RU2207580C1

RU2207580C1 - Shf reflectometer

Info

Publication number: RU2207580C1
Application number: RU2001132241A
Authority: RU
Inventors: С.М. Никулин; В.П. Хилов; М.Е. Налькин
Original assignee: Хилов Владимир Павлович
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: SHF measurement, measurement of complex reflection factor of terminal loads in standard coaxial and waveguide channels. SUBSTANCE: given SHF reflectometer includes SHF generator, nondirectional foursonde pickup which output is output for connection of examined terminal load. It is supplemented with sensor placed between SHF generator and input of nondirectional four-sonde pickup. Distance between sondes is equal to 1/12 of wave length corresponding to central frequency of operational range. Three sondes respond to electric or magnetic field and fourth sonde responds to magnetic or electric field correspondingly. It is installed in plane of location of center sonde of four-sonde pickup, in opposition to it. Sensor incorporates detector and directional coupler which input and output are correspondingly input and output of .sensor and output of secondary channel is connected to detector. In compliance with another variant of realization of SHF reflectometer pickup has sonde and attenuator which input is connected to sonde and is input of pickup and its output is output of attenuator. EFFECT: widened band of operational frequencies, reduced dimensions, simplified design and increased measurement precision of reflectometer. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения оконечных нагрузок в стандартных коаксиальных и волноводных каналах. The invention relates to a microwave measurement technique and can be used to measure the complex reflection coefficient of terminal loads in standard coaxial and waveguide channels.

Для измерений в широкой полосе частот рефлектометры строят по известной схеме [1] , содержащей один противофазный и три квадратурных гибридных соединения. Однако жесткие требования к электрической длине соединений в схеме, технологические сложности, связанные с реализацией гибридных соединений в широкой полосе частот, делают такие рефлектометры дорогостоящими, громоздкими, рабочая полоса их не превосходит двух октав. For measurements in a wide frequency band, reflectometers are built according to the well-known scheme [1], which contains one antiphase and three quadrature hybrid compounds. However, the stringent requirements for the electrical length of the connections in the circuit, the technological difficulties associated with the implementation of hybrid compounds in a wide frequency band, make such reflectometers expensive, bulky, and their working band does not exceed two octaves.

Известны простые конфигурации рефлектометров (см. [2] приложение), содержащие два направленных (однозондовых) датчика (рис. 11.21 приложения) или один ненаправленный (четырехзондовый) датчик (рис. 11.22 приложения) индуктивного или емкостного типа. Simple configurations of reflectometers (see [2] appendix) are known, containing two directional (single-probe) sensors (fig. 11.21 of the appendix) or one non-directional (four-probe) sensor (fig. 11.22 of the appendix) of inductive or capacitive type.

Однако такие рефлектометры имеют рабочую полосу частот, не превосходящую одной октавы, и невысокую точность измерения. However, such reflectometers have a working frequency band not exceeding one octave, and low measurement accuracy.

В качестве ближайшего аналога для технического решения выбран СВЧ-рефлектометр, содержащий ненаправленный (четырехзондовый) датчик, зонды которого расположены в линии передачи (волноводе) на расстоянии, равном 1/8 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона (рис. 11.22 приложения). A microwave reflectometer containing an omnidirectional (four-probe) sensor whose probes are located in the transmission line (waveguide) at a distance equal to 1/8 of the wavelength corresponding to the center frequency of the operating range (Fig. 11.22 of the application) was chosen as the closest analogue for the technical solution.

Целью изобретения является расширение полосы рабочих частот рефлектометра с зондовыми датчиками с существенным уменьшением габаритов по сравнению с имеющимися решениями, упрощением устройства и повышением точности измерения. Сущность изобретения заключается в том, что в СВЧ-рефлектометр, содержащий ненаправленный четырехзондовый датчик, выход которого является выходом для подсоединения оконечной нагрузки, введен направленный датчик, вход которого является входом для подключения генератора СВЧ, а выход соединен со входом ненаправленного четырехзондового датчика, расстояние между зондами которого равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, причем три зонда выполнены реагирующими на электрическое или магнитное поле, а четвертый зонд выполнен реагирующим соответственно на магнитное поле или электрическое поле и установлен в плоскости расположения среднего зонда четырехзондового датчика, напротив него. The aim of the invention is to expand the operating frequency band of the OTDR with probe sensors with a significant reduction in size compared to existing solutions, simplifying the device and improving the accuracy of measurement. The essence of the invention lies in the fact that in a microwave reflectometer containing an omnidirectional four-probe sensor, the output of which is an output for connecting the end load, a directional sensor is introduced, the input of which is an input for connecting a microwave generator, and the output is connected to the input of an omnidirectional four-probe sensor, the distance between whose probes are equal to 1/12 of the wavelength corresponding to the center frequency of the operating range, and three probes are made responsive to an electric or magnetic field, and even the fourth probe is made responsive to a magnetic field or an electric field, respectively, and is installed in the plane of the middle probe of the four-probe sensor, opposite it.

Направленный датчик содержит детектор и направленный ответвитель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом направленного датчика, а выход вторичного канала соединен с детектором. The directional sensor contains a detector and a directional coupler, the input and output of which are respectively the input and output of the directional sensor, and the output of the secondary channel is connected to the detector.

В другом варианте выполнения СВЧ-рефлектометра направленный датчик содержит зонд и аттенюатор, вход которого соединен с зондом и является входом направленного датчика, а его выходом является выход аттенюатора. Использование миниатюрного аттенюатора упрощает конструкцию рефлектометра по сравнению с использованием в нем направленного ответвителя. In another embodiment of the microwave reflectometer, the directional sensor comprises a probe and an attenuator, the input of which is connected to the probe and is the input of the directional sensor, and its output is the output of the attenuator. Using a miniature attenuator simplifies the design of an OTDR compared to using a directional coupler in it.

Электрическая схема выполнения многополюсного СВЧ-рефлектометра приведена на фиг. 1 - 4, где изображено: на фиг. 1 - схема рефлектометра, у четырехзондового датчика которого три зонда реагируют на электрическое поле, а один - на магнитное; на фиг. 2 - схема рефлектометра, у четырехзондового датчика которого три зонда реагируют на магнитное поле, а один - на электрическое; на фиг. 3 - схема рефлектометра с направленным ответвителем в направленном датчике; на фиг. 4 - схема рефлектометра с аттенюатором в направленном однозондовом датчике; на фиг. 5 показано расположение калибровочных постоянных рефлектометра. An electrical diagram of a multi-pole microwave reflectometer is shown in FIG. 1 to 4, where: FIG. 1 is a reflectometer diagram, in a four-probe sensor of which three probes react to an electric field, and one to a magnetic one; in FIG. 2 is a reflectometer diagram, in a four-probe sensor of which three probes react to a magnetic field, and one to an electric field; in FIG. 3 is a diagram of an OTDR with a directional coupler in a directional sensor; in FIG. 4 is a diagram of an OTDR with an attenuator in a directional single-probe sensor; in FIG. 5 shows the location of the OTDR calibration constants.

Рефлектометр содержит (фиг. 1-2) включенные последовательно генератор СВЧ 1, направленный однозондовый датчик 2, ненаправленный четырехзондовый датчик 3, выход которого является выходом для подсоединения исследуемой нагрузки 4. Расстояние L между зондами 5, 6 четырехзондового датчика 3 равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, причем три зонда 5 выполнены реагирующими на электрическое (фиг. 1) или магнитное поле (фиг. 2), а четвертый зонд 6 выполнен реагирующим соответственно на магнитное поле (фиг. 1) или электрическое (фиг. 2) поле и установлен в плоскости расположения среднего зонда четырехзондового датчика 3, напротив него. The reflectometer contains (Fig. 1-2) a microwave generator 1 connected in series, a directional single-probe sensor 2, an omnidirectional four-probe sensor 3, the output of which is an output for connecting the test load 4. The distance L between the probes 5, 6 of the four-probe sensor 3 is 1/12 of the length waves corresponding to the central frequency of the operating range, and three probes 5 are made responsive to an electric (Fig. 1) or magnetic field (Fig. 2), and the fourth probe 6 is made to respond respectively to a magnetic field (Fig. 1) or electron the field (Fig. 2) and is installed in the plane of the middle probe of the four-probe sensor 3, opposite it.

Направленный датчик 2 может содержать (фиг. 3) направленный ответвитель падающей волны 7, выход вторичного канала которого соединен с детектором 8 датчика 2. The directional sensor 2 may contain (Fig. 3) a directional incident wave coupler 7, the output of the secondary channel of which is connected to the detector 8 of the sensor 2.

В другом варианте выполнения направленный датчик 2 содержит (фиг. 4) миниатюрный аттенюатор 9 с ослаблением 3-5 дБ, вход которого соединен с зондом 10 датчика 2. In another embodiment, the directional sensor 2 contains (Fig. 4) a miniature attenuator 9 with an attenuation of 3-5 dB, the input of which is connected to the probe 10 of the sensor 2.

СВЧ-рефлектометр работает следующим образом. Microwave reflectometer works as follows.

Сигнал от генератора СВЧ 1 через направленный ответвитель 7 с детектором 8 (или через зонд 10 и аттенюатор 9) попадает в исследуемую оконечную нагрузку 4, претерпевая отражения в плоскостях размещения зондов 5, 6. Мощности Р_i (Р₁, Р₂, Р₃, Р₄, Р₅ - см. фиг. 1 - 4), регистрируемые детекторами или зондами датчиков 2 и 3, связаны с измеряемым коэффициентом отражения Г оконечной нагрузки 4 соотношением
P_i = α_i|a|²|Г-q_i|², i = 1-5 (1)
Здесь α_i - действительные, q_i - комплексные постоянные, определяемые конструкцией рефлектометра, а - комплексная амплитуда волны, падающей на нагрузку.The signal from the microwave generator 1 through the directional coupler 7 with the detector 8 (or through the probe 10 and attenuator 9) gets into the studied end load 4, undergoing reflections in the planes of the placement of probes 5, 6. Power P _i (P ₁ , P ₂ , P ₃ , P ₄ , P ₅ - see Fig. 1 - 4) recorded by the detectors or probes of the sensors 2 and 3, are associated with the measured reflection coefficient G of the final load 4 by the ratio
P _i = α _i | a | ² | r-q _i | ² , i = 1-5 (1)
Here, α _i are real, q _i are complex constants determined by the reflectometer design, and is the complex amplitude of the wave incident on the load.

Перед измерением Г рефлектометр калибруют на всех частотах, определяя α_i и q_i (1), путем подключения нагрузок 4 с известным коэффициентом отражения Г_H [3] . Калибровка требует наличия хотя бы одной "ненулевой" мощности Р₁, что достигается использованием в рефлектометре направленного датчика 2.Before measuring Г the reflectometer is calibrated at all frequencies, determining α _i and q _i (1), by connecting loads 4 with a known reflection coefficient Г _H [3]. Calibration requires the presence of at least one "non-zero" power P ₁ , which is achieved by using a directional sensor 2 in the reflectometer.

Реальную и мнимую части Г определяют из соотношений Г_H [4]

Здесь A_i, B_i и С_i действительные постоянные, однозначно определяемые через α_i и q_i.The real and imaginary parts of Γ are determined from the relations Γ _H [4]

Here, A _i , B _i, and C _{i are} real constants uniquely determined by α _i and q _i .

Детектор 8 датчика 2, включенный во вторичном канале направленного ответвителя 7 (или зонд 10, включенный перед аттенюатором 9), реагирует на амплитуду волны, падающей на измеряемую нагрузку 4. Высокая точность восстановления Г по результатам измерения мощностей Р_i (P₁-Р₅) обеспечивается в том случае, когда калибровочные комплексные постоянные q_i (q₂-q₅) в плоскости комплексной переменной Г достаточно удалены друг от друга. Это условие в нашем случае выполняется в двухоктавной полосе рабочих частот, когда расстояние L между зондами 5, 6 равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте f_о рабочего диапазона, нижняя частота рабочего диапазона f_H = 0,5f_о, а верхняя f_В = 2f_о. Калибровочные постоянные зондов датчика 3, реагирующих соответственно на электрическое и магнитное поле, описываются выражениями:
q_i = -exp(i4πl_i/λ) (для электрического поля)
q_i = -exp(i4πl_i/λ) (для магнитного поля)
Здесь l_i - расстояние (см. фиг. 2) от зондов 5, 6 датчика 3 до плоскости подключения измеряемой нагрузки 4. На фиг. 5 показано расположение калибровочных постоянных рефлектометра на нижней f_н, средней f_о и верхней f_в частоте рабочего диапазона частот.The detector 8 of the sensor 2, included in the secondary channel of the directional coupler 7 (or probe 10, connected in front of the attenuator 9), responds to the amplitude of the wave incident on the measured load 4. High accuracy of the restoration of G according to the results of power measurements P _i (P ₁ -P ₅ ) is provided in the case when the gauge complex constants q _i (q ₂ -q ₅ ) in the plane of the complex variable Γ are sufficiently distant from each other. In our case, this condition is satisfied in the two-octave operating frequency band, when the distance L between the probes 5, 6 is 1/12 of the wavelength corresponding to the center frequency f _{о of the} operating range, the lower frequency of the operating range f _H = 0,5f _о , and the upper f _B = 2f _about . The calibration constants of the probes of the sensor 3, reacting respectively to the electric and magnetic fields, are described by the expressions:
q _i = -exp (i4πl _i / λ) (for electric field)
q _i = -exp (i4πl _i / λ) (for magnetic field)
Here l _i is the distance (see Fig. 2) from the probes 5, 6 of the sensor 3 to the plane of connection of the measured load 4. In FIG. 5 shows the location of the OTDR calibration constants on the lower f _n , middle f _o and upper f _{in the} frequency of the operating frequency range.

Таким образом, оптимальное соотношение и расположение зондов 5, 6 датчика 3, реагирующих на электрическое и магнитное поле, позволило при простой конструкции рефлектометра расширить полосу рабочих частот и повысить точность измерения за счет выполнения условия достаточной удаленности друг от друга калибровочных постоянных q_i в плоскости комплексной переменной Г.Thus, the optimal ratio and arrangement of probes 5, 6 of sensor 3, which respond to an electric and magnetic field, made it possible to expand the operating frequency band and increase the measurement accuracy by simple reflectometer design by satisfying the sufficient distance from each other calibration constants q _i in the complex plane variable G.

Литература:
1. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. - М.: Радио и связь, 1987, с. 185, рис. 10.6.Literature:
1. Gupta K., Garge R., Chadha R. Machine design of microwave devices. - M .: Radio and communications, 1987, p. 185, fig. 10.6.

2. Пашков А.Н. и др. Радиоизмерения. - М.: Мин. Обороны, 1980. 2. Pashkov A.N. and other radio measurements. - M.: Min. Defense, 1980.

3. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985. 3. Kukush V.D. Electro radio measurements. - M .: Radio and communications, 1985.

4. Садкова О.В., Никулин С.М. Способ оценки погрешности результатов измерительных процессов в 12-полюсной рефлектометрии. Журнал "Измерительная техника", 2001, 1, с.50-53. 4. Sadkova O. V., Nikulin S. M. A method for assessing the error of the results of measuring processes in 12-pole reflectometry. The journal "Measuring equipment", 2001, 1, p. 50-53.

Claims

1. Microwave reflectometer containing an omnidirectional four-probe sensor, the output of which is an output for connecting the test end load, characterized in that a sensor is inserted into it, the input of which is an input for connecting a microwave generator, and the output is connected to the input of an omnidirectional four-probe sensor, the distance between whose probes are equal to 1/12 of the wavelength corresponding to the central frequency of the operating range, with three probes made responsive to an electric or magnetic field, and the fourth probe nen respectively responsive to a magnetic field or electric field and set in the plane of the medium by the four-probe sensor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sensor comprises a detector and a directional coupler, the input and output of which are the input and output of the sensor, and the output of the secondary channel of the coupler is connected to the detector.

3. The device according to claim 1, characterized in that the sensor comprises a probe and an attenuator, the input of which is connected to the line of the probe, the input of which is the input of the sensor, and its output is the output of the attenuator.