RU1793392C - Измеритель модул и фазы коэффициента отражени - Google Patents

Abstract

V зобретение относитс  к технике измерений на СВЧ и может использоватьс  дл  измерени  комплексного коэффициента отражени  .и полного сопротивлени  различных двухполюсников. Цель изобретени  - повышение точности и расширение диапазона изменени  мощности. Измеритель содержит СВЧ-генератор 1, четырехзондовый датчик 2, фазометры 8, 9, тангенсные преобразователи 10, 11. квадраторы 12, 13, блоки делени  14, 19, арктангенсный преобразователь 15, индикатор фазы 16, сумматоры 17. 21, блоки извлечени  квадратного корн  18. 22, блок вычитани  23 и источник опорного напр жени  24 Цель изобретени  достигаетс  за Счёт введени  фазометра 9, преобразовател  11, квадраторов 12, 13, сумматоров 17, 21 и блока 22. 1 ил.

Description

JL

хг

О

Ы

СО

О

ю

Изобретение относитс  к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано дл  измерени  комплексного коэффициента отражени  и полного сопротивлени  СВЧ устройств различного целевого назначени .

Известны измерители коэффициента отражени , содержащие последовательно соединенные свипирующий СВЧ-генера- тор, четырехзондовый датчик полных сопротивлений и измер емый двухполюсник. Каждый из зондов датчика полных сопротивлений нагружен на соответствующий квадратичный детектор. Выходы квадратичных детекторов соединены со входами ос- циллографического индикатора, в котором осуществл етс  обработка результатов. Кроме того, в таких измерител х имеетс  цепь стабилизации уровн  мощности СВЧ- генератора, содержаща  дополнительно од- нодетекторную либо двухдетекторную секцию,

. Недостатком этих- измерителей  вл етс  существенна  погрешность измерени , котора  вызываетс  неидентичностью характеристик СВЧ-детекторов, а также остаточной неравномерностью мощности СВЧ-генератора. Кроме того, индикаторный блок таких измерителей имеет большие габариты и массу, а принцип действи  не позвол ет осуществл ть раздельное измерение модул  и фазы комплексного коэффициента отражени .

Эти недостатки устранены в автоматических измерител х полных сопротивлений, реализующих коммутационный способ измерени . В -таких устройствах зонды датчика полных сопротивлений подсоединены через СВЧ-коммутатор к одному СВЧ-детек- тору. Обработка результатов ведетс  путем фильтрации составл ющих спектра проде- тектированного сигнала, что обеспечивает малые габариты и массу, исключает необходимость цепи стабилизации мощности и позвол ет осуществить раздельное измерение модул  и-фазы.

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  устройство, описанное в 4. Это устройство и выбрано в качестве прототипа . Устройство содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор, отрезок линии передачи и четырехзондовый датчик, выход которого  вл етс  входом дл  подсоединени  исследуемого двухполюсника.

Зонды св зи датчика через СВЧ-коммутатор соединенььсо входом квадратичного СВЧ-детектбра, виход которого через после- доватёльно соединенные полосовой фил ьтр, линейный амплитудный детектор и перзый управл емый делитель напр жени 

подключай к первому входу измерител  отношени , выход которого соединен с индикатором модул . Выход полосового фильтра через последовательно соединенные фазометр , тангенсный преобразователь, второй управл емый делитель напр жени  и арк- тангенсный преобразователь соединен, с индикатором фазы. Выход арктангенсного преобразовател  через усилитель, первый

0 косинусный преобразователь, перемножитель , вычитающее устройство и корнеизвле- кагощее устройство подключен ко второму входу измерител  отношени . Управл ющий выход СВЧ-генератора подключен ко

5 вторым входам первого и второго управл емых делителей напр жени , а через второй косинусный преобразователь - ко второму входу перемножител . Блок управлени  соединен с управл ющим входом СВЧ-комму0 татора и опорным входом фазометра.

Недостатком устройства-прототипа  вл етс  недостаточно высока  точность измерени  и малый динамический диапазон изменени  мощности в линии передачи. Эти

5 недостатки вызваны тем, что в прототипе осуществл етс  анализ амплитудного распределени  пол  в линии передачи. Прототипу свойственны следующие погрешности:

1) погрешность из-за неквадратичности 0 характеристики СВЧ-детектора. Эта погрешность резко возрастает при измерении больших значений коэффициентов отражени , когда динамический диапазон сигналов на выходах элементов св зи датчика 5 возрастает;

2) погрешность из-за неидентичности зондов датчика. Даже небольшие отличи  в глубине погружени  элементов св зи в линию передачи привод т к заметному изме- 0 нению ответвл емой мощности (квадратична  зависимость от глубины погружени );

3) погрешность из-за нридентичности потерь пропускани  каналов СВЧ-коммута- 5 тора;

4) погрешность из-за нестабильности потерь пропускани  СВЧ-коммутатора, котора  особенно существенна при эксплуатации измерител  в жестких услови х.

0 Динамический диапазон изменени  мощности в линии передачи, в пределах которого возможны измерени , определ етс  динамическим диапазоном измер емого модул  коэффициента отражени  (КСВ) и

5 диапазоном приемлемого квадратичного детектировани . Если задатьс  максимальным значением КСВ .10, то мощность в максимуме амплитудного распределени  будет превышать мощность в минимуме в 100 раз (20 дБ). Широко известно, что диа (за г

пазсн приемлемого квадратичного детекти- ровг

ни  СВЧ-диодов не превышает 35 дБ ределами этого диапазона результаты

станов тс  недостоверными). Поэтому воз- можный динамический диапазон измене- ни  мощности в основной линии передачи составит (35-20) 15 дБ. В р де случаев этот) недостаточно. Например, в случае, когд э встроенный измеритель используетс  как дл  настройки СВЧ-тракта, так и дл  контэол  его в режиме функционировани  радиотехнической системы. Настройка проводитс  на малых уровн х мощности при использовании стандартных генераторов мощности в несколько милливатт, а реальна  работа осуществл етс  на больших уров н х мощности (ватты, дес тки ватт, сотни BJITT). Кроме того, мощность в реальной ради технической системе может из-за аварийных ситуаций резко измен тьс  в больших пределах. Система контрол  должна функционировать в таких случа х, так как она г озвол ет вы вить причину аварии.

1елью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  и расширение динамического диапазона изменени  мощности в линии передачи. ,-Указанна  цель достигаетс  тем, что в измеритель модул  и фазы коэффициента отрахени , содержащий последовательно coeД пенные генератор СВЧ и четырехзон- довыи датчик, выход которого  вл етс  вхо

дом

дл  подсоединени  исследуемого

е первый фазометр и первый танген- преобразователь, последовательно

двухг олюсника, последовательно соединенж

сный

соединенные первый блок делени , арктан- ,1й преобразователь и индикатор фа- слёдовательно соединенные первый

генсн зы, п блок i

звлечени  квадратного корн , второй

блок лелени  и индикатор модул , послёдо- вател но соединенные источник опорного- напр жени  и блок вычитани , введены по- следозательно соединенные второй фазометр , первь

второй тангенсный преобразователь, 45 и квадратор, первый сумматор, вточен к перво Динен через

рой с/мматор и второй блок извлечени  квадратного корн , выход которого подклю- торому входу блока вычитани , выход

Q тангенсного преобразовател  сое- с вторым входом первого сумматора

зведенный второй квадратор, выходы первого и второго тангенсных преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока делени , выход (первого сумматора соединен с входом пб|рвого блока извлечени  квадратного корн ,1 выхед блока вычитани  соединен с вторым -входом второго блока делени , а

о v/i п 1ллтг иим1/а rmnnunrn -uan нам/Риме ЛЛвыход источника опорного напр жени  со-

5

0

5

0

5

0

0

5

0

5

и

единен с вторым входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехзондо- вого датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов - с входами второго фазометра.

Таким образом, в за вл емом устройстве в отличие от прототипа осуществл етс  анализ фазового распределени  пол  линии передачи, а не амплитудного. Это достигаетс  введением за вленных отличительных признаков, которые  вл ютс  новыми, как отсутствуют в прототипе. Эти признаки обеспечивают получение новых технических свойств, а именно, повышают точность и расшир ют динамический диапазон изменени  мощности в линий передачи. Это подтверждает существенность за вленных признаков.

На чертеже изображена структурна  схема устройства.

Измеритель модул  и фазы коэффициента отражени  содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор 1, четырехзон- довый датчик 2 и измер емый двухполюсник 3. Выходы зондов 4, 5, 6, 7 датчика 2 подключены к входам фазометров 8, 9. Причем зонды 4 и 6 подключены к входам фазометра 8, а зонды 5 и 7 к входам фазометра 9. Выходы фазометров 8 и 9 через соответствующие тангенсные преобразователи 10 и 11 подключены к входам соответствующих квадраторов 12 и 13 и к входам первого блока делени  14, выход которого через ар- ктангенсный преобразователь 15 соединен с индикатором фазы 16. Выходы квадраторов 12 и 13 подключены к входам первого сумматора 17, выход которого через первый блок извлечени  квадратного корн  18 подключен к входу второго блока делени  19 и непосредственно к входу второго сумматора 21, второй вход которого соединен с источником опорного напр жени  24, а выход через второй блок извлечени  квадратного корн  22 подключен ко входу блока вычитани  23, второй вход которого соединен с источником опорного напр жени  24, Выход блока вычитани  23 соединен со вторым входом второго блока делени  19, выход которого соединен с индикатором модул  20.

СВЧ-генератор 1 предназначен дл  формировани  гармонических колебаний определенной частоты. В качестве СВЧ-ге- нёрзтора 1 может быть использован любой генератор соответствующего диапазона волн из группы приборов Г4 (генераторы измерительные высокочастотные). Дл  панорамных измерений следует примен ть генераторы качающейс  частоты, например, из комплекса приборов Р2 (измерители КСВ

и ослаблени ). При встроенном контроле используетс  генератор радиотехнической системы .

Четырехзондовый датчик 2 предназначен дл  анализа фазового распределени  пол  в линии передачи. Дл  ответвлени  сигналов из отрезка линии передачи могут использоватьс  ненаправленные емкостные , индуктивные и индуктивно-емкостные зонды 4,5, 6, 7. Наиболее просто реализуетс  датчик на основе четырех емкостных штырей, размещенных на рассто нии Я /8 (Я - длина волны в линии передачи). Конкретные конструкции датчиков приведены, например, в 1, 2.

Фазометры 8 и 9 предназначены дл  измерени  фазовых сдвигов между сигналами , ответвленными зондами 4, 6 и 5, 7 соот- ветственно. Дл  этой цели можно применить серийно выпускаемые нашей промышленностью приборы групп Ф2 и ФК2. В частности, могут быть использованы приборы ФК2-12, Ф.К2-18, ФК2-29 ФК2- 33, ФК2-39 и другие.

Тангёнсные преобразователи 10, 11, квадраторы 12, 13, блоки делени  14, 19, арктангенсный преобразователь 15, сумматоры 17, 21, блоки извлечени  квадратного корн  18, 22 и блок вычитани  23 предназначены дл  осуществлени  соответствующих функциональных преобразований. Схемные реализации этих блоков широко известны, весьма разнообразны и приведены , например, в 5. При использовании цифровых выходов фазометров 8 и 9 перечисленные блоки следует реализовать в цифровом виде с использованием цифровых интегральных схем и микропроцессоров .

Источник опорного -напр жени  24 предназначен дл  выработки напр жений, условно прин тых за единицу в конкретных схемах. Реализовать его можно с помощью стабилизаторов посто нного напр жени  и делителей напр х ени  на прецизионных резисторах. Схемы этих устройств широко известны и не требуют по снений и ссылок,

Индикаторы фазы 16 и модул  20 предназначены дл  индикации результатов измерени . Дл  этих целей могут быть использованы стрелочные, цифровые, графические к другие типы индикаторов.

Измеритель модул  и фазы коэффициента отражени  работает следующим образом . Рассмотрим линию передачи без по.терь. Отсчет рассто ни  I будем проводить от плоскости подключени  исследуемого двухполюсника 3, т.е. справа-налево. В отрезке линии передачи с ч етырехзондовым

и

датчиком 2 в общем случае будет существовать падающа  волна с комплексной амплитудой Опад.О), котора  распростран етс  в направлении от генератора СВЧ 1 к двухполюснику 3, и отраженна  волна с комплексной амплитудой Оотр-О), котора  распростран етс  в обратном направлении. В результате интерференции этих волн получаем суммарную волну с комплексной амплитудой

и(1)0пад.(1) + 0отр.(1).(1) Обозначим значение комплексных амплитуд падающей и отраженной волн в плоскости подключени  двухполюсника 3 через Оо пад. и

Оо отр. соответственно. Тогда комплексные амплитуды этих волн на рассто нии I от нагрузки будут равны

Опад.О) U0 пад е /3 ; Оотр(0 Ос

JQ отрс

20

25

где уЗ 2л /Я - волновое число;

Я - длина волны в линии передачи. Подставив эти значени  в формулу (1), получим

ОШ-Оопад. +UooTP. (2) Вынесем за скобки член Оопад.е /

. i + e-J2/

иопад

(3)

30 По определению величина и0отр./и0пад.  вл етс  комплексным коэффициентом отражени  двухполюсника 3 в плоскости подключени  к датчику 2, т.е.

35Й Г , (4) 00 иопад.

где 1Г|, / - модуль и фаза комплексного коэффициента отражени  двухполюсника 3.

Подставим (4) в(3) 4П 0(1)0опад. 1+ I Г| e-j().

° (5)

использу  формулу Эйлера, представим (5) следующим образом

ОонХпзде1 1 1 + I Г I cos ( -$}

-П rlsjn(2/3l-p)(6) Сигналы, которые ответвл ютс  зондами 4, 5, 6, 7, будут иметь вид

Ui(lKW.eJ Kj 1+ir| cos( )-

-j |rlsin(2Јl-p)(7) где i - номер зонда ( 4, 5, 6, 7);

К - комплексный коэффициент передачи i-ro зонда.

Из (7) определим начальные фазы ответвл емых сигналов, полага  начальную фазу падающей волны в плоскости подключени  двухполюсника З..нулевой

. , Ј Г I sin ( - tf) . ,,. , Jt . f. h , , -/, +Ј, -arctg , + , г , со,, %) ДЧ (3 +& -&) +

I Г I cos(2/9l7-y)

(f)

где Јi - аргумент комплексного коэффици-+arctq

ента передачи 1-го зонда KI,5 --

Учтем, что рассто ни  между зондами 4,1 + I Г I sin (2/И7 - у) j, 6, 7 выбираютс  равными А/8, т.е. le

+ A /8;l5 l7+A /4;U I7 + 3A /8,+ arctg r cos () тогда начальные фазы ответвл емых сигна- „ i r- i

с«л 1-f SID ( 2 р 7 V )

л эв будутш v у

10

A(-f+|7-|5)4b / l7+S7-««fl t n.ln(2ffl7-y)

1 -| Г I cos ((p) Чб /517+/ + 6|r|sin (2/ t7+2/ - -y5)

апд--г- --; 8 v; -(10)

1+1Г lcos(2/ l7+2/ - -V) 45 /3l7+ +& I Г1.in (2/817+2 -|-)

attg------------- ---- .(n) Ф

1 +| П cos (2/31 +2/3- -) / 17+/3- -+|4.- о

arctgзА

|r|Sin(2/ l7+2/ - -y)

зА

1+ I Г I cos ( +2/9 - -y)

Показани  фазометров 8 и 9 при соответс вующем подключении входов будут равны

П уч

д% ч/4-Ч б, (13) , (14)

дставл   в (13) и (14) формулы (9)-(12) тыва , что /3 2 л/А .получим

ft « +1;4 - Јб

|Г| sin(2/8l7+- -) arctg ---г------ ----- + рЗлг

1 + rrlcos(2/3l7+-4Ј--y)

л:

a -ctg

I Г I sin(2/Sl7+f-y)

05)

Путем введени  компенсирующих фазовых сдвигов с помощью фазовращателей, которые имеютс  в любом фазометре, можно

а л- - добитьс  нулевых показаний фазометров 8 1 + I Г I cos (2p l7 + ) 50 и 9. С учетом этого соотношени  (20) и (21)

могут быть записаны в виде

I Г I cos () а

Tlsln() + 1 + I Г I cos()

|Г|51п(2/ 17+лг-у) (16)

1 + I Г I cos(2/3l7-f;7r-)

I Г I cos(2/9l7-y) +

--

.(17)

1-f SID ( 2 р 7 V )

v у

A(-f+|7-|5)-arctglrisin (2/3l7-f)

1 - I Г I cos(2/3l7 -y)

.arctgirisln(2/.7-y) (18)

1 + I Г I cos ( -у)

Свернем (17) и (18), использу  известную формулу

arctg a + arctg у arctg Jy (19) В результате преобразований получим

A4fe(J+Ј,-&) +

+ arctg

2 | Г I cos(2/ l7-y7)

,(20)

-arctg 35

30

1 - I Г

AW(-f+ )2 I Г I sin(2/JI7-y)

,(21)

В выражени х (20) и (21) первые члены в круглых скобках  вл ютс  посто нными величинами и не завис т от измер емых параметров: IГ | и (р. Эти члены могут быть исключены при калибровке измерител  по согласованной нагрузки , дл  которой IГI 0. Подставл   в (20) и (21) значение J Г| 0, видим, что показани  фазометров 8 и 9 будут соответственно равны:

5 A4fo(-f+&-&)ДЧЬ)(-|+&-&)

Путем введени  компенсирующих фазовых сдвигов с помощью фазовращателей, которые имеютс  в любом фазометре, можно

2 I Г I cos () а

A4fe arctg. 2 55 1 - I Г I

,а(22)

ДЧ arctg 2lrlsin -2 17). (23) .

1 - I Г I

Эти соотношени  представл ют собой систему из двух уравнений с двум  неизвестными: IГI и р. Дл  определени  модул  и фазы комплексного коэффициента отражени  напр жени  с выходов фазометра по- ступают на тангенсные преобразователи 10 и 11, с выходов которых снимают сигналы

единичное напр жение от источника опорного напр жени  24. На выходе второго сумматора имеем

2

I 1 , I I ... Л Т | I | .

. (24).

1 -|Г|

U11 - tg Аг 2|Г|51п()

(25)

U13 U LI

(28)

2 2

O-iri )

Этот сигнал поступает на вход первого блока извлечени  квадратного корн  18, на вы- ходе которого

20

25

30

-. . 1-IM :;-:;:

Сигналы с выходов тангенсных преобразо- 15 вателей 10 и 1.1 поступают на входы делител  и делимого первого блока делени  14. При этом на выходе этого блока формируетс  сигнал ; ::: - ,

№$ - fa-v

Этот сигнал поступает на вход арктангенсно- го.преобразовател  15. на выходе которого получаем сигнал, пропорциональный фазе комплексного коэффициента отражени  Ui5 arctgUi4 I (27) Этот сигнал поступает на индикатор фазы 16. Исключение посто нной величины -2 ft I из результата осуществл етс  путем начальной установки показаний индикатора при калибровке по образцовой мере с нулевой фазой, либо с любым другим заранее известным значением фазы. Дл  этих целей удобно использовать короткозамыкатель. - ;

Сигналы Uio и U tt С выходов тангенсных преобразователей 10 и 11 поступают также на квадраторы 12 и 13, на выходах которых

получаем

I Г I cos2(yT-2ffl7) 22

O-iri ) ;

4 | Г I sin2 (1-201)

2 2

(1-1П)

Эти сигналы поступают на входы первого сумматора 17, на выходе которого получим

.... - : ..... 2

+ U13 --4 Г. «.; (30)

(29)

50

55

35

40

45

U.18ЛЕГ-Л4Й (3D

1 - I Г Г

Одновременно сигнал с выхода первого сумматора 17 поступает на вход второго сумматора 21, ьа второй вход которого подано

22(32)

(1-1П )

Этот сигнал поступает на вход второго блока извлечени  квадратного корн  22, на выходе которого

; : .. - 2

и22 :А/ПГ +| Г 2(зз)

. ;;. v 1 - I Г I Этот сигнал поступает на вход уменьшаемого блока вычитани  23, на вход которого подано единичное напр жение от источника опорного напр жени  24. На выходе блока вычитани  23 будем иметь

1 + I Г I

U23 U22-1

-1

1 - I Г

30

2 I Г I

.......(34)

- г Г :

Таким образом на вход делимого второго блока делени  19 подан сигнал 1)23, а на вход делител  сигнал Uie. Тогда на выходе второго блока делени  19 будет сигнал

35

и„-ЙI г|

(35).

50

55

40

45

Это сигнал поступает на индикатор модул  20.

Докажем получение за вленного положительного эффекта.

Повышение точности в за вленном устройстве обусловлено следующими причинами:

1) исключаетс  погрешность из-за не- квадратичности детектора, так как в за вленном устройстве измер етс  не мощность ответвленного сигнала, а фаза. СВЧ-детек- тор при этом из схемы исключен;

2) исключаетс  погрешность из-за неидентичности глубины погружени  зондов, так как изменение глубины погружени  приводит к изменению коэффициента передачи и, как следствие, к изменению ответвл емой мощности, а на фазу ответвл емого сигнала практически не вли ет;

3) исключаетс  погрешность из-за неидентичности потерь пропускани  каналов СВЧ-коммутатора и из-за нестабильности этих потерь, так как СВЧ-коммутатор исключен из схемы.

Динамический диапазон изменени  мощности в линии передачи в за вл емом у( тройстве будет шире, поскольку фазометр обладает существенно большим динамиче- диапазоном входных сигналов, чем С ЗЧ-детектор. Этот диапазон определ етс  кс эффициентом усилени  усилител -ограничител , который может быть очень больФормула изобретени  Измеритель модул  и фазы коэффициента отражени , содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ и четырехзондовый датчик, выход которого  вл етс  входом дл  подсоединени  исследуемого двухполюсника, последовательно соединенные первый фазометр и первый тангенсный преобразователь, последова- тетьно соединенные первый блок делени , арктангенсный преобразователь и индика- то з фазы, последовательно соединенные пе эвый блок извлечени  квадратного корн , второй блок делени  и индикатор модул , последовательно соединенные источник опорного напр жени  и блок вычитани , о т- л I/ чающийс  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  динамического диапазона изменени  мощности, введены по:ледовательно соединенные второй фа- зо иетр, второй тангенсный преобразовашим . Типовое значение динамического диапазона входных сигналов 60-100 дБ (смотри , например фазометры ФК2-29, ФК2-33, и другие). Таким образом, динамический диапазон мощности в линии передачи при прочих равных, оговоренных ранее, услови х составит не менее () 40 дБ, т.е. на 25 дБ шире, чем в прототипе.

тель, первый квадратор, первый сумматор, второй сумматор и второй блок извлечени  квадратного корн , выход которого подключен к второму входу блока вычитани , выход первого тангенсного преобразовател  соединен с вторым входом первого сумматора через введенный второй квадратор, выходы первого и второго тангенсных преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока делени , выход первого сумматора соединен с входом первого блока извлечени  квадратного корн , выход блока вычитани  соединен с вторым входом второго блока делени , а выход источника опорного напр жени  соединен с вторым-входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехзондо- вого датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов - с входами второго фазометра.