Устройство для измерения параметров отражения сигнала от входа свч-элементов

 

Изобретение относится к измерительной технике сверхвысоких частот и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в СВЧ-тракте. Целью изобретения является увеличение чувствительности при повышении производительности измерений путем измерения распределения электрического поля СВЧ-сигнала в измерительной линии при помощи оптических датчиков. Устройство содержит СВЧ- генератор, измерительную линию, источник смещения, датчики, размещенные вдоль измерительной линии,лазер, делитель света и схему обработки сигналов датчиков. Новым в устройстве является выполнение измерительной линии в виде отрезка несимметричной полосковой линии, заполненной диэлектриком, обладающим электрооптическим эффектом, и реализация датчиков в виде двухканальных интерферометрических модуляторов света типа Маха-Цендера, обеспечивающих минимальное полуволновое напряжение по сравнению с другими типами модуляторов света. Устройство позволяет производит измерения с высокой скоростью в реальном масштабе времени и не требует ручных операций для настройки на частоту СВЧ-сигнала. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4869687/09 (22) 26.09.90 (46) 15.06.92. Бюл. ¹ 22 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина) (72) А.В.Воронов, А,А.Головков, А,П.Осипов, А. В. Павлов и В. Ю. Приходько (53) 621.317.341.3(088,8) (56) Стариков В. Д, Методы измерений на

СВЧ с применением измерительных линий.

М., Сов. радио, 1972.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1328766, кл, G 01 R 27/26, опублик.

07.08,87. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТРАЖЕНИЯ СИГНАЛА ОТ

ВХОДА СВЧ-ЭЛЕМЕНТОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике сверхвысоких частот и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в СВЧ-тракте, Целью изобретения является увеличение чувствиИзобретение относится к измерительной технике сверхвысоких частот и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в СВЧ-тракте.

Известны устройства для измерения параметров отражения сигнала на основе измерительной линии с одним или несколькими зондами, Основным недостатком подобных устройств, определяющим точность измерения, ячляется влияние измерительных зондов на распределение электромагнитно„, SU„„1741034 А1 (я)5 G 01 N 22/00; G 01 R 27/26 тельности при повышении производительности измерений путем измерения распределения электрического поля СВЧ-сигнала в измерительной линии при помощи оптических датчиков. Устройство содержит СВЧгенератор, измерительную линию, источник смещения, датчики, размещенные вдоль измерительной линии, лазер, делитель света и схему обработки сигналов датчиков, Новым в устройстве является выполнение измерительной линии в виде отрезка несимметричной полосковой линии, заполненной диэлектриком, обладающим электрооптическим эффектом, и реализация датчиков в виде двухканальных интерферометрических модуляторов света типа Маха-Цендера, обеспечивающих минимальное полуволновое напряжение по сравнению с другими типами модуляторов света. Устройство позволяет производит измерения с высокой скоростью в реальном масштабе времени и не требует ручных операций для настройки на частоту СВЧ-сигнала. 2 ил. го поля в измерительной линии. Кроме того, точность измерения зависит от уровня мощности СВЧ-сигнала и от неидентичности характеристик измерительных зондов ввиду разброса параметров полупроводниковых диодов, Известны измерители коэффициента отражения, в которых в качестве подложек измерительных линий используются среды, обладающие электрооптическим эффектом.

Это позволяет использовать оптические зонды, не вносящие неоднородностей в измеряемый тракт, 1741034

20

30

50

Наиболее близким по структуре и технической сущности к предлагаемому является устройство, состоящее из последовательно соединенных СВЧ-генератора, измерительной линии, выполненной в виде отрезка микрополосковой линии с датчиками вдоль нее, коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, блока обработки и программного управления, блока ввода-вывода информации, лазера, делителя света, источника смещения и генератора пилообразного напряжения. Каждый из датчиков содержит систему коллимирующих линз, удлинитель оптического пути, фазовую ячейку, часть микрополосковой линии, .поляризационную призму и фотоприемник, Отличительной особенностью устройства-прототипа является использование для измерения структуры электромагнитного поля в измерительной линии оптических датчиков, не вносящих неоднородностей в тракт и, следовательно, не искажающих электромагнитного поля. 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 напряженности электрического поля в заданном сечении линии, Фазовый набег измеряется методом компенсации. При помощи блока обработки и программного управления производятся вычисление напряженности электрического поля в различных сечениях измерительной линии (точках расположения датчиков) и последующие вычисления параметров отражения СВЧсигнала, Недостатком устройства-прототипа является недостаточно высокая чувствительность устройства. Фазовый набег одной из ортогональных составляющих светового луча пропорционален длине взаимодействия света с электрическим полем и напряженности поля в данном сечении измерительной линии. Поскольку длина взаимодействия ограничена шириной электрода, то при стандартных волновых сопротивлениях измерительной линии измерения возможны только при достаточно больших уровнях мощности СВЧ-сигнала.

Кроме того, на каждой рабочей частоте требуется ручная настройка удлинителя оптического пути, что существенно ограничивает функциональные возможности устройства, а при достаточно быстром изменении частоты СВЧ-сигнала приводит к поя влению систематической ошибки измерения.

Поскольку в устройстве-прототипе использован компенсационный способ измерения фазового сдвига света, скорость измерения ограничена временем преобразования набега фазы во временной интервал, т.е. периодом сканирования генератора пилообразного напряжения. Устройство не позволяет производить измерения структуры поля вдоль всей линии в реальном масштабе времени, что ограничивает производительность измерений и приводит к появлению систематической ошибки измерения.

Цель изобретения — увеличение чувствительности при повышении производительности измерений, Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров отражения сигнала от входа СВЧ-элементов, содержащем последовательно соединенные

СВЧ-генератор и измерительную линию, выполненную на подложке из диэлектрика, обладающего электрооптическим эффектом, вдоль которого размещены датчики, а также источник смещения, соединенный с проводниками измерительной линии, причем вход каждого из датчиков оптически связан с лазером через делитель света, выходом датчика является выход фотоприемника, который через коммутатор подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, связанного через блок обработки и программного управления с входом блока ввода-вывода информации и управляющим входом коммутатора, измерительная линия выполнена в виде отрезка симметричной полосковой линии, а каждый из датчиков содержит разветвитель света, вход которого является входом датчика, первый выход разветвителя света оптически связан с первым входом сумматора света через часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и первым экранирующим электродами измерительной линии, второй выход разветвителя света оптически связан со вторым входом сумматора света часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и вторым экранирующим электродами измерительной линии, выход сумматора света оптически связан с входом фотоприемника, при этом разветвитель света, подложка измерительной линии и сумматор света образуют интерферометр Маха-Цендера, а оптическая ось датчиков перпендикулярна продольной оси измерительной линии.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 — схема прохождения света через поперечное сечение измерительной линии.

1741034

10 сти световых лучей из одного луча, поступа-- 15 ющего на вход .каждого из датчиков 10.

25

55

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, измерительную линию 2, источник 3 смеще-. ния, лазер 4, делитель 5 света, коммутатор

6, аналого-цифровой преобразователь 7, блок 8 обработки и программного управления, 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 для пространственного разделения луча лазера на несколько лучей по количеству датчиков.

Разветвитель 11 света предназначен для формирования двух равных по интенсивноСумматор 12 света предназначен для реализации интерференции двух световых лучей, прошедших через сечение измерительной линии 2. Фотоприемник 13 предназначен для преобразования интенсивности светового луча на выходе сумматора 12 света в электрический сигнал. Источник 3 смещения предназначен для установки требуемой рабочей точки на модуляционной характеристике интерферометра.

Устройство работает в двух режимах; режиме калибровки и режиме измерения.

В режиме калибровки к измерительной линии 2 вместо исследуемого элемента подключается эталонная короткозамкнутая линия. Сигнал СВЧ-генератора 1 поступает на вход измерительной линии 2 и далее на эталонную линию. B результате интерференции падающей и отраженной волн

СВЧ-сигнала в измерительной линии устанавливается режим стоячей волны с известным распределением напряженности электрического поля вдоль линии, Лазер 4 генерирует высокостабильный оптический сигнал с линейной поляризацией. С выхода делителя 5 света световые лучи подаются на входы каждого из датчиков 10. В разветвителе 11 света происх дит разделение луча на два равных по интенсивности линейно поляризованных световых луча, которые проходят через поперечное сечение измерительной линии сверху и снизу относительно среднего электрода измерительной линии 2 (фиг. 2) и поступают на входы сумматора света.

В результате взаимодействия 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 поля

СВЧ-сигнала в данном сечении измерительной линии. В результате последующей интерференции световых лучей в сумматоре

12 света происходит модуляция света по интенсивности. Далее модулированный свет подается на вход фотоприемника 13, где происходит преобразование модулированного по интенсивности света в электрический сигнал. Изменение тока фотоприемника 13 под действием электрического поля в измерительной линии 12 описывается выражением

1 = 0.5 k Ф о Т (1 - m cos л(0 + U«)/

0 уг ), где I — ток фотоприемника;

k — коэффициент чувствительности фотоприемникаа;

Т вЂ” коэффициент, учитывающий потери света в датчике;

U 2-полуволновое напряжение;

U — напряжение на электродах линии;

U« — напряжение смещения;

m — коэффициент глубины модуляции света в датчике;

Фо — интенсивность света. В режиме стоячей волны напряжение в любом сечении линии изменяется по закону

U(t) = Up cos м, где w — 2 л f — частота СВЧ-сигнала;

Up — амплитуда напряжения в данном сечении линии, В результате, постоянная составляющая тока фотоприемника будет пропорциональна амплитуде напряжения в данном сечении измерительной линии.

Сигнал с выхода фотоприемника 13 подается на коммутатор 6. при помощи которого осуществляется подключение датчиков к входу аналого-цифрового преобразовате. ля 7, преобразующего сигнал фотоприемника 13 в цифровой код, Блок 8 обработки и программного управления осуществляет управление коммутатором 6 и производит регистрацию кода сигнала с каждого из датчиков 10. Таким образом, может быть получена информация о распределении напряжения вдоль измерительной линии 2 в точках установки датчиков 10. Эта информация сохраняется в памяти блока 8 обработки и программного управления в течение всего цикла измерений.

В режиме измерения к измерительной линии 2 подключается исследуемый СВЧэлемент. Процесс измерения распределения напряжения вдоль измерительной линии не отличается от аналогичного процесса в режиме калибровки.

В результате измерений в блоке 8 обработки и программного управления запоминаются значения напряжения вдоль измерительной линии 2 в точках расположения датчиков 10. По этим значениям рассчи 1741034 тываются комплексный коэффициент отражения. Коэффициент стоячей волны и комплексное сопротивление исследуемого элемента на заданной частоте при помощи методов, используемых в технике измерений обычными измерительными линиями.

В качестве диэлектрика измерительной линии могут быть использованы кристаллы ниобата лития ЫИЬОз танталата лития

0ТаОз, сульфида цинка ZnS и другие. Делитель 5 света может быть выполнен виде отрезков волоконно-оптического кабеля, собранных на одном конце в жгут, либо в виде системы зеркал с различными коэффициентами пропускания и отражения. Разветвитель 11 света и сумматор 12 света представляют собой симметричные трехдецибельные Y-разветвители и могут быть выполнены путем помещения оптических неоднородностей (зеркал и оптических сред с различными коэффициентами преломления) на пути светового луча, входящего в датчик. Эти устройства могут быть выполнены непосредственно в диэлектрической среде измерительной линии 2, например, путем придания специальной формы боковой грани диэлектрика измерительной линии, введения неоднородностей по коэффициенту преломления на грани и т.д.

В этом случае измерительная линия 2 конструктивно объединяется с делителем 11 и сумматором 12. Тип фотоприемника зависит от длины волны используемого лазера.

Остальные блоки устройства являются стандартными для радиоэлектронных и оптоэлектронныхых устройств.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с устройствомпрототипом позволяет производить измерения при более низких уровнях мощности возбуждающего генератора и отказаться от ручных операций при измерениях.

Выполнение измерительной линии в виде отрезка симметричной полосковой линии с диэлектрическим заполнением, обладающим электрооптическим эффектом, дает возможность использовать верхнюю и нижнюю части сечения измерительной линии в качестве двух фазовых ячеек, поворот вектора поляризации света в которых под действием электрического поля СВЧ-сигнала равен по величине и противоположен по знаку. Это позволяет в совокупности с разветвителем 11 света и сумматором 12 света организовать датчик напряженности электрического поля в данном сечении измерительной линии в виде интерферометра

Маха-Цендера, т.е. проводить измерения способом, позволяющим получить максимальную чувствительность по модулирую10

55 щему сигналу иэ всех известных способов электрооптической модуляции света, и тем самым повысить чувствительность устройства в целом.

Предложенная структура датчика позволяет получить информацию о величине напряженности электрического поля в данном сечении измерительной линии в виде модулированного по интенсивности светового сигнала. При этом в отличие от прототипа, в котором использована модуляция света по фазе и компенсационный способ измерения фазового сдвига, в предлагаемом устройстве достигаются следующие преимущества: отпадает необходимость ручной настройки датчика на рабочую частоту измеряемого сигнала; сигнал, пропорциональный амплитуде электрического поля в каждом сечении измерительной линии существует на выходах датчиков одновременно, не требуется каких-либо допол нительн ых и реобразований перед кодированием его аналогоцифровым преобразователем, следовательно, измерения могут производиться с любой скоростью в реальном масштабе времени, Формула изобретения

Устройство для измерения параметров отражения сигнала от входа СВЧ-элементов, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор и измерительную линию, выполненную на подложке из диэлектриков, обладающего электрооптическим эффектом, вдоль которой размещены датчики, а также источник смещения, соединенный с проводниками измерительной линии, причем вход каждого из датчиков оптически связан с лазером через делитель света, выходом датчика является выход фотоприемника, который через коммутатор подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, связанного через блок обработки программного управления с входом блока ввода-вывода информации и управляющим входом коммутатора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности при повышении производительности измерений, измерительная линия выполнена в виде отрезка симметричной полосковой линии, а каждый из датчиков содержит разветвитель света, вход которого является входом датчика, первый выход разветвителя света оптически связан с первым входом сумматора света через часть подложки измерительной линии, расположенной между средним и первым экранирующим электродами измерительной линии, второй выход разветвителя света оптически связан с вторым входом сумматора света через часть подложки из1741034

10 та, подложка измерительной линии и сумматор света образуют интерферометр МахаЦендера, а оптическая ось датчиков перпендикулярна продольной оси измери5 тельной линии.

СВаr ф элемент )

) t

t мерительной линии, расположенной между средним и вторым экранирующим электродами измерительной линии; выход сумматора света оптически связан с входом фотоприемника, при этом разветвитель све)

I

1

La

i !