Inżynieria mikrofalowa - pomiary

Jak już wspomniano w pierwszym rozdziale, w dziedzinie inżynierii mikrofal występuje wiele zastosowań. Dlatego podczas korzystania z różnych aplikacji często spotykamy się z potrzebą pomiaru różnych wartości, takich jak moc, tłumienie, przesunięcie fazowe, VSWR, impedancja itp. W celu efektywnego wykorzystania.

W tym rozdziale przyjrzyjmy się różnym technikom pomiarowym.

Pomiar mocy

Zmierzona moc mikrofal to średnia moc w dowolnym miejscu falowodu. Pomiar mocy może mieć trzy typy.

• Pomiar małej mocy (0,01 mW do 10 mW)

  Przykład - technika bolometryczna

• Pomiar średniej mocy (10 mW do 1 W)

  Przykład - technika kalorymetryczna

• Pomiar dużej mocy (> 10 W)

  Przykład - watomierz kalorymetryczny

Omówmy je szczegółowo.

Pomiar małej mocy

Pomiar mocy mikrofal w zakresie od 0,01 mW do 10 mW można rozumieć jako pomiar małej mocy.

Bolometerjest urządzeniem służącym do pomiarów małej mocy mikrofalowej. Element zastosowany w bolometrze może mieć dodatni lub ujemny współczynnik temperaturowy. Na przykład bariera ma dodatni współczynnik temperaturowy, którego opór rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Termistor posiada ujemny współczynnik temperaturowy, którego rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Każdy z nich może być użyty w bolometrze, ale zmiana rezystancji jest proporcjonalna do mocy mikrofal zastosowanej do pomiaru. Ten bolometr jest używany w mostku ramion jako taki, aby każda nierównowaga miała wpływ na wydajność. Typowy przykład obwodu mostkowego z użyciem bolometru pokazano na poniższym rysunku.

Miliamperomierz podaje tutaj wartość przepływającego prądu. Bateria jest zmienna, która zmienia się w celu uzyskania równowagi, gdy brak równowagi jest spowodowany zachowaniem bolometru. Ta regulacja, która jest dokonywana przy napięciu akumulatora DC, jest proporcjonalna do mocy mikrofal. Zdolność przenoszenia mocy tego obwodu jest ograniczona.

Pomiar średniej mocy

Pomiar mocy mikrofal około 10mW do 1W, można rozumieć jako pomiar średniej mocy.

Stosuje się specjalne obciążenie, które zwykle utrzymuje określoną wartość ciepła właściwego. Mierzona moc jest podawana na jej wejściu, co proporcjonalnie zmienia temperaturę wyjściową obciążenia, które już utrzymuje. Różnica wzrostu temperatury określa wejściową moc mikrofal do obciążenia.

Do uzyskania danych wyjściowych używana jest tutaj technika równowagi mostkowej. Do pomiaru mocy stosowana jest metoda wymiany ciepła, czyli technika kalorymetryczna.

Pomiar dużej mocy

Pomiar mocy mikrofal od 10W do 50KW można rozumieć jako pomiar dużej mocy.

Moc wysokiej mikrofal jest zwykle mierzona za pomocą watomierzy kalorymetrycznych, które mogą być typu suchego i przepływowego. Typ suchy został nazwany tak, że wykorzystuje kabel koncentryczny, który jest wypełniony dielektrykiem o dużych stratach histerezy, podczas gdy typ przepływu nazywa się tak, że wykorzystuje wodę lub olej lub jakąś ciecz, która dobrze pochłania mikrofale.

Do kalibracji wartości brana jest zmiana temperatury cieczy przed i po wejściu do ładunku. Ograniczenia tej metody obejmują wyznaczanie przepływu, kalibrację i bezwładność cieplną itp.

Pomiar tłumienia

W praktyce komponenty i urządzenia mikrofalowe często zapewniają pewne tłumienie. Wielkość oferowanego tłumienia można mierzyć na dwa sposoby. Są to - metoda współczynnika mocy i metoda zastępowania RF.

Tłumienie to stosunek mocy wejściowej do mocy wyjściowej i jest zwykle wyrażane w decybelach.

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

Gdzie $P_{in}$ = Moc wejściowa i $P_{out}$ = Moc wyjściowa

Metoda współczynnika mocy

W tej metodzie pomiar tłumienia odbywa się dwuetapowo.

• Step 1 - Moc wejściowa i wyjściowa całej ławki mikrofalowej odbywa się bez urządzenia, którego tłumienie należy obliczyć.

• Step 2 - Moc wejściowa i wyjściowa całej ławki mikrofalowej odbywa się za pomocą urządzenia, którego tłumienie należy obliczyć.

Stosunek tych mocy w porównaniu daje wartość tłumienia.

Poniższe rysunki przedstawiają dwie konfiguracje, które to wyjaśniają.

Drawback - Pomiary mocy i tłumienia mogą nie być dokładne, jeśli moc wejściowa jest niska, a tłumienie sieci jest duże.

Metoda zastępowania RF

W tej metodzie pomiar tłumienia odbywa się w trzech krokach.

• Step 1 - Moc wyjściową całej ławki mikrofalowej mierzy się za pomocą sieci, której tłumienie należy obliczyć.

• Step 2 - Moc wyjściową całej ławki mikrofalowej mierzy się zastępując sieć precyzyjnie skalibrowanym tłumikiem.

• Step 3 - Teraz ten tłumik jest wyregulowany, aby uzyskać taką samą moc, jak zmierzona w sieci.

Poniższe rysunki przedstawiają dwie konfiguracje, które to wyjaśniają.

Ustawiona wartość na tłumiku podaje bezpośrednio tłumienie sieci. W tym przypadku unika się wady powyższej metody, dlatego jest to lepsza procedura pomiaru tłumienia.

Pomiar przesunięcia fazowego

W praktycznych warunkach pracy może wystąpić zmiana fazy sygnału w stosunku do sygnału rzeczywistego. Aby zmierzyć takie przesunięcie fazowe, używamy techniki porównawczej, za pomocą której możemy skalibrować przesunięcie fazowe.

Konfiguracja do obliczenia przesunięcia fazowego jest pokazana na poniższym rysunku.

Tutaj, po wygenerowaniu sygnału przez źródło mikrofal, przechodzi on przez trójnik w płaszczyźnie H, z którego jeden port jest podłączony do sieci, której przesunięcie fazowe ma być mierzone, a drugi port jest podłączony do regulowanego precyzyjnego przesuwnika fazy.

Demodulowanym wyjściem jest sinusoida 1 kHz, którą obserwuje się w podłączonym CRO. Ten przesuwnik fazowy jest tak wyregulowany, że jego wyjściowa fala sinusoidalna 1 kHz również odpowiada powyższemu. Po dopasowaniu wykonanym przez obserwację w podwójnym trybie CRO, ten precyzyjny przesuwnik fazowy daje nam odczyt przesunięcia fazowego. Wyraźnie widać to na poniższym rysunku.

Procedura ta jest najczęściej stosowana przy pomiarze przesunięcia fazowego. Zobaczmy teraz, jak obliczyć VSWR.

Pomiar VSWR

We wszelkich praktycznych zastosowaniach kuchenki mikrofalowej wszelkiego rodzaju niedopasowania impedancji prowadzą do powstawania fal stojących. Siła tych fal stojących jest mierzona współczynnikiem fali stojącej napięcia ($VSWR$). Stosunek napięcia maksymalnego do minimalnego daje$VSWR$, który jest oznaczony przez $S$.

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

Gdzie, $\rho = reflection \: co - efficient = \frac{P_{reflected}}{P_{incident}}$

Pomiar $VSWR$ można to zrobić na dwa sposoby, Low $VSWR$ i wysoka $VSWR$ pomiary.

Pomiar niskiego VSWR (S <10)

Pomiar niskiego $VSWR$można to zrobić, dostosowując tłumik, aby uzyskać odczyt na miliwoltomierzu prądu stałego, którym jest miernik VSWR. Odczyty można wykonać, ustawiając linię szczelinową i tłumik w taki sposób, aby miliwoltomierz DC pokazywał odczyt pełnej skali, jak również odczyt minimalny.

Teraz te dwa odczyty są obliczane, aby znaleźć $VSWR$ sieci.

Pomiar wysokiego VSWR (S> 10)

Pomiar wysokiego $VSWR$ których wartość jest większa niż 10, można zmierzyć metodą zwaną double minimum method. W tej metodzie pobierany jest odczyt przy wartości minimalnej, a także odczyty w połowie punktu wartości minimalnej w grzbiecie przed i po wierzchołku. Można to zrozumieć na poniższym rysunku.

Teraz $VSWR$ można obliczyć za pomocą relacji, podanej jako -

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

Gdzie, $\lambda_g \: is \: the \: guided \: wavelength$

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

Ponieważ rozważane są tutaj dwa punkty minimalne, nazywa się to metodą podwójnego minimum. Teraz nauczmy się pomiaru impedancji.

Pomiar impedancji

Oprócz Magic Tee mamy dwie różne metody, jedną z wykorzystaniem linii szczelinowej, a drugą z wykorzystaniem reflektometru.

Impedancja przy użyciu linii szczelinowej

W tej metodzie impedancję mierzy się za pomocą linii szczelinowej i obciążenia $Z_L$ i używając tego, $V_{max}$ i $V_{min}$może być zdeterminowany. W tej metodzie pomiar impedancji odbywa się dwuetapowo.

• Step 1 - Określanie Vmin za pomocą obciążenia $Z_L$.

• Step 2 - Wyznaczanie Vmin przez zwarcie obciążenia.

Pokazują to poniższe rysunki.

Kiedy próbujemy uzyskać wartości $V_{max}$ i $V_{min}$używając obciążenia, otrzymujemy określone wartości. Jeśli jednak to samo zostanie zrobione przez zwarcie obciążenia, minimum zostanie przesunięte w prawo lub w lewo. Jeśli to przesunięcie jest w lewo, oznacza to, że obciążenie jest indukcyjne, a jeśli przesunięcie w prawo, oznacza to, że obciążenie ma charakter pojemnościowy. Poniższy rysunek wyjaśnia to.

Zapisując dane, obliczana jest nieznana impedancja. Impedancja i współczynnik odbicia$\rho$ można uzyskać zarówno pod względem wielkości, jak i fazy.

Impedancja przy użyciu reflektometru

W przeciwieństwie do linii szczelinowej, reflektometr pomaga znaleźć tylko wielkość impedancji, a nie kąt fazowy. W tej metodzie brane są pod uwagę dwa łączniki kierunkowe, które są identyczne, ale różnią się kierunkiem.

Te dwa łączniki są używane do próbkowania mocy padającej $P_i$ i odbitej mocy $P_r$od ładunku. Reflektometr jest podłączony jak pokazano na poniższym rysunku. Służy do uzyskania wielkości współczynnika odbicia$\rho$, z którego można uzyskać impedancję.

Z odczytu reflektometru mamy

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

Od wartości $\rho$, the $VSWR$, tj $S$ a impedancję można obliczyć według

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

Gdzie, $z_g$ jest znana impedancja falowa i $z$ jest nieznana impedancja.

Chociaż obserwowane są tutaj parametry fali do przodu i do tyłu, nie będzie żadnych zakłóceń z powodu właściwości kierunkowej sprzęgaczy. Tłumik pomaga w utrzymaniu niskiej mocy wejściowej.

Pomiar Q rezonatora wnękowego

Chociaż istnieją trzy metody pomiaru, takie jak metoda transmisji, metoda impedancji i zanik przejściowy lub metoda zmniejszenia Q rezonatora wnękowego, najłatwiejszą i najczęściej stosowaną metodą jest Transmission Method. Dlatego przyjrzyjmy się jego konfiguracji pomiarowej.

W tej metodzie rezonator wnękowy działa jako urządzenie nadające. Sygnał wyjściowy jest wykreślany w funkcji częstotliwości, co skutkuje krzywą rezonansową, jak pokazano na poniższym rysunku.

Z powyższej konfiguracji zmienia się częstotliwość sygnału źródła mikrofalowego, utrzymując stały poziom sygnału, a następnie mierzy się moc wyjściową. Rezonator wnękowy jest dostrojony do tej częstotliwości, a poziom sygnału i moc wyjściowa są ponownie zapisywane, aby zauważyć różnicę.

Po wykreśleniu wyjścia otrzymujemy krzywą rezonansową, z której możemy zauważyć szerokość pasma połowy mocy (HPBW) $(2 \Delta)$ wartości.

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

Gdzie, $Q_L$ jest wczytaną wartością

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

Jeśli zaniedbuje się sprzężenie między źródłem mikrofal a wnęką, a także sprzężenie między czujnikiem a wnęką, to

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

Wada

Główną wadą tego systemu jest to, że dokładność jest nieco słaba w systemach o bardzo wysokiej wartości Q ze względu na wąskie pasmo działania.

Omówiliśmy wiele rodzajów technik pomiarowych o różnych parametrach. Spróbujmy teraz rozwiązać kilka przykładowych problemów.