Устройство для измерения s-параметров свч-четырехполюсника

 

Изобретение относится к радиоизмерениям на СВЧ. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения S-параметров нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников в режиме большого сигнала. Для этого устройство содержит генератор 1 СВЧ, согласующие трансформаторы 2 и 9, направленный ответвитель 3 падающей волны, согласованные отключатели 4 и 12, зондовые секции 5 и 8, исследуемый СВЧ-четырехполюсник 6, направленный ответвитель 7 прошедшей волны, нагрузку 10 с переменным коэффициентом отражения, полосовой фильтр 11, двухпозиционный фазовращатель 13, трехканальный делитель 14, сумматоры 15, 16 и 17 и индикаторы 18, 19 и 20. Данное выполнение устройства позволяет реализовать измерение всех четырех S-параметров рассеяния нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников 6 в режиме большого сигнала при наличии высших гармоник. 1 ил.

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РГСПУБЛИК (5!)5 6 01 R 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4666581/09 (22) 24.03.89 (46) 15,07.91. Бюл. N 26 (71) Горьковский политехнический институт (72) А.Н.Зайцев и С.В.Логанов (53) 621.317.341(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1084699, кл. G 01 R 27/04, 1981.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 800900, кл. G 01 R 27/06, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ S-ПАРАМЕТРОВ СВЧ-Ч ЕТЫ Р ЕХПОЛ ЮС НИКА (57) Изобретение относится к радиоизмерениям на СВЧ. Цель изобретения — обеспечение возможности измерения S-параметров нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников в режиме большого сигнала. Для этоИзобретение относится к радиоизмерениям на СВЧ, в частности может использоваться для измерения S-параметров линейных и нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников.

Цель изобретения — расширение функциональных вазможностей за счет измерения S-параметров нелинейного активного

СВЧ-четырехполюсника в режиме большого сигнала.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения S-параметров СВЧ-четырехполюсника содержит генератор 1 СВЧ. первый согласующий трансформатор 2, направленный ответвитель (НО) 3 падающей волны, первый согласованный отключатель 4, первую эондовую секцию 5, исследуемый СВЧ-четырехполюсник 6, направленный ответвитель (НО) 7 прошедшей волны, вторую зондовую сек„, Ы„„1663575 А1 го устройство содержит генератор 1 СВЧ, согласующие трансформаторы 2 и 9, направленный ответвитель 3 падающей волны, согласованные отключатели 4 и 12, зондовые секции 5 и 8, исследумый СВЧ-четырехполюсник 6, направленный ответвитель 7 прошедшей волны, нагрузку 10 с переменным коэффициентом отражения, паласовой фильтр 11, двухпозиционный фазовращатель 3, трехканальный делитель

14, сумматоры 15, 16 и 17 и индикаторы 18, 19 и 20. Данное выполнение устройства позволяет реализовать измерение всех четырех S-параметров рассеяния нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников 6 в режиме большого сигнала при наличии высших гармоник. 1 ил. цию 8, второй согласующий трансформатор

9, нагрузку 10 с переменным коэффициентом отражения, паласовой фильтр 11, второй согласованный отключатель 12, двухпозиционный фазовращатель 13, трехканальный делитель 14, первый 15, второй

16 и третий 17 сумматоры, первый 18, второй 19 и третий 20 индикаторы.

Устройство для измерения $-параметров СВЧ-четырехполюсника работает следующим образом.

Гармоническое колебание генератора 1 через первый, согласующий трансформатор

2, НО 3.. второй согласованный отключатель

12 и первую зондовую секцию 5 подается на вход исследуемого СВЧ-четырехполюсника

6. Сигнал с его выхода проходит НО 7, вторую =-ондовую секцию 8, второй согласующий трансформатор 9 и, . отражаясь от нагрузки 10, вновь поступает на выход исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6. Коле3

1663575 бание, ответвленное НО 3, через полосовой фильтр 11, первый согласованный отключатель 4 двухпозиционный фазовращатель 13, трехканальный делитель 14 поступает на входы сумматоров 15-17, Колебания, ответвленные первой зондовой секцией 5, НО 7 и второй зондовой секцией 8, поступают на другие входы сумматоров 15-17 соответственно. Второй согласованный отключатель

12 переводится в положение 1, а первый согласованный отключатель 4 — в положение II (положению соответствует прохождение сигнала в измерительный тракт, а положению Il — непрохождение), модуль коэффициента отражения нагрузки 10 устанавливается минимально возможным.

Настройкой первого согласующего трансформатора 2 добиваваются максимально возможного показания первого индикатора 18, затем настройкой второго согласующего трансформатора 9 увеличивают это показание, после чего снова увеличивают показание первого индикатора 18 подстройкой первого согласующего трансформатора 2 и т.д. до тех пор, пока данное показание первого индикатора 18 перестанет увеличиваться.

Колебания, поступающие на входы сумматоров 15. 16. 17 имеют вид

G;(4) C;co&(631 -Ц;) > (1)

li

3;(Ц б;сой(о i8; I+33; cos(juti8; ) (2) где С (1) — колебания, поступающие на входы сумматоров 15, 16, 17 с выходов трехканального делителя 14; Cf u p — их амплитуды и фазы, причем p =- 0; di(t) — колебания, поступающие на другие входы сумматоров 15, 16, 17; Di и о1 — амплитуды и фазы первых гармоник этих колебаний; 011 и QI — амплитуды и фазы высших гармоник; N — неизвестное число высших гармоник.

Далее каждым из индикаторов 18, 19, 20 измеряют по пять мощностей Р1 5 ji-1, 2, 3

0) — индекс, обозначающий номер ваттметра).

Первый согласованный отключатель 4 находится в положении I, второй согласованны отключатель 12 — в положении II

Р1 >- С 2/2. (3)

Второй согласованный отключатель 12 находится в положении 1, первый согласованны отключатель 4 — в положении II.

Р2 = Ь! 2/2 + Р;, (4)

Оба согласованных отключателя 4, 12 находятся в положении!

P3 (=Су 2/2+0 2/2+CIDi сов (Я вЂ” p) +Р 1 . (5)

Двухпозиционный фазовращатель 13 переводится во второе состояние, при котором он вносит фазовый сдвиг ф, величина которого должна находиться в окрестности .+90î(ф= «+90 45 )

Р, -); c; j2 Э .,!а ig;c,5;cos/(8;-Ù-P) P (6)

5 Первый согласованный отключатель 4 находится в положении I; второй согласованны отключатель 12 — в положении Il

Р5 = 91 с12/2. (7) где i — номер соответствующей пары колеба10 ний (1) и (2);

Р ; — суммарная мощность гармоний колебания б (1);

gi — коэффициенты, учитывающие изменение амплитуд сигналов С1(1) на входах ин15 дикаторов 18, 19, 20 при переключении двухпозиционного фазовращателя 13; ф — фазовые сдвиги, вносимые двухпозиционным фазовращателем 13 и имеющие различные значения для каждого колебания

20 CI(t) вследствие неидеальности СВЧ-тракта.

Из выражения (5) вычисляют 61соз. (Q — p), а из выражения (6) — 01з1п (Я вЂ” p) с учетом (3). (4), (7) (ч)(Г о

Р - P z - P - (Й Р, D; eos (9;-g;gros Vl

Г2 Р " s i e g; (g )

Комплексные амплитуды первых гарМоник колебаний (2) будут равны

30 О; = О соз (Π— p)+jD1 sin (Я вЂ” p), (10) где j = -1, 1 = 1, 2, 3.

Гак как колебания d1(t). Ь da(t) ответвляются первой и второй зондовыми секциями

5, 8 соответственно, то комплексные ампли35 туды их первых гармоник 01 и 93 будут пропорциональны линейным комбинациям первых гармоник падающей и отраженной волн на входе и выходе исследуемого СВЧчетырехполюсника 6

40 Э,-P,a,+ II,b<, (11) в,.,а +у b„(12) а комплексная амплитуда первой гармоники колебаний d2(t), ответвляемого НО 3 пропорциональна комплексной амплитуде пер45 вой гармоники отраженной волны b2:

Ог=са Ьг. (13) где Р1.,Д, у1, уз, аг — комплексные коэффициенты пропорциональности.

Комплексная амплитуда колебания, ответвляемого HO 7, и как следствия, колебания C (t), поступающего на первый вход второго сумматора 16, пропорциональна амплитуде падающей волны

С1= а1а1, (14) где at — коэффициент пропорциональности.

Величина вычисляется из выражения (3), С1= 2Р

Вычисляют отношения следующих величин О1/С1, D2/Ñ1, О2/Оз:

1663575

D,fc, ° р,/сс, у,/(j, Б,/a,;

2,/с, ° oc,/g, b, /а,, a,,l2t, b,/o, Л!Л, р,!у> b

Ь1/a1 = K1D1/ С1-Кг; (15)

b2/a1 = Кз02/С1; (16) —,=г п и

02/0з

Где К1=с4/Я1, K =P

Уровень падающей волны а1) определяют по формулу

la1(=Ъ 2 Р )а11. (18)

Параметры рассеяния исследуемого

СВЧ-четырехполюсника 6 связаны с волнами в измерительном тракте. следующими соотношениями:

b,/à,-в„(са,!а,!)+5, (ы,la,f) а,/а, > (!.ч)

b,fà -span(M!a,l)o,fciii5»(co,!а,/). („о)

Для двух значений а2/а1, получаемых изменением фазы волны (для линейных обьектов возможно изменение амплитуды а2) с помощью нагрузки 10, соотношения (19), (20) образуют систему из четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными S11, S12, S21, S22. решение которой имеет вид: (Ъ,!а,4(а,/o,),- (Ъ, !Ц,(а !а,1, 2 (b, !а.), - (Ъ, !а,), М)а4=(! 1 { 4 (Ъ2 Р.) < (b 2 И2 1 2

5 <(га, la,i) = (2Л ) (b,fa,),(а,!а,),-(b,là 1,(а,!а,), где (аг/a1) вычисляется по следующей формуле: (аг/а1)1,2 = (Ьг/а1)1,г / (Ьг/аг)12 (25)

Для нелинейных и неустойчивых обьектов найденные параметры рассеяния являются функциями модуля падающей волны а1, который вычисляется из соотношения (18), Зависимость элементов матрицы рассеяния исследуемого СВЧ-четырехполюсника

6 от амплитуды падающей волны(а1(определяется измерением S-параметров для каждого фиксированного значения )а1 на данной частоте в, Изменение частоты в позволяет снять частотную зависимость S-параметров.

Для определения модуля константы ! а1) комплексных констант K1 — К5 и углов фазового сдвига ф, i = 1, 2, 3, вносимого

15 г г2 Ф,!М -Ф! ). г,(v, ic, .- г,(z,1 с,1, lD,lc,I,-lv,!c,), (29) (30) 40

При подключении в сечение А — А образцового ваттметра его показание Р„связано с уровнем падающей волны /a1o/ соотношением

: ».= "7= ° ) Р) где комплексный коэффициент отражения образцового ваттметра Ic. вычисляется из соотношeíèÿ (15) по и-меренному 01/С (.

Г1одставляя в выражение (18) вместо, а1, величину а1о из соотношения (31) определяют,c i/, позволяющую по показанию второго индикатора 19 Р1") определять модуль падающей волны |а1! по формуле

55 (18)

При подключении проходной образцовой меры вычисляются по четыре значения углов фазового сдвига 1/г и 1/З из соотношений, аналоги <ных соотношению (28), после двухпозиционным фазовращателем 13, производится калибровка. С этой целью вместо исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6 в сечении А — А поочередно подключаются две

5 образцовые отража1ощие нагрузки с известным Г и обрo зцовый измерителылощности, а затем сечения Л вЂ” А и B-В соединяются проходной образцовой мерой с известными

S-параметрами.

10 Для одчой из отражающих образцовых нагрузок, например для первой, из соотношений (5) и (6) для I = 1 определяют величины рь1 ((1 ы 1 р, - р - p( (26) (27) (O,-y,)- avccos,, ) ра1 р(° ) У .г откуда ф1 = ч- { В1 — 1//1 ) - В1 . (28)

По условию близости ф1 к заранее опре20 деленному значению ф1, известному с погрешностью 4-10", выбирается одно из четырех значений 1Р1, определяемых из выражения (28).

При поочередном подключении двух отражающих образцовых нагрузок с известными комплексными коэффициентами отражения Г1 и Гг соотношение (15) порождает систему из двух линейных уравнений с двумя неизвестными К1 и К2, где вместо отношения волн Ь1/а1 подставляется соответствующий коэффициент отражения отражающей образцовой нагрузки

Г1 = К1(01/С1)1-Ка;

Г2 = К1(D1/С1)2-Кг, Решение голученной системы линейных алгебраических уравнений имеет вид

1663575 чего выбирают единственное значение каждого угла фазового сдвига ф и Q по условию максимальной близости их к величине ф1..

Параметры рассеяния проходной образцовой меры связаны с волнами в СВЧ- 5 тракте соотношениями(19) и(20), из которых вычисляются отношения волн (а2/э1 )1 и (Ь2/а2 )1, (Ыа,1< -в«

{а,!<.<,1 в<2

{З- ) 10

s

Из полученных отношений волн определяют отношение (Ь2/а1)1, которое равно (Ь2/э 1)1 = (82/81)1 (Ь2/а2)1. (34)

Подставив (Ь2/а1 )1 в выражение (16), вычисляют 20

Кз = (Ь2/а1)1/(D2/C1)1 (35)

Изменив падающую волну а2 с помощью нагрузки 10, определяют второе отношение волн (6z/а2)2 по формуле (33).

Поочередно подставляя отношения 25 волн (Ь2/а2)1,2 в формулу (17), получают два линейных алгебраических уравнения с двумя неизвестными К1 и К5, решение которых имеет вид (x)а tD,1

I ЗО

< (3+311 (т<г(>9)< (х4! 6,1<(аай ).Е1((ь (41, 1/(ь./4Ц

+, (D,(в,1,-{агап,1, Таким образом, устройство для измерения 35 параметров СВЧ-четырехполюсника реализует поставленную цель измерения всех четырех параметров рассеяния нелинейных активных

СВЧ-четырехпол асников в режиме большого сигнала при наличии высших гармоник. 40

Формула изобретения

Устройство для измерения S-параметров СВЧ-четырехполюсника, содержащее последовательно соединенные генератор

СВЧ, первый согласующий трансформатор и направленный ответвитель падающей волны, последовательно соединенные направленный ответвитель прошедшей волны, первый сумматор и первый индикатор, а также последовательно соединенные второй согласующий трансформатор и нагрузку с переменным коэффициентом отражения, причем вход направленного ответвителя прошедшей волны является входом для прохождения выхода исследуемого СВЧ-четырехполюсника, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения S-параметров нелинейных активных

СВЧ-четырехполюсников в режиме большого сигнала, к выходу вторичного канала направленного ответвителя падающей волны подключены последовательно соединенные паласовой фильтр, первый согласованный отключэтель, двухпазиционный фазовращатель, трехканальный делитель, второй сумматор и второй индикатор, к выходу первичного канала направленного ответвителя падающей волны подключены последовательно соединенные второй согласованный отключатель и первая зондовая секция, выход которой является выходом для подсоединения входа исследуемого

СВЧ-четырехполюсника, а выход зонда соединен с вторым входам второго сумматора, между выходом первичного канала направленного ответвителя прошедшей волны и входом второго согласующего трансформатора введена вторая зондовая секция, выход зонда которой подсоединен к первому входу введенного третьего сумматора, при этом его второй вход соединен с вторым выходом трехканального делителя, а выход подключен к входу введенного третьего индикатора, а третий выход трехканального делителя подключен s второму входу первого сумматора.

В