減衰器に置き換えることによって測定されます。
Step 3 −これで、この減衰器は、ネットワークで測定されたものと同じ電力が得られるように調整されます。

次の図は、これを説明する2つのセットアップです。

アテニュエーターの調整値は、ネットワークの減衰を直接示します。上記の方法の欠点はここでは回避されるため、これは減衰を測定するためのより良い手順です。

位相シフトの測定

実際の動作条件では、実際の信号から信号に位相変化が発生する可能性があります。このような位相シフトを測定するために、位相シフトを較正できる比較手法を使用します。

位相シフトを計算するためのセットアップを次の図に示します。

ここで、マイクロ波源は信号を生成した後、H面ティージャンクションを通過します。このジャンクションから、一方のポートが位相シフトを測定するネットワークに接続され、もう一方のポートが調整可能な高精度位相シフターに接続されます。

復調された出力は1KHzの正弦波であり、接続されたCROで観測されます。この移相器は、1KHzの正弦波の出力も上記と一致するように調整されます。デュアルモードCROで観測することによりマッチングが行われた後、この高精度位相シフターは位相シフトの読み取りを提供します。これは、次の図から明確に理解できます。

この手順は、位相シフトの測定で最もよく使用される手順です。それでは、VSWRの計算方法を見てみましょう。

VSWRの測定

マイクロ波の実際のアプリケーションでは、あらゆる種類のインピーダンスの不一致が定在波の形成につながります。これらの定在波の強さは、電圧定在波比（$ VSWR $）によって測定されます。最大電圧と最小電圧の比率は$ VSWR $を与え、これは$ S $で表されます。

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

ここで、$ \ rho = Reflection \：co-efficiency = \ frac {P_ {reflected}} {P_ {incident}} $

$ VSWR $の測定は、低$ VSWR $と高$ VSWR $の2つの方法で実行できます。

低VSWRの測定（S <10）

低$ VSWR $の測定は、VSWRメーターであるDCミリボルトメーターで読み取り値を取得するように減衰器を調整することによって実行できます。読み取り値は、DCミリボルトメーターがフルスケールの読み取り値と最小の読み取り値を示すように、スロットラインと減衰器を調整することによって取得できます。

ここで、これら2つの読み取り値を計算して、ネットワークの$ VSWR $を見つけます。

高VSWRの測定（S> 10）

値が10を超える高い$ VSWR $の測定は、と呼ばれる方法で測定できます。 double minimum method。この方法では、最小値での読み取りが行われ、前の山と後の山の最小値の半点での読み取りも行われます。これは次の図で理解できます。

これで、$ VSWR $は、次のように与えられる関係によって計算できます。

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

ここで、$ \ lambda_g \：は\：\：ガイド付き\：波長$

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

ここでは2つの最小点が考慮されているため、これを二重最小法と呼びます。それでは、インピーダンスの測定について学びましょう。

インピーダンスの測定

Magic Teeとは別に、2つの異なる方法があります。1つはスロットラインを使用する方法、もう1つは反射率計を使用する方法です。

スロットラインを使用したインピーダンス

この方法では、インピーダンスはスロットラインと負荷$ Z_L $を使用して測定され、これを使用して$ V_ {max} $と$ V_ {min} $を決定できます。この方法では、インピーダンスの測定は2つのステップで行われます。

Step 1 −負荷$ Z_L $を使用してVminを決定します。
Step 2 −負荷を短絡してVminを決定します。

これを次の図に示します。

負荷を使用して$ V_ {max} $と$ V_ {min} $の値を取得しようとすると、特定の値が取得されます。ただし、負荷を短絡して同じことを行うと、最小値が右または左にシフトします。このシフトが左にある場合、それは負荷が誘導性であることを意味し、シフトが右にある場合、それは負荷が本質的に容量性であることを意味します。次の図はこれを説明しています。