Способ определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой, скользящих короткозамыкателей, переменных фазовращателей. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой. Способ отличается тем, что при изменении фазу коэффициента отражения исследуемой нагрузки от 0 до 360 регистрируют положение X₁ исследуемой нагрузки, соответствующее минимуму фазы измерительного сигнала, измеряют минимальное значение фазы φ₁ , изменяют фазы коэффициента отражения исследуемой нагрузки от 360 до 540, регистрируют положения X₂ и X₃ исследуемой нагрузки, соответствующие максимуму φ₂ и минимуму φ₃ фазы измерительного сигнала, измеряют значения φ₂ и φ₃ , а искомый коэффициент затухания α вычисляют по математической формуле, причем измерительный сигнал формируют так, чтобы отраженная от исследуемой нагрузки волна составляла 0,8 . . . 0,9 падающей. Устройство содержит генератор СВЧ, измеритель мощности, исследуемую нагрузку, три вентиля, три направленных ответвителя падающей волны, направленный ответвитель отраженной волны, два переменных аттенюатора, переменный фазовращатель, сумматор, двухканальный преобразователь частоты и измеритель разности фаз. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для измерения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой, скользящих короткозамыкателей, переменных фазовращателей.

Известен способ определения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой (см. Almassy G. A first-order correction to sliding short behavior with application to the problem of measuring small losses/IEEE Trans. on Instrum. ans Meas. V. IM-20, N 3, August, 1971, P. 162-169), основанный на выделении части сигналов падающей и отраженной волн, нахождении отношения их мощностей, построения зависимости этого отношения от положения исследуемой нагрузки с переменной фазой, определения радиуса и центра окружности, которую описывает вектор отношения мощностей, и последующего вычисления коэффициента затухания исследуемой нагрузки.

Недостатком данного способа является сложность расчета коэффициента затухания, а также его низкая точность.

Известен также способ определения коэффициента затухания методом сдвига минимума (см. В. И. Винокуров, С. И. Каплин и И. Г. Петелин. Электрорадиоизмерения. М. : Высшая школа, 1986, с. 308-309), который по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому техническому решению и принят за прототип. Данный способ заключается в выделении измерительного сигнала, пропорционального сумме части падающей и отраженной волн, изменении фазы коэффициента отражения исследуемой нагрузки, определении изменения фазы измерительного сигнала с последующим вычислением по формуле коэффициента затухания исследуемой нагрузки. Устройство, реализующее данный способ, содержит СВЧ-генератор, измерительную линию, измеритель мощности, исследуемую нагрузку с переменной фазой.

Недостатком данных способа и устройства является невысокая точность измерений.

Известно также устройство (см. Weidman A. P. , Engen G. F. Application of a non-ideal sliding short to two-port loss measurement/NBS Tech. Note 644, October, 1973), принятое нами за прототип, которое содержит СВЧ-генератор, подключенный к направленному ответвителю падающей волны, выход которого связан через вентиль с входом направленного ответвителя отраженной волны, выход которого через второе согласующее устройство связан с исследуемой нагрузкой с переменной фазой, причем вторичный выход направленного ответвителя падающей волны соединен с первым измерителем мощности, а выход вторичного канала направленного ответвителя отраженной волны через первое согласующее устройство подключен к второму измерителю мощности.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений.

Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой.

На чертеже приведена структурная схема устройства для реализации способа определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, вентили 2-4, направленные ответвители падающей волны 5-7, переменные аттенюаторы 8 и 9, переменный фазовращатель 10, двухканальный преобразователь частоты 11, измеритель разности фаз 12, направленный ответвитель отраженной волны 13, сумматор 14, измеритель мощности 15 и исследуемую нагрузку 16. Причем выход СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 соединен с входом направленного ответвителя падающей волны 5, выход которого через вентиль 3 соединен с входом направленного ответвителя падающей волны 6, подключенного через вентиль 4 на вход направленного ответвителя отраженной волны 13, соединенного в свою очередь с исследуемой нагрузкой 16, выход вторичного канала направленного ответвителя падающей волны 6 через последовательно соединенные переменный аттенюатор 8 и фазовращатель 10 подключается к первому входу сумматора 14, на второй вход которого через переменный аттенюатор 9 подключается выход вторичного канала направленного ответвителя отраженной волны 13. Выход сумматора связан с входом направленного ответвителя падающей волны 7, выход вторичного канала которого соединен с измерителем мощности 15, а выход основного канала подключается к второму входу двухканального преобразователя частоты 11, первый вход которого соединен с выходом вторичного канала направленного ответвителя падающей волны 5, первый и второй выходы преобразователя частоты 11 подключаются соответственно к опорному и измерительному каналам измерителя разности фаз 12.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Выражение для сигнала на выходе ответвителя 5 имеет следующий вид: = (+K₃×K₄)= (1+K₃×K₄), (1) где- коэффициент связи ответвителя 5, - коэффициент направленности ответвителя 5; - коэффициент отражения нагрузки 16; , - комплексные амплитуды отраженной и падающей волны; К₃, К₄ - затухания вентилей 3 и 4 соответственно в обратном направлении.

При затухании К₃ ≈ К₄ = 0,2-0,1 (от 16 до 20 дБ), при условии | К_н5| ≅ 0,1 (направленность ответвителя 5 более 20 дБ), сигнал с выхода ответвителя 5 не зависит от коэффициента отражения и является опорным для измерителя разности фаз 12 при измерении фазы сигнала с выхода вторичного канала ответвителя 13.

Выражение для сигнала на вторичном выходе ответвителя 13 имеет следующий вид: = (+)= (+), (2) где К_св13 - коэффициент связи ответвителя 13; К_н13 - коэффициент направленности ответвителя 13.

Сигнал является измерительным и равен сумме падающей и отраженной волн. Коэффициент отражения нагрузки с переменной фазой 16 выражается следующим образом: = Гeⁱ⁽ϕо⁺β^x)×e^-α^x , (3) где | Г₀ | - модуль начального коэффициента отражения; Ψ_o - начальная фаза; β - фазовая постоянная;
х - параметр;
α - искомый коэффициент затухания.

С помощью ответвителя 6, аттенюаторов 8 и 9, фазовращателя 10, сумматора 14 имеется возможность изменять в широких пределах модуль коэффициента направленности ответвителя 13 в зависимости от типа исследуемой нагрузки (короткозамкнутая, рассогласованная или согласованная). При этом необходимо удовлетворение неравенства >. При изменении фазы коэффициента отражения нагрузки 16 от 0 до 360^о вектор описывает окружность вокруг вектора (при условии равенства нулю коэффициента затухания). При наличии затухания в исследуемой нагрузке 16 данная окружность превращается в спираль, радиус которой в полярных координатах пропорционален искомому коэффициенту затухания. Суммарная фаза сигнала при этом изменяется от минимума до максимума, значения которых равны соответственно
ϕ₁ = -arcsin ϕ₁= -arcsinГK ; (4)
ϕ₂ = arcsin ϕ₂= -arcsinГK , (5) где K= (K₁₀×e⁽ⁱϕ10⁾×K₈/K)
К_св6 - коэффициент связи ответвителя 6;
К₁₀ - затухание переменного фазовращателя 10;
ϕ₁₀ - начальная фаза фазовращателя 10;
К₈, К₉ - ослабление переменных аттенюаторов 8 и 9.

Изменяя фазу , с помощью измерителя разности фаз 12 определяется минимальное и максимальное значения фазы сигнала c фиксацией параметра х₁ и х₂. С учетом уравнения (3) преобразуем уравнения (4) и (5) к виду

Затем определяется второй минимум фазы сигнала и фиксируется значение параметра х₃. В результате имеем соотношение
ϕ₃= arcsinГe^(-α^x3⁾/K (8)
Учитывая, что α х₃ << 1, преобразуем соотношение (8) к виду: ϕ₃= arcsinГK-{ (ГK)()} ×αx₃ (9)
При выводе соотношения (9) учитывались равенства, справедливые для малых аргументов: (10) (11)
Принимая во внимание рассуждения относительно выражения (9) и учитывая формулы (6) и (7), получим следующую систему: (12)
Решая уравнение (12), получаем следующую формулу: α= (ϕ₂-ϕ₃)/(x₃-x₂)·ctg[{ ϕ₂-ϕ₁+(ϕ₂-ϕ₃)·(x₂+x₁/x₃-x₂)} /2] (13)
Из соотношения (13) следует, что для повышения чувствительности и точности метода необходимо, чтобы отраженная от исследуемой нагрузки волна составляла в измерительном сигнале величину ≈ 1 относительно падающей волны. При этом ϕ₁ - ϕ₂ ≈180^о, и уровень измерительного сигнала в положении ϕ_max и ϕ_min резко падает, что затрудняет функционирования измерителя разности фаз 12. Поэтому измерительный сигнал формируют так, чтобы отраженная волна составляла в нем величину 0,8. . . 0,9 относительно величины падающей волны.

Устройство, реализующее описанный способ, работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал заданной частоты f поступает с выхода генератора 1 на вход ответвителя 5, ориентированного на отбор падающей мощности, через вентиль 2, который поглощает отраженную волну, обеспечивая стабильность работы генератора 1. Сигнал с выхода вторичного канала ответвителя 5 является после преобразования его преобразователем частоты 11 в сигнал промежуточной частоты, сохраняющим фазовую информацию о первоначальном сигнале, опорным для измерителя разности фаз 12. Вентиль 3, включенный на выходе ответвителя 5, обеспечивает независимость фазы опорного сигнала от волны, отраженной последующими устройствами, которая возникает в результате их неполного согласования. Ответвитель 6 ориентирован на отбор части падающей мощности, а ответвитель 13 - на отбор части отраженной мощности.

Вентиль 4 обеспечивает независимость фазы снимаемого с ответвителя 6 сигнала от коэффициента отражения исследуемой нагрузки. Переменный фазовращатель 10 позволяет изменять разность фаз между сигналами падающей и отраженной волн, снимаемых с ответвителей 6 и 13 соответственно. Переменные аттенюаторы 8 и 9 позволяют формировать необходимое соотношение этих сигналов в измерительном сигнале, который образуется в результате их сложения на сумматоре 14. Ответвитель 7 отводит часть поступающей на него с сумматора энергии на измеритель мощности 15, позволяющий фиксировать величину падающей и отраженной волн. С выхода ответвителя 7 энергия поступает на преобразователь частоты 11, откуда следует на измерительный вход измерителя разности фаз 12.

Перед проведением измерений формируется измерительный сигнал на сумматоре 14. При установлении на максимальное ослабление аттенюатора 9 аттенюатором 8 выставляется величина сигнала, приемлемая для работы преобразователя частоты, определяемая его типом, и фиксируются показания измерителя мощности 15. После этого аттенюатор 8 вводится на максимальное ослабление, а аттенюатором 9 получают показания измерителя мощности 15, равное 0,9 первого измерения. После этого аттенюатор 8 возвращается в положение, полученное в первом измерении.

Перемещением исследуемой нагрузки 16 добиваются минимальных показаний измерителя разности фаз 12, фиксируя при этом данные показания, а также положение нагрузки по собственному отсчетному устройству. Затем, изменяя положения нагрузки, находят последовательно расположенные следующие максимум и минимум показания измерителя разности фаз 12, фиксируя эти данные, а также положения нагрузки, соответствующие этим максимумам и минимумам, и по математической формуле находят искомый коэффициент затухания.

Следует отметить, что при произвольной фазовой разности между сигналами падающей и отраженной волн достижение оптимального соотношения амплитуд 0,8. . . 0,9 достигается настройкой при помощи переменного фазовращателя, при помощи которого при начальной настройке добиваются максимального значения измерительного сигнала по показаниям измерителя мощности 15.

Как показали экспериментальные исследования, точность измерения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой составляет 1-3% при чувствительности 8 ˙10^-5 дБ/мм.

Кроме того, изобретение снимает требования к стабильности выходной мощности задающего СВЧ-генератора вследствие использования фазового метода измерений.

Таким образом, предложенный способ и устройство позволяют повысить по сравнению с прототипом точность измерения коэффициента затухания нагрузок с переменной фазой в 5-7 раз. (56) В. И. Винокуров, С. И. Каплин и И. Г. Петелин. Электрорадиоизмерения. М. : Высшая школа, 1986, с. 308-309.

NBS Tech. Note 644, October, 1973.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой, основанный на изменении фазы коэффициента отражения исследуемой нагрузки от 0 до 360^o, выделении измерительного сигнала, пропорционального сумме падающей и отраженной волн, и вычислении, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, регистрируют положение X₁ исследуемой нагрузки, соответствующее минимуму фазы измерительного сигнала, измеряют минимальное значение фазы ϕ₁, изменяют фазу коэффициента отражения исследуемой нагрузки от 360 до 540^o, регистрируют положение X₂ и X₃ исследуемой нагрузки, соответствующие максимуму ϕ₂ и минимуму ϕ₃ фазы измерительного сигнала, измеряют значения ϕ₂ и ϕ₃, а искомый коэффициент затухания α вычисляют по формуле
α= ctg
причем измерительный сигнал формируют таким образом, чтобы отраженная от исследуемой нагрузки волна составляла 0,8 - 0,9 падающей.

2. Устройство для определения коэффициента затухания нагрузки с переменной фазой, содержащее генератор СВЧ, последовательно соединенные первый направленный ответвитель (НО) падающей волны, первый вентиль и НО отраженной волны и измеритель мощности, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, выход генератора СВЧ соединен с входом первого НО падающей волны через введенные второй вентиль, второй НО падающей волны и третий вентиль, к выходу вторичного канала первого НО падающей волны подключены введенные последовательно соединенные первый переменный аттенюатор, переменный фазовращатель, сумматор, третий НО падающей волны, двухканальный преобразователь частоты и измеритель разности фаз, при этом выход вторичного канала второго НО падающей волны соединен с вторым входом двухканального преобразователя частоты, выход вторичного канала третьего НО падающей волны соединен с измерителем мощности, а выход вторичного канала НО отраженной волны соединен с вторым входом сумматора через введенный второй переменный аттенюатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1