微波工程 - 测量
如第一章所述，在微波工程领域，有许多应用。因此，在使用不同的应用时，我们经常会遇到需要测量不同值(如功率、衰减、相移、VSWR、阻抗等)才能有效使用的情况。
在本章中，让我们来看看不同的测量技术。
功率测量
测量的微波功率是波导中任何位置的平均功率。功率测量可以分为三种类型。
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低功率测量(0.01mW 至 10mW)
示例 −辐射热计技术
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中等功率(10mW 至 1W)的测量
示例 − 热量计技术
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高功率(>10W)的测量
示例 − 热量计 瓦特计
让我们详细了解一下。
低功率测量
0.01mW 至 10mW 左右的微波功率的测量可以理解为低功率的测量。
辐射热计是一种用于低微波功率测量的设备。辐射热计中使用的元件可以具有正或负温度系数。例如，电阻器具有正温度系数，其电阻随温度升高而增大。热敏电阻具有负温度系数，其电阻随温度升高而减小。
它们中的任何一种都可以用于辐射热计，但电阻的变化与用于测量的微波功率成正比。该辐射热计用于桥臂，因此任何不平衡都会影响输出。下图显示了使用辐射热计的桥式电路的典型示例。
这里的毫安表给出了流动电流的值。电池是可变的，当辐射热计的行为导致不平衡时，电池会发生变化以获得平衡。对直流电池电压进行的这种调整与微波功率成正比。该电路的功率处理能力有限。
中等功率的测量
10mW 至 1W 左右的微波功率的测量可以理解为中等功率的测量。
采用特殊负载，该负载通常保持一定的比热值。待测量的功率施加在其输入端，按比例改变其已经保持的负载的输出温度。温升的差异决定了输入到负载的微波功率。
这里使用桥式平衡技术来获得输出。热传递法用于测量功率，这是一种量热技术。
高功率测量
测量 10W 至 50KW 左右的微波功率，可以理解为高功率测量。
高微波功率通常用热量计测量，可以是干式或流动式。干式之所以得名是因为它使用充满高磁滞损耗介电体的同轴电缆，而流动式之所以得名是因为它使用水或油或一些对微波有良好吸收作用的液体。
液体进入负载前后的温度变化用于校准值。这种方法的局限性在于流量测定、校准和热惯性等。
衰减测量
在实践中，微波组件和设备通常会提供一些衰减。提供的衰减量可以用两种方式测量。它们是 −功率比法和射频替代法。
衰减是输入功率与输出功率的比率，通常以分贝表示。
$$衰减 \: in \: dBs = 10 \: log\frac{P_{in}}{P_{out}}$$
其中 $P_{in}$ = 输入功率，$P_{out}$ = 输出功率
功率比法
在此方法中，衰减测量分两步进行。
步骤 1 − 整个微波台的输入和输出功率是在没有需要计算衰减的设备的情况下完成的。
步骤 2 −整个微波台的输入和输出功率由需要计算衰减的设备完成。
比较这些功率的比率，得出衰减值。
以下图片是解释这一点的两个设置。
缺点 −当输入功率较低且网络衰减较大时，功率和衰减测量可能不准确。
RF替代法
在此方法中，衰减测量分三步进行。
步骤1 − 使用需要计算衰减的网络测量整个微波工作台的输出功率。
步骤2 − 使用精密校准的衰减器替换网络来测量整个微波工作台的输出功率。
步骤3 −现在，调整此衰减器以获得与网络测量相同的功率。
下图是解释这一点的两个设置。
衰减器上的调整值直接给出网络的衰减。这里避免了上述方法的缺点，因此这是一种更好的测量衰减的方法。
相移测量
在实际工作条件下，信号可能会发生与实际信号不同的相位变化。为了测量这种相移，我们使用一种比较技术，通过这种技术我们可以校准相移。
下图显示了计算相移的设置。
在这里，微波源产生信号后，信号通过 H 平面 T 形接头，其中一个端口连接到要测量相移的网络，另一个端口连接到可调精密移相器。
解调输出是 1 KHz 正弦波，可在连接的 CRO 中观察到。调整此移相器，使其 1 KHz 正弦波输出也与上述匹配。通过在双模 CRO 中观察完成匹配后，此精密移相器会为我们提供相移读数。下图可以清楚地理解这一点。
此过程是相移测量中最常用的过程。现在，让我们看看如何计算 VSWR。
VSWR 的测量
在任何微波实际应用中，任何类型的阻抗不匹配都会导致驻波的形成。这些驻波的强度通过电压驻波比 ($VSWR$) 来衡量。最大电压与最小电压之比给出 $VSWR$，用 $S$ 表示。
$$S = \frac{V_{max}}{V_{min}} = \frac{1+ ho }{1- ho}$$
其中，$ ho = 反射 \: co - efficient = \frac{P_{reflected}}{P_{incident}}$
$VSWR$ 的测量可以通过两种方式进行，低 $VSWR$ 和高 $VSWR$ 测量。
低 VSWR (S <10) 的测量
低 $VSWR$ 的测量可以通过调整衰减器来读取直流毫伏表(即 VSWR 表)上的读数。可以通过调整开槽线和衰减器来读取读数，这样直流毫伏表就会显示满刻度读数和最小读数。
现在计算这两个读数以找出网络的 $VSWR$。
高 VSWR (S>10) 的测量
测量大于 10 的高 $VSWR$ 可以通过一种称为双最小值法的方法进行测量。在这种方法中，读取最小值处的读数，同时读取前波峰和后波峰中最小值一半处的读数。下图可以理解这一点。
现在，$VSWR$可以通过一个关系式计算出来，如下所示：−
$$VSWR = \frac{\lambda_{g}}{\pi(d_2-d_1)}$$
其中，$\lambda_g \: 是 \: \: 引导 \: 波长$
$$\lambda_g = \frac{\lambda_0}{\sqrt{1-(\frac{\lambda_0}{\lambda_c})^2}} \quad 其中 \: \lambda_0 \: = {c}/{f}$$
由于这里考虑的是两个最小点，因此这称为双最小值方法。现在，让我们了解一下阻抗的测量。
阻抗测量
除了 Magic Tee，我们还有两种不同的方法，一种是使用开槽线，另一种是使用反射计。
使用开槽线测量阻抗
在此方法中，使用开槽线和负载 $Z_L$ 测量阻抗，并使用此方法确定 $V_{max}$ 和 $V_{min}$。在此方法中，阻抗测量分为两个步骤。
步骤 1 − 使用负载 $Z_L$ 确定 Vmin。
步骤 2 −通过短路负载确定 Vmin。
如下图所示。
当我们尝试使用负载获取 $V_{max}$ 和 $V_{min}$ 的值时，我们会得到某些值。但是，如果通过短路负载完成相同操作，则最小值会向右或向左移动。如果向左移动，则表示负载是电感性的，如果向右移动，则表示负载本质上是电容性的。下图解释了这一点。
通过记录数据，计算出未知阻抗。阻抗和反射系数 $ ho$ 可以从幅度和相位两个方面获得。
使用反射计测量阻抗
与开槽线不同，反射计仅有助于找到阻抗的幅度而不是相位角。在这种方法中，采用两个相同但方向不同的定向耦合器。
这两个耦合器用于从负载中采样入射功率 $P_i$ 和反射功率 $P_r$。反射计的连接方式如下图所示。它用于获取反射系数 $ ho$ 的大小，从而可获得阻抗。
从反射计读数，我们得到
$$ ho = \sqrt{\frac{P_r}{P_i}}$$
根据 $ ho$ 的值，可计算出 $VSWR$，即 $S$ 和阻抗
$$S = \frac{1+ ho}{1- ho} \quad 和 \quad \frac{z-z_g}{z+z_g} = ho$$
其中，$z_g$ 为已知波阻抗，$z$ 为未知阻抗。
虽然这里观察到正向和反向波参数，但由于耦合器的方向性，不会产生干扰。衰减器有助于保持低输入功率。
腔体谐振器 Q 值测量
虽然有三种方法可以测量腔体谐振器的 Q，例如传输法、阻抗法和瞬态衰减或减量法，但最简单、最常用的方法是 传输法。因此，让我们来看看它的测量设置。
在这种方法中，腔体谐振器充当传输装置。输出信号被绘制为频率函数，从而产生谐振曲线，如下图所示。
从上面的设置中，微波源的信号频率发生变化，保持信号电平恒定，然后测量输出功率。将腔体谐振器调谐到该频率，并再次记下信号电平和输出功率以注意差异。
绘制输出时，可获得谐振曲线，从中我们可以注意到半功率带宽 (HPBW) $(2 \Delta)$ 值。
$$2\Delta = \pm \frac{1}{Q_L}$$
其中，$Q_L$ 是加载值
$$或 \quad Q_L = \pm \frac{1}{2\Delta} = \pm \frac{w}{2(w-w_0)}$$
如果忽略微波源与腔体之间的耦合以及检测器与腔体之间的耦合，则
$$Q_L = Q_0 \: (无负载 \: Q)$$
缺点
该系统的主要缺点是，由于操作频带较窄，在非常高的 Q 系统中精度稍差。
我们已经介绍了多种不同参数的测量技术。现在，让我们尝试解决一些示例问题。
