CZ20404U1

CZ20404U1 - Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků

Info

Publication number: CZ20404U1
Application number: CZ200921963U
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

Měřící systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků

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 refeio renční impedanci vektorového analyzátoru, která bývá zpravidla 50 Ω. Koeficient odrazu je dán poměrem dopadající a odražené napěťové vlny a je dán vztahem

Γ,=Ι^-,

Z_K+Z, kde Z_x je hodnota měřené impedance a Zo je hodnota referenční impedance vektorového analyzátoru obvodů. Pň měření se naopak ze změřeného koeficientu odrazu T_x výpočtem podle vztahu + Γ

Z,=Z₀^ (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 koefici20 entu 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 kO. 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 orien30 taci na výkrese též jako Z^, referenční impedancí 4 vyznačenou na výkrese též jako 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 JJ je připojena referenční impedance 4. Výstupní brána 9 hybridního členu 2 je propojena přes zesilovač 5 s přijímací bránou 7 vektorového analyzátoru obvodů χ. Budicí brána ó vektorového analyzátoru obvodů X je propojena se vstupní bránou 8 hybridního členu 2. Vektorový analyzátor X obvodů je zde v zapojení pro měření koeficientu přenosu. Metoda je založena na tom, že od koeficientu odrazu Γ_χ měřené impedance 3 je odečtena hodnota referenčního koeficientu odrazu T_ref, který přísluší referenční impedanci Z„f 4. Hodnota referenční impedance 4 ne40 musí 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 X a

-1 CZ 20404 Ul ten ho změří jako koeficient přenosu S₂j. Změřená hodnota koeficientu přenosu je v ideálním případě dána vztahem s„ =^-=7(^-^), (3) a_t z kde aj a b₂ 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 S_2] na změny měřené impedance Z^,

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 čtyřbranem sestávajícím ze dvou děličů výkonu a dvou cirkulátorů. Vstupní branou je vstup vstupního děliče výkonu. Jeho jeden výstup je spojen se vstupem referenčního cirkulátoru, jehož jeden výstup je referenční bránou. Druhý výstup vstupního děliče výkonu je spojen s jedním vstupem měřicího cirkulátoru, jehož výstup je měřicí bránou. Druhý výstup referenčního cirkulátoru je spojen s jedním výstupem výstupního děliče výkonu, jehož vstup je výstupní bránou a jehož druhý výstup je spojen s druhým výstupem měřicího cirkulátoru. Vstupní dělič výkonu a výstupní dělič výkonu jsou tvořeny děliči výkonu se soufázovými a/nebo protifázovýmí výstupy v libovolném výběru.

Vyvinuté zápojem s výhodou nahrazuje v měřicím systému 180stupňový hybridní člen jiným typem pasivního čtyřbranu. Místo původně použitého 180stupňového hybridního členu je pasivní čtyřbran 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 čtyřbranem, Na obr. 3 je uvedeno principielní schéma zapojení pasivního čtyřbranu z obr. 2, které využívá dvou děličů výkonu a dvou cirkulátorů k realizaci součtu nebo rozdílu referenčního a měřeného koeficientu odrazu.

-2CZ 20404 Ul

Příklady provedení technického řešení

Na obr. 2 je schematicky naznačena záměna pasivní části tvořené 180stupňovým hybridním členem 2 z obr. 1 za pasivní Čtyřbran 12. Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků je zde tvořen vektorovým analyzátorem 1 obvodů, na jehož přijímací bránu 7 je připojena přes zesilovač 5 výstupní brána pasivní části měřicího systému. Budicí brána 6 vektorového analyzátoru i obvodů je spojena se vstupní bránou 8 pasivní části systému, která má měřicí bránu W pro připojení měřené impedance 3 a referenční bránu H pro připojení referenční impedance 4. Pasivní část je zde tvořena pasivním čtyřbranem 12. Zapojení pasivního čtyřbranu 12 měřicího systému se dvěma děliči výkonu a dvěma cirkulátory je uvedeno na obr. 3. io Pasivní čtyřbran _t_2 se skládá ze dvou děličů výkonu a dvou cirkulátorů. Vstupní dělič 15 výkonu je připojen ke vstupní bráně 8 a jeho jeden výstup 22 je spojen se vstupem 17 referenčního cirkulátoru 13, jehož první výstup je referenční bránou LL Druhý výstup 21 vstupního děliče L5 výkonu je spojen se vstupem L9 měřicího cirkulátoru 14, jehož první výstup je měřicí bránou 10. Druhý výstup 18 referenčního cirkulátoru 13 je spojen s jedním výstupem 23 výstupního děliče výkonu 16, jehož vstup je výstupní bránou 9 a jehož druhý výstup 24 je spojen s druhým výstupem 20 měřicího cirkulátoru 14.

Při buzení do vstupní brány 8 je vstupní signál rovnoměrně soufázově rozdělen vstupním děličem 15 výkonu mezi měřicí cirkulátor 14, jehož výstup tvoří měřicí bránu 10 čtyřbranu, a referenční cirkulátor 13, jehož výstup tvoří referenční bránu 11 čtyřbranu. Signály odražené od mě20 řené impedance 3 připojené k měřicí bráně 10 a od referenční impedance 4 připojené k referenční bráně Π. jsou ve fázi sečteny výstupním děličem 16 výkonu 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

S_2l-a(r_>+rJ, (4) kde koeficient a zahrnuje rozbočovací útlumy děličů výkonu a průchozí útlumy cirkulátorů. Referenční koeficient odrazuje pak nutné zvolit jako r„_f*-r_x. (5)

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

Pro správnou činnost tohoto zapojení je výhodné, aby všechny děliče výkonu měly mezí svými výstupy co největší izolaci, což například splňuje Wilkinsonův dělič výkonu s izolací typicky cca 18 dB. Výhodné je také, aby referenční cirkulátor i měřicí cirkulátor měly co největší izolaci v nepropustném směru.

Zapojení uvedené na obr. 3 lze také modifikovat tak, že se místo vstupního děliče L5 výkonu, nebo místo výstupního děliče 16 výkonu použije dělič výkonu s protifázovými výstupy. Ten lze realizovat například pomocí 180stupňového hybridního členu s bezodrazově zakončenou nepoužitou bránou. Díky vzájemnému 180stupňovému fázovému posuvu mezi oběma signály na protifázových výstupech děliče, jsou nežádoucí signály, které projdou vlivem konečné izolace mezi vstupem 17 a výstupem L8 referenčního cirkulátoru 13 a mezi vstupem 19 a výstupem 20 měřicího cirkulátoru 14 sečteny v protifázi a jejich vliv je na výstupní bráně 9 tak do značné míry eliminován. I v tomto modifikovaném zapojení je brána 8 vstupní branou a brána 9 je výstupní branou pasivního čtyřbranu 12, Přenos mezi vstupní a výstupní branou a tím tedy i celkový měřený přenos je úměrný rozdílu obou koeficientů odrazu

-3CZ 20404 Ul

S_2I ^afút(r_x -Γ„_Γ), (6) kde koeficient a zahrnuje rozbočovací útlumy děličů výkonu. Referenční koeficient odrazu je pak nutné zvolit jako r_ref*F_x. (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 protífázové, nebo jeden je soufázový a jeden protifázový. Pro varianty, kdy jsou oba děliče výkonu soufázové nebo oba děliče výkonu protífázové, platí, že se měřený a referenční koeficient odrazu sčítají a aby byl výstupní signál co nejmenší, musí platit vztah (5) a v ostatních případech, kdy se měřený io a referenční koeficient odrazu odečítají, musí platit vztah (7).

Průmyslová využitelnost

Zapojení pasivního čtyřbranu pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků se dvěma děliči výkonu se soufázovými případně i/nebo s protifázovými, výstupy a se dvěma cirkulátory jsou při použití s metodou pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodo15 vých 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 kU.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků, tvořený

20 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

25 pasivním čtyřbranem (12) sestávajícím ze vstupního děliče (15) výkonu se vstupní bránou (8), z výstupního děliče (16) výkonu s výstupní bránou (9), z referenčního cirkulátoru (13) a z měřicího cirkulátoru (14), kde jeden výstup (22) vstupního děliče (15) výkonu je spojen se vstupem (17) referenčního cirkulátoru (13), jehož první výstup je referenční bránou (11) a kde druhý výstup (21) vstupního děliče (15) výkonu je spojen s jedním vstupem (19) měřicího cirkulátoru (14),

30 jehož první výstup je měřicí bránou (10), a dále je druhý výstup (18) referenčního cirkulátoru (13) spojen s jedním výstupem (23) výstupního děliče (16) výkonu, jehož vstup je výstupní bránou (9) a jehož druhý výstup (24) je spojen s druhým výstupem (20) měřicího cirkulátoru (14), přičemž vstupní dělič výkonu (15) a výstupní dělič výkonu (16) jsou tvořeny děliči výkonu se soufázovými a/nebo protifázovými výstupy v libovolném výběru.