Ingegneria a microonde - Misurazioni
Nel campo dell'ingegneria a microonde, esistono molte applicazioni, come già affermato nel primo capitolo. Quindi, durante l'utilizzo di diverse applicazioni, spesso ci imbattiamo nella necessità di misurare diversi valori come potenza, attenuazione, sfasamento, VSWR, impedenza, ecc. Per un utilizzo efficace.
In questo capitolo, diamo uno sguardo alle diverse tecniche di misurazione.
Misurazione della potenza
La potenza del microonde misurata è la potenza media in qualsiasi posizione nella guida d'onda. La misurazione della potenza può essere di tre tipi.
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Misurazione della bassa potenza (da 0,01 mW a 10 mW)
Esempio: tecnica bolometrica
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Misura della potenza media (da 10 mW a 1 W)
Esempio: tecnica del calorimetro
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Misura di alta potenza (> 10 W)
Esempio: Calorimetro Watt metro
Vediamoli in dettaglio.
Misura di bassa potenza
La misurazione della potenza delle microonde tra 0,01 mW e 10 mW può essere intesa come la misurazione di bassa potenza.
Bolometerè un dispositivo che viene utilizzato per misurazioni di bassa potenza a microonde. L'elemento utilizzato nel bolometro potrebbe essere di coefficiente di temperatura positivo o negativo. Ad esempio, un barattolo ha un coefficiente di temperatura positivo la cui resistenza aumenta con l'aumento della temperatura. Il termistore ha un coefficiente di temperatura negativo la cui resistenza diminuisce con l'aumentare della temperatura.
Ognuno di essi può essere utilizzato nel bolometro, ma la variazione di resistenza è proporzionale alla potenza del microonde applicata per la misurazione. Questo bolometro viene utilizzato in un ponte delle braccia come uno in modo che qualsiasi squilibrio causato, influenzi l'uscita. Un tipico esempio di un circuito a ponte che utilizza un bolometro è mostrato nella figura seguente.
Il milliamperometro qui, dà il valore della corrente che scorre. La batteria è variabile, che viene variata per ottenere l'equilibrio, quando uno sbilanciamento è causato dal comportamento del bolometro. Questa regolazione che viene effettuata nella tensione della batteria CC è proporzionale alla potenza del microonde. La capacità di gestione della potenza di questo circuito è limitata.
Misura di potenza media
La misurazione della potenza delle microonde da circa 10 mW a 1 W può essere intesa come la misurazione della potenza media.
Viene impiegato un carico speciale, che normalmente mantiene un certo valore di calore specifico. La potenza da misurare, viene applicata al suo ingresso che modifica proporzionalmente la temperatura di uscita del carico che già mantiene. La differenza nell'aumento di temperatura specifica la potenza microonde in ingresso al carico.
La tecnica del bilanciamento del ponte viene utilizzata qui per ottenere l'output. Il metodo di trasferimento del calore viene utilizzato per la misurazione della potenza, che è una tecnica calorimetrica.
Misura di alta potenza
La misurazione della potenza del microonde da circa 10W a 50KW può essere intesa come la misurazione di alta potenza.
La potenza High Microonde viene normalmente misurata dai wattmetri calorimetrici, che possono essere del tipo a secco ea flusso. Il tipo a secco è chiamato così perché utilizza un cavo coassiale che è riempito con dielettrico ad alta perdita di isteresi, mentre il tipo a flusso è chiamato così perché utilizza acqua o olio o un liquido che è un buon assorbitore di microonde.
La variazione di temperatura del liquido prima e dopo l'ingresso nel carico, viene presa per la taratura dei valori. I limiti di questo metodo sono come la determinazione del flusso, la calibrazione e l'inerzia termica, ecc.
Misura dell'attenuazione
In pratica, i componenti e i dispositivi a microonde spesso forniscono una certa attenuazione. La quantità di attenuazione offerta può essere misurata in due modi. Sono: metodo del rapporto di potenza e metodo di sostituzione RF.
L'attenuazione è il rapporto tra la potenza in ingresso e la potenza in uscita ed è normalmente espressa in decibel.
$$ Attenuazione \: in \: dBs = 10 \: log \ frac {P_ {in}} {P_ {out}} $$
Dove $ P_ {in} $ = Potenza in ingresso e $ P_ {out} $ = Potenza in uscita
Metodo del rapporto di potenza
In questo metodo, la misurazione dell'attenuazione avviene in due fasi.
Step 1 - La potenza in ingresso e in uscita dell'intero banco Microonde è fatta senza il dispositivo di cui si vuole calcolare l'attenuazione.
Step 2 - La potenza in ingresso e in uscita dell'intero banco Microonde viene effettuata con il dispositivo di cui si vuole calcolare l'attenuazione.
Il rapporto tra queste potenze, se confrontato, fornisce il valore di attenuazione.
Le figure seguenti sono le due configurazioni che spiegano questo.
Drawback - Le misurazioni di potenza e attenuazione potrebbero non essere accurate, quando la potenza in ingresso è bassa e l'attenuazione della rete è grande.
Metodo di sostituzione RF
In questo metodo, la misurazione dell'attenuazione avviene in tre fasi.
Step 1 - La potenza di uscita dell'intero banco Microonde viene misurata con la rete di cui si vuole calcolare l'attenuazione.
Step 2 - La potenza di uscita dell'intero banco Microonde viene misurata sostituendo la rete con un attenuatore calibrato di precisione.
Step 3 - Ora, questo attenuatore è regolato per ottenere la stessa potenza misurata con la rete.
Le figure seguenti sono le due configurazioni che spiegano questo.
Il valore regolato sull'attenuatore fornisce l'attenuazione della rete direttamente. Lo svantaggio del metodo sopra viene evitato qui e quindi questa è una procedura migliore per misurare l'attenuazione.
Misurazione dello sfasamento
In condizioni di lavoro pratiche, potrebbe verificarsi un cambiamento di fase nel segnale dal segnale effettivo. Per misurare tale sfasamento, utilizziamo una tecnica di confronto, con la quale possiamo calibrare lo sfasamento.
La configurazione per calcolare lo sfasamento è mostrata nella figura seguente.
Qui, dopo che la sorgente di microonde ha generato il segnale, questo viene fatto passare attraverso una giunzione a T sul piano H da cui una porta è collegata alla rete di cui si vuole misurare lo sfasamento e l'altra porta è collegata a uno sfasatore di precisione regolabile.
L'uscita demodulata è un'onda sinusoidale da 1 KHz, che si osserva nella CRO collegata. Questo sfasatore è regolato in modo che anche la sua uscita dell'onda sinusoidale di 1 KHz corrisponda a quanto sopra. Dopo che la corrispondenza è stata eseguita osservando nella doppia modalità CRO, questo sfasatore di precisione ci fornisce la lettura dello sfasamento. Ciò è chiaramente compreso dalla figura seguente.
Questa procedura è quella maggiormente utilizzata nella misura dello sfasamento. Vediamo ora come calcolare il VSWR.
Misurazione di VSWR
In qualsiasi applicazione pratica a microonde, qualsiasi tipo di disadattamento di impedenza porta alla formazione di onde stazionarie. La forza di queste onde stazionarie è misurata dal rapporto delle onde stazionarie di tensione ($ VSWR $). Il rapporto tra la tensione massima e minima fornisce $ VSWR $, che è indicato da $ S $.
$$ S = \ frac {V_ {max}} {V_ {min}} = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} $$
Dove, $ \ rho = reflection \: co - efficient = \ frac {P_ {reflection}} {P_ {incident}} $
La misurazione di $ VSWR $ può essere eseguita in due modi, misurazioni $ VSWR $ bassa e VSWR $ alta $.
Misurazione di VSWR basso (S <10)
La misurazione di un $ VSWR $ basso può essere eseguita regolando l'attenuatore per ottenere una lettura su un millivoltmetro CC che è un misuratore VSWR. Le letture possono essere effettuate regolando la linea scanalata e l'attenuatore in modo tale che il millivoltmetro DC mostri una lettura di fondo scala oltre che una lettura minima.
Ora queste due letture vengono calcolate per scoprire il $ VSWR $ della rete.
Misurazione di VSWR elevato (S> 10)
La misurazione di un $ VSWR $ elevato il cui valore è maggiore di 10 può essere misurata con un metodo chiamato double minimum method. In questo metodo, viene presa la lettura al valore minimo e vengono prese anche le letture al mezzo punto del valore minimo nella cresta prima e nella cresta dopo. Questo può essere compreso dalla figura seguente.
Ora, $ VSWR $ può essere calcolato da una relazione, data come -
$$ VSWR = \ frac {\ lambda_ {g}} {\ pi (d_2-d_1)} $$
Dove, $ \ lambda_g \: è \: \: guidato \: lunghezza d'onda $
$$ \ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {\ sqrt {1 - (\ frac {\ lambda_0} {\ lambda_c}) ^ 2}} \ quad dove \: \ lambda_0 \: = {c} / {f} $$
Poiché qui vengono considerati i due punti minimi, questo viene chiamato metodo del doppio minimo. Ora, impariamo la misurazione dell'impedenza.
Misurazione dell'impedenza
Oltre a Magic Tee, abbiamo due metodi diversi, uno utilizza la linea scanalata e l'altro utilizza il riflettometro.
Impedenza utilizzando la linea scanalata
In questo metodo, l'impedenza viene misurata utilizzando la linea scanalata e il carico $ Z_L $ e utilizzando questo metodo è possibile determinare $ V_ {max} $ e $ V_ {min} $. In questo metodo, la misura dell'impedenza avviene in due fasi.
Step 1 - Determinazione di Vmin utilizzando load $ Z_L $.
Step 2 - Determinazione di Vmin cortocircuitando il carico.
Ciò è mostrato nelle figure seguenti.
Quando proviamo a ottenere i valori di $ V_ {max} $ e $ V_ {min} $ utilizzando un carico, otteniamo determinati valori. Tuttavia, se lo stesso viene fatto cortocircuitando il carico, il minimo viene spostato, a destra oa sinistra. Se questo spostamento è a sinistra, significa che il carico è induttivo e se lo spostamento è a destra, significa che il carico è di natura capacitiva. La figura seguente lo spiega.
Registrando i dati, viene calcolata un'impedenza sconosciuta. L'impedenza e il coefficiente di riflessione $ \ rho $ possono essere ottenuti sia in grandezza che in fase.
Impedenza utilizzando il riflettometro
A differenza della linea scanalata, il riflettometro aiuta a trovare solo l'ampiezza dell'impedenza e non l'angolo di fase. In questo metodo, vengono presi due accoppiatori direzionali che sono identici ma differiscono nella direzione.
Questi due accoppiatori vengono utilizzati per campionare la potenza incidente $ P_i $ e la potenza riflessa $ P_r $ dal carico. Il riflettometro è collegato come mostrato nella figura seguente. Serve per ottenere l'ampiezza del coefficiente di riflessione $ \ rho $, da cui si può ricavare l'impedenza.
Dalla lettura del riflettometro, abbiamo
$$ \ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} $$
Dal valore di $ \ rho $, $ VSWR $, cioè $ S $ e l'impedenza possono essere calcolati
$$ S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} \ quad e \ quad \ frac {z-z_g} {z + z_g} = \ rho $$
Dove $ z_g $ è un'impedenza d'onda nota e $ z $ è un'impedenza sconosciuta.
Sebbene i parametri dell'onda diretta e inversa siano osservati qui, non ci sarà alcuna interferenza a causa della proprietà direzionale degli accoppiatori. L'attenuatore aiuta a mantenere una bassa potenza di ingresso.
Misurazione della Q del risonatore in cavità
Sebbene esistano tre metodi come il metodo di trasmissione, il metodo di impedenza e il metodo di decadimento o decremento transitorio per la misurazione Q di un risonatore a cavità, il metodo più semplice e seguito è il Transmission Method. Quindi, diamo un'occhiata alla sua configurazione di misurazione.
In questo metodo, il risonatore a cavità funge da dispositivo che trasmette. Il segnale di uscita viene tracciato in funzione della frequenza che si traduce in una curva di risonanza come mostrato nella figura seguente.
Dalla configurazione sopra, la frequenza del segnale della sorgente a microonde viene variata, mantenendo costante il livello del segnale e quindi viene misurata la potenza di uscita. Il risonatore a cavità è sintonizzato su questa frequenza e il livello del segnale e la potenza di uscita vengono nuovamente annotati per notare la differenza.
Quando si traccia l'output si ottiene la curva di risonanza, dalla quale si possono notare i valori Half Power Bandwidth (HPBW) $ (2 \ Delta) $.
$$ 2 \ Delta = \ pm \ frac {1} {Q_L} $$
Dove $ Q_L $ è il valore caricato
$$ o \ quad Q_L = \ pm \ frac {1} {2 \ Delta} = \ pm \ frac {w} {2 (w-w_0)} $$
Se l'accoppiamento tra la sorgente di microonde e la cavità, così come l'accoppiamento tra il rivelatore e la cavità viene trascurato, allora
$$ Q_L = Q_0 \: (scaricato \: Q) $$
Inconveniente
Lo svantaggio principale di questo sistema è che la precisione è un po 'scarsa nei sistemi a Q molto alto a causa della stretta banda di funzionamento.
Abbiamo coperto molti tipi di tecniche di misurazione di diversi parametri. Ora, proviamo a risolvere alcuni problemi di esempio su questi.