Способ измерений комплексных сопротивлений многополюсника (варианты)

Изобретение относится к технике электрорадиоизмерений. При измерении входного комплексного сопротивления пассивного многополюсника источник сигнала сначала подключают к исследуемому многополюснику через четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, измеряют на входе и выходе аттенюатора напряжение относительно земляного полюса многополюсника. Измерения проводят дважды с различными значениями затухания аттенюатора, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления, затем параллельно измеряемому многополюснику подключают реактивное сопротивление с известным значением и повторяют измерения напряжений на входе и выходе аттенюатора при двух различных значениях его затухания. По результатам измерений вычисляют модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного входного сопротивления многополюсника. Предложены еще два варианта способа измерения комплексного сопротивления многополюсника для определения входного комплексного сопротивления активного многополюсника и для выходного комплексного сопротивления активного многополюсника. Изобретение позволяет расширить диапазон рабочих частот измерителей, повысить точность измерений, а также удешевить измерительный прибор. 3 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к технике электрорадиоизмерений, в частности к способу измерения комплексных сопротивлений многополюсника, и может быть использовано для измерения в широком диапазоне частот входных и выходных комплексных сопротивлений активных многополюсников с сосредоточенными и распределенными параметрами.

В настоящее время широкое распространение получили измерительные приборы параметров электрических цепей, таких как комплексное сопротивление Z_x и связанные с ним коэффициент отражения Г и коэффициент стоячей волны (КСВ). Знание этих параметров цепей позволяет правильно рассчитать согласующие цепи и обеспечить передачу максимума мощности от источника сигнала в нагрузку.

Известен способ измерения параметров сверхвысокочастотных (СВЧ) цепей, основанный на раздельном ответвлении из исследуемого тракта колебаний с амплитудами, пропорциональными падающей и отраженной волнам [Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: Учебн. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1985, стр.332]. Эти два колебания содержат информацию для измерения как модуля, так и фазы коэффициента отражения, а следовательно, и комплексного сопротивления тракта. Недостатком данного способа является сложность реализации и ограниченный диапазон частот измерителя.

Известен также способ измерений комплексных сопротивлений двухполюсника (патент РФ №2080609 С1, 27.05.1997), заключающийся в том, что последовательно с исследуемым комплексным сопротивлением Z_x включают дополнительное активное сопротивление с известной и небольшой по сравнению с предполагаемым значением Z_x величиной R и эталонную емкость С, измеряют падение напряжения U на этом сопротивлении при подключении полученной последовательной цепи к источнику сигнала с известными параметрами, причем измерения проводятся дважды для включенной и выключенной из последовательной цепи эталонной емкости.

Этот способ является наиболее близким аналогом настоящего изобретения. Недостатком этого способа измерения является то, что в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) трудно таким образом измерить комплексное сопротивление двухполюсников и многополюсников, в том числе и активных. Связано это в первую очередь с тем, что в диапазоне СВЧ электрические цепи как правило с распределенными параметрами, причем один полюс цепи обычно всегда подключен к земле (корпусу) устройства, и многополюсники соединяются между собой с помощью согласованных линий передач. Отключить измеряемое комплексное сопротивление от земли (корпуса) устройства и включить последовательно с ним эталонные сопротивление и емкость в СВЧ-устройствах практически невозможно без изменения параметров распределенной цепи, а зачастую и просто невозможно по конструктивным ограничениям. К недостаткам данного способа следует также отнести необходимость точного знания параметров СВЧ-источника сигнала, таких как электродвижущая сила (ЭДС) и внутреннее сопротивление генератора, что не всегда возможно.

Технический результат настоящего изобретения состоит в разработке такого способа измерения комплексных сопротивлений, который бы позволил расширить диапазон рабочих частот измерителя, повысить точность измерений и мог быть применен к активным многополюсникам.

Для достижения указанного технического результата согласно изобретению:

при измерении входного комплексного сопротивления пассивного многополюсника источник сигнала сначала подключают к исследуемому многополюснику через четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, измеряют на входе и выходе аттенюатора напряжение относительно земляного полюса многополюсника, причем измерения проводят дважды с различными значениями затухания аттенюатора, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления, затем параллельно измеряемому многополюснику подключают реактивное сопротивление с известным значением и повторяют измерения напряжений на входе и выходе аттенюатора при двух различных значениях его затухания, вычисляют по результатам измерений модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного входного сопротивления многополюсника;

при измерении входного комплексного сопротивления активного многополюсника источник сигнала сначала подключают к исследуемому многополюснику через четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, измеряют на входе и выходе аттенюатора напряжение относительно земляного полюса многополюсника, причем измерения проводят дважды с различными значениями затухания аттенюатора, при этом, управляя мощностью источника сигнала, поддерживают уровень напряжения на входе многополюсника постоянным, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления, затем параллельно измеряемому многополюснику подключают реактивное сопротивление с известным сопротивлением и повторяют измерения напряжений на входе и выходе аттенюатора при двух различных значениях его затухания, вычисляют по результатам измерений модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного входного сопротивления многополюсника;

при измерении выходного комплексного сопротивления активного многополюсника источник сигнала подключается к входным полюсам многополюсника, к выходном полюсам подключается четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, на входе или выходе аттенюатора измеряется напряжение относительно земляного полюса многополюсника, причем измерения проводят трижды с различными значениями затухания аттенюатора, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей выходного комплексного сопротивления активного многополюсника, затем параллельно выходным полюсам многополюсника подключают реактивное сопротивление с известным значением и повторяют измерения напряжений на входе или выходе аттенюатора при трех различных значениях его затухания, вычисляют по результатам измерений модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного выходного сопротивления многополюсника.

В существующем уровне технике не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения об объектах того же назначения с указанной совокупностью признаков, что позволяет считать способ по настоящему изобретению новым и имеющим изобретательский уровень.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

Фиг.1 представляет структурную схему известного способа измерения комплексного сопротивления.

Фиг.2 представляет структурную схему, в которой воплощается способ измерения комплексного входного сопротивления пассивного многополюсника по настоящему изобретению.

Фиг.3 представляет структурную схему, в которой воплощается способ измерения комплексного входного сопротивления активного многополюсника по настоящему изобретению.

Фиг.4 представляет структурную схему, в которой воплощается способ измерения комплексного выходного сопротивления активного многополюсника по настоящему изобретению.

Фиг.5 поясняет вывод расчетных соотношений при измерении комплексных сопротивлений по предлагаемому способу.

Фиг.1 иллюстрирует измерение комплексного сопротивления известным способом. Устройство содержит генератор 1 с известным внутренним сопротивлением Rвн и ЭДС Е, к зажимам которого подключена цепь из последовательно соединенных исследуемого двухполюсника 2, эталонного активного сопротивления 3 и эталонной емкости 4, а также вольтметр 5, подсоединенный параллельно эталонному активному сопротивлению 3, переключатель 6, включенный параллельно эталонной емкости 4, и вычислительный блок 7.

Способ определения комплексного сопротивления двухполюсника в диапазоне частот реализуется следующим образом.

Последовательно с исследуемым двухполюсником 2 включают эталонное активное сопротивление 3 и эталонную емкость 4, шунтируемую переключателем 6. Образованную последовательную цепь подсоединяют к клеммам генератора 1 с известными параметрами.

При замкнутых контактах переключателя 6 с помощью вольтметра 5 измеряют падение напряжения U₁ на эталонном активном сопротивлении 3, затем тем же вольтметром 5 измеряют падение напряжения на том же эталонном активном сопротивлении 3 при разомкнутых контактах переключателя 6. Искомые параметры комплексного сопротивления вычисляют с помощью вычислительного блока 7.

Способ измерения входных сопротивлений по настоящему изобретению может быть воплощен в устройстве, структурная схема которого представлена на фиг.2. В этой схеме с помощью переключателей 9 и 12 можно включать в измеряемый тракт либо аттенюатор 10, либо 11, а с помощью ключа 6 в измеряемый тракт можно добавлять известное реактивное сопротивление Yи 4.

Аттенюатор 10 представляет собой делитель сигнала, выполненный на резисторах R1, R2, R3 (см. фиг.5), а аттенюатор 11 на резисторах R4, R5, R6, затухание, вносимое аттенюатором в тракт, зависит от значений этих резисторов.

Измерения осуществляются в следующей последовательности:

1) переключатели 9 и 12 устанавливаются в верхнее по схеме положение, обеспечивая прохождение сигнала от генератора к измеряемому комплексному сопротивлению 2 через аттенюатор 10, а ключ 6 устанавливается в разомкнутое состояние;

2) с помощью вычислительного блока 7 измеряется отношение модулей напряжения сигнала на выходе аттенюатора 10 к напряжению на его входе ;

3) переключатели 9 и 12 устанавливаются в нижнее по схеме положение, включая в тракт вместо аттенюатора 10 аттенюатор 11;

4) измеряется отношение модулей напряжения сигнала на выходе аттенюатора 11 к напряжению на его входе

5) представив измеряемое комплексное сопротивление в виде последовательно включенных активной и реактивной составляющих, определяется его действительная и модуль мнимой части:

либо

для определения ϕ₁ и ϕ₂ воспользуемся следующими соотношениями:

представив комплексное сопротивление Z_x в виде параллельного включения активного и реактивного сопротивления, то и активную и реактивную составляющую определим как

либо

в случае, когда в качестве аттенюаторов используется только один резистор R2 и, соответственно, R5 для последовательно включенных активной и реактивной составляющих Z_x:

или

где ϕ₁ и ϕ₂ определяются из следующих соотношений:

для параллельного включения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления.

или

6) включив ключ 6 проводятся измерения по пунктам 2-4 и вычисления по пункту 5;

7) по характеру изменения модуля реактивной составляющей определяют знак реактивной составляющей комплексного сопротивления.

Рассмотрим пример измерения комплексного сопротивления, состоящего из последовательно включенного резистора сопротивлением 100 Ом и конденсатора емкостью 0,01 мкФ на частоте 100 кГц. Измерения проводятся с помощью аттенюаторов, обеспечивающих в тракте с волновым сопротивлением 50 Ом затухание 3 дБ и 10 дБ. Таким затуханиям аттенюатора соответствуют сопротивления резисторов, входящих в аттенюаторы R1=R3=292 Ом и R2=17,6 Ом для аттенюатора затуханием 3 дБ и R4=R6=96,2 Ом и R5=70,7 Ом для аттенюатора затуханием 10 дБ.

Коэффициенты K₁ и К₂, вычисленные по результатам измерений напряжений на входе и выходе аттенюатора по формулам (1) и (2), будут равны, соответственно, 0,8985 и 0,5099.

Вычислим по формулам (7)-(13) ϕ₁

R=R2·R3·R4·R5=17.6·292·96.2·70.7=3.495·10⁷

Вычислим по формуле (3) активную составляющую комплексного сопротивления

Вычислим по формуле (4) модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления

Представим измеренное комплексное сопротивление в виде параллельно включенных активной и реактивной составляющих и рассчитаем их по формулам (15) и (16) соответственно

Для определения знака реактивной составляющей подключим параллельно измеряемому комплексному сопротивлению конденсатор емкостью 1 нФ и проведем заново измерение отношений напряжений на входе и выходе аттенюаторов.

Коэффициенты K₁ и K₂, вычисленные по результатам измерений напряжений на входе и выходе аттенюатора по формулам (1) и (2), будут равны, соответственно, 0,8978 и 0,5079.

Вычислим по формулам (7)-(13) ϕ₁=0.081.

Рассчитаем по формулам (15) и (16) значения активной и реактивной составляющих

Активная составляющая комплексного сопротивления не изменилась, а модуль реактивной составляющей уменьшился. Следовательно, реактивная составляющая носит емкостной характер, и значение емкости может быть определено как

Способ измерения входных сопротивлений активных многополюсников по настоящему изобретению может быть воплощен в устройстве, структурная схема которого представлена на фиг.3. От схемы фиг.2 оно отличается только наличием сигнала управления мощностью генератора сигнала 1 от вычислительного блока 7.

Измерения осуществляются в следующей последовательности:

1) переключатели 9 и 12 устанавливаются в верхнее по схеме положение, обеспечивая прохождение сигнала от генератора к измеряемому комплексному сопротивлению 7 через аттенюатор 10, а ключ 6 устанавливается в разомкнутое состояние;

2) с помощью измерителя отношения напряжений 6 измеряется отношение модулей напряжения сигнала на выходе аттенюатора 10 к напряжению на его входе ;

3) переключатели 9 и 12 устанавливаются в нижнее по схеме положение, включая в тракт вместо аттенюатора 10 аттенюатор 11;

4) изменяя напряжение на выходе генератора 1, добиваются примерного равенства сигнала на выходе аттенюатора сигналу ;

5) измеряется отношение модулей напряжения сигнала на выходе аттенюатора 11 к напряжению на его входе

Дальнейшие действия по определению параметров комплексного сопротивления аналогичны действиям по пунктам 5-7 метода измерения параметров входного сопротивления пассивного многополюсника.

Способ для измерения выходного сопротивления активного многополюсника по настоящему изобретению может быть воплощен в устройстве, структурная схема которого представлена на фиг.4. Сигнал с генератора 1 поступает на вход измеряемого многополюсника 15, к выходу которого с помощью переключателя 9 подключаются либо аттенюатор 10, либо аттенюатор 11, либо аттенюатор 14. С помощью ключа 6 к выходу многополюсника 15 можно подключить известное реактивное сопротивление Yи 4.

Измерения осуществляются в следующей последовательности:

1) переключатель 9 устанавливается в верхнее по схеме положение, обеспечивая прохождение сигнала с выхода многополюсника к аттенюатору 10;

2) переключатель 6 устанавливается в разомкнутое положение, обеспечивая отключение реактивного сопротивления Yи 4 от тракта прохождения сигнала;

3) с помощью вольтметра 5 измеряется напряжения сигнала на входе аттенюатора 10 ;

4) переключатель 9 устанавливается в среднее по схеме положение, включая в тракт вместо аттенюатора 10 аттенюатор 11;

5) с помощью вольтметра 5 измеряется напряжения сигнала на входе аттенюатора 11 ;

6) переключатель 9 устанавливается в нижнее по схеме положение, включая в тракт вместо аттенюатора 11 аттенюатор 12;

7) с помощью вольтметра 5 измеряется напряжения сигнала на входе аттенюатора 12 ;

8) вычисляем А_i и W_i по следующим формулам:

9) численными методами ищем решение уравнения (42) относительно переменной h

10) по найденному решению уравнения находим

11) ЭДС источника определим как

12) представив измеряемое комплексное сопротивление в виде последовательно включенных активной и реактивной составляющих, определим его действительную и мнимую часть следующим образом:

13) включив ключ 6, проводятся измерения по пунктам 1-7 и вычисления по пунктам 8-13;

14) по характеру изменения модуля реактивной составляющей определяем знак реактивной составляющей комплексного сопротивления.

Рассмотрим пример измерения выходного комплексного сопротивления, состоящего из последовательно включенного резистора сопротивлением 100 Ом и индуктивностью 10 мГн на частоте 100 кГц. Измерения проводятся с помощью аттенюаторов, обеспечивающих в тракте с волновым сопротивлением 50 Ом затухание 3 дБ, 10 дБ и 15 дБ. Таким затуханиям аттенюатора соответствуют сопротивления резисторов, входящих в аттенюаторы R1=R3=292 Ом и R2=17,6 Ом для аттенюатора затуханием 3 дБ, R4=R6=96,2 Ом и R5=70,7 Ом для аттенюатора затуханием 10 дБ и R7=R9=71,6 Ом и R8=136,1 Ом для аттенюатора затуханием 15 дБ.

При ЭДС источника сигнала Е=1 В на входе аттенюатора 10 будет напряжение , на входе аттенюатора 11 и на входе аттенюатора 12 . По формулам (36)...(41) вычислим значения А_i и W_i:

Найдем решение уравнения (42) относительно переменной h

Решением данного уравнения является значение h=63.0547.

Определим по формуле (43)

Найдем значение ЭДС источника сигнала по формуле (44)

Активную и модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления определим по формулам (45) и (46)

Преобразуем комплексное сопротивление в виде последовательно включенных активной и реактивной составляющих в эквивалентную параллельную цепь

Для определения знака реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подключим параллельно входам аттенюаторов с помощью переключателя 6 конденсатор емкостью 1 нФ.

При ЭДС источника сигнала Е=1 В на входе аттенюатора 10 будет в этом случае напряжение , на входе аттенюатора 11 и на входе аттенюатора 12 . По формулам (37), (39), (41) вычислим значения W_i

Решим уравнение (42) относительно переменной h

Решением данного уравнения является значение h=60.212.

Рассчитаем по формуле (43) значение

По формуле (44) вычислим значение ЭДС источника сигнала

Сопротивление последовательно включенной активной и реактивной составляющей комплексного сопротивления определим по формулам (45) и (46). Они будут равны

Преобразуем определенное комплексное сопротивление в виде последовательно включенных активной и реактивной составляющих в эквивалентную параллельную цепь

Сравнивая измеренные значения R_yp и |Y_yp| с предыдущими измерениями без конденсатора на входе аттенюатора можно отметить, что модуль реактивной компоненты комплексного сопротивления возрос. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что реактивная составляющая измеряемого реактивного сопротивления носит индуктивный характер, а значение индуктивности можно вычислить как

Точность данного способа измерения зависит от соотношения параметров аттенюаторов (резисторы R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9) и измеряемого комплексного сопротивления Z_x или Z_y. Для повышения точности и удобства проведения измерений в качестве аттенюаторов 10 и 11 целесообразно использовать один управляемый аттенюатор.

Данный способ работает во всем диапазоне рабочих частот аттенюаторов и вольтметров, т.е. от постоянного напряжения, и может достигать десятков гигагерц. Точность измерений зависит от достоверности значения параметров аттенюаторов и точности измерений отношений напряжений. Повышение точности измерений происходит постольку, поскольку они осуществляются определением отношений напряжений на выходах амплитудных детекторов, т.е. на постоянном напряжении. Значения резисторов, входящих в состав аттенюаторов, могут быть измерены с высокой точностью цифровыми омметрами на постоянном токе. Таким образом, измерения на СВЧ заменены измерениями на постоянном напряжении, которые выполняются значительно точнее.

Способ измерения комплексных сопротивлений может по настоящему изобретению использоваться в электро- и радиоизмерительной технике.

Настоящее изобретение может быть использовано для измерений комплексных сопротивлений в широком диапазоне частот.

Объем данного изобретения не ограничивается приведенными в описании примерами, которые являются лишь иллюстрирующими.

1. Способ измерения комплексного сопротивления многополюсника, заключающийся в том, что при измерении входного комплексного сопротивления пассивного многополюсника источник сигнала сначала подключают к исследуемому многополюснику через четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, измеряют на входе и выходе аттенюатора напряжение относительно земляного полюса многополюсника, причем измерения проводят дважды с различными значениями затухания аттенюатора, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления, затем параллельно измеряемому многополюснику подключают реактивное сопротивление с известным значением и повторяют измерения напряжений на входе и выходе аттенюатора при двух различных значениях его затухания, вычисляют по результатам измерений модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного входного сопротивления многополюсника.

2. Способ измерения комплексного сопротивления многополюсника, заключающийся в том, что при измерении входного комплексного сопротивления активного многополюсника источник сигнала сначала подключают к исследуемому многополюснику через четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, измеряют на входе и выходе аттенюатора напряжение относительно земляного полюса многополюсника, причем измерения проводят дважды с различными значениями затухания аттенюатора, при этом, управляя мощностью источника сигнала, поддерживают уровень напряжения на входе многополюсника постоянным, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей комплексного сопротивления, затем параллельно измеряемому многополюснику подключают реактивное сопротивление с известным сопротивлением и повторяют измерения напряжений на входе и выходе аттенюатора при двух различных значениях его затухания, вычисляют по результатам измерений модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного входного сопротивления многополюсника.

3. Способ измерения комплексного сопротивления многополюсника, заключающийся в том, что при измерении выходного комплексного сопротивления активного многополюсника источник сигнала подключается к входным полюсам многополюсника, к выходным полюсам подключается четырехполюсник - аттенюатор с известным затуханием, на входе или выходе аттенюатора измеряется напряжение относительно земляного полюса многополюсника, причем измерения проводят трижды с различными значениями затухания аттенюатора, по результатам измерений вычисляют активную и модуль реактивной составляющей выходного комплексного сопротивления активного многополюсника, затем параллельно выходным полюсам многополюсника подключают реактивное сопротивление с известным значением и повторяют измерения напряжений на входе или выходе аттенюатора при трех различных значениях его затухания, вычисляют по результатам измерений модуль реактивной составляющей, по характеру изменения которого принимают решение о знаке реактивной составляющей комплексного выходного сопротивления многополюсника.