CZ20403U1

CZ20403U1 - Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků

Info

Publication number: CZ20403U1
Application number: CZ200921962U
Authority: CZ
Inventors: Hoffmann@Karel; Randus@Martin
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2010-01-04

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká nového zapojení měřicího systému pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků, a to konkrétně pasivní části tohoto měřicího systému a je urče5 no k měření impedancí mikrovlnných obvodových prvků, jejichž impedance se značně liší od hodnoty referenční impedance 50 Ω.

Dosavadní stav techniky

K měření impedancí obvodových prvků v mikrovlnné oblasti frekvenčního spektra se používají vektorové analyzátory obvodů, které měří koeficient odrazu měřeného prvku vzhledem k refe10 renční impedanci vektorového analyzátoru, která bývá zpravidla 50 Ω. Koeficient odrazuje dán poměrem dopadající a odražené napěťové vlny a je dán vztahem

Γ - ^z« ~^z° ’ Z_I+Z₀’ kde Ζχ je hodnota měřené impedance a Zo je hodnota referenční impedance vektorového analy, zátoru obvodů. Při měření se naopak ze změřeného koeficientu odrazu Γ_χ výpočtem podle vztahu nr nr 1 + Γχ Z ssZ ’ °l-r.

(2) získá hodnota měřené impedance. Pro hodnoty impedancí, které jsou blízké hodnotě referenční impedance, poskytuje tato metoda dobré rozlišení hodnot impedance, nicméně pro impedance, které jsou značně menší nebo značně větší než je hodnota referenční impedance se velikost koeficientu odrazu Γ_χ blíží jedné a vzhledem ke vztahu (2) se i velmi malá změna hodnoty koeficientu odrazu, způsobená například vlivem neurčitosti měření, projeví velikou relativní změnou vypočtené hodnoty impedance. To také znamená, že i relativně velká změna impedance vyvolá jen těžko rozlišitelnou změnu v měřeném koeficientu odrazu.

Z uvedeného vyplývá, že pomocí dosud známých vektorových analyzátorů obvodů s referenční impedancí 50 Ω lze relativně přesně měřit pouze impedance v rozmezí zhruba od 0,1 Ω do 10 1:Ω. S ohledem na rychle se rozvíjející technologie výroby mikrovlnných komponent založených na uhlíkových nanotrubicích, jejichž impedance se pohybují zhruba od desítek do stovek ΙίΩ, jsou současné vektorové analyzátory k měření hodnot takovýchto impedancí nepoužitelné.

Je známa metoda pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků, jejíž princip je zobrazen na obr. 1. Zapojení je tvořené měřenou impedancí 3 vyznačenou pro lepší orientaci na výkrese též jako referenční impedancí 4 vyznačenou na výkrese též jako Z^, vektorovým analyzátorem 1 obvodů, zesilovačem 5 a pasivní částí, která je tvořena 3dB 180-stupňovým hybridním členem 2 se dvěma protifázovými výstupními branami. K první výstupní bráně tvořící měřicí bránu 10 je připojena měřená impedance 3 a ke druhé výstupní bráně tvořící referenční bránu JT je připojena referenční impedance 4. Výstupní brána 9 hybridního Členu 2 je propojena přes zesilovač 5 s přijímací bránou 7 vektorového analyzátoru obvodů I. Budící brána 6 vektorového analyzátoru obvodů 1 je propojena se vstupní bránou 8 hybridního členu 2. Vektorový analyzátor I obvodů je zde v zapojení pro měření koeficientu přenosu. Metoda je založena na tom, že od koeficientu odrazu T_x měřené impedance 3 je odečtena hodnota referenčního koeficientu odrazu T_ref, který přísluší referenční impedanci Z_ref 4. Hodnota referenční impedance 4 nemusí být známa přesně, protože bude popsána při procesu kalibrace. Odečtení se provede pomocí 3dB 180-stupňového hybridního členu 2 zapojeného podle obr. 1. Rozdílový signál se zesílí pomocí zesilovače 5 a je přiveden na přijímací bránu 7 vektorového obvodového analyzátoru 1 a

-1CZ 20403 Ul ten ho změří jako koeficient přenosu S₂]. Změřená hodnota koeficientu přenosu je v ideálním případě dána vztahem

f(r, -r„), (3) kde ai a h₂ je dopadající a vystupující napěťová vlna, G je hodnota napěťového zisku zesilovače

5. Pokud jsou hodnoty měřeného a referenčního koeficientu odrazu přibližně stejné, je výsledný rozdílový signál velmi malý a lze ho tedy výrazně zesílit. Tím je získána vysoká citlivost koeficientu přenosu S₂i na změny měřené impedance Z_x.

Šířka frekvenčního pásma a velikost maximálního použitelného zisku zesilovače je u této metody dána především kvalitou použitého 180stupňového hybridního členu - jeho frekvenčním páslo mem, amplitudovou a fázovou nesymetrií jeho výstupů a izolací mezi jeho branami. Dalším omezením může být i realizace referenční impedance. Ta může být s výhodou tvořena v případě požadavku měření velmi malých impedancí posuvným zkratem. Při požadavku na měření velmi vysokých impedancí by byla vhodná referenční impedance posuvný otevřený konec. Ten ale nelze jednoduše a kvalitně realizovat.

Podstata, technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků. Tento systém je tvořen vektorovým analyzátorem obvodů, na jehož přijímací bránu je připojena přes zesilovač výstupní brána pasivní části měřicího systému. Budicí brána vektorového analyzátoru obvodů je spojena se vstupní bránou pasivní části systému. Pa20 sivní část systému má měřicí bránu pro připojení měřené impedance a referenční bránu pro připojení referenční impedance. Podstatou nového řešení je, že pasivní část je tvořena pasivním čtyřhranem sestávajícím ze dvou kvadratumích hybridních členů a dvou děličů výkonu. Vstupní branou je první brána vstupního kvadratumího hybridního členu. Jeho druhá brána je spojena s jedním výstupem referenčního děliče výkonu, jehož vstup je referenční bránou. Třetí brána vstupního kvadratumího hybridního členu výkonu je spojena s jedním výstupem měřicího děliče výkonu, jehož vstup je měřicí bránou. Druhý výstup referenčního děliče výkonu je spojen s třetí branou výstupního kvadratumího hybridního členu, jehož první brána je výstupní bránou a jehož druhá brána je spojena s druhým výstupem měřicího děliče výkonu. Zbývající čtvrtá brána je u vstupního kvadratumího hybridního členu i u výstupního kvadratumího hybridního členu zakon30 čena bezodrazovou impedancí. Referenční dělič výkonu a měřicí dělič výkonu jsou tvořeny děliči výkonu se soufázovými a/nebo protifázovými výstupy v libovolném výběru.

Vyvinuté zapojení s výhodou nahrazuje v měřicím systému 180stupňový hybridní člen jiným typem pasivního ětyřbranu. Místo původně použitého 180stupňového hybridního členu je pasivní ětyřbran složen z několika komponent. Podstatným rysem nového zapojení je, že nemusí nutně realizovat odečítání obou koeficientů odrazu, ale může realizovat i sčítání obou koeficientů odrazu. To pak umožňuje například použití posuvného zkratu jako referenční impedance i při měření velmi vysokých impedancí.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je uvedeno principielní schéma měřicího zapojení realizujícího známou metodu pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků. Na obr. 2 je uvedeno principielní schéma modifikované měřicí metody, kde je 180stupňový hybridní člen z obr. 1 nahrazen obecným pasivním čtyřhranem. Na obr. 3 je uvedeno principielní schéma zapojení pasivního ětyřbranu z obr. 2, které využívá dvou kvadratumích hybridních členů a dvou děličů výkonu k realizaci součtu referenčního a měřeného koeficientu odrazu. Na obr. 4 je obdobné zapojení,

-2CZ 20403 Ul které využívá dvou kvadratumích hybridních členů a dvou děličů výkonu k realizaci rozdílu referenčního a měřeného koeficientu odrazu.

Příklady provedení technického řešení

Na obr. 2 je schematicky naznačena záměna pasivní části tvořené 180stupňovým hybridním čle5 nem 2 z obr. 1 za pasivní čtyrbran 12. Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků je zde tvořen vektorovým analyzátorem I obvodů, na jehož přijímací bránu 7 je připojena přes zesilovač 5 výstupní brána 9 pasivní části měřicího systému. Budicí brána 6 vektorového analyzátoru i obvodů je spojena se vstupní bránou 8 pasivní části systému, která má měřící bránu 10 pro připojení měřené impedance 3 a referenční bránu 1_1 pro připojení io referenční impedance 4. Pasivní část je zde tvořena pasivním čtyřbranem 12- Zapojení pasivního čtyřbranu 12 měřicího systému se dvěma kvadratumími hybridními členy a dvěma děliči výkonu je uvedeno na obr. 3. Pasivní čtyrbran 12 se skládá ze dvou kvadratumích hybridních členů a dvou děličů výkonu se soufázovými výstupy. Vstupní kvadratumí hybridní člen 15 výkonu je připojen první branou ke vstupní bráně 8 a jeho druhá brána 22 je spojena s jedním výstupem Γ7 referenčního děliče 13 výkonu, jehož vstup je referenční bránou JT. Třetí brána 21 vstupního kvadratumího hybridního členu 15 je spojena s jedním výstupem 19 měřicího děliče 14 výkonu, jehož vstup je měřicí bránou 10, Druhý výstup 18 referenčního děliče 13 výkonu je spojen s třetí bránou 23 výstupního kvadratumího hybridního členu 16, jehož první brána 29 je výstupní bránou 9 pasivní části měřicího systému a jehož druhá brána 24 je spojena s druhým výstupem 20 měřicího děliče 14 výkonu. Čtvrtá brána 25 u vstupního kvadratumího hybridního členu Í5 je bezodrazově zakončena impedancí 27. Čtvrtá brána 26 u výstupního kvadratumího hybridního členu 16 je bezodrazově zakončena impedancí 28.

Při buzení do vstupní brány 8 je vstupní signál rovnoměrně rozdělen vstupním kvadratumím hybridním členem 15 na dva signály se vzájemným 90° fázovým posuvem mezi měřicí dělič 14 výkonu, jehož vstup tvoří měřicí bránu JO čtyřbranu, a referenční dělič 13 výkonu, jehož vstup tvoří referenční bránu JT čtyřbranu. To znamená, že signál procházející ze vstupní brány 8 vstupním kvadratumím hybridním Členem 15 na jeho třetí bránu 21 je o 90° fázově opožděn oproti signálu procházejícímu ze vstupní brány 8 vstupním kvadratumím hybridním členem 15 na jeho druhou bránu 22. Signál odražený od měřené impedance 3 připojené k měřicí bráně 10 přichází na druhou bránu 24 výstupního kvadratumího děliče 16 výkonu na jehož třetí bránu 23 přichází signál odražený od referenční impedance 4 připojené k referenční bráně 1T. V důsledku dalšího 90° fázového zpoždění mezi třetí bránou 23 výstupního kvadratumího hybridního členu J6 a první bránou 29 výstupního kvadratumího hybridního členu 16 jsou pak oba signály výstupním kvadratumím hybridním členem 16 sečteny ve fázi a vystupují z výstupní brány 9.

Přenos tohoto zapojení mezi vstupní branou 8 a výstupní branou 9, a tím tedy i měřený přenos celého zapojení měřicího systému, je v ideálním případě úměrný součtu referenčního a měřeného koeficientu odrazu

8₂₁»α(Γ,₊Γ^). (4) kde koeficient a zahrnuje rozbočovací útlumy děličů výkonu. Referenční koeficient odrazu je pak nutné zvolit jako (5)

To právě umožňuje například použít běžně dostupný posuvný zkrat jako referenční impedanci při měření vysokých impedancí.

-3CZ 20403 Ul

Pro správnou činnost tohoto zapojení je výhodné, aby všechny děliče výkonu měly mezi svými výstupy co největší izolaci, což například splňuje Wilkinsonův dělič výkonu s izolací typicky cca 18 dB. Výhodné je také, aby vstupní kvadratumí hybridní člen 15 měl co největší izolaci mezi vstupní bránou 8 a čtvrtou bránou 25, respektive mezi jeho třetí bránou 21 a druhou bránou 22 a aby výstupní kvadratumí hybridní člen 16 měl co největší izolaci mezi svojí třetí bránou 23 a druhou bránou 24, respektive mezi jeho čtvrtou bránou 26 a první bránou 29.

Zapojení lze použít tak, že vstupní brána 8 je vstupní branou a brána 9 je výstupní branou pasivního Čtyřbranu 12, nebo v obráceném směru tak, že brána 9 je vstupní branou a vstupní brána 8 je výstupní branou pasivního čtyřbranu 12, tj. brána 9 je spojena s budicí bránou 6 vektorového i o analyzátoru a vstupní brána 8 j e propoj ena se zesilovačem 5.

Odlišné zapojení pasivního čtyřbranu 12 je uvedeno na obr. 4. Pasivní Čtyřbran 12 se opět skládá ze dvou kvadratumích hybridních členů a dvou děličů výkonu se soufázovými výstupy. Vstupní kvadratumí hybridní člen 15 výkonu je připojen první branou ke vstupní bráně 8 a jeho druhá brána 22 je spojena s jedním výstupem 17 referenčního děliče 13 výkonu, jehož vstup je refe15 renční bránou JT. Třetí brána 21 je spojena s jedním výstupem 19 měřicího děliče 14 výkonu, jehož vstup je měřicí bránou 10. Druhý výstup 18 referenčního děliče 13 výkonu je spojen s třetí bránou 23 výstupního kvadratumího hybridního členu 16, jehož čtvrtá brána 26 je výstupní bránou 9 a jehož druhá brána 24 je spojena s druhým výstupem 20 měřicího děliče 14 výkonu. Čtvrtá brána 25 u vstupního kvadratumího hybridního Členu 15 je bezodrazově zakončena impe20 daňci 27. První brána 29 u výstupního kvadratumího hybridního členu 16 je bezodrazově zakončena impedancí 28.

Při buzení do vstupní brány 8 je vstupní signál rovnoměrně rozdělen vstupním kvadratumím hybridním členem 15 s vzájemným 90° fázovým posuvem mezi měřicí dělič 14 výkonu, jehož vstup tvoří měřicí bránu 10 čtyřbranu, a referenční dělič 13 výkonu, jehož vstup tvoří referenční bránu JT čtyřbranu. To je signál procházející ze vstupní brány 8 vstupním kvadratumím hybridním členem 15 na jeho třetí bránu 21 je o 90° fázově opožděn oproti signálu procházejícímu ze vstupní brány 8 vstupním kvadratumím hybridním členem 15 na jeho druhou bránu 22. Signál odražený od měřené impedance 3 připojené k měřicí bráně 10 přichází na druhou bránu 24 výstupního kvadratumího děliče výkonu 16 na jehož třetí bránu 23 přichází signál odražený od referenční impedance 4 připojené k referenční bráně JT. V důsledku dalšího 90° fázového zpoždění mezi druhou bránou 24 a čtvrtou bránou 26 na výstupním kvadratumím hybridním členu 16 jsou pak oba signály odražené od měřené impedance 3 a referenční impedance 4 výstupním kvadratumím hybridním členem J_6 sečteny v protifázi a vystupují z výstupní brány 9.

Přenos tohoto zapojení mezi vstupní branou 8 a výstupní branou 9, a tím tedy i měřený přenos celého zapojení měřicího systému, je v ideálním případě úměrný rozdílu referenčního a měřeného koeficientu odrazu

SnMr.-rJ. (6) kde koeficient a zahrnuje rozbočovací útlumy děličů výkonu. Referenční koeficient odrazu je pak nutné zvolit jako (7)

Uvedené příklady nejsou však konečné, avšak jedná se o nejvýhodnější zapojení. Teoreticky je možné realizovat i všechny další možné varianty, tedy kdy jsou oba děliče výkonu protifázové, nebo jeden je soufázový a jeden protifázový.

-4CZ 20403 Ul

Průmyslová využitelnost

Zapojení pasivního čtyřbranu pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků se dvěma kvadratumími hybridními členy a dvěma děliči výkonu se soufázovými, případně s protifázovými, výstupy jsou při použití s metodou pro měření extrémních impedancí mikrovln5 ných obvodových prvků využitelná zejména při přesném měření velmi malých a velmi velkých impedancí, jako například v případě impedancí mikrovlnných prvků vyrobených na bázi uhlíkových nanotrubic, jejichž impedance se pohybují v řádech desítek až stovek kQ.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků, tvořený ío vektorovým analyzátorem (1) obvodů, na jehož přijímací bránu (7) je připojena přes zesilovač (5) výstupní brána (9) pasivní části měřicího systému, kde budicí brána (6) vektorového analyzátoru (1) obvodů je spojena se vstupní bránou (8) pasivní části systému, přičemž pasivní část systému má měřicí bránu (10) pro připojení měřené impedance (3) a referenční bránu (11) pro připojení referenční impedance (4), vyznačující se tím, že pasivní část je tvořena

15 pasivním čtyřbranem (12) sestávajícím ze dvou kvadratumích hybridních členů, a to ze vstupního kvadratumího hybridního Členu (15) se vstupní bránou (8) a z výstupního kvadratumího hybridního členu (16) a dále ze dvou děličů výkonu, a to z referenčního děliče (13) výkonu a z měřicího děliče (14) výkonu, kde druhá brána (22) vstupního kvadratumího hybridního členu (15) je spojena s jedním výstupem (17) referenčního děliče (13) výkonu, jehož vstup je referenční brá20 nou (11) a třetí brána (21) vstupního kvadratumího hybridního členu (15) je spojena s jedním výstupem (19) měřicího děliče (14) výkonu, jehož vstup je měřicí bránou (10), dále je druhý výstup (18) referenčního děliče (13) výkonu spojen s třetí bránou (23) výstupního kvadratumího hybridního členu (16), jehož první brána (29) je spojena s výstupní bránou (9) a čtvrtá brána (26) je bezodrazově zakončena impedancí (28), nebo je tato čtvrtá brána (26) spojena s výstupní brá25 nou (9) a první brána (29) je bezodrazově zakončena impedancí (28) a jehož druhá brána (24) je spojena s druhým výstupem (20) měřicího děliče (14) výkonu, přičemž referenční dělič (13) výkonu a měřicí dělič (14) výkonu jsou tvořeny děliči výkonu se soufázovými a/nebo proti fázovým mi výstupy v libovolném výběru a čtvrtá brána (25) vstupního kvadratumího hybridního Členu (15) je bezodrazově zakončena impedancí (27).