微波工程 - 测量

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在微波工程领域，存在许多应用，如第一章所述。因此，在使用不同的应用时，我们经常需要测量不同的值，例如功率、衰减、相移、驻波比、阻抗等，以便有效地使用。

在本章中，让我们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。

• 低功率测量（0.01mW至10mW）

  示例 - 热敏电阻技术

• 中功率测量（10mW至1W）

  示例 - 量热计技术

• 高功率测量（>10W）

  示例 - 量热计功率计

让我们详细了解一下。

低功率测量

约0.01mW至10mW范围内的微波功率测量，可以理解为低功率测量。

热敏电阻是一种用于低微波功率测量的器件。热敏电阻中使用的元件可以是正温度系数或负温度系数。例如，灯丝具有正温度系数，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。

任何一种都可以用在热敏电阻中，但电阻的变化与用于测量的微波功率成正比。此热敏电阻用作桥路中的一臂，以便任何产生的不平衡都会影响输出。下图显示了一个使用热敏电阻的典型桥路电路。

此处的毫安表给出流过电流的值。电池是可变的，通过改变它来获得平衡，当热敏电阻的行为导致不平衡时。在直流电池电压中进行的这种调整与微波功率成正比。此电路的功率处理能力有限。

中功率测量

约10mW至1W范围内的微波功率测量，可以理解为中功率测量。

采用特殊的负载，通常保持一定值的比热容。待测功率施加到其输入端，与负载原本保持的输出温度成比例地改变。温度升高的差异指定了输入到负载的微波功率。

此处使用桥路平衡技术来获取输出。热传递方法用于功率测量，这是一种量热技术。

高功率测量

约10W至50KW范围内的微波功率测量，可以理解为高功率测量。

高微波功率通常由量热计功率计测量，量热计功率计可以是干式或流通式。干式之所以如此命名，是因为它使用同轴电缆，该电缆填充有具有高磁滞损耗的介电材料，而流通式之所以如此命名，是因为它使用水或油或某些液体，这些液体是微波的良好吸收剂。

液体进入负载前后温度的变化用于校准值。这种方法的局限性在于流量确定、校准和热惯性等。

衰减测量

在实践中，微波组件和器件通常会提供一些衰减。提供的衰减量可以通过两种方式测量。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之比，通常以分贝表示。

$$衰减（dB）= 10 \: log\frac{P_{in}}{P_{out}}$$

其中 $P_{in}$ = 输入功率 和 $P_{out}$ = 输出功率

功率比法

在这种方法中，衰减测量分两个步骤进行。

• 步骤1 - 在不使用需要计算衰减的器件的情况下，对整个微波工作台的输入和输出功率进行测量。

• 步骤2 - 使用需要计算衰减的器件对整个微波工作台的输入和输出功率进行测量。

比较这些功率的比率，即可得到衰减值。

下图是解释此方法的两个设置。

缺点 - 当输入功率低且网络的衰减较大时，功率和衰减测量可能不准确。

射频替代法

在这种方法中，衰减测量分三个步骤进行。

• 步骤1 - 测量整个微波工作台在需要计算衰减的网络下的输出功率。

• 步骤2 - 通过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使用网络时测量的相同功率。

下图是解释此方法的两个设置。

衰减器上调整的值直接给出网络的衰减。这里避免了上述方法中的缺点，因此这是测量衰减的更好方法。

相移测量

在实际工作条件下，信号可能会发生相对于实际信号的相位变化。为了测量这种相移，我们使用比较技术，通过该技术我们可以校准相移。

计算相移的设置如下图所示。

这里，在微波源产生信号后，它通过一个H面T型接头，其中一个端口连接到需要测量相移的网络，另一个端口连接到一个可调节的精密相移器。

解调后的输出是一个1KHz正弦波，在连接的示波器上观察到。调整此相移器，使其1KHz正弦波输出也与上述输出匹配。通过在双模式示波器上观察来完成匹配后，此精密相移器会给我们相移读数。下图清楚地说明了这一点。

此过程是相移测量中最常用的方法。现在，让我们看看如何计算驻波比。

驻波比测量

在任何微波实际应用中，任何类型的阻抗失配都会导致驻波的形成。这些驻波的强度由电压驻波比（$VSWR$）测量。最大电压与最小电压之比给出$VSWR$，表示为$S$。

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

其中，$\rho = 反射系数 = \frac{P_{反射}}{P_{入射}}$

$VSWR$的测量可以通过两种方式进行，低$VSWR$和高$VSWR$测量。

低驻波比测量（S <10）

低$VSWR$的测量可以通过调整衰减器来获得驻波比计（即直流毫伏表）上的读数。可以通过调整槽线和衰减器的方式获取读数，使直流毫伏表显示满量程读数以及最小读数。

现在，计算这两个读数以确定网络的$VSWR$。

高驻波比测量（S>10）

大于10的高$VSWR$的测量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，获取最小值的读数，以及最小值前半波峰和后半波峰中最小值一半处的读数。下图可以帮助理解。

现在，可以通过以下关系计算$VSWR$：

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

其中，$\lambda_g$ 是导波波长

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

由于这里考虑了两个最小点，因此称为双最小值法。现在，让我们学习一下阻抗测量。

阻抗测量

除了魔T之外，我们还有两种不同的方法，一种是使用槽线，另一种是使用反射计。

使用槽线测量阻抗

在这种方法中，使用槽线和负载$Z_L$测量阻抗，并使用此方法确定$V_{max}$和$V_{min}$。在这种方法中，阻抗测量分两个步骤进行。

• 步骤1 - 使用负载$Z_L$确定Vmin。

• 步骤2 - 通过短路负载来确定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，如果通过短路负载执行相同的操作，则最小值会向左或向右移动。如果此偏移向左，则表示负载具有感性；如果此偏移向右，则表示负载具有容性。下图解释了这一点。

通过记录数据，计算未知阻抗。可以获得阻抗和反射系数$\rho$的幅度和相位。

使用反射计测量阻抗

与槽线不同，反射计只能找到阻抗的幅度，而不能找到相位角。在这种方法中，采用两个方向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$\rho$的幅度，从中可以得到阻抗。

从反射计读数中，我们有

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

根据$\rho$的值，可以计算$VSWR$，即$S$和阻抗，公式如下：

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

其中，$z_g$ 是已知波阻抗，$z$ 是未知阻抗。

虽然这里观察了正向和反向波参数，但由于耦合器的方向特性，不会出现干扰。衰减器有助于维持低输入功率。

谐振腔品质因数Q的测量

虽然测量谐振腔Q值的方法有三种，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，让我们看一下它的测量设置。

在这种方法中，谐振腔充当传输装置。输出信号作为频率的函数绘制，从而产生如以下图所示的谐振曲线。

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。谐振腔调谐到此频率，并再次记下信号电平和输出功率以观察差异。

当绘制输出时，会获得谐振曲线，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，$Q_L$是负载值

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

如果忽略微波源和腔体之间的耦合以及探测器和腔体之间的耦合，则

$$Q_L = Q_0 \: (无负载Q)$$

缺点

该系统的主要缺点是，由于工作带宽窄，在非常高的Q值系统中精度较差。

我们已经介绍了许多不同参数的多种测量技术。现在，让我们尝试解决一些关于这些技术的示例问题。