CZ302217B6 - Mericí systém pro merení extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvku - Google Patents

Abstract

Mericí systém je tvorený vektorovým analyzátorem (1) obvodu, na jehož prijímací bránu (7) je pripojena pres zesilovac (5) výstupní brána (9) pasivní cásti mericího systému. Budicí brána (6) vektorového analyzátoru (1) obvodu je spojena se vstupní bránou (8) pasivní cásti systému. Pasivní cást systému má mericí bránu (10) pro pripojení merené impedance (3) a referencní bránu (11) pro pripojení referencní impedance (4). Tato pasivní cást je tvorena pasivním ctyrbranem (12) sestávajícím ze ctyr delicu výkonu. Vstupní delic (15) výkonu se vstupní bránou (8) má jeden výstup (24) spojen s jedním výstupem (19) referencního delice (13) výkonu, jehož vstup je referencní bránou (11). Druhý výstup (23) vstupního delice (15) je spojen s jedním výstupem (21) mericího delice (14) výkonu. Vstup mericího delice (14) výkonu je mericí bránou (10). Druhý výstup (20) referencního (13) delice výkonu je spojen s jedním výstupem (25) výstupního delice (16) výkonu, jehož vstup je výstupní bránou (9) a jehož druhý výstup (26) je spojen s druhým výstupem (22) mericího delice výkonu (14). Skupina delicu výkonu tvorená vstupním delicem (15) výkonu, referencním delicem (13) výkonu, mericím delicem (14) výkonu a výstupním delicem (16) výkonu je tvorena delici výkonu se soufázovými a/nebo protifázovými výstupy v libovolném výberu.

Description

Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků

Oblast techniky 5

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 určeno k měření impedancí mikrovlnných obvodových prvků, jejichž impedance se značně liší od hodnoty referenční impedance 50 Ω.

io

Dosavadní stav techniky

K měření impedancí obvodových prvků v mikrovlnné oblasti frekvenčního spektra se používají 15 vektorové analyzátory obvodů, které měří koeficient odrazu měřeného prvku vzhledem k referenční impedanci vektorového analyzátoru, která bývá zpravidla 50 Ω. Koeficient odrazu je dán poměrem dopadající a odražené napěťové vlny aje dán vztahem z_x +z₀ (1) kde Z_x je hodnota měřené impedance a Zo je hodnota referenční impedance vektorového analyzátoru obvodů. Při měření se naopak ze změřeného koeficientu odrazu Γ_χ výpočtem podle vztahu = ^Z0 l + r_K (2) získá hodnota měření 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 změnu 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 ΙεΩ. 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. Zapojeni je tvořené měřenou impedancí 3 vyznačenou pro lepší orientaci na výkrese též jako Z_A. referenční impedancí 4 vyznačenou na výkrese též jako Z^, vektorovým analyzátorem obvodů 1, 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 li je připojena referenční impedance 4. Výstupní brána 9 hybridního členu 2 je propojena přes zesilovač 5 s přijímací bránou 7 vektorového analyzátoru obvodů 1. Budicí brána 6 vektorového analyzátoru obvodů 1 je propojena se vstupní bránou 8 hybridního členu 2. Vektorový analyzátor i 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 nemusí být

- 1 CZ 302217 B6 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 I a ten ho změří jako koeficient přenosu S21. Změřená hodnota koeficientu přenosu je v ideálním případě dána vztahem

S

= y(C-r,J, (3) kde al 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 S21 na změny měřené impedance Z_v

Šířka frekvenčního pásma a velikost maximálního použitelného zisku zesilovače je u této metody dána především kvalitou použitého 180stupňového hybridního členu - jeho frekvenčním pásmem, 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 vynálezu

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. Pasivní 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 čtyř děličů výkonu, vstupního, referenčního, měřicího a výstupního. Vstupní branou je vstup vstupního děliče výkonu. Jeho jeden výstup je spojen s jedním výstupem referenčního děliče výkonu, jehož vstup je referenční bránou. Druhý výstup vstupního děliče výkonu je spojen s jedním výstupem měřicího děliče výkonu, jehož vstup je měřicí bránou. Druhý výstup referenčního děliče výkonu je spojen s jedním výstupem výstupního děliče výkonu, jehož vstup je výstupní bránou a jehož druhý výstup je spojen s druhým výstupem měřicího děliče výkonu. Podmínkou je, že skupina děličů výkonu tvořená vstupním děličem výkonu, referenčním děličem výkonu, měřicím děličem výkonu a výstupním děličem výkonu je tvořena děliči výkonu se soufázovými a/nebo protifázovými výstupy v libovolném výběru.

V jednom možném provedení je dělič výkonu s protifázovými výstupy tvořen 180stupňovým hybridním členem s bezodrazně zakončenou nepoužitou bránou pomocí impedance.

Vyvinuté zapojení 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 í sčítání obou koeficientů odrazu. To pak umožňuje například použití posuvného zkratu jako referenční impedance i při měření velmi vysokých impedancí.

-2CZ 302217 B6

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 principiel5 ní 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, která využívá čtyř děličů výkonu k realizaci součtu referenčního a měřeného koeficientu odrazu. Na obr. 4 je uvedeno principielní schéma zapojení pasivního čtyřbranu z obr. 2, které využívá tří děličů výkonu a 180stupňového hybridního členu k realizaci rozdílu referenčio ního a měřeného koeficientu odrazu.

Příklady provedeni vynálezu

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 impedanci mikrovlnných obvodových prvků je zde tvořen vektorovým analyzátorem i 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 branou 8 pasivní části systému, která má měřicí bránu 10 pro připojení měřené impedance 3 a referenční bránu 11 pro připojení referenční impedance 4. Pasivní Část je zde tvořena pasivním čtyřbranem 12.. Zapojení pasivního čtyřbranu 12 měřicího systému se čtyřmi děliči výkonu, které jsou v tomto příkladě děliče se soufázovými výstupy, je uvedeno na obr. 3. Pasivní čtyřbran 12 se skládá ze čtyř děličů výkonu. Vstupní dělič 15 výkonu je připojen ke vstupní bráně 8 a jeho jeden vystup 24 je spojen s jedním výstupem 19 referenčního děliče výkonu 13. jehož vstup je referenční bránou ii- Druhý výstup 23 je spojen s jedním výstupem 21 měřicího děliče 14 výkonu, jehož vstup je měřicí bránou H). Druhý výstup 20 referenčního děliče 13 výkonu je spojen s jedním výstupem 25 výstupního děliče výkonu 16, jehož vstup je výstupní bránou 9 a jehož druhý výstup 26 je spojen s druhým výstupem 22 měřicího děliče 14 výkonu.

Při buzení do vstupní brány 8 je vstupní signál rovnoměrně rozdělen vstupním děličem 15 výkonu mezi měřicí dělič 14 výkonu jehož vstup tvoří měřicí bránu 10 čtyřbranu, a referenční dělič 13 výkonu, jehož vstup tvoří referenční bránu 11 čtyřbranu. Signály odražené od měřené impedance 3 připojené k měřicí bráně 10 a od referenční impedance 4 připojené k referenční bráně H 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 (4) kde koeficient a zahrnuje rozhodovací útlumy děličů výkonu. Referenční koeficient odrazu je pak nutné zvolit jako r„— r,. (5)

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

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. To zejména platí v případě referenčního děliče 13 výkonu a měřicího děliče 14 výkonu.

-3 CZ 302217 B6

Pokud je kladen důraz na velkou širokopásmovost zapojení, lze místo referenčního děliče J_3 výkonu a měřicího děliče 14 výkonu s vysokou izolací mezi výstupy použít i širokopásmové odporové děliče výkonu. Vzhledem kjejich nedostatečné izolaci mezi výstupy, která je asi 6 dB, je však nutno zapojení uvedené na obr. 3 modifikovat tak, že se místo vstupního děliče 15 výkonu, nebo místo výstupního děliče 16 výkonu použije dělič 17 výkonu s protifázovýmí výstupy na bránách tvořených vlastně prvním výstupem 25 a druhým výstupem 26. Ten lze realizovat například pomocí 1 ŠOstupňového hybridního členu s bezodrazově zakončenou nepoužitou bránou 27, vzhledem ke které jsou výstupy 25 a 26 soufázové, pomocí impedance Zo 18. Výsledné zapojení io je uvedeno na obr. 4. Díky 180stupňovému fázovému posuvu mezi bránou, respektive prvním výstupem 26 a výstupní bránou 9 a nulovému fázovému posuvu mezi bránou respektive druhým výstupem 25 a výstupní bránou 9, jsou nežádoucí signály, které projdou vlivem malé izolace mezi prvním výstupem 19 a druhým výstupem 20 referenčního děliče 13 výkonu přes tento dělič 13 a mezi prvním výstupem 21 a druhým výstupem 22 měřicího děliče 14 výkonu přes tento dělič ! 5 JL4 sečteny v protifázi a jejich vliv je na výstupní bráně 9 tak do značné míry eliminován. Zapojení lze použít tak, že 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 brána 8 je výstupní branou pasivního čtyřbranu 12, tj. brána 9 je spojena s budicí bránou 6 vektorového analyzátoru a brána 8 je propojena se zesilovačem 5. Přenos mezi vstupní a výstupní branou a tím tedy i celkový měřený přenos je úměrný rozdílu obou koeficientů odrazu

Sn-^r.-rJ, (6) kde koeficient a zahrnuje rozbočovací útlumy děličů výkonu. Referenční koeficient odrazu je pak nutné zvolit jako r_ref « Γ_χ. (7)

Zapojení pasivního čtyřbranu 12dle obr. 3 a obr. 4 do měřicího systému dle obr. 2 lze také modi30 fikovat tak, že k vstupní bráně 8 a k výstupní bráně 9 jsou připojeny referenční impedance Z_rff 4 a měřená impedance Z_x 3, a to v libovolném pořadí, a referenční brána 11 a měřicí brána 10 jsou připojeny k budicí bráně 6 vektorového analyzátoru lak zesilovači 5, opět v libovolném pořadí.

Uvedené příklady nejsou však konečné, avšak jedná se o nejvýhodnější zapojení. Teoreticky je možné realizovat i všechny další možné varianty, tedy kdy jsou všechny děliče výkonu protifázové, nebo dva jsou soufázové a dva protifázové nebo 3 jsou protifázové ajeden soufázový. Pro varianty, kdy jsou všechny děliče výkonu soufázové nebo protifázové a pro variantu, kdy jsou dva soufázové a dva protifázové 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 a referenční koeficient odrazu odečítají, musí platit vztah (7).

Průmyslová využitelnost

Zapojení pasivního čtyřbranu pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků s děliči výkonu se soufázovými, případně s protifázovýmí, výstupy jsou při použití s metodou pro měření extrémních impedancí mikrovlnných 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 (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   5 1. Měřicí systém pro měření extrémních impedancí mikrovlnných obvodových prvků, tvořený 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 io referenční impedance (4), vyznačující se tím, že pasivní část je tvořena pasivním čtyřbranem (12) sestávajícím ze Čtyř děličů výkonu, a to ze vstupního děliče (15) výkonu se vstupní bránou (8), jehož jeden výstup (24) je spojen s jedním výstupem (19) referenčního děliče (13) výkonu, jehož vstup je referenční bránou (11), a jehož druhý výstup (23) je spojen s jedním výstupem (21) měřícího děliče (14) výkonu, jehož vstup je měřicí bránou (10), kde druhý výstup is (20) referenčního (13) děliče výkonu je spojen s jedním výstupem (25) výstupního děliče (16) výkonu, jehož vstup je výstupní bránou (9) a jehož druhý výstup (26) je spojen s druhým výstupem (22) měřicího děliče výkonu (14), přičemž skupina děličů výkonu tvořená vstupním děličem (15) výkonu, referenčním děličem (13) výkonu, měřicím děličem (14) výkonu a výstupním děličem (16) výkonu je tvořena děliči výkonu se soufázovými a/nebo protifázovými výstupy v libo20 volném výběru.
2. 2. Měřicí systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že dělič výkonu, který je protifázový, je tvořen 180stupňovým hybridním členem (17) s bezodrazně zakončenou nepoužitou bránou (27) pomocí impedance (18).