Ingeniería de microondas - Medidas
En el campo de la ingeniería de microondas se dan muchas aplicaciones, como ya se dijo en el primer capítulo. Por lo tanto, al usar diferentes aplicaciones, a menudo nos encontramos con la necesidad de medir diferentes valores como potencia, atenuación, cambio de fase, VSWR, impedancia, etc. para un uso efectivo.
En este capítulo, echemos un vistazo a las diferentes técnicas de medición.
Medida de potencia
La potencia de microondas medida es la potencia media en cualquier posición de la guía de ondas. La medición de potencia puede ser de tres tipos.
-
Medición de baja potencia (0,01 mW a 10 mW)
Ejemplo: técnica bolométrica
-
Medida de potencia media (10mW a 1W)
Ejemplo: técnica del calorímetro
-
Medida de alta potencia (> 10W)
Ejemplo: Calorímetro Wattímetro
Repasemos en detalle.
Medida de baja potencia
La medición de la potencia de microondas alrededor de 0,01 mW a 10 mW, puede entenderse como la medida de baja potencia.
Bolometeres un dispositivo que se utiliza para mediciones de baja potencia de microondas. El elemento utilizado en el bolómetro puede ser de coeficiente de temperatura positivo o negativo. Por ejemplo, un barrater tiene un coeficiente de temperatura positivo cuya resistencia aumenta con el aumento de temperatura. El termistor tiene coeficiente de temperatura negativo cuya resistencia disminuye con el aumento de temperatura.
Cualquiera de ellos se puede usar en el bolómetro, pero el cambio de resistencia es proporcional a la potencia de microondas aplicada para la medición. Este bolómetro se utiliza en un puente de los brazos como uno solo para que cualquier desequilibrio provocado, afecte a la salida. Un ejemplo típico de un circuito puente que utiliza un bolómetro es el que se muestra en la siguiente figura.
El miliamperímetro aquí da el valor de la corriente que fluye. La batería es variable, que se varía para obtener el equilibrio, cuando un desequilibrio es provocado por el comportamiento del bolómetro. Este ajuste que se realiza en el voltaje de la batería de CC es proporcional a la potencia del microondas. La capacidad de manejo de energía de este circuito es limitada.
Medida de potencia media
La medición de la potencia de microondas alrededor de 10mW a 1W, puede entenderse como la medición de potencia media.
Se emplea una carga especial, que suele mantener un cierto valor de calor específico. La potencia a medir, se aplica en su entrada que cambia proporcionalmente la temperatura de salida de la carga que ya mantiene. La diferencia en el aumento de temperatura, especifica la potencia de entrada de microondas a la carga.
La técnica de balance de puente se utiliza aquí para obtener el resultado. El método de transferencia de calor se utiliza para medir la potencia, que es una técnica calorimétrica.
Medida de alta potencia
La medición de la potencia de microondas alrededor de 10W a 50KW, puede entenderse como la medición de alta potencia.
La potencia de microondas alta se mide normalmente mediante vatios calorimétricos, que pueden ser de tipo seco y de flujo. El tipo seco se denomina así porque utiliza un cable coaxial que se llena con di-eléctrico de alta pérdida por histéresis, mientras que el tipo de flujo se denomina así porque utiliza agua o aceite o algún líquido que es un buen absorbedor de microondas.
El cambio de temperatura del líquido antes y después de ingresar a la carga, se toma para la calibración de valores. Las limitaciones de este método son la determinación de flujo, calibración e inercia térmica, etc.
Medida de atenuación
En la práctica, los componentes y dispositivos de microondas a menudo proporcionan cierta atenuación. La cantidad de atenuación ofrecida se puede medir de dos formas. Son: método de relación de potencia y método de sustitución de RF.
La atenuación es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida y normalmente se expresa en decibelios.
$$ Atenuación \: in \: dBs = 10 \: log \ frac {P_ {in}} {P_ {out}} $$
Donde $ P_ {in} $ = potencia de entrada y $ P_ {out} $ = potencia de salida
Método de relación de potencia
En este método, la medición de la atenuación se realiza en dos pasos.
Step 1 - La potencia de entrada y salida de todo el banco de microondas se realiza sin el dispositivo cuya atenuación hay que calcular.
Step 2 - La potencia de entrada y salida de todo el banco de microondas se realiza con el dispositivo cuya atenuación se tiene que calcular.
La relación de estas potencias cuando se compara, da el valor de atenuación.
Las siguientes figuras son las dos configuraciones que explican esto.
Drawback - Las mediciones de potencia y atenuación pueden no ser precisas cuando la potencia de entrada es baja y la atenuación de la red es grande.
Método de sustitución de RF
En este método, la medición de la atenuación se realiza en tres pasos.
Step 1 - La potencia de salida de todo el banco de microondas se mide con la red cuya atenuación hay que calcular.
Step 2 - La potencia de salida de todo el banco de microondas se mide reemplazando la red con un atenuador calibrado con precisión.
Step 3 - Ahora, este atenuador se ajusta para obtener la misma potencia medida con la red.
Las siguientes figuras son las dos configuraciones que explican esto.
El valor ajustado en el atenuador proporciona la atenuación de la red directamente. Aquí se evita el inconveniente del método anterior y, por tanto, este es un mejor procedimiento para medir la atenuación.
Medición del cambio de fase
En condiciones prácticas de trabajo, puede ocurrir un cambio de fase en la señal de la señal real. Para medir dicho cambio de fase, utilizamos una técnica de comparación, mediante la cual podemos calibrar el cambio de fase.
La configuración para calcular el cambio de fase se muestra en la siguiente figura.
Aquí, después de que la fuente de microondas genera la señal, pasa a través de una unión en T de plano H desde la cual se conecta un puerto a la red cuyo desplazamiento de fase se va a medir y el otro puerto se conecta a un desfasador de precisión ajustable.
La salida demodulada es una onda sinusoidal de 1 KHz, que se observa en el CRO conectado. Este cambiador de fase se ajusta de manera que su salida de onda sinusoidal de 1 KHz también coincida con la anterior. Una vez realizada la coincidencia observando en el modo dual CRO, este desfasador de precisión nos da la lectura del desfase. Esto se entiende claramente por la siguiente figura.
Este procedimiento es el más utilizado en la medición del desplazamiento de fase. Ahora, veamos cómo calcular el VSWR.
Medición de VSWR
En cualquier aplicación práctica de microondas, cualquier tipo de desajuste de impedancia conduce a la formación de ondas estacionarias. La fuerza de estas ondas estacionarias se mide mediante la relación de onda estacionaria de voltaje ($ VSWR $). La relación entre el voltaje máximo y el mínimo da $ VSWR $, que se indica con $ S $.
$$ S = \ frac {V_ {max}} {V_ {min}} = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} $$
Donde, $ \ rho = reflejo \: coeficiente = \ frac {P_ {reflejado}} {P_ {incidente}} $
La medición de $ VSWR $ se puede realizar de dos formas, mediciones de $ VSWR $ bajas y $ VSWR $ altas.
Medición de VSWR bajo (S <10)
La medición de $ VSWR $ bajo se puede realizar ajustando el atenuador para obtener una lectura en un milivoltímetro de CC que es un medidor de VSWR. Las lecturas se pueden tomar ajustando la línea ranurada y el atenuador de tal manera que el milivoltímetro de CC muestre una lectura de escala completa así como una lectura mínima.
Ahora estas dos lecturas se calculan para averiguar el $ VSWR $ de la red.
Medición de VSWR alto (S> 10)
La medición de $ VSWR $ altos cuyo valor es mayor que 10 se puede medir mediante un método llamado double minimum method. En este método, se toma la lectura en el valor mínimo y también se toman las lecturas en el punto medio del valor mínimo en la cresta antes y en la cresta después. Esto se puede entender mediante la siguiente figura.
Ahora, el $ VSWR $ se puede calcular mediante una relación, dada como -
$$ VSWR = \ frac {\ lambda_ {g}} {\ pi (d_2-d_1)} $$
Donde, $ \ lambda_g \: es \: la \: guiada \: longitud de onda $
$$ \ lambda_g = \ frac {\ lambda_0} {\ sqrt {1 - (\ frac {\ lambda_0} {\ lambda_c}) ^ 2}} \ quad donde \: \ lambda_0 \: = {c} / {f} $$
Como aquí se consideran los dos puntos mínimos, esto se denomina método de doble mínimo. Ahora, aprendamos sobre la medición de impedancia.
Medida de impedancia
Aparte de Magic Tee, tenemos dos métodos diferentes, uno usa la línea ranurada y el otro usa el reflectómetro.
Impedancia usando la línea ranurada
En este método, la impedancia se mide usando línea ranurada y carga $ Z_L $ y usando esto, se pueden determinar $ V_ {max} $ y $ V_ {min} $. En este método, la medición de la impedancia se realiza en dos pasos.
Step 1 - Determinación de Vmin usando load $ Z_L $.
Step 2 - Determinación de Vmin cortocircuitando la carga.
Esto se muestra en las siguientes figuras.
Cuando intentamos obtener los valores de $ V_ {max} $ y $ V_ {min} $ usando una carga, obtenemos ciertos valores. Sin embargo, si se hace lo mismo mediante un cortocircuito de la carga, el mínimo se desplaza, ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda. Si este desplazamiento es hacia la izquierda, significa que la carga es inductiva y si el desplazamiento es hacia la derecha, significa que la carga es de naturaleza capacitiva. La siguiente figura explica esto.
Al registrar los datos, se calcula una impedancia desconocida. El coeficiente de impedancia y reflexión $ \ rho $ se puede obtener tanto en magnitud como en fase.
Impedancia usando el reflectómetro
A diferencia de la línea ranurada, el reflectómetro ayuda a encontrar solo la magnitud de la impedancia y no el ángulo de fase. En este método, se toman dos acopladores direccionales que son idénticos pero difieren en la dirección.
Estos dos acopladores se utilizan para muestrear la potencia incidente $ P_i $ y la potencia reflejada $ P_r $ de la carga. El reflectómetro está conectado como se muestra en la siguiente figura. Se utiliza para obtener la magnitud del coeficiente de reflexión $ \ rho $, a partir del cual se puede obtener la impedancia.
De la lectura del reflectómetro, tenemos
$$ \ rho = \ sqrt {\ frac {P_r} {P_i}} $$
A partir del valor de $ \ rho $, el $ VSWR $, es decir, $ S $ y la impedancia se puede calcular mediante
$$ S = \ frac {1+ \ rho} {1- \ rho} \ quad y \ quad \ frac {z-z_g} {z + z_g} = \ rho $$
Donde, $ z_g $ es una impedancia de onda conocida y $ z $ es una impedancia desconocida.
Aunque aquí se observan los parámetros de onda de avance y retroceso, no habrá interferencia debido a la propiedad direccional de los acopladores. El atenuador ayuda a mantener una potencia de entrada baja.
Medición del resonador de Q de cavidad
Aunque hay tres métodos, como el método de transmisión, el método de impedancia y el método de caída o disminución transitoria para medir Q de un resonador de cavidad, el método más fácil y más seguido es el Transmission Method. Por lo tanto, echemos un vistazo a su configuración de medición.
En este método, el resonador de cavidad actúa como el dispositivo que transmite. La señal de salida se traza en función de la frecuencia, lo que da como resultado una curva resonante como se muestra en la siguiente figura.
A partir de la configuración anterior, se varía la frecuencia de la señal de la fuente de microondas, manteniendo el nivel de la señal constante y luego se mide la potencia de salida. El resonador de cavidad se sintoniza a esta frecuencia, y el nivel de señal y la potencia de salida se anotan nuevamente para notar la diferencia.
Cuando se traza la salida, se obtiene la curva de resonancia, a partir de la cual podemos observar los valores de Half Power Bandwidth (HPBW) $ (2 \ Delta) $.
$$ 2 \ Delta = \ pm \ frac {1} {Q_L} $$
Donde, $ Q_L $ es el valor cargado
$$ o \ quad Q_L = \ pm \ frac {1} {2 \ Delta} = \ pm \ frac {w} {2 (w-w_0)} $$
Si se descuida el acoplamiento entre la fuente de microondas y la cavidad, así como el acoplamiento entre el detector y la cavidad, entonces
$$ Q_L = Q_0 \: (descargado \: Q) $$
Retirarse
El principal inconveniente de este sistema es que la precisión es un poco pobre en sistemas de Q muy alto debido a la estrecha banda de operación.
Hemos cubierto muchos tipos de técnicas de medición de diferentes parámetros. Ahora, intentemos resolver algunos problemas de ejemplo sobre estos.