SU1741034A1 - Устройство дл измерени параметров отражени сигнала от входа СВЧ-элементов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике сверхвысоких частот и может быть использовано дл  измерени  комплексного коэффициента отражени  и коэффициента сто чей волны в СВЧ-тракте. Целью изобретени   вл етс  увеличение чувствительности при повышении производительности измерений путем измерени  распределени  электрического пол  СВЧ-сигнала в измерительной линии при помощи оптических датчиков. Устройство содержит СВЧ- генератор, измерительную линию, источник смещени , датчики, размещенные вдоль измерительной линии,лазер, делитель света и схему обработки сигналов датчиков. Новым в устройстве  вл етс  выполнение измерительной линии в виде отрезка несимметричной полосковой линии, заполненной диэлектриком, обладающим электрооптическим эффектом, и реализаци  датчиков в виде двухканальных интерферометриче- ских модул торов света типа Маха-Цендера, обеспечивающих минимальное полуволновое напр жение по сравнению с другими типами модул торов света. Устройство позвол ет производит измерени  с высокой скоростью в реальном масштабе времени и не требует ручных операций дл  настройки на частоту СВЧ-сигнала. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике сверхвысоких частот и может быть использовано дл  измерени  комплексного коэффициента отражени  и коэффициента сто чей волны в СВЧ-тракте.

Известны устройства дл  измерени  параметров отражени  сигнала на основе измерительной линии с одним или несколькими зондами.

Основным недостатком подобных устройств , определ ющим точность измерени , вли ние измерительных зондов на распределение электромагнитного пол  в измерительной линии. Кроме того, точность измерени  зависит от уровн  мощности СВЧ-сигнала и от неидентичности характеристик измерительных зондов ввиду разброса параметров полупроводниковых диодов.

Известны измерители коэффициента отражени , в которых в качестве подложек измерительных линий используютс  среды, обладающие электрооптическим эффектом. Это позвол ет использовать оптические зонды, не внос щие неоднородностей в измер емый тракт.

VI

О

Сл) Јь

Наиболее близким по структуре и технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство, состо щее из последовательно соединенных СВЧ-гене- ратора, измерительной линии, выполненной в виде отрезка микрополосковой линии с датчиками вдоль нее, коммутатора, аналого-цифрового преобразовател , блока обработки и программного управлени , блока ввода-вывода информации, лазера, делител  света, источника смещени  и генератора пилообразного напр жени . Каждый из датчиков содержит систему коллимирующих линз, удлинитель оптического пути, фазовую  чейку, часть микрополосковой линии, пол ризационную призму и фотоприемник.

Отличительной особенностью устройства-прототипа  вл етс  использование дл  измерени  структуры электромагнитного пол  в измерительной линии оптических датчиков, не внос щих неоднородностей в тракт и, следовательно, не искажающих электромагнитного пол .в процессе измерений . Принцип работы такого датчика основан на изменении фазового набега света при прохождении через поперечное сечение несимметричной полосковой линии с подложкой из диэлектрика, обладающего электрооптическим эффектом, в зависимости от напр женности электрического пол  в заданном сечении линии. Фазовый набег измер етс  методом компенсации. При помощи блока обработки и программного управлени  производ тс  вычисление напр женности электрического пол  в различных сечени х измерительной линии (точках расположени  датчиков) и последующие вычислени  параметров отражени  СВЧ- сигнала.

Недостатком устройства-прототипа  вл етс  недостаточно высока  чувствительность устройства, Фазовый набег одной из ортогональных составл ющих светового луча пропорционален длине взаимодействи  света с электрическим полем и напр женности пол  в данном сечении измерительной линии. Поскольку длина взаимодействи  ограничена шириной электрода, то при стан- дартных волновых сопротивлени х измерительной линии измерени  возможны только при достаточно больших уровн х мощности СВЧ-сигнала.

Кроме того, на каждой рабочей частоте требуетс  ручна  настройка удлинител  оптического пути, что существенно ограничивает функциональные возможности устройства, а при достаточно быстром изменении частоты СВЧ-сигнала приводит к по-  влению систематической ошибки измерени .

Поскольку в устройстве-прототипе использован компенсационный способ измерени  фазового сдвига света, скорость измерени  ограничена временем преобразовани  набега фазы во временной интервал , т.е. периодом сканировани  генератора пилообразного напр жени . Устройство не позвол ет производить измерени  структуры пол  вдоль всей линии в реальном масш0 табе времени, что ограничивает производительность измерений и приводит к по влению систематической ошибки измерени .

Цель изобретени  - увеличение чувст5 вительности при повышении производительности измерений.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  измерени  параметров отражени  сигнала от входа СВЧ-элементов, со0 держащем последовательно соединенные СВЧ-генератор и измерительную линию, выполненную на подложке из диэлектрика, обладающего электрооптическим эффектом , вдоль которого размещены датчики, а

5 также источник смещени , соединенный с проводниками измерительной линии, причем вход каждого из датчиков оптически св зан с лазером через делитель света, выходом датчика  вл етс  выход фотоприем0 ника, который через коммутатор подключен к входу аналого-цифрового преобразовател , св занного через блок обработки и программного управлени  с входом блока ввода-вывода информации и управл ющим

5 входом коммутатора, измерительна  лини  выполнена в виде отрезка симметричной полосковой линии, а каждый из датчиков содержит разветвитель света, вход которого  вл етс  входом датчика, первый выход раз0 ветвител  света оптически св зан с первым входом сумматора света через часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и первым экранирующим электродами измеритель5 ной линии, второй выход разветвител  света оптически св зан со вторым входом сумматора света часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и вторым экранирующим электродами изме0 рительной линии, выход сумматора света оптически св зан с входом фотоприемника, при этом разветвитель света, подложка измерительной линии и сумматор света образуют интерферометр Маха-Цендера, а

5 оптическа  ось датчиков перпендикул рна продольной оси измерительной линии.

На фиг. 1 приведена структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - схема прохождени  света через поперечное сечение измерительной линии.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, измерительную линию 2, источник 3 смещени , лазер 4, делитель 5 света, коммутатор 6, аналого-цифровой преобразователь 7, блок 8 обработки и программного управлени , блок 9 ввода-вывода информации и датчики 10, каждый из которых содержит разветвитель 11 света, сумматор 12 света и фотоприемник 13.

Делитель 5 света предназначен дл  пространственного разделени  луча лазера на несколько лучей по количеству датчиков. Разветвитель 11 света предназначен дл  формировани  двух равных по интенсивности световых лучей из одного луча, поступающего на вход каждого из датчиков 10. Сумматор 12 света предназначен дл  реализации интерференции двух световых лучей, прошедших через сечение измерительной линии 2. Фотоприемник 13 предназначен дл  преобразовани  интенсивности светового луча на выходе сумматора 12 света в электрический сигнал. Источник 3 смещени  предназначен дл  установки требуемой рабочей точки на модул ционной характеристике интерферометра.

Устройство работает в двух режимах: режиме калибровки и режиме измерени .

В режиме калибровки к измерительной линии 2 вместо исследуемого элемента подключаетс  эталонна  короткозамкнута  лини . Сигнал СВЧ-генератора 1 поступает на вход измерительной линии 2 и далее на эталонную линию. В результате интерференции падающей и отраженной волн СВЧ-сигнала в измерительной линии устанавливаетс  режим сто чей волны с извест- ным распределением напр женности электрического пол  вдоль линии. Лазер 4 генерирует высокостабильный оптический сигнал с линейной пол ригацией. С выхода делител  5 света световые лучи подаютс  на входы каждого из датчиков 10. В разветви- теле 11 света происходит разделение луча на два равных по интенсивности линейно пол ризованных световых луча, которые проход т через поперечное сечение измерительной линии сверху и снизу относительно среднего электрода измерительной линии 2 (фиг. 2) и поступают на входы сумматора света.

В результате взаимодействи  световых лучей с электрическим полем световые лучи в плечах интерферометра получают фазовые сдвиги, равные по модулю, но противоположные по знаку, причем величина этих сдвигов пропорциональна амплитуде пол  СВЧ-сигнала в данном сечении измерительной линии. В результате последующей интерференции световых лучей в сумматоре

12 света происходит модул ци  света по интенсивности. Далее модулированный свет подаетс  на вход фотоприемника 13, где происходит преобразование модулированного по интенсивности света в электрический сигнал. Изменение тока фотоприемника 13 под действием электрического пол  в измерительной линии 12 описываетс  выражением

I 0,5 k Ф0 Т 1 - m cos r(U + UCM)/

ил/2 ,

где I - ток фотоприемника;

k - коэффициент чувствительности фотоприемника ,

Т- коэффициент, учитывающий потери света в датчике;

U  /2-полу вол новое напр жение; U - напр жение на электродах линии; DCM - напр жение смещени ;

m - коэффициент глубины модул ции

света в датчике;

Ф0 интенсивность света. В режиме сто чей волны напр жение в любом сечении линии измен етс  по закону

U(t) U0 cos wt,

где w - 2 л f - частота СВЧ-сигнала;

U0 - амплитуда напр жени  в данном сечении линии,

В результате, посто нна  составл юща  тока фотогриемника будет пропорциональна амплитуде напр жени  в данном сечении измерительной линии.

Сигнал с выхода фотоприемника 13 подаетс  на коммутатор 6, при помощи которого осуществл етс  подключение датчиков к входу аналого-цифрового преобразовател  7, преобразующего сигнал фотоприемника 13 в цифровой код. Блок 8 обработки и программного управлени  осуществл ет управление коммутатором 6 и производит регистрацию кода сигнала с каждого из датчиков 10. Таким образом, может быть получена информаци  о распределении напр жени  вдоль измерительной линии 2 в

точках установки датчиков 10. Эта информаци  сохран етс  в пам ти блока 8 обработки и программного управлени  в течение всего цикла измерений.

В режиме измерени  к измерительной

линии 2 подключаетс  исследуемый СВЧ- элемент. Процесс измерени  распределени  напр жени  вдоль измерительной линии не отличаетс  от аналогичного процесса в режиме калибровки,

в результате измерений в блоке 8 обработки и программного управлени  запоминаютс  значени  напр жени  вдоль измерительной линии 2 в точках расположени  датчиков 10. По этим значени м рассчитываютс  комплексный коэффициент отражени . Коэффициент сто чей волны и комплексное сопротивление исследуемого элемента на заданной частоте при помощи методов, используемых в технике измерений обычными измерительными лини ми.

В качестве диэлектрика измерительной линии могут быть использованы кристаллы ниобата лити  ЫМЬОз танталата лити  LiTaOa, сульфида цинка ZnS и другие. Делитель 5 света может быть выполнен виде отрезков волоконно-оптического кабел , собранных на одном конце в жгут, либо в виде системы зеркал с различными коэффициентами пропускани  и отражени . Раз- ветвитель 11 света и сумматор 12 света представл ют собой симметричные трехде- цибельные Y-разветвители и могут быть выполнены путем помещени  оптических неоднородностей (зеркал и оптических сред с различными коэффициентами преломлени ) на пути светового луча, вход щего в датчик. Эти устройства могут быть выполнены непосредственно в диэлектрической среде измерительной линии 2, например, путем придани  специальной формы боковой грани диэлектрика измерительной линии , введени  неоднородностей по коэффициенту преломлени  на грани и т.д. В этом случае измерительна  лини  2 конструктивно объедин етс  с делителем 11 и сумматором 12. Тип фотоприемника зависит от длины волны используемого лазера. Остальные блоки устройства  вл ютс  стандартными дл  радиоэлектронных и оптоэ- лектронных устройств.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с устройством- прототипом позвол ет производить измерени  при более низких уровн х мощности возбуждающего генератора и отказатьс  от ручных операций при измерени х.

Выполнение измерительной линии в виде отрезка симметричной полосковой линии с диэлектрическим заполнением, обладающим электрооптическим эффектом, дает возможность использовать верхнюю и нижнюю части сечени  измерительной линии в качестве двух фазовых  чеек, поворот вектора пол ризации света в которых под действием электрического пол  СВЧ-сигнала равен по величине и противоположен по знаку. Это позвол ет в совокупности с раз- ветвителем 11 света и сумматором 12 света организовать датчик напр женности электрического пол  в данном сечении измерительной линии в виде интерферометра Маха-Цендера, т.е. проводить измерени  способом, позвол ющим получить максимальную чувствительность по модулирующему сигналу из всех известных способов электрооптической модул ции света, и тем самым повысить чувствительность устройства в целом.

Предложенна  структура датчика позвол ет получить информацию о величине напр женности электрического пол  в данном сечении измерительной линии в виде

0 модулированного по интенсивности светового сигнала. При этом в отличие от прототипа , в котором использована модул ци  света по фазе и компенсационный способ измерени  фазового сдвига, в предлагае5 мом устройстве достигаютс  следующие преимущества: отпадает необходимость ручной настройки датчика на рабочую частоту измер емого сигнала; сигнал, пропорциональный амплитуде электрического пол  в

0 каждом сечении измерительной линии существует на выходах датчиков одновременно, не требуетс  каких-либо дополнительных преобразований перед кодированием его аналого- цифровым преобразователем, следовательно,

Claims (1)

1. 5 измерени  могут производитьс  с любой скоростью в реальном масштабе времени, Формула изобретени  Устройство дл  измерени  параметров отражени  сигнала от входа СВЧ-элемен0 тов, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор и измерительную линию, выполненную на подложке из диэлектриков , обладающего электрооптическим эффектом, вдоль которой размещены

   5 датчики, а также источник смещени , соединенный с проводниками измерительной линии , причем вход каждого из датчиков оптически св зан с лазером через делитель света, выходом датчика  вл етс  выход фо0 топриемника, который через коммутатор подключен к входу аналого-цифрового преобразовател , св занного через блок обработки программного управлени  с входом блока ввода-вывода информации и управл 5 ющим входом коммутатора, отличающеес  тем, что, с целью увеличени  чувствительности при повышении производительности измерений, измерительна  лини  выполнена в виде отрезка

   0 симметричной полосковой линии, а каждый из датчиков содержит разветвитель света, вход которого  вл етс  входом датчика, первый выход разветвител  света оптически св зан с первым входом сумматора све5 та через часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и первым экранирующим электродами измерительной линии, второй выход разветвител  света оптически св зан с вторым входом сумматора света через часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и вторым экранирующим электродами измерительной линии, выход сумматора света оптически св зан с входом фотоприемника, при этом разветвитель света , подложка измерительной линии и сумматор света образуют интерферометр Маха- Цендера, а оптическа  ось датчиков перпендикул рна продольной оси измерительной линии.

   4

   С8вг

   -

   i

   -i2 t

   i

   /J

   i i

   i;i

   LrJ

   U/ИГ. J.

   СЈег

   J.HccfiSd. J элемент

   V

   13