Измеритель s - параметров четырехполюсника свч
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может использоваться для измерения S-параметров линейных и нелинейных СВЧ- четырехпоолюсников. Цель изобретения - сокращение времени измерений и повышение точности. Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ содержит генератор 1 СВЧ, делитель 2 мощности, первый вентиль 3, управляемый аттенюатор 4, управляемые; фазовращатель 5, первый направленный ответвитель (НО) 6, второй вентиль 7, второй НО 8, исследуемый четырехполюсник 9 СВЧ, первый согласованный отключатель 11, первый гибридный мост 12, первую согласованную нагрузку 13, второй согласованный отключатель 14, третий согласованный отключатель 15, второй гибридный мост 16, третий гибридный мост 17, вторую согласованную нагрузку 18, первый ваттметр 19. Цель достигается введением фильтра 10 нижних частот, первого переключателя 20, второго переключателя 21 и второго ваттметра 22. 1 ил. (Л
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4708512/09 (22) 21.06,89 (46) 07.10,91. Бюл, М 37 (71) Нижегородский политехнический институт (72) А.Н, Зайцев, С.В. Логанов и В.И. Пятаев (53) 621.317.343 (088.8) (56) ТИИЭР, т, 74, 1986, N 1, с. 61. Авторское свидетельство СССР М 1601589, кл. G 01 R 27/04, 1988. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ S-ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА СВЧ (57) Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может использоваться для измерения S-параметров линейных и нелинейных СВЧчетырехпоолюсников. Цель изобретения— сокращение времени измерений и повышеИзобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к измерениям на СВЧ, и может использоваться для измерения S-параметров линейных и нелинейных СВЧ-четырехполюсников. Целью изобретения является сокращение времени измерений и повышение точности. На чертеже представлена структурная электрическая схема измерителя S-параметров четырехполюсника СВЧ. Измеритель содержит генератор 1 СВЧ, делитель 2 мощности, первый вентиль 3, управляемый аттенюатор 4, управляемый фазовращатель 5, первый направленный ответвитель (НО) 6, второй вентиль 7, второй НО 8, исследуемый четырехполюсник 9 СВЧ, фильтр 10 нижних частот, первый со». Ж,„1682941 А1 ние точности. Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ содержит генератор 1 СВЧ, делитель 2 мощности, первый вентиль 3, управляемый аттенюатор 4, управляемый фазовращатель 5, первый направленный ответвитель (НО) 6, второй вентиль 7, второй НО 8, исследуемый четырехполюсник 9 СВЧ, первый согласованный отключатель 11, первый гибридный мост 12, первую согласованную нагрузку 13, второй согласованный отключатель 14, третий согласованный отключатель 15, второй гибридный мост 16, третий гибридный мост 17, вторую согласованную нагрузку 18, первый ваттметр 19. Цель достигается введением фильтра 10 нижних частот, первого переключателя 20, второго переключателя 21 и второго ваттметра 22. 1 ил. гласованный отключатель 11, первый гибридный мост 12, первую согласованную нагрузку 13, второй согласованный отключатель 14, третий согласованный отключатель 15, второй гибридный мост 16, третий гибридный мост 17, вторую согласованную нагрузку 18, первый ваттметр 19, первый переключатель 20, второй переключатель 21 и второй ваттметр 22, Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ работает следующим образом, Гармонический испытательный сигнал генератора 1 делится делителем 2 на два колебания, первое из которых поступает через второй вентиль 7, второй НО S в первое плечо исследуемого четырехполюсника 9, Второе колебание проходит первый вен I 611294 7 С4 = С 7 соз (в t + «/7<) + + У С4«со з (I о7 t + «/7 Г7 + C2i COS (I Q7 T + «/72 I) (2) l ==2 n„ Где С2 и Д2 амплитуда и фЗза (Отн(2слт671ь i l0 С){Т) первой ГарГ40ники,Цанн ОГО колебания С2(и «р21 амплит/да и (1)азы Высших гармоник; 1ч — неизветное число высших гармоник, Колебание, полученное на первом ответвляющем выходе HG 6, проходит второй переключатель 21, третий гибридный мост 1 7 и паступапет на первый ваттм тр 19. Это колебание имеет нид P t .-- /«7 ((«7) С 72/2 (6) C; (tj =- Сз соз (((7 . + «/з) + и + g Сз соз (I Г«7 T + з«), l =2 Р2 = P7 ((Lt) С2 /2 + PX2 («) гд:-; Сз, «оз — амплитуда и фаза ftBpBQI1I гарГдB P 2 с1/мР43РнаЯ мощность Высших f 3PСзь pent — 9;4I1/tt4TIJ ftl: и фазы нысши. < { )) a) согласованные откл7очатели 11 и 15— в г.аложении (7), переключатель 20 — в полонетнляющем вы;<аде HG 6, -IpoxQqm второй плл ь 3, управляемый аттенюато,,з 4, уп равляемый фазовращатель 5, первый HG 6 и пг7ступает во второе плечо исследуемого четырехпалюсника 9. I BHBp3TopoM i устанавливаются заданные частота и MoitIffocTb испытательнОГО сиГнала BQ вт(гром канале (второй вентиль 7 и второй HG 8), а управляемыми аттенюатором 4 и фазавращателем 5— мощность испытательного:игнапа в первом канале и его фазовый сдвиг по отношению к сиГналу ВтороГО канала. Колебания, ответвляемые -IG 6 и (1„в силу н6идеал ьности последни:< явля ются линейными 7(омбинациями пада«ощи7< и Отраженных волн, сущестнующих В атсчетн ых плоскостях измери16ля, по и зме1эенил«4 като аых апре веляются Р "кпмыР -t1303MBTры. Колебание, полученное на первом ответнляющем выходе НО 6. Проходит через ф !flbTp 10, третий саглас(7!-анньгй От!<лючЯтель 15, первый переключатель 20, второй гибридный мост 16, первый гибридный мост 72 It f1ocTij I I38T на ВтОрОЙ !33ТТМВТр 22. Это колебание имеет следующий Вид: С1{т) == С1соз ю T... (7) Где С7, («7 амплитуда и частота: Колебание, палgj÷Bèío6 на Втором атне гвляющем выходе HG 8. проходит первый согласованный отк«начатель 11, г.ервый гибpидныЙ мост 12 M пастуf138T l!3 Второй f!3TT" метр 22, Эта колебание имеет нид („ :ГласОВанный Отключатель 14, второЙ пероключатель 21. Гретий Гибридный мост 17 и поступает на первый ваттметр 19. С7но ИМ86Т НИД 5 Ъ" 10 где С, «/ta — амплитуда и фаза первой гармоники C4i и >0$! амплитудь«и фазы Высших ГармОник (Отнаситально С7{т)). Колебание, поступающее на первый L3TTMBTp 19 с ftBpBQI o BblxQ/73 DTopQfо гибридного моста 16 через третий гибридный мост 17, имеет нид; С5 (т) = 05 cQs 1(«7 1: + P)), {5) 20 Где Сб и р — его амплитуда и фаза. Примем, что положе I Vie (2) сагласанз -!ных Отключателей l1, 14, 15 соответствует прапускани«о паступа«ащих на них сиГналав, а полажение (О) — запиранию. Положе.75 ние {1) перекл ачателя 20 соотнетствует соединению с ега Входом второго Входа гибриднага моста 16, а полах<ение (2) — первого входа гибридного моста 76, Полах<ение (1) перекп ачателя 21 соответствует пропуска;10 ни а колебания Сз ф а поло7кение(2) — колеб ияС4(Ф В зависимости от положения согласованных откл ачателей 11, 15 и переключателя 20 наттметр 22 измеряет следующие мощности (г ереключатель 21 и согласованный откпючатель 11 в произвол;".Ых, поло;К6Н ИЯХ): 1) согласованный атключатель 15 — в 40 положении (1}, согласованный отключатель (! 1) — в положении (О}, переключатель 20 — в положении (1): 45 где р> (o3) — казффициент, учитывающий казффициент зффективнасти и коэффициент отоа7кения =-аттметра 22; 2) согласованный отключатель 15 — н - .- «Голох<ении (0), согласованный отключатель 11 — a попсжении (1), переключатель 20 — в положении (1): 1682941 P5 = pi (N) qi С1 /2, (10) 40 Рз=р1(N}(C1 /2 Н С2 /2+ + С1CzcosPz)+ Рд: (8) 4) согласованные отключатели 11 и 15— в положении (1), переключатель 20 — в положении (2): Р4 M1(N} (q1 С1 /2+Сг /2+ + о1 С1 С2 сов (д)2 ф1}+ Р г (9) где ц1 и ф — величины, учитывающие изменение амплитуды и фазы сигнала Сф), получающиеся при переключении этого сигнала с первого на второй вход гибридного моста 16. При этом должны быть соблюдены условия q Оиф Nnm, n=0,+1, + 2..., что обеспечивается использованием гибридного моста 16; 5) согласованный отключатель 15 — в положении (1), согласованный отключатель 11 — в положении (О), переключатель 20 — в положении (2), Ваттметр 19 измеряет следующие мощности в зависимости от положения согласованных отключателей 14 и 15 и переключателей 20 и 21 (согласованный отключатель 11 в произвольном положении); 6) согласованный отключатель 14 — в положении (О), согласованный отключатель 15 — в положении (1), переключатель 21 — в положении (2): PS=pe (N}C5 /2; (11) где,и2 (N} — коэффициент, учитывающий коэффициент эффективности и коэффициент отражения ваттметра 19; 7) согласованный отключатель 14 — в положении (1), согласованный отключатель 15 — в положении (О), переключатель 20 — в положении (1), переключатель 21 — в положении (2), Р7=,и2 (со} Са /2+ РУ4, (12) где Р 4 — суммарная мощность высших гармоник колебания C4(t); 8) согласованные отключатели 14 и 15— в положении (1), переключатель 20 — в положении (1), переключатель 21 — в положении (2): Рв= р2 (N}(C5 /2+ С4 /2+ + C4 С5 cos (rp4 — ф5}+ Рд; (13) 9) согласованные отключатели 14 и 15— в положении (1), переключатели 20 и 21 — в положении (2): Pg =- р в} (qz С5 /2 + С4 /2 ) + о2 С4 С5соз (р у5 g2)+ Р)-4 ° (>4) где q2 q1 и 1р2 + $1 — из-за неидеальности 5 СВЧ-тракта (qp - О ф W n./г), n =- О, +.1 "2 ..., обеспечиваются свойством квадратурности гибридного моста 16; 10) согласованный отключатель 14 — в положении (О), согласованый отключатель 15- в положении(1). переключатели 20 и 21— в положении (2), Р10 = p2 (N}q2 С5 /2, (15) 11) согласованные отключатели 14 и 15— в положении (О), переключатели 20 и 21 — в положении (1): Р11 = pg (N} Сэ /2 + Р з, (16) где P73 — суммарная мощность высших гармоник колебания Сз(т); 12) согласованный отключатель 14 — в положении (О), согласованный отключатель 15 — в положении (1), переключатели 20 и 21— в положении (1); Ра=-„и2(в}(С5 /2+ Сз /2+ + С5 Сз cos (уз — р5}+ Ртз, (17) 13) согласованный отключатель 14 — в положении (0), согласованный отключатель 15 — в положении (1), переключатель 20 — в положении (2), переключатель 21 — в положении (1): Р1з= /сг(N}(ср С5 /2+ Сз /2 + Ц2 Сз С5 соз (p3 p5 — ф)2}+ Рез; (18) Из выражений (6) — (18) определяются следующие величины: ф С1 = 2P>, ф С2 cos ф2 = (Рз Р2 — Р1}/ Р1, /Р С2 sin у)2 = (Р4 Р5 Р2 — 2 Р5 Сг. cos rpz cosg<}/ 2 Р5 sing>}, ф С3 со$ (p5} (Р12 Р» — Р5}l 2 Рб, p) С sin (рз — } =(Р1з- P» — Plo— 2 Р Сз сов (рз — //)5} cos ф}l / (2 Р1о s I п ф)}, (19) р3 С4 сов (//)4 =(Рз — Р5 — Р7) / 2 Р5, j8 С4 sin (p4 p5} =(P9 Рlo Р7 — /2 Р10 Сд co? (??4 — 35) сов ?/?)/ / 2Pio ?ln tP?, Сз = 2 1 ф =/Р (С2 cos pz + +) Сг sin pz), С = С l ) гэ 1 i ф5 = p3 5 (Сз соз ° I 682941 " (Рз — у 5) +) Сз sin (у)з — P5)), С4 = С4 I I ф ="!,С4 cos (p4 ps) + + j С4 sin (д)4 — p>))peg (.1 =ф 5 С1, Так как колебания С1(т) — C4(t) являются линейными комбинациями падающих (А1, Аг) и отраженных (В1, B;!) волн, их комплексные амплитуды именп вид квг sr С(- а (в) А1 +pj(в) В1, 1-1,2, С(=- а) (в) Аг + ф (в) Вг. 1- 3, 4, (20) где фазы отсчитыва(отся относительно С1, а((в} и ф (в) — неизвестные комплексные частотно зависимые кянстанты. Подставив в (20) вместо величин Cl величины Cl (! = 1... 4), получим: С = а(в)А1+р{в) В1к 1=1,2, С(= а({N) Аг +Р({в) Вг, I 3,4, (21) где (x1(в)ф а1 (в),Р1 {в) ==ф Р1(в), аг (в) =рР аг (в},.рг {в) =РРАХ (в) ) = (г),5 {в} (Р Рз(в, у) =ма5Р:(в) () ф5 ) !!Т р4 (вк ф5) =ф р4 {0)) I Иэ выражений (21) вычисляются следующие отношения волн: с я(к якк в яд" кА як с кс к - к в кя ) Кг () — K4 А6 Ksl С /с1 К4 Вг/Аг— К6 — К5 — Сз/С4 (24) гдЕ К1- аг/а1, Кг- jb/à1, КЗ= pl/а1, К4 = = аЗ/а4, К5 — p4/Ù z К6"" Д/а4 КЗ а4/а1. Параметры рассеяния измеряемого четырехполюсника 9 связаны с волнами в измерительном тракте (в отсчетных плоскостях) следующим соотношением: В1/А1 = 311(в, IA1I)+ + З1г(в, !А1!)Аь А1, (25) ВгИг = S21(в, !A1!) A1/A2+ 2 $гг (в A1 I). (26) Для двух значений Аг/A1, получаемых изменением фазы волны Аг с помощью управляемого фаэовращателя 5 (для линейных нагрузок возможно изменение амплитуды Аг с помощью управляемого аттенюатора 4), соотношения (25) и (26) образуют систему из четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными 311, 31г, Зг1, S22, решение которой имеет вид; S11 B11/А1 Аг/A1 — В1/А1 1 A2/A1 (Аг/A1)1 — (Аг/А1)г (27) (28) (Аг/А1)1 — (Аг/А1)г (29) (А1/Аг)1 (A1/ A2)2 S22 62/Ав Ar/А2 к в 62/Az i А /Az)к (A1/A2)1 (А1/ Аг)2 20 (30) При измерении параметров рассеяния нелинейных элементов требуется знать уровень падающей волны IA1<, который вычисляется по формуле Ð1 Ia1! !1+ Кг В1 IA1! полученной из первого уравнения системы 30 (21), Для определения трех действительных констант !а1 I, ф1, Q и семи комплексных констант К1 - Кт проводится калибровка. Для этого вместо четырехполюсника 9 подключаются две отражающие двухполюсные нагрузки. B этом случае падающие и отраженные волны не будут содержать высших гармоник, т, е. Руг = Раз =:- «4 = О. С учетом этого и выражений(6) и (2) иэ формулы (8) получим: Icz = я вгсссв ((Рв — Рг — Рк)/2 Pl Рв ), (32) а из формулы (9), с учетом (6) и (10) получим. ((ск — кГяк) = и arccos ((Ря- ps — Рк)/2 к/Рк Рв ) . (33) 50 Из выражений (32) и (33) можно определить четыре значения величины и — (ю-й) Выбор одного из найденных значений 55 ф производится по приближенно известному (с точностью +. (10-15)о значению |(t)i из условия, что ф1 — ф . Значение ф с указанной точностью может быть рассчитано или предварительно измерено. 1682941 (,> с2 ()/с! () — к, 10 Г1 -, l=1,2,3, (2> сз ()/С4 () к4 . котоРая имеет Решение {С21 — С21 () ГЗ () — "1 (— C21 () — С2! () Г2 () — Г! И К2 (С21 ГЗ вЂ” С21 Г1 ) (Г2 — Г1 (C21 Г2 — С21 Г! (ГЗ вЂ” Г! ) Кз = ((621 — С21 + К2.1.С21 Г2 С21 Г1 )j/(l 2 - Г1 ), К! = С2!(>- Кз Г1{ >+ К2 С2!(> Г1{!>, (С34 - C34 () Гз (- r1 (— C34 () - C34 (Г2 () - Г! ( (С34 (ГЗ вЂ” C34 Г1 ) (Г2 — Г1 ) — (С34 Г2 — С34 Г1 ) (ГЗ вЂ” Г1 () S11 S12 = S21 = Ви1 S22 — Л Аналогичным образом вычисляется и величина 1/2 с той лишь разницей, что для ее определения используются формулы (11) — (15), а приближенным значением 1ф является значение ф . После этого для данных нагрузок вычисляются величины С1 — С4. Далее к обоим плечам измерителя S-параметров четырехполюсника СВЧ nooseредно подключаются еще по две отражающих образцовых нагрузки, для которых по измерениям мощности определяются свои значения величин С! — С4. При известных комплексных коэффициента1с подключаемых образцовых нагрузок Гl, K6 = (Cz4 С34 + К5(.С34 Г2 С34 "> Г (2>))/(Г2(> - ГР К4 = C34(> К6Г1{ >+ К5С 34(> Г1(> гДЕ С21И = С2И/С! >, СЗ4(> = СЗ /С4Ц. Для определения константы К7 в качестве исследуемого объекта подключают отрезок линии передачи. Иэ выражений (25) и (26) следует W2 S11+ W1S22 A= W1 W2 (34) S22 = (W12 W12 — S11 (W2 W>{2>)/(W (1> W> 2>) AS!1 W2 + S22 1/ /! W12 где W12(= В/!(> М/2(>, l = 1, 2, 3 — номер режима возбуждения. С учетом того, что S1z = Sz1, определяем Для одного из режимов возбуждения вычисляется величина Az/А! по формуле Аг/Al = (W1 - S11)/S12. Поставив полученное отношение А2/А1 в (23), вычислим константу Кт: Гi®(l = 1, 2, 3 — номер калибровочной операции, индексы 1, 2 — номера плеч измерителя) выражения (22) и (24) образуют систему из шести линейных уравнений с шестью неиз5 вЕСтными К! — К6. где W1 = В1/А1 Wz = В2/А2 Л= S11 Szz— S12 S21. При трехкратном изменении режима возбуждения (отношение волн Az/À!) соотношение (34) образует систему из трех . линейных уравнений с тремя неизвестными 25 $11, Szz, Л, решение которой имеет вид. Кт -K4/K6+ + с4/с1 1 + к2 У /! —.к5/к6 с2/сз LI 1 !— кзз 1) A2/A1 30 Для определения l с21!к первому плечу измерителя S-параметров четырехполюсника СВЧ подключается образцовый ваттметр, показание Ро которого связано с уровнем падающей волны А!о соотношением 35 lA1oj =(г Р,2./(1 -1ГО(2)) 5, где Z — нормировочное сопротивление (для волн мощности 2 = 1), Го — комплексный коэффициент отражения образцового ваттметра, вычяисляемый 40 из(22), 1682941 Подставив в (31) вместо lA> l — 1Аю! и вместо В /А — Го, определим величину: Найденные во всех четырех. точках калибровочные константы являются необходимыми и достаточными для проведения измерений 3-параметров нелинейных четырехполюсников, Они интегрально учитывают неидеалЬ ость СВЧ-узлов, входящих в измеритель Я-параметров четырехполюсника СВЧ, и позволяют обеспечить высокую точность измерений, Составитель M.Кромин Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Кучерявая Редактор С.Кулакова Заказ 3410 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ, содержащий последовательно соединенные генератор-СВЧ и делитель мощности, к одному выходу которого подключены последовательно соединенные первый вентиль, управляемый аттенюатор, управляемый фаэовращатель и первый направленный ответвитель, а к второму выходу — последовательно соединенные второй вентиль и второй направленный ответвитель, первые выходы которых являются выходами для подсоединения исследуемого четырехполюсника СВЧ, второй выход вто= рого направленного ответвителя через первый, согласованный отключатель соединен с вторым входом первого гибриДного моста, к первому выходу которого подсоединена первая согласованная нагрузка, второй 5 вход первого направленного ответвителя соединен с вторым согласованным отключателем, третий согласованный отключатель, второй и третий гибридные мосты, причем первый выход последнего соединен 10 с входом первого ваттметра, а второй — c второй согласованной нагрузкой, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью сокращения времени измерений и повышения точности,, второй вход второго направленного ответ15 вителя соединен с третьим согласованным отключателем через введенный фильтр нижних частот, выход третьего согласованного отключателя соединен с входом введенного первого переключателя, выходы которого 20 подключены к входам второго гибридного моста, первый его выход соединен с вторым входом третьего гибридного моста, а второй выход-с первым входом первого гибридного моста, к второму выходу которого подсо25 единен введенный второй ваттметр, второй выход первого направленного ответвителя и выход второго согласованного отключателя соединены с входами введенного второго переключателя, выход которого подключен 30 к первому входу третьего гибридного моста.
