Способ определения коэффициента передачи четырехполюсника и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для измерения коэффициента передачи произвольных четырехполюсников без их дополнительного согласования. Сущность изобретения: способ заключается в определении шести экстремумов фазы измерительного сигнала при установлении на входе и выходе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г₀ и изменении его фазы от 0 до 540, фиксируя при этом в каждом положении фазу измерительного сигнала, фазу коэффициента отражения и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов и определяя модули фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым, вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами фазы измерительного сигнала, а искомый коэффициент передачи четырехполюсника вычисляют по математической формуле, причем модуль коэффициента отражения Г₀ выбирают, а измерительный сигнал формируют таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г₀ , величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7 - 0,8 от величины падающего сигнала. Устройство содержит СВЧ-генератор, два вентиля, направленный ответвитель отраженной волны, два направленных ответвителя падающей волны, два переменных аттенюатора, два вольтметра, трансформатор импеданса, исследуемый четырехполюсник, нагрузку с переменной фазой, двухканальный преобразователь частоты, измеритель разности фаз, сумматор. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для измерения коэффициента передачи произвольного четырехполюсника без его дополнительного согласования.

Известен способ определения коэффициента передачи четырехполюсника (см. Осейко А. А. , Стоянина О. В. Анализ погрешностей измерения ослабления методом модулирования поднесущей (Труды метрологических институтов СССР, 1969, вып. 107 (167), с. 17-27), основанный на выделении опорного сигнала, пропорционального падающей волне, и двух измерительных сигналов, которые пропорциональны сигналам до исследуемого четырехполюсника и после него, причем измерительные сигналы модулируются поднесущей частотой, из которой при последующем вычитании немодулированного опорного сигнала получается информация об искомом коэффициенте передачи четырехполюсника. Устройство, реализующее данный способ, содержит СВЧ-генератор, подключенный через вентиль к первому направленному ответвителю падающей волны, выход основного канала которого через второй вентиль соединен с вторым направленным ответвителем падающей волны, выход его основного канала соединен с входом исследуемого четырехполюсника, выход которого в свою очередь соединен с входом третьего направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого нагружен на хорошо согласованную нагрузку, вспомогательный выход первого направленного ответвителя подключен к опорному входу преобразователя частоты, а вспомогательные каналы второго и третьего направленных ответвителей подключаются к первому и второму змерительным входам преобразователя частоты, на первый и второй выходы которого подключены первый и второй измерители мощности.

Недостатком данных способа и устройства являются требования к высокой идентичности второго и третьего направленных ответвителей падающей волны, узкий диапазон рабочих частот, необходимость использования нагрузок с хорошей степенью согласования, невысокая точность при измерении малых коэффициентов передачи.

Известен также способ определения коэффициента передачи четырехполюсника на основе двенадцатиполюсного измерителя с применением в процессе калибровки скользящего короткозамыкателя (см. Engen G. F. Calibrating the six-port reflectometer by means of sliding terminations/IEEE Trans. on microwave theory and techniques. - V. MTT-26, N 12, 1978, p. 951-957), основанный на выделении опорного и измерительного сигналов, пропорциональных соответственно падающей волне и волне, образованной суперпозицией падающей и отраженной от скользящего короткозамыкателя при прохождении через исследуемый четырехполюсник волн, нахождении отношения их амплитуд, построения зависимости этого отношения от положения скользящего короткозамыкателя, определения из нее центра и радиуса окружности, которую описывает на комплексной плоскости вектор отношения комплексных амплитуд сигналов, указанных выше, и вычислении на основе полученных данных искомого коэффициента передачи исследуемого четырехполюсника. Устройство, реализующее данный способ (см. Wiatr W. A method for embedding network characterization with application to low - loss measurements/IEEE Trans. on Instr. and Meas. V. IM-36, N 2, 1987, p. 487-490), содержит СВЧ-генератор, подключенный через вентиль к направляющему ответвителю падающей волны, выход вспомогательного канала которого соединен с первым измерителем мощности, а выход основного канала через второй вентиль подключен к входу направленному ответвителя отраженной волны, выход вспомгательного канала которого подключен ко второму измерителю мощности, а выход его основного канала через согласующее устройство соединяется со входом исследуемого четырехполюсника, выход которого нагружен скользящим короткозамыкателем.

Недостатками данных способа и устройства являются сложность расчетов коэффициентов передачи, а также низкая точность вследствие того, что не принималась во внимание неидеальность используемых скользящих короткозамыкателей.

Известен также способ определения коэффициента передачи, в котором производится учитывание затухания электромагнитной волны внутри скользящего короткозамыкателя (см. Almassy G. A first-order correction to sliding short behavior with application to the problem of measuring small bosses/IEEE Trans. on Instr. and Meas. V. IM, 20, N3, 1971, p. 162-169), который по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому решению и принят за прототип. Данный способ заключается в формировании измерительного сигнала, пропрорционального сумме падающей и отраженной волн на выходе четырехполюсника и опорного сигнала, пропорционального падающей волне на входе четырехполюсника, установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определении первого экстремума ϕ₁ фазы измерительного сигнала при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на входе исследуемого четырехполюсника в диапазоне от 0 до 360^о, фиксации фазы коэффициента отражения x₁ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₁, соответствующих этому экстремуму, установлении на выходе исследуемого четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определении второго экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₂ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0^о до 360^о, фиксации фазы коэффициента отражения х₂ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₂ , соответствующих этому экстремуму, и последующем определении по формуле коэффициента передачи исследуемого четырехполюсника. Устройство, реализующее данный способ и принятое за прототип, содержит СВЧ-генератор, вентиль, стабилизатор мощности, направленный ответвитель отраженной волны, направленный ответвитель падающей волны, два переменных аттенюатора, два вольтметра, два трансформатора импеданса, исследуемый четырехполюсник и скользящий короткозамыкатель.

Недостатком указанных способа и устройства является невысокая точность проводимых измерений.

Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента передачи четырехполюсников.

Цель достигается тем, что в способе определения коэффициента передачи четырехполюсника, заключающемся в формировании измерительного сигнала, пропорционального сумме падающей и отраженной волны на выходе четырехполюсника и опорного сигнала, пропорционального падающей волне на входе четырехполюсника, установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определении первого экстремума ϕ₁фазы измерительного сигнала при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на входе исследуемого четырехполюсника в диапазоне от 0 до 360^о, фиксации фазы коэффициента отражения х₁ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₁ , соответствующих этому экстремуму, установлении на выходе исследуемого четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определении второго экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₂ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксации фазы коэффициента отражения х₂ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₂, соответствующих этому экстремуму, дополнительно устанавливают на входе четырехполюсника коэффициент отражения с модулем Г_о, при этом определяют третий экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₃ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксируют фазу коэффициента отражения х₃ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₃, соответствующих этому экстремуму, определяют четвертый экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₄ при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^о, фиксируют фазу коэффициента отражения х₄ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₄, соответствующих этому экстремуму, определяют модули фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами соответственно Δ ϕ₁₃ = | ϕ₁ - ϕ₃| и Δ ϕ₁₄ = | ϕ₁ - ϕ₄| , устанавливают на выходе четырехполюсника коэффициент отражения с модулем Г_о, при этом определяют пятый экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₅ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^о, фиксируют фазу коэффициента отражения х₅ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₅, соответствующих этому экстремуму, определяют шестой экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₆ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^о, фиксируют фазу коэффициента отражения х₆ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₆ , соответствующих этому экстремуму, определяют модули фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами соответственно Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂ - ϕ₅| и Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂ - ϕ₆| , а искомый коэффициент передачи четырехполюсника определяют по формуле S₁₂= , где Θ₀= , Θ₁= и α = ctgΘ₀, причем модуль коэффициента отражения Г_о выбирают, а измерительный сигнал формируют таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7-0,8 от величины падающего сигнала.

Устройство, реализующее данный способ, содержит СВЧ-генератор, два вентиля, направленный ответвитель отраженной волны, два направленных ответвителя падающей волны, два переменных аттенюатора, два вольтметра, трансформатор импеданса, исследуемый четырехполюсник, нагрузку с переменной фазой, двухканальный преобразователь частоты, измеритель разности фаз и сумматор, причем выход СВЧ-генератора соединен через первый вентиль с входом первого направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого через второй вентиль подключается на вход направленного ответвителя отраженной волны, выход его основного канала через первый переменный аттенюатор соединен с входом второго направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого в свою очередь через второй переменный аттенюатор подключен к входу исследуемого четырехполюсника, выход которого нагружен последовательно соединенными трансформатором импеданса и нагрузкой с переменной фазой, вспомогательный выход первого направленного ответвителя падающей волны подключается к первому входу двухканального преобразователя частоты, вспомогательные выходы направленного ответвителя отраженной волны и второго направленного ответвителя падающей волны подключаются к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к второму входу двухканального преобразователя частоты, первый и второй выходы которого соединяются с первым и вторым вольтметрами, а также соответственно с опорным и измерительным каналами измерителя разности фаз.

Отсутствие в способе-прототипе признаков - установление на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом третьего экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₃ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₃ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₃ , соответствующих этому экстремуму, определение четвертого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₄ при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₄ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₄ , соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами соответственно Δ ϕ₁₃ = | ϕ₁ - ϕ₃| и Δ ϕ₁₄ = | ϕ₁ - ϕ₄| установление на выходе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₅ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₅ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₅ , соответствующих этому экстремуму, определение шестого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₆ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₆ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₆ , соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами соответственно Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂ - ϕ₅| и Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂ - ϕ₆| , определение искомого коэффициента передачи четырехполюсника по формуле , где , , и , выбор модуля коэффициента отражения Г_о и формирование измерительного сигнала таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7-0,8 от величины падающего сигнала - свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения (способа) критерию "новизна".

Отсутствие в устройстве-прототипе признаков - дополнительных направленного ответвителя падающей волны, вентиля, двухканального преобразователя частоты, измерителя разности фаз и сумматора, причем выход СВЧ-генератора соединен через первый вентиль с входом первого направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого через второй вентиль подключается на вход направленного ответвителя отраженной волны, выход его основного канала через первый переменный аттенюатор соединен с входом второго направленого ответвителя падающей волны, выход основного канала которого в свою очередь через второй переменный аттенюатор подключен к входу исследуемого четырехполюсника, выход которого нагружен последовательно соединенными трансформатором импеданса и нагрузкой с переменной фазой, вспомогательный выход первого направленного ответвителя падающей волны подключается к первому входу двухканального преобразователя частоты, вспомогательные выходы направленного ответвителя отраженной волны и второго направленного ответвителя падающей волны подключаются к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к второму входу двухканального преобразователя частоты, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым вольтметрами, а также соответственно с опорным и измерительным каналами измерителя разности фаз - свидетельствует о соответствии технического решения (устройства) критерию "новизна".

В техническом решении-прототипе (способе) для определения коэффициента передачи четырехполюсника используются формирование измерительного сигнала, пропорционального сумме падающей и отраженной волн на выходе четырехполюсника, и опорного сигнала, пропорционального палающей волне на входе четырехполюсника, установление на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение первого экстремума ϕ₁ фазы измерительного сигнала при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на входе исследуемого четырехполюсника в диапазоне от 0 до 360^о, фиксация фазы коэффициента отражения х₁ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₁ , соответствующих этому экстремуму, установление на выходе исследуемого четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение второго экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₂ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксация фазы коэффициента отражения х₂ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₂ , соответствующих этому экстремуму.

В заявляемом техническом решении (способе) используются дополнительное установление на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₃ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₃ и отношения амплитуд измерительного и и опорного сигналов ρ₃ , соответствующих этому экстремуму, определение четвертого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₄ при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₄ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₄, соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами соответственно Δ ϕ₁₃ = | ϕ₁ - ϕ₃| и Δ ϕ₁₄ = | ϕ₁ - ϕ₄| , установление на выходе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом пятого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₅ при изменении фазы упомянутогоо коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₅ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₅ , соответствующих этому экстремуму, определение шестого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₆ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₆ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₆ , соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами соответственно Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂ - ϕ₅| и Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂ - ϕ₆| , определение коэффициента передачи четырехполюсника по формуле , где Θ0⁼ , Θ1⁼ и , выбор модуля коэффициента отражения Г_о и формирование измерительного сигнала таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7-0,8 от величины падающего сигнала.

Использование дополнительного установления на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом третьего экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₃ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксирования фазы коэффициента отражения х₃ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₃, соответствующих этому экстремуму, определения четвертого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₄ при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^о, фиксирования фазы и коэффициента отражения х₄ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₄, соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами соответственно Δ ϕ₁₃ = | ϕ₁ - ϕ₃| и Δ ϕ₁₄ = | ϕ₁ - ϕ₄| , установления на выходе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определения при этом пятого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₅ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^о, фиксирования фазы коэффициента отражения х₅ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₅, соответствующих этому экстремуму, определения шестого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₆ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^о, фиксирования фазы коэффициента отражения х₆ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₆, соответствующих этому экстремуму, определения модулей фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами соответственно Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂ - ϕ₅| и Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂ - ϕ₆| , определения коэффициента передачи четырехполюсника по формуле
S₁₂= , где
, и
_{α =} , также выбор модуля коэффициента отражения Г_о и формирование измерительного сигнала таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7-0,8 от величины падающего сигнала - свидетельствуют о том, что указанные признаки являются существенными, а все техническое решение (способ) отвечает критерию "существенные отличия".

В техническом решении-прототипе (устройстве) используются СВЧ-генератор, вентиль, стабилизатор мощности, направленный ответвитель отраженной волны, направленный ответвитель падающей волны, два переменных аттенюатора, два вольтметра, два трансформатора импеданса, исследуемый четырехполюсник и нагрузка с переменной фазой, причем вход СВЧ-генератора через вентиль и стабилизатор мощности соединен с входом направленного ответвителя отраженной волны, который выходом вспомогательного канала нагружен через переменный аттенюатор на первый вольтметр, выход основного канала направленного ответвителя падающей волны соединен через трансформатор импеданса с входом направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого также через трансформатор импеданса соединяется с входом исследуемого четырехполюсника, выход которого в свою очередь нагружен на нагрузку с переменной фазой, а выход вспомогательного канала направленного ответвителя падающей волны также через переменный аттенюатор подключается к второму вольтметру, цифровой выход которого используется для стабилизации входной мощности с помощью стабилизатора мощности.

В заявляемом техническом решении (устройстве) используются СВЧ-генератор, два вентиля, направляющий ответвитель отраженной волны, два направленных ответвителя падающей волны, два переменных аттенюатора, два вольтметра, трансформатор импеданса, исследуемый четырехполюсник, нагрузка с переменной фазой, двухканальный преобразователь частоты, измеритель разности фаз и сумматор, причем выход СВЧ-генератора соединен через первый вентиль с входом первого направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого через второй вентиль подключается на вход направленного ответвителя отраженной волны, выход его основного канала через первый переменный аттенюатор соединен с входом второго направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого в свою очередь через второй переменный аттенюатор подключен к входу исследуемого четырехполюсника, выход которого нагружен последовательно соединенными трансформатором импеданса и нагрузкой с переменной фазой, вспомогательный выход первого направленного ответвителя падающей волны подключается к первому входу двухканального преобразователя частоты, вспомогательные выходы направленного ответвителя отраженной волны и второго направленного ответвителя падающей волны подключаются к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен ко второму входу двухканального преобразователя частоты, первый и второй выходы которого соединяются с первым и вторым вольтметрами, а также соответственно с опорным и измерительным каналами измерителя разности фаз.

Использование дополнительных направленного ответвителя падающей волны, вентиля, двухканального преобразователя частоты, измерителя разности фаз и сумматора, причем выход СВЧ-генератора соединен через первый вентиль с входом первого направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого через второй вентиль подключается на вход направленного ответвителя отраженной волны, выход его основного канала через первый переменный аттенюатор соединен с входом второго направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого в свою очередь через второй переменный аттенюатор подключен к входу исследуемого четырехполюсника, выход которого нагружен пословательно соединенными трансформатором импеданса и нагрузкой с переменной фазой, вспомогательный выход первого направленного ответвителя падающей волны подключается к первому входу двухканального преобразователя частоты, вспомогательные выходы направленного ответвителя отраженной волны и второго направленного ответвителя падающей волны подключаются к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к второму входу двухканального преобразователя частоты, первый и второй выходы которого соединяются с первым и вторым вольтметрами, а также соответственно с опорным и измерительным каналами измерителя разности фаз - свидетельствует о том, что указанные признаки являются существенными, а все техническое решение (устройство) отвечает критерию "существенность отличий".

Приводимый ниже анализ свидетельствует о возможности решения поставленной задачи. В способе-прототипе для определения коэффициента передачи четырехполюсника используется формирование измерительного сигнала, пропорционального сумме падающей и отраженной волн на выходе четырехполюсника, и опорного сигнала, пропорционального падающей волне на входе четырехполюсника, установление на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение первого экстремума фазы измерительного сигнала при изменении упомянутого коэффициента отражения на входе исследуемого четырехполюсника в диапазоне от 0 до 360^о, фиксация фазы коэффициента отражения х₁ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₁ , соответствующих этому экстремуму, установление на выходе исследуемого четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение второго экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₂ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксация фазы коэффициента отражения х₂ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₂, соответствующих этому экстремуму, и определение искомого коэффициента передачи четырехполюсника по математической формуле. В устройстве-прототипе для определения коэффициента передачи четырехполюсника используются СВЧ-генератор, вентиль, стабилизатор мощности, направленный ответвитель отраженной волны, направленный ответвитель падающей волны, два переменных аттенюатора, два вольтметра, два трансформатора импеданса, исследуемый четырехполюсник и нагрузка с переменной фазой, причем выход СВЧ-гененратора через вентиль и стабилизатор мощности соединен с входом направленного ответвителя отраженной волны, который выходом вспомогательного канала через переменный аттенюатор нагружен на первый вольтметр, выход основного канала направленного ответвителя отраженной волны соединен через трансформатор импеданса с входом направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого также через трансформатор импеданса соединен с входом исследуемого четырехполюсника, выход которого в свою очередь нагружен на нагрузку с переменной фазой, а выход вспомогательного канала направленного ответвителя падающей волны также через переменный аттенюатор подключается к второму вольтметру, цифровой выход которого используется для стабилизации входной мощности с помощью стабилизатора мощности. Ограниченная точность измерения коэффициента передачи четырехполюсника обусловлена нелинейностью характеристик используемых вольтметров, конечным значением коэффициента направленности направленных ответвителей падающей и отраженной волн, неполным согласованием исследуемого четырехполюсника с помощью трансформатора импеданса. Дополнительное установление на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом третьего экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₃ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₃ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₃, соответствующих этому экстремуму, определение четвертого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₄ при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₄ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₄, соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами соответственно Δ ϕ₁₃ = | ϕ₁ - ϕ₃| и Δ ϕ₁₄ = | ϕ₁ - ϕ₄| , установление на выходе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, определение при этом пятого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₅ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₅ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₅, соответствующих этому экстремуму. определение шестого экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₆ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^о, фиксирование фазы коэффициента отражения х₆ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₆, соответствующих этому экстремуму, определение модулей фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами соответственно Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂ - ϕ₅| и Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂ - ϕ₆| , а также выбор модуля коэффициента отражения Г_о и формирование измерительного сигнала таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7-0,8 от величины падающего сигнала, позволяют существенно повысить точность измерения коэффициента передачи четырехполюсника, используя для этого дополнительно направленный ответвитель падающей волны, вентиль, двухканальный преобразователь частоты, измеритель разности фаз и сумматор.

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемого способа определения коэффициента передачи четырехполюсника.

На чертеже приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа определения коэффициента передачи четырехполюсника.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит СВЧ-генератор 1, вентили 2 и 3, направленные ответвители падающей волны 4 и 5, вольтметры 6 и 7, направленный ответвитель 8 отраженной волны, двухканальный преобразователь 9 частоты, измеритель 10 разности фаз, переменные аттенюаторы 11 и 12, сумматор 13, исследуемый четырехполюсник 14, трансформатор 15 импеданса, нагрузку 16 с переменной фазой, причем выход СВЧ-генератора 1 соединен через вентиль 2 с входом направленного ответвителя 4 падающей волны, выход основного канала которого через вентиль 3 подключается на вход направленного ответвителя 8 отраженной волны, выход его основного канала через переменный аттенюатор 11 соединен с входом направленного ответвителя 5 падающей волны, выход основного канала которого в свою очередь через переменный аттенюатор 12 подключен к входу исследуемого четырехполюсника 14, выход которого нагружен последовательно соединенными трансформатором 15 импеданса и нагрузкой 16 с переменной фазой, вспомогательный выход направленного ответвителя 4 падающей волны подключается к первому входу двухканального преобразователя 9 частоты, вспомогательные выходы направленного ответвителя 8 отраженной волны и направленного ответвителя 5 падающей волны подключаются к первому и второму входам сумматора 13, выход которого подключен к второму входу двухканального преобразователя 9 частоты, первый и второй выходы которого соединяются с вольтметрами 6 и 7, а также соответственно с опорным и измерительным каналами измерителя 10 разности фаз.

Способ определения коэффициента передачи четырехполюсника заключается в следующем.

Сигнал на выходе вспомогательного канала направленного ответвителя 4 падающей волны имеет вид:
= (+K₂·K₃) = (1+K₂·K), (1) где - коэффициент связи ответвителя 4; - коэффициент направленности ответвителя 4; - комплексный коэффициент отражения нагрузки 16; , - комплексные амплитуды отраженной и падающей волн; К₂, К₃ - коэффициенты затухания в обратном направлении вентилей 2 и 3 соответственно.

При значении коэффициентов затухания К₂ и К₃ ≥20 дБ, при направленности | К_н4| не хуже 0,1 (20 дБ), что легко достигается в практической реализации, сигнал с выхода ответвителя 4 не зависит от коэффициента отражения нагрузки 16 и является опорным.

Выражение для сигнала на выходе вспомогательного плеча ответвителя 8 при отсутствии в измерительной системе исследуемого четырехполюсника имеет следующий вид: = (+)= (+), (2) где - коэффициент связи ответвителя 8; - коэффициент направленности ответвителя 8.

Коэффициент отражения нагрузки 16 изменяется по следующему закону:
= Г₀·eⁱβ^x·e^-α^x= Г₀·eⁱΨ·e Ψ, (3) где Г_о - модуль начального коэффициента отражения; Ψ - текущая фаза нагрузки 16; β- фазовая постоянная; α - коэффициент затухания; х - положение нагрузки 16.

В дальнейшем без снижения общности рассуждений положим фазы коэффициентов К_св8 и К_н8 равными нулю. Из формул (2) и (3) для фазы измерительного сигнала получаем соотношение:
ϕ ^{= arctg} (4)
Вектор измерительного сигнала описывает в пространстве экспоненциальную спираль с шагом α Ψ / β . Найдем такие значения фазы нагрузки 16, при которых фаза измерительного сигнала принимает максимальные и минимальные значения. Взяв первую производную от выражения (4) и приравняв ее к нулю, получаем трансцедентное уравнение относительно фазы нагрузки 16 вида:
e = - (5)
Так как для нагрузок с переменной фазой отношение _{≅ 10}-3 , приходим к уравнениям:
e = -Cos(Ψ_extr+Ψ₁), (6)
Ψ_extr= arccos- e -Ψ₁, (7) где
Ψ₁= arctg- . (8)
Проводя подстановку (7) в (4), получаем для экстремального значения фазы измерительного сигнала:
ϕ_extr= arctg (9)
Так как 10^-3, то Ψ₁= arctg- <10. Поэтому в выражении (9) разложим синус и косинус в точках Arccos e по степеням Ψ₁ и, вследствие малости Ψ₁, ограничимся двумя членами разложения:
ϕ_extr= arctg
(10)
Используя тригонометрическое преобразование вида Sin(arccosX) = , из (10) получаем следующую формулу: ϕ_extr= arctg · = = Arctg = (11) = Arctg
Применив к (11) преобразование arctg = arcsin x, получаем:
ϕ_extr= Arcsin = Arcsin (12)
Ввиду того/ что для реально используемых нагрузок произведение αx мало (порядка 10^-2- 10^-3)/ с высокой степенью точности имеют место следующие разложения:
e^-α^x ≃ 1-αx, (13)
Arsin(A(1-αx))≃ arcsinA - x (14)
Таким образом, используя данные разложения, выражение (12) можно привести к следующему виду:
·α^x (15)
Изменяя фазу нагрузки 16 от 0 до 540^о, в измерительной системе определяются три последовательно расположенные экстремума измерительного сигнала: ϕ₁, ϕ₃ и ϕ₄ соответственно, а также три величины отношения амплитуд измерительного сигнала к опорному в данных точках: ρ₁, ρ₃ и ρ₄. В этом случае для фазовых экстремумов имеем:
(16)
Учитывая (15), а также вычитая в (16) из первого уравнения последовательно второе и третье, получаем:
2 ·α·(x₁+x₃) (17)
Решая данную систему относительно Г_о и α , находим:
Г₀= KSinΘ₀, (18)
α = ·ctgΘ₀, (19) причем
Θ₀= (20)
Используя проведенные выше измерения отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ в точках экстремума фазы измерительного сигнала, согласно (1) и (2) имеем:
Г²₀·e^-2α^x= +K2KCos ϕ_extr (21)
Учитывая соотношение (12) для ϕ_extr и (18) для Г_о, а также применяя тригонометрическое соотношение Cosx= , из формулы (21) получаем:
+K2KKSin²Θ₀·e^-2α^x=
= K(1-Sin²Θ₀·e^-2α^x)-2K + =
= K - = 0 (22)
Из данного выражения получаем/ что:
K= . (23)
Подставляя (23) в формулу (18)/ а также проводя усреднение по трем экстремальным точкам окончательно получаем:
Г₀= SinΘ₀ , (24)
где i - индекс суммировани по данному экстремуму/ а значения α и Θ_о определяются по формулам (19) и (20) соответственно.

При введении в измерительную систему исследуемого четырехполюсника 14 между переменным аттенюатором 12 и трансформатором импеданса 15/ коэффициент отражения на его входе становится равным:
= + , (25) где - собственный коэффициент отражения исследуемого четырехполюсника со стороны входа; - его коэффициент отражения со стороны выхода; S₁₂ - искомый коэффициент прохождения.

Дробно-линейное преобразование, получаемое для измерительного сигнала из формулы (25), переводит спираль, которая образуется при изменении фазы нагрузки 16, в спираль с центром
W_ц= (K+S₁₁)+ (26) и радиусом
W_r= · . (27)
В этом случае экстремум фазы измерительного сигнала будет равен:
ϕ_extr= Arcsin=
= arcsin , (28) где ω_o - дополнительное смещение центра спирали вследствие ненулевого значения коэффициента отражения исследуемого четырехполюсника со стороны выхода S_22.
Изменяя фазу нагрузки 16 от 0 до 360^о, в измерительной системе определяются новые три последовательно расположенные экстремума фазы измерительного сигнала: ϕ₂, ϕ₅ и ϕ₆ соответственно, а также три новые величины отношения амплитуд измерительного сигнала к опорному в данных точках: ρ₂, ρ₅ и ρ₆. Вводя следующие обозначения:
Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂ - ϕ₅|
Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂ - ϕ₆| , (29) получаем также систему двух уравнений. Решая ее относительно S₁₂² ˙Г_о, находим, что:
S²₁₂·Г₀= (K+S₁₁+ω₀)·SinΘ₁, (30) причем
Θ₁= . (31)
Для определения величины ( К_н9 + S₁₁ + ω_o ) используются измерения отношения амплитуд при введенном в измерительную систему исследуемом четырехполюснике, для которых в этом случае:
(K+S₁₁+)= . (32)
Таким образом, подставляя (32) в (30), приходим к формуле
S²₁₂·Г₀= ·Sin. (33)
И, наконец, разделив (33) на (24), получаем искомый коэффициент передачи исследуемого четырехполюсника:
S₁₂= , (34) причем
, (35)
Θ₁= . (36)
Из соотношений (34), (35), (36) видно, что для повышения чувствительности предлагаемого метода необходимо увеличение отношения Г_о/К_н8. В этом случае также значительно повышается его точность. Однако при значительном увеличении этого отношения резко падает точность амплитудных измерений. Кроме того, при этом заметное влияние начинают оказывать ошибки второго порядка (учет только двух членов разложения в формулах (13) и (14), влияние нелинейности, связанной с параметром исследуемого четырехполюсника и др. ). Наиболее оптимальной является измерительная система с таким отношением Г_о/К_н8. , при которых значение экстремума фазы измерительного сигнала составляет величину порядка 45-50^о, что соответствует величине отраженного сигнала в измерительном равного 0,7-0,8 от величины падающей волны.

Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал заданной частоты с выхода генератора 1 поступает на вход направленного ответвителя падающей волны 4 через вентиль 2, который обеспечивает стабильную работу генератора 1. Сигнал с вспомогательного выхода ответвителя 4 проходит преобразование, сохраняющее информацию о начальной фазе исходного сигнала, на двухканальном преобразователе частоты 9. Этот сигнал является опорным в проводимых измерениях. Вентиль 3, включенный на выходе основного канала ответвителя 4, обеспечивает независимость фазы опорного сигнала от отраженной волны, возникающей в основном канале. Ответвитель 8 отбирает часть отраженной мощности, а ответвитель 5 - часть падающей. Переменные аттенюаторы 11 и 12 позволяют формировать необходимое соотношение падающей и отраженной волн в измерительном сигнале, который образуется из данных сигналов на сумматоре 13. Высокочастотный сигнал основного канала попадает на вход исследуемого четырехполюсника, где получает изменения, связанные с S-параметрами вышеуказанного четырехполюсника. После этого сигнал проходит через трансформатор импеданса, который позволяет формировать заданный коэффициент отражения следующей за ним нагрузки с переменной фазой. Измерительный сигнал с выхода сумматора 13 поступает на второй вход преобразователя частоты 9, где он проходит преобразование аналогичное преобразованию опорного сигнала. Преобразованные опорный и измерительный сигналы поступают на опорный и измерительный каналы измерителя разности фаз 10, а также на вольтметры 6 и 7 соответственно для определения отношения ρ .

Перед проведением измерительного цикла при помощи переменных аттенюаторов 11 и 12, а также вольтметров 6 и 7 на сумматоре 13 формируется измерительный сигнал. При установлении на максимальное ослабление аттенюатора 12 и максимальном рассогласовании трансформатора импеданса 15 при помощи аттенюатора 11 выставляется такое значение сигнала на выходе сумматора 13, при котором происходит устойчивая работа преобразователя частоты и измерителя разности фаз, что определяется их типами, и фиксируется отношение ρ_o амплитуд измерительного и опорного сигналов в этом случае, которые определяются вольтметрами 6 и 7. После этого увеличением ослабления аттенюатора 11 получают отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₁ = ρ_o/1,7. При нулевом положении нагрузки с переменной фазой изменением согласования трансформатора импеданса добиваются значения коэффициента отражения нагрузки Г_о = 1 (полное отражение), о чем свидетельствует максимальная величина отношения ρ . Затем изменением величины ослабления переменного аттенюатора 12 добиваются величины отношения измерительного и опорного сигналов равного ρ_o . После этого одновременно уменьшают согласование нагрузки трансформатором импеданса и уменьшают величину ослабления аттенюатора 12, поддеpживая таким образом величину отношения ρ постоянной. Данный процесс продолжают до тех пор, пока остается возможным поддержание отношения указанных сигналов равным ρ_o . Данные положения трансформатора импеданса и переменных аттенюаторов являются оптимальными, а система в этом случае обладает максимальной чувствительностью и точностью измерений. После указанных действий из системы удаляется исследуемый четырехполюсник, и перемещением нагрузки с переменной фазой 16 добиваются экстремальных (максимальных или минимальных) показаний измерителя 10 разности фаз, в этом положении фиксируются положение нагрузки с переменной фазой и отношение измерительного и опорного сигналов. Затем находят еще два последовательно расположенные экстремума показаний измерителя разности фаз: первый - при изменении показаний от 0 до 360^о, а второй - от 360 до 540^о, причем в экстремальных положениях также фиксируются указанные выше величины. После этого в измерительную систему вводят исследуемый четырехполюсник, и описанная выше процедура повторяется для данного случая, а затем по математическим формулам находят коэффициент передачи данного четырехполюсника.

В процессе экспериментальных исследований нами были измерены коэффициенты передачи фиксированных резистивных аттенюаторов Д2-26, Д2-27, Д2-28, Д2-29, Д2-31, поляризационных аттенюаторов Д3-29 и Д3-30, а также стандартных микрополосковых наборов в частотном диапазоне 0,3-4,0 ГГц. Проведенные измерения показали, что использование стандартных измерительных приборов (измеритель разности фаз Ф2-28, вольтметры В7-34, скользящая нагрузка из состава измерительной линии Р1-17 и т. д. ) позволяет измерять коэффициенты передачи произвольных четырехполюсников с точностью (1-3) ˙ 10^-3 % при чувствительности 5˙10^-4- 1˙10^-3 дБ.

Заявляемое техническое решение снимает требования к стабильности мощности СВЧ-генератора ввиду использования относительных измерений. Кроме того, определение коэффициента передачи четырехполюсников с различными коэффициентами отражения не требует дополнительного согласования измерительной системы.

Образцом лучшей техники для измерения коэффициента передачи четырехполюсников является устройство, основанное на учете затухания электромагнитной волны внутри скользящего короткозамыкателя, принятое нами за прототип. По сравнению с образцом лучшей техники заявляемое техническое решение согласно вышесказанному позволяет повысить точность определения коэффициента передачи четырехполюсника в 3-5 раз за счет того, что дополнительно устанавливают на входе чытырехполюсника коэффициент отражения с модулем Г_о, при этом определяют третий экстремум фазы измерительного сигнала при изменении упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^о, фиксируют фазу коэффициента отражения и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов, соответствующих этому экстремуму, определяют четвертый экстремум фазы измерительного сигнала при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^о, фиксируют фазу коэффициента отражения и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов, соответствующих этому экстремуму, определяют модули фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами, устанавливают на выходе четырехполюсника коэффициент отражения с модулем Г_о, при этом определяют пятый экстремум фазы измерительного сигнала при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^о, фиксируют фазу коэффициента отражения и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов, соответствующих этому экстремуму, определяют шестой экстремум фазы измерительного сигнала при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^о, фиксируют фазу коэффициента отражения и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов, соответствующих этому экстремуму, определяют модули фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами, а искомый коэффициент передачи определяют по соответствующей математической формуле, причем модуль коэффициента отражения в этом случае выбирают, а измерительный сигнал формируют таким образом, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Г_о, величина отраженного сигнала в измерительном состоянии составляла 0,7-0,8 от величины падающего сигнала.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента передачи четырехполюсника, заключающийся в формировании измерительного сигнала, пропорционального сумме падающей и отраженной волн на выходе четырехполюсника, и опорного сигнала, пропорционального падающей волне на входе четырехполюсника, установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Γ₀, определении первого экстремума ϕ₁ фазы измерительного сигнала при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на входе исследуемого четырехполюсника в диапазоне от 0 до 360^o, фиксации фазы коэффициента отражения X₁ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₁, соответствующих этому экстремуму, установлении на выходе исследуемого четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Γ₀, определении второго экстремума фазы измерительного сигнала ϕ₂ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^o, фиксации фазы коэффициента отражения X₂ и отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₂, соответствующих этому экстремуму, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно устанавливают на входе четырехполюсника коэффициент отражения с модулем Γ₀, при этом определяют третий экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₃при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения от 0 до 360^o, фиксируют фазу коэффициента отражения X₃ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₃, соответствующих этому экстремуму, определяют четвертый экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₄ при изменении упомянутого коэффициента отражения от 360 до 540^o, фиксируют фазу коэффициента отражения X₄ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₄, соответствующих этому экстремуму, определяют модули фазовой разности между первым и третьим, первым и четвертым экстремумами соответственно Δ ϕ₁₃ = | ϕ₁-ϕ₃| и Δ ϕ₁₄= | ϕ₁-ϕ₁₁| , устанавливают на выходе четырехполюсника коэффициент отражения с модулем Γ₀, при этом определяют пятый экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₅при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 0 до 360^o, фиксируют фазу коэффициента отражения X₅и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₅, соответствующих этому экстремуму, определяют шестой экстремум фазы измерительного сигнала ϕ₆ при изменении фазы упомянутого коэффициента отражения на выходе четырехполюсника от 360 до 540^o, фиксируют фазу коэффициента отражения X₆ и отношение амплитуд измерительного и опорного сигналов ρ₆, соответствующих этому экстремуму, определяют модули фазовой разности между вторым и пятым, вторым и шестым экстремумами соответственно Δ ϕ₂₅ = | ϕ₂-ϕ₅| и Δ ϕ₂₆ = | ϕ₂-ϕ₆| , а искомый коэффициент передачи четырехполюсника определяют по формуле
S₁₂ = , ,
где
Θ_o= ,
Θ₁= , ,
α = · ctgΘ_o, ,
причем модуль коэффициента отражения Γ₀ выбирают, а измерительный сигнал формируют так, чтобы при установлении на входе четырехполюсника коэффициента отражения с модулем Γ₀ величина отраженного сигнала в измерительном составляла 0,7 - 0,8 величины падающего сигнала.

2. Устройство для определения коэффициента передачи четырехполюсника, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор и первый вентиль, а также последовательно соединенные направленный ответвитель отраженной волны и первый переменный аттенюатор, первый направленный ответвитель падающей волны и второй переменный аттенюатор, два вольтметра, а также последовательно соединенные трансформатор импеданса, исследуемый четырехполюсник и нагрузку с переменной фазой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено вторым направленным ответвителем падающей волны, вторым вентилем, двухканальным преобразователем частоты, измерителем разности фаз и сумматором, причем выход первого вентиля соединен с входом первого направленного ответвителя падающей волны, выход основного канала которого через второй вентиль подключен на вход направленного ответвителя отраженной волны, выход первого переменного аттенюатора соединен с входом второго направленного ответвителя падающей волны, выход второго переменного аттенюатора подключен к входу исследуемого четырехполюсника, вспомогательный выход первого направленного ответвителя падающей волны подключен к первому входу двухканального преобразователя частоты, вспомогательные выходы направленного ответвителя отраженной волны и второго направленного ответвителя падающей волны подключены к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к второму входу двухканального преобразователя частоты, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым вольтметрами, а также соответственно с опорным и измерительным каналами измерителя разности фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1