Способ измерения параметров свч четырехполюсников и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано при создании приборов и систем для определения параметров СВЧ-устройств с стандартных каналах и для антенных измерений. Технической задачей изобретения является увеличение динамического диапазона измерений и расширение его функциональных возможностей. Сущность способа заключается в создании различных режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра, включающий режим двух односторонних возбуждений измеряемого объекта амплитудно-модулированным сигналом и измерения рефлектометрами отношений (комплексных амплитуд отраженных b и падающих a волн на входах измеряемого устройства. При измерении проводят возбуждение измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра немодулированным сигналом и наоборот, определяют 22, связанное с определяемыми S-параметрами приведенными соотношениями. При возбуждении измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра немодулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом определяют 21, связанное с определяемыми S-параметрами также приведенными в формуле соотношениями. Устройство содержит генератор СВЧ с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, один из которых подключен к первому выходу делителя мощности, а другой ко второму выходу делителя мощности, два двенадцатиполюсных рефлектометра, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего амплитудного модулятора, а выход является входом для подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника, два СВЧ-вентиля, каждый из которых включен между выходом модулятора напряжения и входом соответствующего рефлектометра. В варианте выполнения устройства еще два СВЧ-вентиля включены между одним из выходов делителя мощности и входом соответствующего амплитудного модулятора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано при создании приборов и систем для определения параметров СВЧ-устройств в стандартных каналах и для антенных измерений.

Известен способ измерения волновых параметров рассеяния четырехполюсных устройств анализатором цепей с двумя рефлектометрами (Ноеr С.A., A. Network Analyser Incorporating two six-port Reflectometer-IEEE Trauson Microwave theory and techniques, 1977, vol. Мtt-25, №12, p. 1070-1074).

Измеряемое устройство по этому способу возбуждается с обоих входов одновременно СВЧ сигналами с разными фазовыми сдвигами. В каждом из трех режимов возбуждения (k=1, 2, 3) рефлектометры фиксируют отношения (комплексных амплитуд отраженных и падающих волн на входах (i=l, 2) измеряемого устройства ki=bkiki. Система уравнений k2S11+ k1S22- =k1k2; k=1, 2, 3, позволяет определить S-параметры взаимных четырехполюсных устройств, у которых S12=S21.

Известен способ измерения S-параметров элементов СВЧ-тракта по которому вычисленные в трех режимах измерения (с подключением разных нагрузок) значения коэффициентов отражения на входе и выходе СВЧ-четырехполюсника позволяют определить его S-параметры (авторское свидетельство SU №1677669, кл. G 01 R 27/28, 15.09.91), принятый в качестве прототипа.

Недостатком таких способов является ограниченный динамический диапазон измерений коэффициента передачи S21 в силу того, что через k1 определяется не S21, а произведение S12S21, кроме того, для определения коэффициентов передачи S21 и S12S21 невзаимных СВЧ-четырехполюсников требуются специальные меры, усложняющие процесс измерений и снижающие точность измерений.

Технической задачей предлагаемого способа измерения параметров СВЧ-четырехполюсников является увеличение динамического диапазона измерений и расширение его функциональных возможностей.

Сущность предлагаемого способа измерения параметров СВЧ-четырехполюсников заключается в создании различных режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра, включающих режим двух односторонних возбуждений измеряемого объекта амплитудно-модулированным сигналом и измерения рефлектометрами отношений комплексных амплитуд отраженных b и падающих а волн на входах измеряемого устройства 11, 12, связанных с определяемыми S-параметрами соотношениями:

затем возбуждения измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра немодулированным сигналом и наоборот, определения 22, связанного с определяемыми S-параметрами соотношением:

а при возбуждении измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра немодулированным сигналом и со стороны второго рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом определения 21, связанное с определяемыми S-параметрами соотношением:

и решением полученной системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными S11 S22 S12 S21.

Известен измеритель S-параметров элементов СВЧ-тракта, который содержит генератор СВЧ, четырехзондовые датчики, исследуемый четырехполюсник СВЧ, направленный ответвитель падающей волны, исследуемый двухполюсник СВЧ, трехканальный СВЧ-коммутатор, нагрузки с различными коэффициентами отражения, блок обработки информации и управления СВЧ-коммутатором (авторское свидетельство SU №1677669, кл. G 01 R 27/28, 15.09.91). Процесс измерения параметров элементов СВЧ-тракта состоит в определении коэффициентов отражения на входе устройства при подключении трех нагрузок. Полученные коэффициенты отражения на входе и выходе СВЧ-четырехполюсника позволяют определить его S-параметры.

Известно устройство для измерения параметров СВЧ-четырехполюсников, содержащее СВЧ-генератор с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два двухпозиционных СВЧ-переключателя, управляемые блоком управления и обработки информации, два вентиля и два двенадцатиполюсных рефлектометра, между выходами которых включаются исследуемые СВЧ-четырехполюсники (Woods D. Explicite, Solution of calibration Equation for a Dual G-point Network Analyser. - Elektron Lett, 1979, vol. 15, 22, p. 718-720).

В качестве ближайшего аналога предлагаемого устройства для измерения параметров СВЧ-четырехполюсников принято устройство для измерения волновых параметров рассеяния СВЧ-устройств анализатором цепей с двумя рефлектометрами (IEEE Transactions on Microwave theory and techniques, vol. 38, 3, march 1990), содержащее СВЧ-генератор с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два pin-модулятора напряжения, работающих на разных частотах, 3-dB квадратурный направленный ответвитель и два двенадцатиполюсных рефлектометра, между выходами которых включаются исследуемые СВЧ-четырехполюсники.

Недостатком вышеуказанных устройств является ограниченный динамический диапазон измерений, расширение которого возможно только за счет усложнения устройств, снижения их надежности и значительного повышения стоимости.

Технической задачей предлагаемого устройства, осуществляющее заявляемый способ измерения параметров СВЧ-четырехполюсников, является увеличение динамического диапазона измерения и расширение его функциональных возможностей.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройство, содержащее генератор СВЧ с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, один из которых подключен к первому выходу делителя мощности, а другой - ко второму выходу делителя мощности, два двенадцатиполюсных рефлектометра, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего амплитудного модулятора, а выход является входом для подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника, амплитудные модуляторы имеют одну частоту модуляции и дополнительно введены два СВЧ-вентиля, каждый из которых включен между выходом модулятора напряжения и входом соответствующего рефлектометра.

В варианте выполнения устройства в него введены два СВЧ-вентиля, каждый из которых включен между одним из выходов делителя мощности и входом соответствующего амплитудного модулятора. Это обеспечивает межканальную развязку в гомодинном режиме детектирования для исключения проникновения амплитудно-модулированного сигнала минуя объект измерения.

На фиг.1 и фиг.2 изображены структурные электрические схемы измерителя параметров СВЧ-четырехполюсников.

Измеритель параметров СВЧ-четырехполюсников, реализующий предложенный способ, содержит генератор СВЧ 1 с подсоединенным к его выходу делителем мощности 2, два амплитудных модулятора 3 и 4, один из которых 3 подключен к первому выходу делителя мощности 2, а другой 4 ко второму выходу делителя мощности 2, два двенадцатиполюсных рефлектометра 5 и 6, вход рефлектометра 5 соединен с выходом амплитудного модулятора 3 через вентиль 7, а вход рефлектометра 6 соединен с выходом амплитудного модулятора 4 через вентиль 8. Выходы рефлектометров 5 и 6 являются входами для подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника 9. Амплитудные модуляторы 5 и 6 имеют одну одинаковую частоту модуляции, они позволяют подавать на рефлектометры через вентили амплитудно-модулированный, немодулированный синусоидальный сигнал и переводить рефлектометры в режим пассивной нагрузки для измеряемого устройства. В последнем случае вход вентиля модулятор подключает к согласованной нагрузке. Вентили СВЧ 10 и 11 включены на каждом из выходов делителя мощности 2 перед входом соответствующего модулятора 3 и 4.

Схемная реализация устройства. В качестве СВЧ-генератора может быть использован генератор типа Г4-79 или встроенный синтезатор частоты. Делитель мощности выполнен в виде кольцевого делителя с развязкой порядка 20 дБ. СВЧ-вентили построены на основе У-циркуляторов. Рефлектометры могут быть выполнены аналогично прототипу (см. приложение) или по схеме свидетельства на полезную модель №23336. Модуляторы построены на транзисторных электронных ключах типа SW-439 и согласованных нагрузках (резисторы).

Способ на измерителе параметров СВЧ-четырехполюсников реализуется следующим образом.

При возбуждении исследуемого СВЧ-четырехполюсника 9 через рефлектометры 5 и 6 амплитудно-модулированным и немодулированным синусоидальными СВЧ-сигналами на выходах датчиков рефлектометров появляются напряжения, связанные с отношениями i=bii комплексных амплитуд падающих и отраженных волн на соответствующих входах измеряемого устройства (i=1, 2). Измеренные при разных режимах возбуждения коэффициенты k1, k2 позволяют определить комплексные элементы волновой матрицы рассеяния S11, S22, S12, S21 устройства.

Процесс измерения параметров элементов СВЧ-тракта состоит из следующих режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра 5 и 6.

Проводят режим двух поочередных односторонних возбуждений измеряемого объекта 9 амплитудно-модулированным сигналом с первого (i=1), а потом со второго (i=2) входа и измерения рефлектометром 5, а потом рефлектометром 6 отношений i комплексных амплитуд отраженных bi и падающих аi волн на соответствующих входах измеряемого устройства, связанных с определяемыми S -параметрами соотношениями:

где Гp1, Гp2 - комплексные коэффициенты отражения от рефлектометров 5 и 6 в плоскости подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника.

При каждом одностороннем возбуждении один рефлектометр активен и работает в режиме амплитудного детектирования, другой выполняет функцию пассивной нагрузки. Затем возбуждают измеряемый объект 9 со стороны первого рефлектометра 5 амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра 6 немодулированным сигналом и в режиме гомодинного детектирования определяют 22, связанное с S-параметрами соотношением:

22=S21a10/(1-S11Гp2)a10.

При возбуждении измеряемого объекта 9 со стороны первого рефлектометра 5 немодулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра 6 амплитудно-модулированным сигналом с модулятора 4 в режиме гомодинного детектирования определяют 21, связанное с S-параметрами соотношением:

21=S12a20/(1-S22Гp2)a10.

Здесь а10/a20 - отношение комплексных амплитуд первичных падающих волн на измеряемое устройство.

Таким образом, S-параметры измеряемого устройства можно определить из системы уравнений (1), (2), (3), (4).

Существенно, что рефлектометры, возбужденные немодулированным синусоидальным сигналом, работают в режиме гомодинного детектирования, обладая повышенной чувствительностью к модулированному сигналу, прошедшему через объект измерения, и, следовательно, позволяют определить весьма малые значения коэффициентов передачи в диапазоне -40- -60 дБ.

Постоянство отношений комплексных амплитуд первичных падающих волн а2010 и комплексных коэффициентов отражения Гp1, Гр2 от рефлектометров обеспечивается при калибровке и измерениях развязывающими устройствами (СВЧ-вентилями 7, 8, 10, 11).

При измерении S-параметров устройств с коэффициентом передачи менее -40 дБ режим двухстороннего возбуждения амплитудно-модулированным сигналом позволяет определить 31 32, связанные с определяемыми S-параметрами соотношениями:

Эти соотношения вместе с уравнениями (1) (2) позволяют определить S-параметры устройств с КП от +10 до -40 дБ. Кроме того, каждый из рефлектометров с гомодинным детектированием информационных сигналов по существу является измерителем разности фаз и отношений уровней, что существенно расширяет функциональные возможности прибора. Так, например, для измерения амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в ближней зоне антенны или диаграммы направленности следует возбудить ее через рефлектометр амплитудно-модулированным сигналом, а приемную антенну подключить к другому рефлектометру с гомодинным детектированием сигналов. В устройстве отсутствуют дорогостоящие направленные ответвители, балансные смесители и ступенчатые фазовращатели, используемые в гомодинных анализаторах СВЧ-цепей. Таким образом, достоинство предлагаемого анализатора цепей с амплитудным и гомодинным детектированием информационных сигналов состоит в простоте СВЧ-тракта и прибора в целом, обладающего расширенным динамическим диапазоном и широкими функциональными возможностями.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров СВЧ четырехполюсников путем создания различных режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра, включающий режим двух односторонних возбуждений измеряемого объекта амплитудно-модулированным сигналом и измерения рефлектометрами отношений 11, 12 комплексных амплитуд отраженных и падающих волн на входах измеряемого устройства, связанных с определяемыми S-параметрами соотношениями

и

отличающийся тем, что проводят возбуждение измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра немодулированным сигналом и наоборот, определяют 22, связанное с определяемыми S-параметрами соотношением

а при возбуждении измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра немодулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом определяют 21, связанное с определяемыми S-параметрами соотношением

где S11, S22, S12, S21 - комплексные элементы волновой матрицы рассеяния исследуемого СВЧ четырехполюсника;

Гр1, Гр2 - комплексные коэффициенты отражения от рефлектометров в плоскости подключения исследуемого СВЧ четырехполюсника;

10, 20 - комплексные амплитуды первичных падающих волн на исследуемый СВЧ четырехполюсник.

2. Устройство по способу п.1, содержащее генератор СВЧ с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, один из которых подключен к первому выходу делителя мощности, а другой ко второму выходу делителя мощности, два двенадцатиполюсных рефлектометра, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего амплитудного модулятора, а выход является входом для подключения исследуемого СВЧ четырехполюсника, отличающийся тем, что амплитудные модуляторы имеют одну частоту и дополнительно введены два СВЧ вентиля, каждый из которых включен между выходом модулятора напряжения и входом соответствующего рефлектометра.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в него введены два СВЧ вентиля, каждый из которых включен между одним из выходов делителя мощности и входом соответствующего амплитудного модулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения оконечных нагрузок в стандартных коаксиальных и волноводных каналах

Изобретение относится к измерению электрических величин и может быть использовано в производстве существующих и новых поглощающих материалов типа углепластиков, применяется в СВЧ диапазоне, а также для контроля электрических параметров диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованo для измерения полной входной проводимости антенн

Изобретение относится к тестовому блоку базовой станции для тестирования базовой станции в мобильной системе связи, в частности к способу для измерения коэффициента стоячей волны для передающей антенны и приемной антенны, который может тестировать радиоблок базовой станции

Изобретение относится к области акустических и радиоизмерений и применяется для определения модуля и фазы коэффициента зеркального отражения листовых материалов и плоских поверхностей веществ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерений параметров материалов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в измерителях комплексных параметров импульсных СВЧ-цепей и сигналов

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в измерителях комплексных параметров СВЧ-цепей и сигналов

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям радиофизических характеристик радиопоглощающих покрытий (РПП)

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании панорамных измерителей параметров СВЧ устройств

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для измерения радиофизических характеристик (РФХ) радиопоглощающих покрытий (РПП)

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для измерения коэффициента отражения по мощности К РПМ ( ц) в сверхширокой полосе частот при различных углах падения ц электромагнитной (ЭМ) волны на радиопоглощающий материал (РПМ)

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающего покрытия (РПП) в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающих материалов в дециметровом и метровом диапазонах длин радиоволн

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), предназначено для измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузок в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн и может быть использовано для контроля в процессе производства коэффициента отражения отражающих материалов, например используемых для изготовления рефлекторов антенн

Заявлено устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ. Техническим результатом заявленного устройства выступает упрощение и повышение точности устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ и соответственно упрощение способа измерения. Технический результат достигается благодаря тому, что в устройство дополнительно введены четвертый электрический ключ - на входе измеряемого четырехполюсника, отрезок линии передачи - в интегральную схему, резистор - в ее цепь обратной связи, в качестве измерителя частотных характеристик используют измеритель модуля коэффициента отражения, при этом все четыре электрических ключа выполнены в виде полевых транзисторов с барьером Шотки, все три отрезка линии передачи выполнены длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, сток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе на расстоянии от входа измеряемого четырехполюсника, равном одной восьмой длины волны в линии передачи, исток соединен с одним концом дополнительного отрезка линии передачи, другой конец которого заземлен, сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе на расстоянии от выхода измеряемого четырехполюсника, равном одной восьмой длины волны в линии передачи, исток соединен с одним концом одного отрезка линии передачи, другой конец которого заземлен, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе на расстоянии от выхода измеряемого четырехполюсника, равном одной четвертой длины волны в линии передачи, исток соединен с одним концом другого отрезка линии передачи, другой конец которого заземлен, сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи соединен с линией передачи на выходе измеряемого четырехполюсника, исток соединен с одним концом резистора цепи обратной связи, другой конец которого соединен с одним концом ее емкости, другой конец которой соединен с линией передачи на входе измеряемого четырехполюсника, а на затвор каждого из четырех полевых транзисторов с барьером Шотки подают постоянное управляющее напряжение от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах. Согласно способу предварительно осуществляют калибровку с помощью плоского эталонного отражателя, затем перпендикулярно оси зеркала по середине расстояния Lфок между фазовым центром облучателя и фокусом зеркала устанавливают эталонный отражатель с известным коэффициентом отражения ГЭТ, измеряют коэффициент отражения S 11 Э Т ( f ) в той же полосе частот и определяют третий коэффициент A 3 Э Т обобщенного полинома P Э Т ( f ) = ∑ A n Э Т exp ( − j n 2 π f L ф о к / c ) , аппроксимирующего разность измеренных коэффициентов отражения, отнесенных к апертуре облучателя: P Э Т ( f ) ≈ ( S 11 Э Т ( f ) − S 11 И А ( f ) ) exp ( j 2 φ И О ( f ) ) , после чего вместо эталонного отражателя устанавливают испытуемый отражатель, измеряют коэффициент отражения на входе измерительной антенны S 11 И О ( f ) в той же полосе частот и определяют третий коэффициент полинома P И О ( f ) = ∑ A n И О exp ( − j n 2 π f L ф о к / c ) , аппроксимирующего разность коэффициентов отражения S 11 И О ( f ) − S 11 И А ( f ) , отнесенных к A 3 И С апертуре облучателя P Э Т ( f ) ≈ ( S 11 И О ( f ) − S 11 И А ( f ) ) exp ( j 2 φ И О ( f ) ) , коэффициент отражения ГИО испытуемого отражателя определяют по формуле Г И О = Г Э Т | A 3 И О | / | A 3 Э Т | 3 . Устройство измерения коэффициента отражения содержит измерительную антенну, эталонный плоский отражатель, прибор измерения комплексной амплитуды отраженного сигнала, СВЧ-кабель, вычислитель. При этом антенна выполнена в виде осесимметричного параболического зеркала с облучателем в его вершине, а на краю зеркала закреплен радиопрозрачный фиксатор с механизмом юстировки положения плоского отражателя. Технический результат изобретения - повышение точности измерения коэффициента отражения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх