Измеритель s-параметров линейного четырехполюсника

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 R 27/32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "" "" ""

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4417689/09 (22) 28.04.88 (46) 15.12.92. Бюл. N 46 . (72) А.С.Елизаров, М.Ю.Дерябина, B.Íßóтилин, Т.Т.Анбиндерис, С.Д.Шулика;

В.Д.Тупикин, B.Т.Васильев и О.Г.Олейник (56) Авторское свидетельство СССР

hL 11332299338877, кл. G 01 R27/30,,1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1322199, кл. 6 01 R 27/32, 1985. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ S-ПАРАМЕТРОВ ЛИН ЕЙНОГО Ч ЕТЫ РЕХПОЛ ЮСНИКА (57) Изобретение относится к технике измерений. Цель изобретения — расширение диапазона рабочих частот и пределов измерения, а также повышение точности измерения коэф, отражения протяженного линейного -четырехполюсника. Измеритель содержит СВЧ г-р 1, тройник 2, синфазные делители 3 и 4 мощности, амплитудные модуляторы 5,6 и 7,r-ры 8,9 и 10 модулирующих. Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано при измерении комплексных параметров (S-параметров) линейных

СВЧ-четырехполюсников (СВЧ- устройств проходного типа).

Цель изобретения — расширение диапазона рабочих частот и пределов измерения, повышение точности.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема измерителя S-параметров линейного четырехполюсника. который содержит СВЧ- генератор 1, тройник 2, первый и второй синфазные делители 3, 4,, Ы„„1781638 А1 сигналов, направленные ответвители 11, 12, 13 и 14,согласованные нагрузки 15, 16, 17 и

18, измеряемый четырехполюсник 19, волноводный компенсатор 20 фаз, двоичный фазовращатель 21,измерительные головки

22 и 23 и блок управления и вычисления 24.

Расширение пределов измерения модулей

$-параметров достигается за счет амплитудной модуляции СВЧ-сигнала в опорном и измерительном каналах при разных частотах модулирующих напряжений, что эквивалентно линейному фазовому СВЧ-детектору. При этом расширение диапазона рабочих частот измерителя производится в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн. Задачи перехода от измерения параметров передачи к измерению параметров отражения четырехполюсников, имеющих большую электрическую длину;решаются с помощью дополнительного СВЧ- переключателя, вводимого в опорный канал. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. мощности, первый, второй и третий амплитудные модуляторы 5, 6, 7, первый, второй и третий генераторы 8, 9, 10 модулирующих сигналов, первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители 11, 12. 13, 14, первую, вторую, третью и четвертую согласованные нагрузки 15, 16, 17, 18. измеряемый четырехполюсник 19, волноводный компенсатор 20 фаз, двоичный фазовращатель 21, первую и вторую измерительные, головки 22, 23, блок 24 управления и вычисления.

На фиг. 2 приведена схема подключения дополнительного СВЧ- переключателя 25.

1781638

20

35

Измеритель S-параметров линейного четырехполюсникэ работает следующим образом, Выходной СВЧ-сигнал СВЧ-генератора

1 делится с помощью тройника 2 на две части, одна из которых является опорным сигналом, а вторая поступает через первый синфазный делитель 3 в кольцевой измерительный тракт, Опорный сигнал модулируется сначала по фазе с помощью двоичного фазовращателя 21 (начальная фаза сигнала принимает на выходе фазовращателя два значения: 0 при отсутствии управляющего сигнала и 90 при его наличии). Далее этот сигнал модулируется по амплитуде напряжением частоты A с помощью третьего амплитудного модулятора.7, управляемого от третьего генератора 10. и поступает через второй синфазный делитель 4 на первые входы первого и второго направленных ответвителей 11, 12 и далее — на первую и вторую измерительные головки 22, 23, В свою очередь измерительные сигналы, поступившие через первый синфазный делитель 3 в плечи кольцевого измерительного тракта, модулируются по амплитуде напряжениями частот И1 (с помощью первого амплитудного модулятора 5) и Ъ (c помощью второго амплитудного модулятора

6). Они распространяются через измеряемый четырехполюсник 19 в противоположных направлениях. Третий и четвертый направленные ответвителя 13, 14 ориентированы одновременно на волны, отраженные от входов измеряемого четырехполюсника 19 и прошедшие через него с противоположных направлений. Ответвленные во вторичные тракты направленных ответвителей 13 и 14 измерительные сигналы несут в себе таким образом информацию о значениях всех измеряемых S-параметров и поступают на вторые входы направленных ответвителей 11 и

12 и далее — на измерительные головки 22 и

23. При этом на каждую измерительную roловку 22, 23 поступает фактически по два измерительных сигнала. Пусть, например, первый сигнал, поступающий на измерительную головку 22, содержит информацию о значении S«, Тогда второй сигнал на входе этой же измерительной головки 22 будет содержать информацию о значении $12.

Аналогично изме >ительные сигналы на входе измерительной головки 23 содер>кат информацию о значенйях $22 и $21. каждый из этих сигналов имеет свою частоту амплитудной модуляции: либо 01 либо Я Лроанализируем спектральный состав выходных напряжений измерительных головок с учетом того, что опорный сигнал также промодулирован по амплитуде напряжением частоты С4.

При отсутствии амплитудных модуляторов 5, 6, 7 выходные напряжения, например, измерительной головки 22, описывались бы для первого и второго положений двоичного фазовращателя 21 следующими выражениями:

U1- а Ео (K1 + 2 К1 Кз Фа сов (pg + р,)+

l4 I S gI )

U2 = c Eo (К2 +2К2 КзВйlsl> (pk ++)+

Кз !$и(! ), где,а- коэффициент передачи измеритель- . ной головки 2;

Ео — амплитуда поля в месте разветвления опорного и измерительного каналов;

К1, К2 — модули суммарных коэффициентов передачи (потери) опорного канала при первом и втором положениях двоичного фазовращателя 21;

K3 — потери измерительного канала; с - фазовый сдвиг, учитывающий неидентичность фазочастотных характеристик опорного и измерительного каналов; ю@!,pl: — модуль и фаза измеряемого

S-па раметра.

Пусть, например, О1 и 02 соответствует измерению $«. Анализ спектрального со-. става их при квадратичной характеристике детектора головки 22 свидетельствует на примере U1 о наличии: — напря>кения постоянного тока

U1 = а Е, (Kj + 2 К1 Кз IS « I соз (@11 + pH) + К IS1М ): — напряжения частоты Q1

И

01 =а М1 Е2 (2 К1 Кз IS«l

cos (y«+ p,) + Я IS»l ) cos Й1 t; — напряжения частоты Яз

lit

01 = а Мз Е3 (Kj + 2 К1 Кз IS « I

cos (p«+p,))cos Я 1; где м1 и Мз — коэффициенты амплитудной модуляции измерительного и опорного сигналов; — напряжения

0 — — а Mj K) IS«l Е2 cos2 Q t =

= — a Mj K3 IS«l2 Ео +

+ — 2а М1 К $«(ЕО cos 2 Q t.)

1 — напряжения

Ф = а M) K j Е2 cos2 Q t .= — аМз Kj Е, +

+2 аM) К1 Еоcos2йt;

1781638 — напряжения

40

55

Р(U> =2 аМ1 Мз К1 Кз IS«1 Е>

cos (p» + p,) cos Q> t cos G5 t =

= а М1 Мз К1 Кз 1$11! Ео cos(p«+ уЪ)

cos (О1 + G5) t + а М1 Мз К1 Кз IS«l Ео соз (у 1+у,) cos(Q1 — +) t.

Из приведенных выражений видно, что, если в качестве сигнала измерительной информации выбрать напряжение частоты (Q> + A) определяемое первым слагаемым t в выражении для U>, то оно будет свободно от нелинейных членов, пропорциональных IS»l и К1, аналогично выходному сигналу в измерителях S-параметров с переносом частоты, Это и означает расширение пределов измерения модулей

S-параметров. Напряжения U> и Uz частоты (Q + Q3) легко селектируются в блоке

24, образуя первый автономный канал обработки измерительной информации. Второй канал имеет рабочую частоту (Q + Q) и соответствует выходным напряжениям измерительной головки 22, содержащим информацию о значении S>z, Эти же частоты имеют каналы обработки измерительной информации о значениях $22 и $21, содержа.щейся в .выходных напряжениях измерительной головки 23. Это могут быть либо автономные каналы, либо в блоке 24 может быть организовано поочередное измерение выходных напряжений измерительных головок 22 и 23 с помощью, например, электронногоо коммутатора, С другой стороны, переменная составляющая напряжения U< может быть использована в качестве входного сигнала системы автоматической регулировки выходной мощности СВЧ-генератора 1, так как она содержит информацию об изменении

Ео при качании его частоты. Поэтому она также выделяется селективным усилителем управляюще-вычислительного блока, настроенным на частоту 2Я . Можно было бы использовать также в качестве измерительных сигналов напряжения частот (Q> — Ь) и (Q — R), определяемые вторыми слагаемыми в выражениях для 01 и

Ч! других выходных напря>кений измерительных головок 22 и 23. Однако это ухудшило бы динамические характеристики (быстродействие).

Частотная селекция каналов осуществляется в блоке 24 общеизвестными способами (например, с помощью полосовых флльтров) . Собственно управляюще-вычислительная часть блока 24 также является типовой и базируется либо на встроенном микропроцессоре, либо на персональной

ЭВМ, сопрягаемой с аналого-цифровой частью блока.

Частотная селекция каналов обработки измерительной информации позволяет также автоматизировать процесс измерения невзаимных параметров четырехполюсников. Для этого достаточно над выходными сигналами каналов, содержащими информацию о значениях Szi и S>z, осуществить дополнительные вычислительные операции по алгоритмам, следующим из определений соответствующих невзаимных параметров.

В частности, невзаимный фазовых сдвиг onределится на основании информации о начальных фазах выходных сигналов каналов как Лр= arg Sz> — аго$12, а вентильное отношение — на основании информации об амплитудах этих сигналбв как В = 1$12 1/ISz l.

Введение в плечи кольцевого тракта амплитудных модуляторов 5,6 разных частот ь11 и G5 не только обеспечивает автономность каналов обработки измерительной информации, но и минимизирует число источников погрешностей для каждого канала, Например, паразитные сигналы за счет конечной направленности третьего и четвертого направленных ответвителей 13, 14 уже не будут влиять на результаты измерений S)z и Szf. Паразитные сигналы за счет конечной развязки плеч первого синфазного делителя 3 дополнительно модулируются в соответствующих модуляторах, что эквивалентно частотному сдвигу модулирующих напря>кений после детектирования в измерительных головках 22 и 23 и выносу их за пределы полос пропускания соответствующих каналов. Аналогично обстоит дело с большинством паразитных сигналов, возникающих за счет многократных отражений. В результате этих мер точность измерения

EIcex S-параметров достигает своих предельныхых значений.

При переходе от измерения параметров передачи к измерению параметров отражения четырехпол,осников, имеющих большую электрическую длину, решается с помощью допол нител ьного CBЧ-перекл ючателя, вводимо о в опорный канал. Необходимость в этом вызвана тем, что электрическая длина опорного канала при измерении S» и Szz должна учитывать в подобных случаях не длину измерительного канала до сеченйя 1-1 (фиг.1), а только длйну до сечения 2 — 2 (при измерении S») или 3 — 3 (прл измерении $2 ). Конкретно изменение длины onîðêoãî канала необходимо, если четырехполюсник имеет длину, равную рас1781 Ñ38

15

25

35

55 стоянию от сечения 2-2 до сечения 3-3 (базовое расстояние) или близкую к нему.

Для обеспечения этого в опорный канал включается СВЧ-переключатель 25, как показано на фиг. 2. В первом положении переключателя реализуется исходная схема— фиг.1 с включенным в опорный какал волноводным компенсаторам 20, длина которого равна базовому расстоянию. Это соответствует режиму измерения Szi и $1г, а также $11 и $гг, если четырехполюсник имеет малую электрическую длину (например, транзистор или СВЧ-микросхема), и плоскостью отсчета при измерении $11 и $гг нужно считать сечение 1 — 1. Если же четырехполюсник имеет большую электрическую длину, СВЧпереключатель 25 при измерении $11 и $гг переводится во второе положение, и сигнал с выхода тройника 2 (фиг.2) поступает на вход двоичного фазовращателя 21 через ка нал 1 — 2 СВЧ переключателя, минуя волноводный компенсатор 20.

Преимущества измерителя S-параметров линейного четырехполюсника заключаются в следующем:

Существенное расширение пределов измерения модулей S-параметров за счет амплитудной модуляции СВЧ-сигнала в опорном и измерительном каналах при разных частотах модулирующих напряжений, что эквивалентно к линейному фазовому

С ВЧ-детектору.

Расширение диапазона рабочих частот измерителя в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн, Обеспечение автоматизации измерения всей совокупности S-параметров взаимных и невзаимных СВЧ-четырехполюсников..

Обеспечение высокой точности измерения S-параметров, что позволяет. создавать не только рабочие, но и образцовые прибоPbl.

Формула изобретения

1. Измеритель S-параметров линейного четырехполюсника, содержащий СВЧ-генератор; соединенный с входом тройника, первый выход которого соединен с входом первого синфазного делителя, второй синфазный делитель, выходы которого подсоединены к входам первичных каналов первого и второго направленных ответвитЕлей, выходы их вторичных каналов нагруженМ на первую и вторую измерительные головки, соединенные с измерительными входами блока управления и вычисления, первый управляющий выход которого подключей к управляющему входу СВЧ-генератора, третий и четвертый направленные ответвители, к выходам вторичных каналов которых подсоединены первая и вторая согласованные нагрузки, а между выходами первичных каналов включается измеряемый линейный четырехполюсник, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот и пределов измерения, введены первый и второй амплитудные модуляторы, модулирующие входы которых соединены с выходами введенных первого и второго генераторов модулирующего напряжения. различных частот, входы первого и второго амплитудных модуляторов соединены с выходами первого синфазного делителя, а выходы — с входами первичных каналов третьего и четвертого направленных ответвителей, второй выход тройника через введенные последовательно соединенные волноводный компенсатор фазы, двоичный фазоврэщатель и третий амплитудный модулятор подключен к входу второго синфазного делителя, модулирующий вход третьего амплитудного модулятора соединен с выходом третьего генератора модулирующего напряжения, частота которого отлична от частот первого и второго генераторов модулирующего напряжения, выходы первичных каналов первого и второго направленных ответвителей нагружены на введенные третью и четвертую согласованные нагрузки, а выходы вторичных каналов первого и второго направленных ответвителей соединены с входами вторичных каналов третьего и четвертого направленных ответвителей, причем управляющий вход двоичного фазовращателя подключен к второму управляющему выходу блока управления и вычисления, информационные входы которого соединены с информационными выходами первого, второго и третьего генераторов модулирующего нэпря>кения.

2. Измеритель по п,1, о т it и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения коэффициента отражения протяженного линейного четырехполюсника, введен СВЧ-переключатель, первый вход которого соединен с вторым выходом тройника, первый выход и второй вход — соответственно, с входом и выходом волноводного компенсатора фазы, а второй выход — с входом двоичного фазовращателя.

1781638

% . (с 0 В roparn Вб/МОД А

ГЛОк4 2i

Составитель M.Êðîìèí

Техред М.Моргентал

Редактор В.Трубченко

Корректор И. Шулла

Заказ 4272 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательскими комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101