6.1 マイクロ波ベンチと基本的な測定装置

マイクロ波システムの設計と解析は、理論だけに頼ることはできず、実践による検証が必要です。そのため、正確な測定はマイクロ波工学において極めて重要な分野となります。マイクロ波ベンチと呼ばれる一連の標準的な実験装置を用いて、マイクロ波信号の生成、制御、測定を行い、個々のコンポーネントやシステム全体の性能をエンジニアが評価します。

基本的な測定を行うための汎用マイクロ波ベンチ セットアップには、通常、論理的な信号フローの順序で配置された次のコンポーネントが含まれます。

• 信号発生器: マイクロ波信号のソース。多くの場合、ガン発振器または反射クライストロンであり、低電力の連続波を生成します。
• アイソレータ: 発信源の直後に設置されるこの重要なデバイスは、信号を順方向に通過させる一方で反射信号を吸収し、信号が発信源に戻って不安定になるのを防ぎます。
• 高精度減衰器: 正確な相対測定のために信号の電力レベルを正確に制御するために使用される、較正済みの可変減衰器。
• 周波数計: マイクロ波信号の周波数を正確に測定するために使用される共振空洞装置。
• 可変減衰器: このコンポーネントは、信号レベルに対する追加の（多くの場合は未調整の）制御を提供し、テスト対象の検出器またはデバイスの電力を適切なレベルに調整するために使用されます。
• クリスタル検出器: マイクロ波信号を整流または復調し、測定可能な DC または低周波電圧に変換するために使用される半導体ダイオード。
• 定在波計（VSWRメーター） 水晶検波器の出力を測定するために特別に設計された電圧計。多くの場合、電圧定在波比 (VSWR) を直接表示するように調整されます。

スロットライン

スロット線路は、導波管内の定在波パターンを直接観察するための基本的な機器です。このパターンから、VSWR、波長、負荷インピーダンスなど、いくつかの重要なパラメータを導き出すことができます。

• 目的： その主な機能は、伝送線路の長さに沿った様々な点における電界強度を測定することです。電圧の最大値（V_{max}）と最小値（V_{min}）の位置と大きさを見つけることで、VSWRを直接計算できます。
• 構造： スロット線路は、導波管の上壁に沿って軸方向に切り込まれた、放射を発生しない狭いスロットを持つ導波管で構成されています。このスロットに沿って可動式のキャリッジが移動します。キャリッジには、導波管内にわずかに伸びたプローブが取り付けられており、内部の電界をサンプリングします。このプローブは水晶検出器に接続されています。
• 操作： プローブキャリッジがスロットに沿って移動すると、各位置における定在波の電界強度がサンプリングされます。水晶検波器は、このRF電界を比例したDC電圧に変換します。キャリッジを移動させ、VSWRメーターで出力を観測することで、エンジニアはV_{max}とV_{min}の物理的な位置を特定し、それらの相対的な大きさを測定することができます。

この基本的なセットアップは、さまざまな特定の測定を実行するように構成できます。これについては次のセクションで詳しく説明します。

6.2 主要なマイクロ波パラメータの測定

このセクションでは、マイクロ波システムにおける最も一般的かつ重要なパラメータ（電力、減衰、位相シフト、VSWR、インピーダンス）を測定するための実用的な手順について詳しく説明します。各測定には、マイクロ波ベンチの特定の構成と独自の方法論的アプローチが必要です。

電力測定

マイクロ波の電力はワット単位で測定され、適切な手法は測定される電力レベルに大きく依存します。

• 低電力（0.01mW～10mW）： 低電力レベルでは、 ボロメトリック技術 ボロメータは温度によって抵抗が変化する装置です。ボロメータには、例えば バラッター （細いワイヤー）または サーミスタ （半導体ビーズ）。この素子は平衡ブリッジ回路の一方のアームに配置されます。マイクロ波電力が印加されると、素子が加熱され、抵抗値が変化し、ブリッジ回路が不平衡状態になります。ブリッジ回路を再び平衡状態に戻すために必要な直流電力は、吸収されたマイクロ波電力に等しくなります。
• 中出力（10mW～1W） 中出力の場合、 熱量計技術 が採用されています。特殊な負荷がマイクロ波電力を吸収し、温度が上昇します。温度変化は吸収エネルギーに正比例するため、平均電力を計算することができます。
• 高出力（>10W）： 高出力レベルは次のように測定されます。 熱量計ワットメーター。 これらは フロータイプ水などの流体が負荷の中を流れて熱を吸収する、または ドライタイプこれは、高損失誘電体を充填した同軸ケーブルの一部を使用して電力を吸収します。

減衰測定

減衰とは、信号がコンポーネントを伝播する際に発生する電力の減少です。減衰はデシベル（dB）で測定されます。減衰 \: (dB) = 10 \: log_{10} \left(\frac{P_{in}}{P_{out}}\right)

• 電力比法: まず、被試験デバイス（DUT）を取り付けない状態で試験装置の出力電力を測定します。次に、DUTを挿入し、再び出力電力を測定します。2つの電力レベルの比から減衰量が求められます。この方法の主な欠点は、検出器が完全に二乗特性を持たない場合、不正確な測定結果になる可能性があることです。
• RF置換方法: これはより正確な手法です。まず、DUTをラインに接続し、出力電力レベルを記録します。次に、DUTを取り外し、精密に校正された可変減衰器に交換します。最後に、この校正済み減衰器を調整し、出力電力が最初のステップで記録したレベルと一致するようにします。その後、DUTの減衰量を校正済みのダイヤルから直接読み取ります。この方法は、検出器を基準としてのみ使用するため、より正確です。

VSWR測定

• 低VSWR（S<10）: VSWR値が低い場合は、スロット付きラインを用いて直接測定します。プローブを動かし、最大電圧（V_{max}）と最小電圧（V_{min}）を探します。VSWRメーターで読み取ったこれら2つの値の比からVSWR値が得られます。
• 高VSWR（S>10）: VSWRが高い場合、電圧の最小値は非常に鋭く深くなるため、V_{max}の正確な測定が困難になります。この場合、 二重最小法 が使用されます。プローブを電圧最小値の両側に移動させ、電力が最小値の2倍になる2つの位置（d_1とd_2）（3dBポイント）を探します。次に、VSWRは次の式を用いて計算されます：VSWR = \frac{\lambda_{g}}{\pi(d_2-d_1)} ここで、\lambda_gは導波管の波長です。

インピーダンス測定

• スロットラインの使用: この方法は、未知のインピーダンスの大きさと位相の両方を決定します。まず、未知の負荷を接続し、VSWRと電圧最小値の位置を測定します。次に、負荷を完全な短絡回路に置き換え、新たな電圧最小値の位置を記録します。最小値の位置のシフトと測定されたVSWRから、複素反射係数を計算し、未知のインピーダンスを求めることができます。
• 反射率計の使用: 反射計を使えば、 大きさ インピーダンスの。このセットアップでは、反対方向に向いた2つの方向性結合器を使用します。一方の結合器は入射電力(P_i)の一部をサンプリングし、もう一方の結合器は反射電力(P_r)の一部をサンプリングします。反射係数(\rho)の大きさは、\rho = \sqrt{\frac{P_r}{P_i}} のように直接求められます。この値から、VSWRと未知のインピーダンスの大きさを計算できます。

これらの測定技術を理解することは、実践的なマイクロ波工学の基礎となります。この知識を定着させるために、最後のモジュールではいくつかの実例を通して解説します。