Kỹ thuật vi sóng - Phép đo

Trong lĩnh vực kỹ thuật vi sóng, có rất nhiều ứng dụng, như đã được trình bày trong chương đầu tiên. Do đó, trong khi sử dụng các ứng dụng khác nhau, chúng ta thường bắt gặp nhu cầu đo các giá trị khác nhau như Công suất, Suy hao, Dịch pha, VSWR, Trở kháng, v.v. để sử dụng hiệu quả.

Trong chương này, chúng ta hãy xem xét các kỹ thuật đo lường khác nhau.

Đo công suất

Công suất vi sóng đo được là công suất trung bình tại bất kỳ vị trí nào trong ống dẫn sóng. Đo công suất có thể có ba loại.

Đo công suất thấp (0,01mW đến 10mW)

Ví dụ - Kỹ thuật Bolometric
Đo công suất trung bình (10mW đến 1W)

Ví dụ - Kỹ thuật nhiệt lượng kế
Đo công suất cao (> 10W)

Ví dụ - Nhiệt lượng kế Watt kế

Hãy để chúng tôi đi qua chúng một cách chi tiết.

Đo điện năng thấp

Phép đo công suất Vi sóng vào khoảng 0,01mW đến 10mW, có thể hiểu là phép đo công suất thấp.

Bolometerlà một thiết bị được sử dụng để đo công suất vi sóng thấp. Phần tử được sử dụng trong máy đo bu lông có thể có hệ số nhiệt độ dương hoặc âm. Ví dụ, một barrater có hệ số nhiệt độ dương mà điện trở của nó tăng khi nhiệt độ tăng. Thermistor có hệ số nhiệt độ âm mà điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

Bất kỳ trong số chúng đều có thể được sử dụng trong máy đo bu lông, nhưng sự thay đổi của điện trở tỷ lệ thuận với công suất Vi sóng được áp dụng để đo. Máy đo bu lông này được sử dụng trong một cầu nối của các cánh tay như một để bất kỳ sự mất cân bằng nào gây ra, đều ảnh hưởng đến đầu ra. Ví dụ điển hình của mạch cầu sử dụng máy đo bu lông như trong hình sau.

Milimét ở đây, cho giá trị của dòng điện chạy qua. Pin có thể thay đổi, được thay đổi để có được sự cân bằng, khi sự mất cân bằng được gây ra bởi hoạt động của máy đo bu lông. Điều chỉnh này được thực hiện ở điện áp pin DC tỷ lệ với công suất của Lò vi sóng. Khả năng xử lý điện của mạch này bị hạn chế.

Đo công suất trung bình

Phép đo công suất Vi sóng vào khoảng 10mW đến 1W, có thể hiểu là phép đo công suất trung bình.

Một tải đặc biệt được sử dụng, thường duy trì một giá trị nhất định của nhiệt riêng. Công suất được đo, được áp dụng ở đầu vào của nó làm thay đổi tỷ lệ nhiệt độ đầu ra của tải mà nó đã duy trì. Sự khác biệt về độ tăng nhiệt độ, chỉ định công suất Vi sóng đầu vào cho tải.

Kỹ thuật cân bằng cầu được sử dụng ở đây để lấy đầu ra. Phương pháp truyền nhiệt được sử dụng để đo công suất, là kỹ thuật đo nhiệt lượng.

Đo công suất cao

Phép đo công suất của Lò vi sóng vào khoảng 10W đến 50KW, có thể hiểu là phép đo công suất lớn.

Công suất vi sóng cao thường được đo bằng công tơ đo nhiệt lượng, có thể là loại khô và loại lưu lượng. Loại khô được đặt tên như vậy vì nó sử dụng cáp đồng trục chứa đầy di-điện có tổn thất từ trễ cao, trong khi loại dòng chảy được đặt tên như vậy vì nó sử dụng nước hoặc dầu hoặc một số chất lỏng là chất hấp thụ tốt của vi sóng.

Sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng trước và sau khi nhập tải, được lấy để hiệu chuẩn các giá trị. Các hạn chế trong phương pháp này như xác định lưu lượng, hiệu chuẩn và quán tính nhiệt, v.v.

Đo lường sự suy giảm

Trong thực tế, các thành phần và thiết bị Vi sóng thường cung cấp một số suy giảm. Lượng suy giảm được cung cấp có thể được đo lường theo hai cách. Đó là - Phương pháp tỷ lệ công suất và phương pháp thay thế RF.

Suy hao là tỷ số giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra và thường được biểu thị bằng decibel.

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

Trong đó $ P_ {in} $ = Công suất đầu vào và $ P_ {out} $ = Công suất đầu ra

Phương pháp tỷ lệ công suất

Trong phương pháp này, việc đo độ suy giảm diễn ra theo hai bước.

Step 1 - Công suất đầu vào và đầu ra của toàn bộ bàn Lò vi sóng được thực hiện mà không cần tính toán độ suy giảm của thiết bị.
Step 2 - Công suất đầu vào và đầu ra của toàn bộ bảng Lò vi sóng được thực hiện với thiết bị có độ suy giảm phải được tính toán.

Tỷ lệ của các lũy thừa này khi được so sánh sẽ cho giá trị của sự suy giảm.

Các hình sau đây là hai thiết lập giải thích điều này.

Drawback - Các phép đo công suất và độ suy giảm có thể không chính xác khi công suất đầu vào thấp và độ suy hao của mạng lớn.

Phương pháp thay thế RF

Trong phương pháp này, việc đo độ suy giảm diễn ra trong ba bước.

Step 1 - Công suất đầu ra của toàn bộ bảng Lò vi sóng được đo với mạng có độ suy giảm phải được tính toán.
Step 2 - Công suất đầu ra của toàn bộ bảng Lò vi sóng được đo bằng cách thay thế mạng bằng bộ suy hao được hiệu chuẩn chính xác.
Step 3 - Bây giờ, bộ suy hao này được điều chỉnh để có được công suất tương tự như được đo với mạng.

Các hình sau đây là hai thiết lập giải thích điều này.

Giá trị được điều chỉnh trên bộ suy hao cung cấp trực tiếp suy hao của mạng. Hạn chế trong phương pháp trên được tránh ở đây và do đó đây là một quy trình tốt hơn để đo độ suy giảm.

Đo lường sự dịch chuyển pha

Trong điều kiện làm việc thực tế, có thể xảy ra sự thay đổi pha của tín hiệu so với tín hiệu thực. Để đo độ lệch pha như vậy, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật so sánh, nhờ đó chúng tôi có thể hiệu chỉnh độ lệch pha.

Thiết lập để tính toán độ lệch pha được hiển thị trong hình sau.

Tại đây, sau khi nguồn vi sóng tạo ra tín hiệu, nó được truyền qua điểm nối Tee mặt phẳng H, từ đó một cổng được kết nối với mạng có độ lệch pha cần đo và cổng còn lại được kết nối với bộ dịch pha chính xác có thể điều chỉnh được.

Đầu ra giải điều chế là sóng sin 1 KHz, được quan sát trong CRO được kết nối. Bộ dịch pha này được điều chỉnh sao cho đầu ra của sóng sin 1 KHz cũng phù hợp với điều kiện trên. Sau khi khớp được thực hiện bằng cách quan sát ở chế độ kép CRO, bộ dịch pha chính xác này cho chúng ta đọc sự dịch chuyển pha. Điều này được hiểu rõ ràng qua hình sau.

Quy trình này được sử dụng nhiều nhất trong phép đo độ lệch pha. Bây giờ, chúng ta hãy xem cách tính VSWR.

Đo VSWR

Trong bất kỳ ứng dụng thực tế nào của Lò vi sóng, bất kỳ loại trở kháng nào không phù hợp đều dẫn đến hình thành sóng dừng. Độ mạnh của các sóng dừng này được đo bằng Tỷ lệ sóng đứng điện áp ($ VSWR $). Tỷ lệ giữa điện áp tối đa và điện áp tối thiểu cho $ VSWR $, được ký hiệu là $ S $.

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

Trong đó, $ \ rho = phản xạ \: co - hiệu quả = \ frac {P_ {phản ánh}} {P_ {sự cố}} $

Phép đo $ VSWR $ có thể được thực hiện theo hai cách, phép đo $ VSWR $ thấp và phép đo $ VSWR $ cao.

Đo VSWR thấp (S <10)

Phép đo $ VSWR $ thấp có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh bộ suy hao để có số đọc trên milivôn kế DC là máy đo VSWR. Các số đọc có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh đường có rãnh và bộ suy hao theo cách mà milivôn kế DC hiển thị giá trị đọc đầy đủ cũng như số đọc tối thiểu.

Bây giờ hai bài đọc này được tính toán để tìm ra $ VSWR $ của mạng.

Đo VSWR cao (S> 10)

Phép đo $ VSWR $ cao có giá trị lớn hơn 10 có thể được đo bằng phương pháp gọi là double minimum method. Trong phương pháp này, số đọc ở giá trị nhỏ nhất được lấy và các số đọc ở nửa điểm của giá trị nhỏ nhất ở đỉnh trước và đỉnh sau cũng được lấy. Điều này có thể được hiểu bằng hình sau.

Bây giờ, $ VSWR $ có thể được tính bằng một quan hệ, được cho là -

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

Ở đâu, $ \ lambda_g \: là \: \: được hướng dẫn \: bước sóng $

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

Vì hai điểm tối thiểu đang được xem xét ở đây, đây được gọi là phương pháp tối thiểu kép. Bây giờ, chúng ta hãy tìm hiểu về phép đo trở kháng.

Đo trở kháng

Ngoài Magic Tee, chúng ta có hai phương pháp khác nhau, một là sử dụng đường xẻ rãnh và phương pháp kia là sử dụng đồng hồ phản xạ.

Trở kháng sử dụng đường có rãnh

Trong phương pháp này, trở kháng được đo bằng đường có rãnh và tải $ Z_L $ và bằng cách sử dụng này, có thể xác định được $ V_ {max} $ và $ V_ {min} $. Trong phương pháp này, việc đo trở kháng diễn ra trong hai bước.

Step 1 - Xác định Vmin sử dụng tải $ Z_L $.
Step 2 - Xác định Vmin bằng cách nối ngắn mạch phụ tải.

Điều này được thể hiện trong các hình sau.

Khi chúng tôi cố gắng lấy các giá trị $ V_ {max} $ và $ V_ {min} $ bằng cách sử dụng tải, chúng tôi nhận được một số giá trị nhất định. Tuy nhiên, nếu điều tương tự được thực hiện bằng cách làm ngắn mạch tải, thì mức tối thiểu sẽ bị dịch chuyển sang phải hoặc sang trái. Nếu sự dịch chuyển này là sang trái, có nghĩa là tải là cảm ứng và nếu nó chuyển sang phải, có nghĩa là tải có bản chất là điện dung. Hình sau giải thích điều này.

Bằng cách ghi lại dữ liệu, một trở kháng chưa biết sẽ được tính toán. Trở kháng và hệ số phản xạ $ \ rho $ có thể thu được ở cả độ lớn và pha.

Trở kháng sử dụng phản xạ kế

Không giống như đường có rãnh, Reflectometer chỉ giúp tìm độ lớn của trở kháng chứ không phải góc pha. Trong phương pháp này, hai bộ ghép hướng giống hệt nhau nhưng khác hướng được thực hiện.

Hai bộ ghép này được sử dụng để lấy mẫu công suất tới $ P_i $ và công suất phản xạ $ P_r $ từ tải. Máy đo phản xạ được kết nối như trong hình sau. Nó được sử dụng để thu được độ lớn của hệ số phản xạ $ \ rho $, từ đó có thể thu được trở kháng.

Từ kết quả đo phản xạ, chúng ta có

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

Từ giá trị của $ \ rho $, $ VSWR $, tức là $ S $ và trở kháng có thể được tính bằng

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

Trong đó, $ z_g $ là trở kháng sóng đã biết và $ z $ là trở kháng chưa biết.

Mặc dù các tham số sóng thuận và ngược được quan sát ở đây, sẽ không có nhiễu do thuộc tính định hướng của bộ ghép nối. Bộ suy giảm giúp duy trì công suất đầu vào thấp.

Đo Q của bộ cộng hưởng từ khoang

Mặc dù có ba phương pháp như phương pháp truyền dẫn, phương pháp trở kháng và phương pháp phân rã tạm thời hoặc phương pháp suy giảm để đo Q của một bộ cộng hưởng khoang, phương pháp dễ nhất và được tuân thủ nhiều nhất là Transmission Method. Do đó, chúng ta hãy xem thiết lập đo lường của nó.

Trong phương pháp này, bộ cộng hưởng khoang hoạt động như một thiết bị truyền dẫn. Tín hiệu đầu ra được vẽ dưới dạng một hàm của tần số tạo ra một đường cong cộng hưởng như thể hiện trong hình sau.

Từ thiết lập ở trên, tần số tín hiệu của nguồn vi sóng được thay đổi, giữ cho mức tín hiệu không đổi và sau đó công suất đầu ra được đo. Bộ cộng hưởng khoang được điều chỉnh theo tần số này, và mức tín hiệu và công suất đầu ra một lần nữa được ghi lại để nhận thấy sự khác biệt.

Khi đầu ra được vẽ, đường cong cộng hưởng sẽ thu được, từ đó chúng ta có thể nhận thấy các giá trị Half Power Bandwidth (HPBW) $ (2 \ Delta) $.

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

Trong đó, $ Q_L $ là giá trị được tải

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

Nếu khớp nối giữa nguồn vi sóng và khoang chứa, cũng như khớp nối giữa máy dò và khoang bị bỏ qua, thì

$$ Q_L = Q_0 \: (chưa tải \: Q) $$

Hạn chế

Hạn chế chính của hệ thống này là, độ chính xác hơi kém trong hệ thống Q rất cao do băng tần hoạt động hẹp.

Chúng tôi đã đề cập đến nhiều loại kỹ thuật đo lường của các thông số khác nhau. Bây giờ, chúng ta hãy thử giải quyết một vài vấn đề ví dụ về những vấn đề này.