Microwave-engineering-measurements
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、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。 効果的な使用のために。
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
測定されるマイクロ波電力は、導波管内の任意の位置での平均電力です。 パワー測定には3つのタイプがあります。
- 低電力の測定（0.01mW〜10mW） +例-ボロメトリック技術
- 中電力の測定（10mW〜1W） +例-熱量計のテクニック
- 高出力（> 10W）の測定 +例-カロリーメーターワットメーター
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〜10mW前後のマイクロ波電力の測定は、低電力の測定と理解できます。
- ボロメータ*は、低マイクロ波電力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のものです。 たとえば、barraterには正の温度係数があり、温度が上昇すると抵抗が増加します。 サーミスタは、温度が上昇すると抵抗が減少する負の温度係数を持っています。
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電力に比例します。 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、不均衡が生じ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典型的な例を次の図に示します。
ここのミリアンメータは、流れる電流の値を示します。 バッテリーは可変で、ボロメーターの動作によって不均衡が生じると、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能力は制限されています。
中電力の測定
10mWから1W前後のマイクロ波電力の測定は、中電力の測定として理解できます。
通常、特定の値の比熱を維持する特別な負荷が使用されます。 測定対象の電力は、その入力に適用され、すでに維持し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前後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、乾式および流動タイプの熱量計で測定されます。 ドライタイプは、ヒステリシス損失の大きい誘電体で満たされた同軸ケーブルを使用するために命名され、フロータイプは、マイクロ波の優れた吸収体である水または油または液体を使用するために命名されます。
負荷に入る前後の液体の温度の変化は、値の較正のために取得されます。 この方法の制限は、流量測定、キャリブレーション、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とデバイスは、しばしば減衰を提供します。 提供される減衰量は、2つの方法で測定できます。 それらは-パワー比法とRF置換法です。
減衰は、入力電力と出力電力の比であり、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} $ =入力電力および$ 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。
- *ステップ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。
- *ステップ2 *-マイクロ波ベンチ全体の入力および出力は、減衰を計算する必要のあるデバイスで実行されます。
これらのパワーの比を比較すると、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。
欠点-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可能性があります。
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。
- *ステップ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があるネットワークで測定されます。
- *ステップ2 *-ネットワークを精密に較正された減衰器に置き換えることにより、マイクロ波ベンチ全体の出力が測定されます。
- *ステップ3 *-この減衰器は、ネットワークで測定されたのと同じパワーを得るために調整されます。
次の図は、これを説明する2つのセットアップです。
RF Substitution Method Setup1 RF Substitution Method Setup2
減衰器の調整値は、ネットワークの減衰を直接与えます。 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
実際の作業条件では、実際の信号から信号に位相変化が生じ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、比較技術を使用して、位相シフトを較正できます。
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プレーンTeeジャンクションを通過し、そこ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精密位相シフターに接続されます。
復調された出力は、接続されたCROで観測される1 KHzの正弦波です。 この位相シフターは、1 KHz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で観察してマッチングが行われた後、この精密な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。 次に、VSWRの計算方法を見てみましょう。
VSWRの測定
マイクロ波の実用的な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整合が定在波の形成につながります。 これらの定在波の強度は、電圧定在波比（$ VSWR $）で測定されます。 最大電圧と最小電圧の比率により、$ VS $が得られます。
S = \ frac \ {V _ \ {max}} \ {V _ \ {min}} = \ frac \ {1+ \ rho} \ {1- \ rho}
ここで、$ \ rho = reflection \：co -efficient = \ frac \ {P _ \ {reflected}} \ {P _ \ {incident}} $
$ VSWR $の測定は、低$ VSWR $および高$ VSWR $測定の2つの方法で実行できます。
低VSWRの測定（S <10）
低VSWR $の測定は、減衰器を調整してVSWRメーターであるDCミリボルトメーターで測定値を取得することで実行できます。 読み取り値は、DCミリボルトメーターがフルスケール読み取り値と最小読み取り値を示すように、スロット付きラインと減衰器を調整することで取得できます。
ここで、これら2つの読み取り値が計算され、ネットワークの$ VSWR $が検出されます。
高VSWRの測定（S> 10）
値が10を超える高い$ VSWR $の測定は、 double minimum method と呼ばれる方法で測定できます。 この方法では、最小値での読み取り値が取得され、前の山と後の山の最小値の半分のポイントでの読み取り値も取得されます。 これは次の図で理解できます。
今、$ VSWR $は、次のように与えられる関係によって計算することができます-
VSWR = \ frac \ {\ lambda _ \ {g}} \ {\ pi（d_2-d_1）}
ここで、$ \ 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、これは二重最小法と呼ばれます。 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で、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付きラインと負荷$ Z_L $を使用して測定され、これを使用して$ V _ \ {max} $および$ V _ \ {min} $を決定できます。 この方法では、インピーダンスの測定は2つのステップで行われます。
- *ステップ1 *-負荷$ Z_L $を使用してVminを決定します。
- *ステップ2 *-負荷を短絡してVminを決定します。
これを次の図に示します。
Impedance Measurement Setup1 Impedance Measurement Setup2
負荷を使用して$ V _ \ {max} $および$ V _ \ {min} $の値を取得しようとすると、特定の値が取得されます。 ただし、負荷を短絡して同じことを行うと、最小値は右または左にシフトします。 このシフトが左にある場合、それは負荷が誘導性であることを意味し、シフトが右にある場合、それは負荷が本質的に容量性であることを意味します。 次の図はこれを説明しています。
データを記録することにより、未知のインピーダンスが計算されます。 インピーダンスと反射係数$ \ rho $は、振幅と位相の両方で取得できます。
反射率計を使用したインピーダンス
スロットラインとは異なり、反射率計はインピーダンスの大きさのみを検出し、位相角は検出しません。 この方法では、同一であるが方向が異なる2つの方向性結合器が使用されます。
これら2つのカプラーは、負荷からの入射電力$ P_i $および反射電力$ P_r $のサンプリングに使用されます。 反射率計は、次の図に示すように接続されます。 これは、インピーダンスを取得できる反射係数$ \ rho $の大きさを取得するために使用されます。
反射率計の読み取りから、
\ rho = \ sqrt \ {\ frac \ {P_r} \ {P_i}}
$ \ rho $の値から、$ VSWR $、つまり $ S $とインピーダンスは次のように計算できます
S = \ frac \ {1+ \ rho} \ {1- \ rho} \ quadおよび\ quad \ frac \ {z-z_g} \ {z + z_g} = \ rho
ここで、$ z_g $は既知の波動インピーダンスであり、$ z $は未知のインピーダンスです。
ここでは順方向と逆方向の波パラメータが観察されますが、カプラの方向特性による干渉はありません。 減衰器は、低入力電力の維持に役立ちます。
空洞共振器のQの測定
空洞共振器の Q を測定するには、透過法、インピーダンス法、過渡減衰法または減衰法などの3つの方法がありますが、最も簡単で最も従う方法は*伝送法*です。 したがって、その測定セットアップを見てみましょう。
この方法では、空洞共振器が送信デバイスとして機能します。 出力信号は周波数の関数としてプロットされ、次の図に示すように共振曲線になります。
上記の設定から、マイクロ波源の信号周波数が変化し、信号レベルが一定に保たれた後、出力電力が測定されます。 空洞共振器はこの周波数に調整され、信号レベルと出力電力が再び記録されて、違いがわかります。
出力がプロットされると、共振曲線が得られ、そこから半出力帯域幅（HPBW）$（2 \ Delta）$値に気付くことができます。
2 \ Delta = \ pm \ frac \ {1} \ {Q_L}
ここで、$ Q_L $はロードされた値です
または\ quad Q_L = \ pm \ frac \ {1} \ {2 \ Delta} = \ pm \ frac \ {w} \ {2（w-w_0）}
マイクロ波源と空洞の間の結合、および検出器と空洞の間の結合が無視される場合、
Q_L = Q_0 \：（アンロードされた\：Q）
欠点
このシステムの主な欠点は、Qが非常に高いシステムでは、動作帯域が狭いために精度が少し悪いことです。
さまざまなパラメータの多くの種類の測定手法を取り上げました。 次に、これらの問題の例をいくつか解決してみましょう。
