(54) Vektorový analyzátor obvodů

CZ 3255 U í

'v

CO

Vektorový analyzátor obvodů

Oblast techniky

Technické řešení se týká vektorového analyzátoru obvodů pro měření komplexních koeficientů odrazu a přenosu n-branů, zejménapro oblast radiofrekvenčních a mikrovlnných obvodů.

Dosavadní stav techniky

Dosud známé mikrovlnné vektorové analyzátory obvodů pro měření komplexních koeficientů odrazu a přenosu n-branů se konstruují buď jako systémy s frekvenční konverzí nebo využívají mikrovlnné obvody se 6-brany.

V prvním případě je amplituda a fáze koeficientu odrazu čí přenosu měřeného v kmitočtovém pásmu jednotky MHz až desítky GHz určována až po frekvenční konverzi na kmitočtech v pásmu stovek kHz, například pomocí fázového detektoru. Lze tedy říci, že požadovaná informace se získá až po kmitočtovém převodu na podstatně nižší kmitočet. U těchto systémů lze dosáhnout velké širokopásmovosti měření, celý měřicí systém je však značně složitý a výrobně nákladný.

U systémů využívajících obvody se 6-brany s danými fixními parametry, je informace o amplitudě a fázi měřeného koeficientu odrazu a přenosu získávána na základě skalárního měření výkonů na výstupních branách použitých 6-branů. Měřicí systém je zde jednodušší, avšak vzhledem k požadavkům kladeným na parametry 6-branu, zejména pokud jde o vztah rozměrů jeho komponent vzhledem k vlnové délce měřícího signálu, je šířka pásma měření ve srovnání s předchozím systémem značně omezena.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny vektorovým analyzátorem obvodů pro měření komplexních koeficientů odrazu a přenosu n-branu podle technického řešení. Jeho podstatou je, že sestává z měřícího bloku, tvořeného blokem skalárního měřeni amplitudy komplexního koeficientu odrazu a/nebo blokem skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu, kde blok skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu je propojen s měřeným n-braném přes kaskádně zapojený poruchový 2-bran se změnou dvoubranových parametrů a blok skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu je propojen s paralelním zapojením měřeného n-branu a poruchového 2-branu se změnou dvoubranových parametrů. Paralelní zapojení měřeného n-branu a poruchového 2-branu je s výhodou v praxi vytvořeno pomocí prvního a druhého rozbočovače, které jsou připojeny k bloku skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu.

U poruchového 2-branu je podmínkou, aby byla zaručena změna jeho dvoubranových parametrů. Tuto změnu lze zabezpečit buď tím, že 2-bran je v zapojení realizován jako vyměnitelný prvek nebo tím, že je použit 2-bran s nastavitelnými dvoubranovými parametry. Pro zautomatizování měření je měřící blok a poruchový 2-bran propojen s počítačem.

Hlavní předností vektorového analyzátoru obvodů podle tohoto technického řešení je, že informace o amplitudě i fázi měřeného komplexního koeficientu odrazu nebo přenosu je získávána na základě pouze skalárního měření modulu koeficientu odrazu nebo přenosu, které je mnohem jednodušší než vektorové měření. Při realizaci poruchových 2-branů pomocí prvků se soustředěnými parametry např. ve formě π nebo T článku je také širokopásmovost analyzátoru podle vynálezu vyšší než u systémů se 6-brany, které nutně využívají ve frekvenčním pásmu jednotky až desítky GHz prvky s rozloženými parametry.

Přehled obrázků na výkrese

Vektorový analyzátor obvodů podle technického řešení je blíže popsán pomocí přiložených výkresů, kde na obr.l je uvedeno blokové schéma analyzátoru uspořádaného jak pro měření komplexního koeficientu odrazu, tak pro měření komplexního koeficientu přenosu. Jednoduché zapojení pro použití analyzátoru pouze pro měření komplexního koeficientu odrazu představuje obr.2 a na obr.3 je blokové schéma pro případ, kdy je analyzátor uzpůsoben pouze pro měření komplexního koeficientu přenosu .

Příklady provedení technického řešení

První příklad představuje vektorový analyzátor obvodů, který je uzpůsoben zároveň pro měření komplexního koeficientu odrazu i přenosu. Tento analyzátor je tvořen měřícím blokem i, který sestává z bloku 11 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu a z bloku 12 skalárního měření komplexního koeficientu přenosu, které jsou zařazovány podle právě probíhajícího měření přes první přepínač 4.

Pro měření komplexního koeficientu odrazu je blok 11 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu spojen přes první polohu 41 prvního přepínače 4 s poruchovým 2-branem 2, který je dále propojen přes první polohu 51 druhého přepínače 5. s měřeným n-branem 3..

Při měření komplexního koeficientu přenosu je blok 12 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu propojen přes druhou polohu 42 prvního přepínače 4 a přes první rozbočovač 6. jednak přímo s poruchovým 2-branem 2 a jednak přes druhou polohu 52 druhého přepínače 5 s měřeným n-branem 3, kde poruchový 2-bran 2 a měřený n-bran 3 jsou dále propoje4 ny přes druhý rozbočovač Ί_ zpět s blokem 12 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu.

Ve skutečnosti je možné toto zapojení realizovat se zařazením pouze jediného poruchového 2-branu 2, což ale zvyšuje nároky na použití dalších přepínačů a rozbočovačů a tím i cenu celého vektorového analyzátoru obvodů. Tato skutečnost je důvodem, proč se v popise hovoří pouze o jednom 2-branu 2, avšak na výkrese je pro zjednodušení nakreslen tento 2-bran 2 dvakrát. Princip v obou případech je stejný.

Při měřeni komplexního koeficientu odrazu je první přepínač 4 v první poloze 41 a druhý přepínač 5 je též v první poloze 51. Dopadající signál vygenerovaný v bloku 11 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu postupuje dále přes první přepínač 4, poruchový 2-bran 2, od kterého se částečně odráží a vrací k bloku 11 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu. Signál prošlý přes poruchový 2-bran 2 se na vstupní bráně n-branu 3, který je na výstupu bezodrazově zakončen, odráží a postupuje stejnou cestou v opačném směru k bloku 11 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu. Porovnáním amplitud dopadajícího a výsledného odraženého signálu je v tomto bloku 11 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu odrazu určena amplituda koeficientu odrazu kaskádního spojení poruchového 2-branu 2 a měřeného n-branu 3. Minimálně tři měření s třemi různými poruchovými 2-brany 2 s odlišnými a známými dvoubranovými parametry jsou potřebná pro jednoznačné určení amplitudy a fáze koeficientu odrazu měřeného n-branu 3.. Lze také použít pouze jeden poruchový 2-bran 2 s mechanicky nebo elektricky nastavitelnými dvoubranovými parametry. Amplituda jejich rozptylových parametrů je přitom nastavitelná až v rozsahu 0-20 a fáze v intervalu až -180 stupňů až +180 stupňů.

Při měření koeficientu přenosu jsou první a druhý přepínač 4 a 5. ve svých druhých polohách 42 a 5.2. Dopadající signál se v prvním rozbočovači 6 rozdělí. Jedna část postupuje přes druhý přepínač 2 a měřený n-bran 3 do druhého rozbočovače 2. Druhá část postupuje přes poruchový 2-bran 2 také do druhého rozbočovače 7, kde se oba signály sloučí a postupují do bloku 12 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu, kde je vyhodnocena amplituda výsledného koeficientu přenosu paralelního zapojení měřeného n-branu 3 a poruchového 2-branu

2. Opět jsou potřebná minimálně tři měření s třemi různými poruchovými 2-brany 2 s odlišnými a známými dvoubranovými parametry pro jednoznačné určení amplitudy a fáze koeficientu přenosu měřeného n-branu 3. Lze také použít pouze jeden poruchový 2-bran 2 s mechanicky nebo elektricky nastavitelnými dvoubranovými parametry. Amplituda jejich rozptylových parametrů je přitom nastavitelná až v rozsahu až 0 - 20 a fáze v intervalu až -180 stupňů až +180 stupňů.

Vektorový analyzátor obvodů pro měření amplitudy a fáze pouze koeficientu odrazu lze získat zjednodušením blokového zapojení podle obr. 1, jak je uvedeno na obr. 2. Blok 11 pro skalární měření nyní pouze amplitudy komplexního koeficientu odrazu je kaskádně zapojen s poruchovým 2-branem 2 a měřeným n-branem 3., kterým je v tomto případě pouze 1-bran. Princip činnosti je stejný jako při měření koeficientu odrazu vektorovým' analyzátorem obvodů podle obr. 1.

Vektorový analyzátor obvodů pro měření amplitudy a fáze pouze koeficientu přenosu lze získat zjednodušením blokového zapojení podle obr. 1, jak znázorňuje obr. 3. Blok 12 pro skalární měření nyní pouze amplitudy komplexního koeficientu přenosu je připojen přes první rozbočovač 6. jak k poruchovému 2-branu 2 tak k měřenému n-branu 3. , které jsou přes druhý rozbočovač 7. opět připojeny k bloku 12 skalárního měření amplitudy komplexního koeficientu přenosu. Princip činnosti je stejný jako při měření koeficientu přenosu vektorovým analyzátorem obvodů podle obr. 1.

Komplexní dvoubranové parametry poruchového 2-branu 2 se získávají po zpracování počítačem na základě skalárního kalibračního měření, kdy je měřen koeficient jeho přenosu a koeficienty odrazu na obou jeho branách při postupném zakončení zbývající brány např. přizpůsobenou zátěží, zkratem a otevřeným koncem. Tento počítač, který bude propojen s měřičem jL, respektive s jeho oběma bloky 11 a 12 a s poruchovými 2-braný 2, není na výkresech vyznačen.

Lze tedy shrnout, že informace o amplitudě a fázi komplexního koeficientu odrazu nebo přenosu měřeného n-branu 3 je získávána na základě opakovaného skalárního měření, kdy je měřený koeficient měněn pomocí připojovaných poruchových 2-branů 2 jejichž dvoubranové parametry jsou známé. Informace o dvoubranových parametrech poruchových 2-branů 2 může být získávána také na základě pouze skalárního kalibračního měření. Vlastní výpočet vektorových parametrů měřených obvodů z naměřených hodnot, popřípadě i kalibrace a nastavování dvoubranových parametrů poruchového 2-branu 2, je zpravidla prováděna počítačem.

Navržený způsob konstrukce vektorového analyzátoru obvodů byl ověřen modelováním na počítači. Při použití mikrovlnných tranzistorů FET pro konstrukci poruchového n-branu 3. byla zjištěna dosažitelná šířka měřicího pásma navrhovaného analyzátoru obvodů minimálně tři dekády, např. 10 MHz až 10 GHz.

Průmyslová využitelnost

Mikrovlnný analyzátor obvodů podle uvedeného technického řešení je použitelný v oblasti vysokofrekvenční a mikrovlnné techniky pro vektorové měření koeficientů odrazů a přenosů n-branů.

	7'		—ru
Λ	- 7 -

	N	Á	ROKY	NA 0 C H	R A	N U
	1. Vektorový	analyzátor	obvodů pro	měření	komplexních
	koeficientů			odrazu	a/nebo		přenosu	n-branů
	vyznač	u	j	ící s	e tím,	že	sestává	z měřícího