Engenharia de Microondas - Medições

No campo da engenharia de micro-ondas, ocorrem muitas aplicações, conforme já afirmado no primeiro capítulo. Portanto, ao usar aplicativos diferentes, muitas vezes nos deparamos com a necessidade de medir valores diferentes, como potência, atenuação, mudança de fase, VSWR, impedância, etc. para o uso eficaz.

Neste capítulo, vamos dar uma olhada nas diferentes técnicas de medição.

Medição de potência

A potência de micro-ondas medida é a potência média em qualquer posição no guia de ondas. A medição de potência pode ser de três tipos.

  • Medição de baixa potência (0,01mW a 10mW)

    Exemplo - técnica bolométrica

  • Medição de média potência (10mW a 1W)

    Exemplo - técnica do calorímetro

  • Medição de alta potência (> 10W)

    Exemplo - Calorímetro Wattímetro

Vamos examiná-los em detalhes.

Medição de baixa potência

A medição da potência de Microondas em torno de 0,01mW a 10mW, pode ser entendida como a medição de baixa potência.

Bolometeré um dispositivo que é usado para medições de baixa potência de microondas. O elemento usado no bolômetro pode ser de coeficiente de temperatura positivo ou negativo. Por exemplo, um barrater tem um coeficiente de temperatura positivo cuja resistência aumenta com o aumento da temperatura. O termistor possui coeficiente de temperatura negativo cuja resistência diminui com o aumento da temperatura.

Qualquer um deles pode ser usado no bolômetro, mas a mudança na resistência é proporcional à potência de microondas aplicada para a medição. Este bolômetro é usado em uma ponte dos braços como um só para que qualquer desequilíbrio causado, afete a saída. Um exemplo típico de um circuito de ponte usando um bolômetro é mostrado na figura a seguir.

O miliamperímetro aqui, dá o valor da corrente fluindo. A bateria é variável, que é variada para se obter equilíbrio, quando um desequilíbrio é causado pelo comportamento do bolômetro. Este ajuste que é feito na voltagem da bateria DC é proporcional à potência do Micro-ondas. A capacidade de manuseio de energia deste circuito é limitada.

Medição de média potência

A medição da potência de microondas em torno de 10mW a 1W, pode ser entendida como a medição de potência média.

Uma carga especial é empregada, que geralmente mantém um certo valor de calor específico. A potência a ser medida, é aplicada em sua entrada que altera proporcionalmente a temperatura de saída da carga que já mantém. A diferença no aumento da temperatura especifica a potência de entrada de microondas para a carga.

A técnica de equilíbrio de ponte é usada aqui para obter a saída. O método de transferência de calor é usado para a medição de potência, que é uma técnica calorimétrica.

Medição de alta potência

A medição da potência de Microondas em torno de 10W a 50KW, pode ser entendida como a medição de alta potência.

A alta potência de micro-ondas é normalmente medida por medidores de watt calorimétricos, que podem ser do tipo seco e de fluxo. O tipo seco é denominado assim porque usa um cabo coaxial que é preenchido com dielétrico de alta perda de histerese, enquanto o tipo de fluxo é assim chamado porque usa água ou óleo ou algum líquido que é um bom absorvedor de microondas.

A mudança na temperatura do líquido antes e depois de entrar na carga, é levada para a calibração dos valores. As limitações deste método são como determinação de fluxo, calibração e inércia térmica, etc.

Medição de Atenuação

Na prática, os componentes e dispositivos de micro-ondas geralmente fornecem alguma atenuação. A quantidade de atenuação oferecida pode ser medida de duas maneiras. Eles são - Método de relação de potência e método de substituição de RF.

A atenuação é a relação entre a potência de entrada e a potência de saída e normalmente é expressa em decibéis.

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

Onde $ P_ {in} $ = potência de entrada e $ P_ {out} $ = potência de saída

Método de relação de potência

Nesse método, a medição da atenuação ocorre em duas etapas.

  • Step 1 - A potência de entrada e saída de toda a bancada Micro-ondas é feita sem o dispositivo cuja atenuação deve ser calculada.

  • Step 2 - A potência de entrada e saída de toda a bancada Microondas é feita com o dispositivo cuja atenuação deve ser calculada.

A proporção dessas potências, quando comparada, dá o valor de atenuação.

As figuras a seguir são as duas configurações que explicam isso.

Drawback - As medições de potência e atenuação podem não ser precisas, quando a potência de entrada é baixa e a atenuação da rede é grande.

Método de Substituição RF

Nesse método, a medição da atenuação ocorre em três etapas.

  • Step 1 - A potência de saída de toda a bancada de microondas é medida com a rede cuja atenuação deve ser calculada.

  • Step 2 - A potência de saída de toda a bancada de micro-ondas é medida substituindo a rede por um atenuador calibrado de precisão.

  • Step 3 - Agora, este atenuador é ajustado para obter a mesma potência medida com a rede.

As figuras a seguir são as duas configurações que explicam isso.

O valor ajustado no atenuador fornece a atenuação da rede diretamente. A desvantagem do método acima é evitada aqui e, portanto, este é um procedimento melhor para medir a atenuação.

Medição de mudança de fase

Em condições práticas de trabalho, pode ocorrer uma mudança de fase no sinal do sinal real. Para medir essa mudança de fase, usamos uma técnica de comparação, pela qual podemos calibrar a mudança de fase.

A configuração para calcular a mudança de fase é mostrada na figura a seguir.

Aqui, após a fonte de micro-ondas gerar o sinal, ele é passado por uma junção em T de plano H a partir da qual uma porta é conectada à rede cujo deslocamento de fase deve ser medido e a outra porta é conectada a um deslocador de fase de precisão ajustável.

A saída demodulada é uma onda senoidal de 1 KHz, que é observada no CRO conectado. Este deslocador de fase é ajustado de forma que sua saída de onda senoidal de 1 KHz também corresponda ao acima. Depois que o casamento é feito observando no CRO de modo duplo, este deslocador de fase de precisão nos dá a leitura do deslocamento de fase. Isso é claramente compreendido pela figura a seguir.

Este procedimento é o mais usado na medição do deslocamento de fase. Agora, vamos ver como calcular o VSWR.

Medição de VSWR

Em qualquer aplicação prática de microondas, qualquer tipo de incompatibilidade de impedância leva à formação de ondas estacionárias. A força dessas ondas estacionárias é medida pela relação da onda estacionária de tensão ($ VSWR $). A relação entre a tensão máxima e a mínima dá $ VSWR $, que é denotado por $ S $.

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

Onde, $ \ rho = reflexão \: coeficiente = \ frac {P_ {refletido}} {P_ {incidente}} $

A medição de $ VSWR $ pode ser feita de duas maneiras, medições de $ VSWR $ Baixo e $ VSWR $ Alto.

Medição de baixo VSWR (S <10)

A medição de baixo $ VSWR $ pode ser feita ajustando o atenuador para obter uma leitura em um milivoltímetro CC, que é um medidor VSWR. As leituras podem ser feitas ajustando a linha ranhurada e o atenuador de forma que o milivoltímetro CC mostre uma leitura de escala completa e também uma leitura mínima.

Agora, essas duas leituras são calculadas para descobrir o $ VSWR $ da rede.

Medição de alto VSWR (S> 10)

A medição de alto $ VSWR $ cujo valor é maior que 10 pode ser medida por um método chamado de double minimum method. Neste método, a leitura no valor mínimo é feita, e as leituras no meio ponto do valor mínimo na crista anterior e na crista posterior também são feitas. Isso pode ser entendido pela figura a seguir.

Agora, o $ VSWR $ pode ser calculado por uma relação, dado como -

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

Onde, $ \ lambda_g \: é \: o \: guiado \: comprimento de onda $

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

Como os dois pontos mínimos estão sendo considerados aqui, isso é chamado de método de mínimo duplo. Agora, vamos aprender sobre a medição de impedância.

Medição de impedância

Além do Magic Tee, temos dois métodos diferentes, um usando a linha com fenda e o outro usando o refletômetro.

Impedância usando a linha com fenda

Neste método, a impedância é medida usando linha entalhada e carga $ Z_L $ e usando isso, $ V_ {max} $ e $ V_ {min} $ podem ser determinados. Nesse método, a medição da impedância ocorre em duas etapas.

  • Step 1 - Determinando Vmin usando load $ Z_L $.

  • Step 2 - Determinar Vmin por curto-circuito na carga.

Isso é mostrado nas figuras a seguir.

Quando tentamos obter os valores de $ V_ {max} $ e $ V_ {min} $ usando uma carga, obtemos certos valores. Porém, se o mesmo for feito curto-circuitando a carga, o mínimo é deslocado, tanto para a direita quanto para a esquerda. Se esse deslocamento for para a esquerda, significa que a carga é indutiva e se for para a direita, significa que a carga é capacitiva por natureza. A figura a seguir explica isso.

Ao registrar os dados, uma impedância desconhecida é calculada. A impedância e o coeficiente de reflexão $ \ rho $ podem ser obtidos em magnitude e fase.

Impedância usando o refletômetro

Ao contrário da linha com fenda, o refletômetro ajuda a encontrar apenas a magnitude da impedância e não o ângulo de fase. Neste método, dois acopladores direcionais que são idênticos, mas diferem na direção, são usados.

Esses dois acopladores são usados ​​na amostragem da potência incidente $ P_i $ e da potência refletida $ P_r $ da carga. O refletômetro é conectado conforme mostrado na figura a seguir. É usado para obter a magnitude do coeficiente de reflexão $ \ rho $, a partir do qual a impedância pode ser obtida.

A partir da leitura do refletômetro, temos

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

A partir do valor de $ \ rho $, o $ VSWR $, ou seja, $ S $ e a impedância podem ser calculados por

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

Onde, $ z_g $ é a impedância de onda conhecida e $ z $ é a impedância desconhecida.

Embora os parâmetros de onda direta e reversa sejam observados aqui, não haverá interferência devido à propriedade direcional dos acopladores. O atenuador ajuda a manter a baixa potência de entrada.

Medição de Q do ressonador de cavidade

Embora existam três métodos, como método de transmissão, método de impedância e decaimento transiente ou método de decremento para medição Q de um ressonador de cavidade, o método mais fácil e seguido é o Transmission Method. Portanto, vamos dar uma olhada em sua configuração de medição.

Neste método, o ressonador de cavidade atua como o dispositivo que transmite. O sinal de saída é traçado como uma função da frequência, o que resulta em uma curva ressonante, conforme mostrado na figura a seguir.

A partir da configuração acima, a frequência do sinal da fonte de microondas é variada, mantendo o nível do sinal constante e então a potência de saída é medida. O ressonador de cavidade é sintonizado nesta frequência e o nível do sinal e a potência de saída são novamente anotados para notar a diferença.

Quando a saída é plotada, a curva de ressonância é obtida, a partir da qual podemos perceber os valores de Half Power Bandwidth (HPBW) $ (2 \ Delta) $.

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

Onde, $ Q_L $ é o valor carregado

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

Se o acoplamento entre a fonte de microondas e a cavidade, bem como o acoplamento entre o detector e a cavidade forem negligenciados, então

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

Recua

A principal desvantagem deste sistema é que a precisão é um pouco pobre em sistemas com Q muito alto devido à faixa estreita de operação.

Cobrimos muitos tipos de técnicas de medição de diferentes parâmetros. Agora, vamos tentar resolver alguns problemas de exemplo sobre isso.