RU2710514C1 - Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах - Google Patents

Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах Download PDF

Info

Publication number
RU2710514C1
RU2710514C1 RU2018138716A RU2018138716A RU2710514C1 RU 2710514 C1 RU2710514 C1 RU 2710514C1 RU 2018138716 A RU2018138716 A RU 2018138716A RU 2018138716 A RU2018138716 A RU 2018138716A RU 2710514 C1 RU2710514 C1 RU 2710514C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
parameters
standard
measuring
coaxial
transitions
Prior art date
Application number
RU2018138716A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Иванович Евсеев
Сергей Михайлович Никулин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Арзамасское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Арзамасское приборостроительное конструкторское бюро" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Арзамасское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority to RU2018138716A priority Critical patent/RU2710514C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2710514C1 publication Critical patent/RU2710514C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • G01R27/06—Measuring reflection coefficients; Measuring standing-wave ratio

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технике измерения на СВЧ и может быть использовано для определения S-параметров устройств и электронных компонентов в нестандартных линиях передачи и плоских объектов в свободном пространстве. Технический результат состоит в повышении точности измерения S-параметров. Способ включает соединение двух переходов нестандартной электрически длинной линией передачи длиной L и измерение параметров
Figure 00000079
, определение коэффициентов отражения
Figure 00000080
от коаксиальных разъемов, соединение каждого перехода с отрезком линии длиной L/2, образуя цепи а и b, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, и измерение коэффициентов отражения
Figure 00000081
со стороны коаксиальных разъемов, определение параметров цепей а и b
Figure 00000082
после чего включают между цепями а и b измеряемый объект, измеряют параметры соединения S11, S2l, Sl2, S22 и определяют параметры объекта
Figure 00000083
из соотношений
Figure 00000084
3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано для определения волновых параметров рассеяния (S-параметров) объектов в нестандартных направляющих системах, а именно, в полосковых линиях (микроэлектронные компоненты: резисторы, поглотители мощности, ЧИП-индуктивности, диоды, транзисторы и т.д.), в металлических и диэлектрических волноводах (волноводные устройства, лампы бегущей волны, аттенюаторы и др.), а также в свободном пространстве (пластины изоляционных материалов и поглощающих покрытий и др.).
Все известные способы измерений S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве основаны на процедурах исключения влияния на результаты измерений окружающих устройств: переходов со стандартной на нестандартную линию передачи, антенн с участками свободного пространства между антеннами и объектом измерений.
Известен TRL метод измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве [1]. Этот способ основан на измерении S-параметров двух отрезков линии передачи, соединяющих между собой переходы со стандартного коаксиального канала на нестандартную линию передачи, а также измерения коэффициентов отражения от переходов в режиме отражения. Эти измерения позволяют определить S-параметры переходов с отрезками нестандартных линий с тем, чтобы выполнить процедуру исключения их влияния. В случае измерений в свободном пространстве вместо переходов используют две антенны в качестве переходов к свободному пространству, изменяя расстояние между ними, и отражающую пластину для получения коэффициентов отражения от антенн в режиме отражения.
Недостатками данного способа являются технические трудности, связанные с обеспечением измерений S-параметров переходов (или антенн) на разных расстояниях друг от друга, а также ограниченный диапазон частот, в котором обеспечивается достаточная точность получаемых результатов. Ограничение диапазона частот и снижение точности измерений возникают в случае, когда разность расстояний между переходами близка к целому числу полуволн.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является LRT-метод определения параметров объектов в нестандартных направляющих системах [2]. Метод не имеет явного ограничения по диапазону частот и основан на измерении S-параметров L-соединения переходов электрически длинной нестандартной линией передачи (когда электрическая длина линии L много больше электрической длины переходов), сквозного Т-соединения переходов и их каскадного соединения с объектом, включенном в разрыве нестандартной линии, а также измерении коэффициентов отражения от R-соединения переходов с отрезками нестандартных линий передачи в режиме холостого хода или короткого замыкания с последующей обработкой полученных результатов.
Технической проблемой (недостатком) прототипа является неповторяемость результатов при измерениях характеристик разъемных соединений с отрезками линий разной длины, что приводит к снижению точности измерения S-параметров устройств.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение (LR-метод), и технический результат от его использования, состоят в повышении точности измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах с минимальным комплектом калибровочных мер, минимальными временными и материальными затратами.
Сущность технического решения состоит в соединении двух переходов с внешними коаксиальными разъемами нестандартной (электрически длинной) линией передачи длиной L (L-соединение), измерении S-параметров L-соединения
Figure 00000001
в заданном диапазоне частот и определении комплексных коэффициентов отражения
Figure 00000002
коаксиальных разъемов переходов как средних линий квазипериодических функций частоты ƒ:
Figure 00000003
, затем в осуществлении соединения каждого перехода с отрезком нестандартной линии (R-соединения), образуя две электрические цепи a и b, короткозамкнутые (режим короткого замыкания) или разомкнутые (режим холостого хода) на конце, измерении в каждом R-соединении коэффициентов отражения
Figure 00000004
и
Figure 00000005
со стороны их коаксиальных разъемов и определении на основе цифровой обработки полученных результатов измерений с помощью итерационной процедуры вычислений: - коэффициентов отражения
Figure 00000006
цепей а и b со стороны нестандартных линий, произведений коэффициентов передачи
Figure 00000007
каждой цепи и произведений коэффициентов передачи цепей а и b в прямом и обратном направлениях
Figure 00000008
, причем отношение коэффициентов передачи цепей а и b
Figure 00000009
определяют по результатам измерения коэффициентов отражения
Figure 00000010
по формуле
Figure 00000011
, a коэффициенты отражения Га, Гb от короткозамкнутых или разомкнутых нагрузок нестандартных линий из соотношений:
Figure 00000012
,
после чего включают между цепями а и b измеряемый объект и измеряют S-параметры этого соединения S11, S21, S12, S22, а параметры измеряемого объекта
Figure 00000013
относительно его физических границ определяют из соотношений:
Figure 00000014
в которых
Figure 00000015
, а detS=S11S22-S12S21, согласно изобретению при соединении каждого перехода с отрезком нестандартной линии короткозамкнутой или разомкнутой на конце длина каждого из отрезков равна половине длины L (L/2), а коэффициенты отражения
Figure 00000016
и произведения коэффициентов передачи
Figure 00000017
каждой цепи а и b, а также произведения коэффициентов передачи цепей произведения
Figure 00000018
каждой цепи а и b, а также произведения коэффициентов передачи цепей а и b
Figure 00000019
определяют по результатам измерения S-параметров,
Figure 00000020
из соотношений:
Figure 00000021
Figure 00000022
В вариантах выполнения способа измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют:
- коаксиально-полосковые переходы, а в качестве электрически длинной линии полосковую линию, причем отрезки полосковых линий длиной L/2 могут выполняться, как на едином изоляционном основании, так и на отдельных подложках в зависимости от конструкции и условий установки измеряемого объекта между этими линиями.
- коаксиально-волноводные переходы, а в качестве электрически длинной линии используют два отрезка волновода нестандартного сечения длиной L/2, соединенные друг с другом фланцевым соединением, R-соединение переходов с отрезками волноводов длиной L/2 в режиме короткого замыкания в выполняют с помощью металлической пластины, установленной между фланцами волноводов, а измеряемый объект подключают между этими фланцами после удаления пластины короткозамыкателя;
- две антенны с коаксиальными разъемами, установленными на расстоянии L между их раскрывами, а функцию электрически длинной линии передачи выполняет свободное пространство между раскрывами антенн, R-соединение переходов с отрезками нестандартных линий длиной L/2 в режиме короткого замыкания выполняют, помещая отражающую металлическую пластину между антеннами на расстоянии L/2 между ними, а измеряемый объект помещают между антеннами вместо пластины короткозамыкателя.
Последовательность измерительных операций иллюстрируется рисунками, где изображено: фиг. 1 и 4 - L соединение переходов;
фиг. 2 и 5 - R-соединения переходов; фиг. 3 и 6 - соединение переходов с измеряемым объектом X (X - соединение);
фиг. 7 - реализация L соединений: фиг. 7а - в полосковых линиях передачи;
фиг. 7б - в нестандартных волноводах; фиг. 7в - в свободном пространстве;
фиг. 8 - реализация R-соединений: фиг. 8а - в полосковых линиях передачи;
фиг. 8б - в нестандартных волноводах; фиг. 8в - в свободном пространстве;
фиг. 9 - реализация соединений для измерения Х-объекта:
фиг. 9а - в полосковых линиях передачи;
фиг. 9б - в нестандартных волноводах;
фиг. 9в - в свободном пространстве.
На рисунках обозначено: 1, 2 - коаксиально-волноводные переходы; 3 - линия передачи длиной L; 4 - отрезки линии передачи L/2; 5 - измеряемый объект X.
Вначале (фиг. 1 и 4) коаксиально-полосковые переходы 1 и 2 соединяют электрически длинной полосковой линией передачи 3 длиной L (фиг. 7а), коаксиально-волноводные переходы 1 и 2 соединяют двумя отрезками волноводов длиной L/2 (фиг. 7б), а две антенны устанавливают на расстоянии L друг от друга (фиг. 7в), и измеряют S-параметры L-соединения
Figure 00000023
в заданном диапазоне частот. Переходы 1 и 2 с отрезками длинных линий или антенны со свободным пространством длинной L/2 образуют электрические цепи соответственно а и b, включенные навстречу друг другу. Комплексные коэффициенты отражения этих цепей
Figure 00000024
со стороны коаксиальных разъемов переходов (антенн) 1 и 2 определяют как средние линии квазипериодических функций
Figure 00000025
и
Figure 00000026
частоты ƒ.
Затем (фиг. 2 и 5) коаксиально-полосковые переходы 1 и 2 соединяют с отрезками разомкнутых на конце электрически длинных полосковых линий 4, причем длина каждого из отрезков равна половине длины линии 3 (фиг. 8а), во фланцевом соединении отрезков волноводов длиной L/2 устанавливают короткозамыкающую пластину (фиг. 8б), а между антеннами на расстоянии L/2 устанавливают металлический отражатель (фиг. 8в), и измеряют коэффициенты отражения
Figure 00000027
от не связанных между собой цепей а и b со стороны их коаксиальных разъемов.
Коэффициенты отражения
Figure 00000028
и произведения прямого и обратного коэффициентов передачи
Figure 00000029
цепей а и b определяют из соотношений:
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
по результатам измерения S-параметров
Figure 00000033
в коаксиальном канале L-соединения переходов линией 3.
Отношение коэффициентов передачи цепей а и b
Figure 00000034
в формулах (1) определяют из соотношения
Figure 00000035
а коэффициенты отражения Га, Гb от короткозамкнутых (или разомкнутых) нагрузок нестандартных линий 4 - из соотношений:
Figure 00000036
по результатам измерения коэффициентов отражения
Figure 00000037
от R-соединения переходов.
В качестве измерителя S-параметров и комплексных коэффициентов отражения в коаксиальном канале используют векторный анализатор цепей. Все вычисления по формулам (1)÷(3) выполняют с помощью итерационной (повторяемой) процедуры, по которой все измеренные параметры заводятся ЭВМ и программным способом выполняются необходимые вычисления. На первом шаге вычислений по приведенным формулам коэффициенты отражения
Figure 00000038
в (2) и (3) полагают равными нулю. Итерационная процедура определения параметров переходов сходится настолько быстро, что результаты вычислений на третьем и четвертом шаге вычислений практически не отличаются друг от друга. Завершающим шагом процедуры определения параметров цепей а и b является вычисление произведения их коэффициентов передачи в прямом
Figure 00000039
и обратном
Figure 00000040
направлении:
Figure 00000041
При измерении S-параметров S11, S21, S12, S22 измеряемого объекта 5, устанавливаемого между отрезками длиной линии L/2 нестандартной направляющей системы с переходами 1, 2, как показано на фиг. 3, 6 и 9 а, б, в, искомые величины определяют из соотношений, где det S=S11S22-S21S12,
Figure 00000042
- определители S-матриц:
Figure 00000043
Потенциально высокая точность определения параметров окружающих цепей а и b предложенным LR-методом объясняется преодолением (так называемой) проблемы неповторяемости характеристик разъемных соединений. Как видно из приведенных соотношений (1), (4), практически все параметры цепей а и b определяются по результатам измерений L-соединения и только отношение
Figure 00000044
, весьма близкое по своему значению к единице, в силу конструктивной симметрии цепей а и b, требует проведения измерения коэффициентов отражения R-соединения. По существу единственным источником методической погрешности LR-метода является процедура определения комплексных коэффициентов отражения цепей а и b
Figure 00000045
со стороны коаксиальных разъемов как средних линий квазипериодических функций частоты ƒ:
Figure 00000046
.
Таким образом, повышение точности измерения S-параметров измеряемых объектов в нестандартных направляющих системах достигается с минимальным комплектом калибровочных мер (в предлагаемом решении только две калибровочные меры LR, в прототипе три LRT), минимальными временными (сокращение времени на 33%) и материальными затратами.
Литература
1. Михаэль Хибель. Основы векторного анализа цепей. Москва, Издательский дом МЭИ, 2009, с. 133-152.
2. Лавричев О.В., Никулин С.М. LRT-метод определения параметров объектов в нестандартных направляющих системах // Журнал Датчики и системы. - М.: 2017, №8-9, с. 39-44.

Claims (12)

1. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах, включающий соединение двух переходов с внешними коаксиальными разъемами нестандартной электрически длинной линией передачи длиной L, измерение S-параметров соединения
Figure 00000047
Figure 00000048
в заданном диапазоне частот и определение комплексных коэффициентов отражения
Figure 00000049
и
Figure 00000050
от коаксиальных разъемов переходов, как средних линий функций частоты
Figure 00000051
и
Figure 00000052
соединение каждого перехода с отрезком линии передачи, образуя электрические цепи a и b, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, и измерение параметров
Figure 00000053
и
Figure 00000054
со стороны коаксиальных разъемов, определение коэффициентов отражения
Figure 00000055
цепей а и b со стороны отрезков линии, произведений коэффициентов передачи
Figure 00000056
и
Figure 00000057
каждой цепи и произведений коэффициентов передачи цепей а и b
Figure 00000058
и
Figure 00000059
причем отношение коэффициентов передачи цепей а и b
Figure 00000060
определяют по формуле
Figure 00000061
а коэффициенты отражения
Figure 00000062
Figure 00000063
после чего включают между цепями а и b измеряемый объект и измеряют S-параметры этого соединения S11, S21, S12, S22, а параметры измеряемого объекта
Figure 00000064
относительно его физических границ определяют из соотношений, в которых
Figure 00000065
Figure 00000066
а
Figure 00000067
Figure 00000068
Figure 00000069
Figure 00000070
Figure 00000071
отличающийся тем, что при соединении каждого перехода с отрезком линии, короткозамкнутой или разомкнутой на конце, длина каждого из отрезков равна половине длины L, а параметры
Figure 00000072
определяют из соотношений
Figure 00000073
Figure 00000074
Figure 00000075
Figure 00000076
Figure 00000077
Figure 00000078
2. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют коаксиально-полосковые переходы, а в качестве электрически длинной линии - полосковую линию.
3. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют коаксиально-волноводные переходы, а в качестве электрически длинной линии используют два отрезка волновода нестандартного сечения.
4. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют две антенны с коаксиальными разъемами, установленными на расстоянии L между их раскрывами.
RU2018138716A 2018-11-01 2018-11-01 Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах RU2710514C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018138716A RU2710514C1 (ru) 2018-11-01 2018-11-01 Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018138716A RU2710514C1 (ru) 2018-11-01 2018-11-01 Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710514C1 true RU2710514C1 (ru) 2019-12-26

Family

ID=69023055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018138716A RU2710514C1 (ru) 2018-11-01 2018-11-01 Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710514C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112834976A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 国网河北能源技术服务有限公司 基于传输损耗的特高频传感器布置校验方法及终端设备
RU2782848C1 (ru) * 2021-11-03 2022-11-03 Андрей Александрович Терентьев Способ измерения s-параметров

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2209841A (en) * 1987-09-15 1989-05-24 Secr Defence Microwave network analyser
SU1656478A1 (ru) * 1989-01-02 1991-06-15 Предприятие П/Я А-1836 Способ определени коэффициентов передачи излучателей ФАР
RU2233454C2 (ru) * 2002-09-02 2004-07-27 Хилов Владимир Павлович Способ измерения параметров свч четырехполюсников и устройство для его осуществления
UA7267U (en) * 2004-11-15 2005-06-15 Univ Vinnytsia Nat Tech Method for measuring irregular s-parameters of a quadripole
RU2548064C1 (ru) * 2014-01-27 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов и устройство для его осуществления
RU2653569C1 (ru) * 2017-03-29 2018-05-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Способ измерения S-параметров четырехполюсников СВЧ, предназначенных для включения в микрополосковую линию

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2209841A (en) * 1987-09-15 1989-05-24 Secr Defence Microwave network analyser
SU1656478A1 (ru) * 1989-01-02 1991-06-15 Предприятие П/Я А-1836 Способ определени коэффициентов передачи излучателей ФАР
RU2233454C2 (ru) * 2002-09-02 2004-07-27 Хилов Владимир Павлович Способ измерения параметров свч четырехполюсников и устройство для его осуществления
UA7267U (en) * 2004-11-15 2005-06-15 Univ Vinnytsia Nat Tech Method for measuring irregular s-parameters of a quadripole
RU2548064C1 (ru) * 2014-01-27 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов и устройство для его осуществления
RU2653569C1 (ru) * 2017-03-29 2018-05-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Способ измерения S-параметров четырехполюсников СВЧ, предназначенных для включения в микрополосковую линию

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112834976A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 国网河北能源技术服务有限公司 基于传输损耗的特高频传感器布置校验方法及终端设备
CN112834976B (zh) * 2020-12-30 2022-12-27 国网河北能源技术服务有限公司 基于传输损耗的特高频传感器布置校验方法及终端设备
RU2782848C1 (ru) * 2021-11-03 2022-11-03 Андрей Александрович Терентьев Способ измерения s-параметров

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ghodgaonkar et al. A free-space method for measurement of dielectric constants and loss tangents at microwave frequencies
Barry A broad-band, automated, stripline technique for the simultaneous measurement of complex permittivity and permeability
CN101545931B (zh) 一种基于终端短路法的高温复介电常数测量方法
Friedsam et al. Precision free-space measurements of complex permittivity of polymers in the W-band
US4427936A (en) Reflection coefficient measurements
CN111880012B (zh) 微波介质基板宽带连续介电特性参数的检测方法
RU2710514C1 (ru) Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах
Yang et al. Synthesis of a compound T-junction for a two-way splitter with arbitrary power ratio
JP7065502B2 (ja) 誘電体材料評価装置
Tran et al. Full-wave modeling of coplanar waveguide discontinuities with finite conductor thickness
RU2744158C1 (ru) Способ измерения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей поглощающих материалов
RU2731020C1 (ru) Способ измерения коэффициента отражения свч нагрузки
US3327212A (en) Multi-mode microwave power meter having oversized measuring waveguide section with probes on all four walls
Kato et al. Improvement of Broadband Characterization of Dielectric Waveguide at the $ Ka $-Band by Using TRL Calibration Method
RU2782848C1 (ru) Способ измерения s-параметров
RU219414U1 (ru) Волноводная широкополосная нагрузка
Liu et al. An Improved Method of Finding Complex Permittivity of Lossy Liquids
Evseev et al. Measurement of Parameters of Objects in Non-standard Guiding Systems and in Free Space
Hatano et al. Measurement of surface resistance in oversized circular waveguide at millimeter wavelengths (short papers)
Skilton A Technique for Determination of Loss, Reflection, and Repeatability in Waveguide Flanged Couplings
CN113203877B (zh) 一种采用缺陷地结构的trl校准件
Jing et al. A well-designed sensor based on split-ring resonators at microwave frequencies
Setiawan et al. Design and realization of band pass filter in K-band frequency for short range radar application
Kato et al. Validity evaluation of application of TRL calibration method to dielectric waveguide measurement by electromagnetic simulation
Urakami et al. A Study on Design of Microstrip Linear Tapered Line Impedance Transformer Using FFT