Способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем

Способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем с помощью измерительной цепи с регулируемым сопротивлением, подключенной между двухполюсником и питающим его источником синусоидального напряжения при трех настройках регулируемого сопротивления, в качестве которого изменяют соотношение длин участков фидерной линии от источника синусоидального напряжения и двухполюсника до точки подключения измерительной цепи. Измерения проводят в два этапа: на первом этапе определяют эквивалентную волновую длину участков фидерной линии при трех различных соотношениях их длин при подключении эталонного активного сопротивления в качестве нагрузки и трех значениях частоты питающего напряжения; на втором этапе в качестве нагрузки включают исследуемый двухполюсник и измеряют напряжение при трех соотношениях длин участков фидерной линии, определенных на первом этапе измерений, а о значении составляющих комплексного сопротивления двухполюсника судят из условия равенства каждого из них при всех определенных на первом этапе соотношениях эквивалентных волновых длин участков фидера с помощью математической модели. Изобретение обеспечивает исключение влияния характеристик фидера на результаты измерения на высоких частотах до 40 ГГц. 3 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению активной и реактивной составляющих комплексного электрического сопротивления двухполюсных электрических цепей для определения напряжения на двухполюснике без непосредственного подключения средства измерения к последнему. Преимущественными областями применения изобретения являются измерение составляющих комплексного сопротивления высокочастотных микросхем, работающих в диапазоне от 0,4 до 40 ГГц.

Известен способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника, предусматривающий анализ составляющих комплексного сопротивления в два этапа. На первом этапе производят замеры напряжений в трех параллельных цепях, представляющих собой идентичные делители напряжения, подключенные к общему источнику высокой частоты, где первый делитель работает без нагрузки, к выходу второго делителя присоединена исследуемая нагрузка, а к выходу третьего делителя присоединен эталонный резистор. На втором этапе производят расчет параметров исследуемой цепи с помощью аналоговой модели, в которую в качестве коэффициентов вводят полученные на первом этапе результаты замера соответствующих напряжений (GB 1069807, G01R 27/02, 1967).

Однако данный способ сложен в техническом осуществлении, так как требует построения аналоговой модели.

Известен также способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника, заключающийся в том, что последовательно с исследуемым двухполюсником включают эталонное активное сопротивление и эталонную емкость и подключают данную цепь к генератору с известными параметрами, затем измеряют падение напряжения на эталонном активном сопротивлении при отключенной эталонной емкости и падение напряжения на том же эталонном активном сопротивлении при подключенной емкости, далее исходя из результатов измерений вычисляют значения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника (RU 2080609, H01R 27/00, 1997).

Известен также способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника, предусматривающий определение на измеряемой частоте значения модуля полного сопротивления последовательно соединенных входного сопротивления измеряемой цепи и эталонного резистора и расчет полного входного сопротивления измеряемой цепи, при этом предварительно определяют входное сопротивление измеряемой цепи постоянному току и значение названного модуля на другой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот измеряемой цепи, затем определяют характер реактивности входного сопротивления цепи по увеличению или уменьшению значения названного модуля, считая, что входное сопротивление цепи содержит индуктивную составляющую, если значение модуля увеличивается с ростом частоты, или емкостную составляющую, если значение модуля уменьшается с ростом частоты, далее исходя из полученных данных производят расчет полного входного сопротивления на измеряемой частоте (RU 2301425, H01R 27/02, 2007).

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем с помощью измерительной цепи с регулируемым сопротивлением, подключенной между двухполюсником и питающим его источником синусоидального напряжения при трех настройках регулируемого сопротивления (RU 2214609, H01R 27/02, 2003).

Недостаток всех известных способов заключается в искажении измерений в области высоких частот (0,1-50 ГГц). Это происходит из-за влияния характеристик фидера, подводящего электрическое напряжение к двухполюснику, на результаты измерений в данном диапазоне частот.

Технической задачей предлагаемого способа является исключение влияния характеристик фидера на результаты измерения.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем с помощью измерительной цепи с регулируемым сопротивлением, подключенной между двухполюсником и питающим его источником синусоидального напряжения при трех настройках регулируемого сопротивления, вносятся следующие изменения:

1) в качестве регулируемого сопротивления изменяют соотношение длин участков фидерной линии от источника синусоидального напряжения и двухполюсника до точки подключения измерительной цепи;

2) измерения проводят в два этапа;

3) на первом этапе определяют эквивалентную волновую длину указанных участков фидерной линии при трех различных соотношениях длин этих участков и подключении эталонного активного сопротивления вместо исследуемого двухполюсника, причем измерения проводят на трех значениях частоты питающего напряжения, а об эквивалентной волновой длине участков фидерной линии судят по общему значению эквивалентных волновых длин этих участков для всех частот с использованием математической модели образованной электрической цепи;

4) на втором этапе вместо эталонного сопротивления включают исследуемый двухполюсник и измеряют напряжение при трех соотношениях длин участков фидерной линии, определенных на первом этапе измерений, а о значении составляющих комплексного сопротивления двухполюсника судят из условия равенства каждого из них при всех определенных на первом этапе соотношениях эквивалентных волновых длин участков фидерной линии с помощью математической модели.

Функционирование предлагаемого способа основано на идеях прототипа, а также патента GB 1069807 о расчете искомых параметров высокочастотной цепи по результатам проведения трех измерений при различном соотношении параметров измерительной цепи. Необходимость проведения трех измерений в предлагаемом способе объясняется тем, что в нем имеются следующие зависимости результатов измерения: от параметров нагрузки (активная и реактивная составляющие комплексного сопротивления), а также неявная третья периодическая зависимость от длины фидера. Кроме того, значения составляющих комплексного сопротивления зависят от частоты подаваемого напряжения. Поэтому в предлагаемом способе идея о трех измерениях проводится дважды: на первом этапе определяют значения эквивалентных волновых длин линий передачи от источника синусоидального напряжения до точки измерения и от точки измерения до входа двухполюсника при трех значениях частоты подаваемого напряжения; на втором этапе определяют значения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника при трех значениях эквивалентной волновой длины одного из участков фидерной линии. Проведение указанных процедур позволяет провести расчет составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем с учетом влияния фидера.

При технической реализации способа в качестве модели для расчетов может быть использована аналоговая модель согласно патенту GB 1069807. Однако удобнее использовать математическую модель, указанную в приведенном примере.

На фиг.1 приведена схема измерительной системы для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 приведены графики зависимости эквивалентных волновых длин участков фидера при частотах согласно приведенному примеру; на фиг.3 приведены графики зависимости активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления двухполюсника при значениях эквивалентных волновых длин участка фидера согласно приведенному примеру.

Измерительная система фиг.1 содержит источник 1 синусоидального напряжения высокой частоты, подключенный к двухполюснику 2 и измерительной схеме 3 (осциллографу) с помощью разветвителя 4. На схеме обозначены: l₁ - участок фидера питания от источника 1 до разветвителя 4; l₂ - участок фидера питания от разветвителя 4 до входа двухполюсника 2.

Способ поясняется следующим примером.

Для измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем используют измерительную систему согласно фиг.1. На первом этапе измерений вместо исследуемого двухполюсника в схему включают активное сопротивление R=1 кОм. Прибором 3 измеряют амплитуды напряжения U_k в точке контроля при амплитудном значении напряжения источника питания 1 В для частот: f₁=0,45; f₂=0,8 и f₃=1,0 ГГц. В данном примере значения U_k составили 1,48; 0,4 и 0,18 В для указанных частот соответственно.

Согласно установленным парам U_k и f определяют графики функций l₂(l₁) с учетом ветвления токов в измерительную цепь и нагрузку при измеренном значении напряжения и следующей математической модели:

где Z_вхi - входное сопротивление i-го участка фидера;

W - волновое сопротивление фидера (в данном примере W=50 Ом);

β - волновое число, равное - - длина волны);

Z_H=R_H+jX_H - комплексное сопротивление исследуемого двухполюсника, Ом (R_H - активная составляющая, Х_H - реактивная составляющая); в данном примере Z_н=1000+j0 Ом, так как в качестве двухполюсника установлено эталонное сопротивление.

При этом ток I_i, на входе i-го участка фидера определяют как

где U_i - напряжение на входе i-го участка фидера, В.

При указанной схеме подключения для второго участка фидера (i=2) U₂=U_k.

Учет ветвления токов в измерительную цепь и нагрузку при измеренном значении напряжения производят с использованием следующей формулы:

где I₂ - ток на входе участка фидера l₂;

I₁ - ток на входе участка фидера l₁;

I_изм - ток в измерительной цепи, равный U_k/50, т.к. входное сопротивление осциллографа равно 50 Ом, а измерительная цепь является согласованной.

Для последующих расчетов участки фидера рассматривают как пассивные четырехполюсники. В этом случае имеем следующую математическую модель схемы фиг.1:

где

В результате расчетов получены графики зависимости l₂ от l₁ для указанных частот и напряжений в точке контроля (разветвителе), приведенные на фиг.2. Как видно из фиг.2, все три графика имеют общую точку пересечения с координатами l₂=0,06 м; l₁=1,45 м.

Первую стадию выполняют троекратно, изменяя значения l₂. В результате дополнительно получают значения l₂, равные 0,49 и 0,72 м (при том же значении l₁=1,45 м). Физические образцы измеренных участков фидерной линии (с l₂, равным 0,06; 0,49 и 0,72 м) сохраняют для исследования других двухполюсников с проведением только 2-го этапа способа.

На втором этапе измерений вместо эталонного сопротивления в качестве блока 2 в схему фиг.1 подключают исследуемый двухполюсник. Прибором 3 измеряют амплитуды напряжения U_k в точке контроля при амплитудном значении напряжения источника питания 1 В для l₁=1,45 м и трех вышеуказанных значений l₂ (0,06; 0,49 и 0,72 м). В данном примере значения U_k составили 0,59; 0,55 и 0,92 В для указанных значений l₂ соответственно.

Для установленных пар значений U_k и l₂ определяют графики функций X(R) с учетом ветвления токов в измерительную цепь и нагрузку при измеренном значении напряжения и математической модели, описываемой формулами (1÷11).

В данном примере на 2-м этапе получены графики зависимости Х от R для частоты 0,8 ГГц и указанных напряжений в точке контроля (разветвителе), приведенные на фиг.3. Как видно из фиг.3, все три графика имеют общую точку пересечения с координатами R=105 Ом; X=226 Ом. Поэтому комплексное сопротивление исследуемого двухполюсника составляет

Z_H=105+j226 Ом.

Далее определяют значение напряжения на двухполюснике по известной формуле:

где согласно формуле (2) I_H=3,41 мА.

Поэтому U_Н=3,41·=0,85 В.

Использование предлагаемого способа позволяет определять электрические характеристики двухполюсников на высоких частотах (0,4÷40 ГГц), где сказывается влияние характеристик участков и разъемов фидера передачи электрического питания.

Способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем с помощью измерительной цепи с регулируемым сопротивлением, подключенной между двухполюсником и питающим его источником синусоидального напряжения при трех настройках регулируемого сопротивления, отличающийся тем, что в качестве регулируемого сопротивления изменяют соотношение длин участков фидерной линии от источника синусоидального напряжения и двухполюсника до точки подключения измерительной цепи, измерения проводят в два этапа, при этом на первом этапе определяют эквивалентную волновую длину указанных участков фидерной линии при трех различных соотношениях длин этих участков и подключении эталонного активного сопротивления вместо исследуемого двухполюсника, причем измерения проводят на трех значениях частоты питающего напряжения, а об эквивалентной волновой длине участков фидерной линии судят по общему значению эквивалентных волновых длин этих участков для всех частот с использованием математической модели образованной электрической цепи, на втором этапе вместо эталонного сопротивления включают исследуемый двухполюсник и измеряют напряжение при трех соотношениях длин участков фидерной линии, определенных на первом этапе измерений, а о значении составляющих комплексного сопротивления двухполюсника судят из условия равенства каждого из них при всех определенных на первом этапе соотношениях эквивалентных волновых длин участков фидерной линии с помощью математической модели.