Способ измерения коэффициента отражения свч нагрузки



Способ измерения коэффициента отражения свч нагрузки
Способ измерения коэффициента отражения свч нагрузки
Способ измерения коэффициента отражения свч нагрузки

 


Владельцы патента RU 2488838:

Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)

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. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн. Технический результат достигается благодаря тому, что способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки включает в себя измерение коэффициент передачи K1 изм между двумя свободными плечами СВЧ моста, после первого измерения меняют местами измеряемую и эталонную нагрузки, производят повторное измерение коэффициента передачи К2 изм между двумя свободными плечами СВЧ моста, далее находят коэффициент отражения от нагрузки Гизм как разность между коэффициентом отражения от эталонной нагрузки Гэт и разностью между двумя измеренными коэффициентами передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста Гизмэт-[К1 изм2 изм]. 3 ил.

 

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.

Известен способ измерения коэффициента отражения в открытом пространстве («Техника измерений на сантиметровых волнах». Пер. с англ. Под ред. Г.А.Ремеза, изд-во Сов. Радио, М.: 1949, стр.333), состоящий в излучении передающей антенной электромагнитной волны в направлении отражающей поверхности, приеме отраженной волны с использованием приемной антенны, измерении амплитуд волн, отраженных от образца отражающей поверхности и эталонной отражающей поверхности с известным коэффициентом отражения и нахождении измеряемого коэффициента отражения как отношения измеренных амплитуд отраженных волн, соответствующих измеряемому образцу и эталонной отражающей поверхности. Известно также изобретение «Способ измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающего покрытия» (RU, пат. 2234101, G01R 27/06, Бюл. 22 от 10.08.04). Способ состоит в последовательном облучении сверхширокополосным сигналом радиопоглощающего покрытия и металлической пластины одинаковых размеров, приеме отраженных от них сигналов и вычислении коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия по отношению мощностей отраженных сигналов от образца материала и металлической пластины.

Недостатком указанных способов является наличие погрешности измерения, связанной с прямым прохождением волны между передающей и приемной антенной. К недостаткам этих способов следует отнести то, что для создания синфазного волнового фронта с равномерным амплитудным распределением требуются большие расстояния, а следовательно, и большие производственные площади, что не позволяет применить эти способы для контроля в процессе производства.

В способе измерения коэффициента отражения с использованием рефлектометра, например, описанного в книге А.Н.Зайцев, П.А.Иващенко, А.В.Мыльников. «Измерения на сверхвысоких частотах», М.: Изд-во стандартов, 1989, стр.33, указанный недостаток устранен. Согласно данному способу ко входам рефлектометра присоединяют генератор СВЧ колебаний и измеряемую нагрузку, измеряют амплитуды волн на выходах рефлектометра, пропорциональных амплитудам падающей и отраженной волн, и рассчитывают коэффициент отражения как их отношение. Недостаток способа состоит в низкой точности при измерении коэффициентов отражения, по модулю близких к единице. Указанный недостаток определяется тем, что при описанном прямом методе измерений коэффициент отражения определяется отношением двух измеренных значений, измеряемых с инструментальной относительной погрешностью, составляющей величину не менее 1…2%. Абсолютная погрешность измерения коэффициента отражения равна удвоенному значению относительной погрешности измерения амплитуд падающей и отраженной волн.

Более высокую точность измерения больших коэффициентов отражения обеспечивают непрямые методы измерения, в которых используется свойство интерференции падающей волны и отраженной от нагрузки. Известен способ измерения в волноводном тракте с использованием измерительной линии (см., например, А.Н.Зайцев, П.А.Иващенко, А.В.Мыльников. «Измерения на сверхвысоких частотах». М.: Изд-во стандартов, 1989 г., стр.35). Согласно этому способу ко входам измерительной линии присоединяют генератор СВЧ-колебаний и измеряемую нагрузку и измеряют распределение напряженности поля вдоль измерительной линии при помощи зонда, определяют ее минимальное и максимальные значения и по ним находят коэффициент отражения. Недостатком способа является то, что для его реализации требуется осуществлять с высокой точностью плавное механическое перемещение зонда. Кроме того, наличие в волноводном канале зонда приводит к искажению интерференционной картины поля в измерительной линии и снижает точность измерения.

Указанный недостаток отсутствует в способе измерения согласно Патенту РФ №2362176 от 24.12.2007. Данный способ заключается в том, что излучатель, соединенный с генератором СВЧ-колебаний, помещают поочередно перед эталонной отражающей поверхностью с известным коэффициентом отражения и поверхностью измеряемого образца, изменяя расстояние между излучателем и отражающей поверхностью, находят максимальное и минимальное значения амплитуды отраженной волны на входе излучателя для эталонной отражающей поверхности и измеряемого образца и по ним находят искомый коэффициент отражения. Недостаток данного способа состоит в недостаточно высокой точности измерения больших коэффициентов отражения из-за возникновения переотраженных волн между отражающей поверхностью и излучателем.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения коэффициента отражения с использованием двойного Т-моста, который принят за прототип изобретения (Ж.Будурис, П.Шеневье. «Цепи сверхвысоких частот», М.: изд-во Сов. Радио, 1979, стр.256). Способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки заключается в том, что измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство для измерения амплитуды и фазы СВЧ колебания, измеряют коэффициент передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения из условия

К = ( Г э т Г и з м ) 2 ,                                  ( 1 )

где Гэт -коэффициент отражения от эталонной нагрузки;

Гизм - коэффициент отражения от измеряемой нагрузки.

Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения коэффициентов отражения, близких по модулю к единице, вследствие неидеальной симметрии двойного СВЧ моста. Вследствие неидеальной симметрии СВЧ моста измеренный коэффициент передачи для эталонной и измеряемой нагрузок с коэффициентами отражения, близкими по модулю к единице, равен

К δ = ( 1 + δ ) Г э т 2 ( 1 δ ) Г и з м 2 ,                          ( 2 )

где δ - относительная погрешность коэффициента передачи моста,

а измеренный коэффициент отражения равен

Г и з м Г э т 2 К δ + 2 δ                                  ( 3 )

Таким образом, найденное согласно данному способу значение коэффициента отражения отличается от действительного значения на удвоенную величину относительной несимметрии коэффициента передачи для плеч двойного СВЧ моста. Для выпускаемых промышленностью СВЧ мостов (см., например, каталог фирмы AIRCOM MICROWAWE (www. Waveguide components.com)) несимметрия составляет величину порядка 0.01…0.02. Это означает, что значение коэффициента отражения может быть измерено с погрешностью порядка ±0.02…0.04. Указанная точность измерения больших коэффициентов отражения, например материалов рефлекторов антенн, контролируемое значение которых находится в пределах 0.95…0.99, является недостаточной.

Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн.

Цель достигается за счет того, что в способе измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ-колебаний и устройство измерения амплитуды и фазы СВЧ-колебаний, и измеряют коэффициент передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста, после чего меняют местами измеряемую и эталонную нагрузки, проводят повторное измерение коэффициента передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения от нагрузки как разность между коэффициентом отражения от эталонной нагрузки и разностью между двумя измеренными коэффициентами передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста

Г и з м = Г э т [ К 1  изм 2 изм ]                                  ( 4 )

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения коэффициента отражения.

Способ измерения состоит в следующем (фиг.1). Эталонная нагрузка 2 с коэффициентом отражения Гэт, близким к единице, подключается плечу "2" СВЧ моста 5, а измеряемая нагрузка 3 с коэффициентом отражения Гизм - к плечу “3”. Плечо "1" соединяется с выходом СВЧ генератора 1, а к плечу "4" подключается устройство для измерения комплексного коэффициента передачи 4 и производится измерение амплитуды и фазы, т.е комплексного значения коэффициента передачи между плечами "1" и "4". С учетом несимметрии плеч "2" и "3" СВЧ моста измеренный комплексный коэффициент передачи равен

К ˙ 1 и з м = 1 2 ( ( 1 + δ 1 ) Г э т - ( 1 - δ 2 ) Г и з м ) ,                          ( 5 )

где δ1 - относительная погрешность коэффициента передачи из плеча 1 в плечо 3;

δ2 - относительная погрешность коэффициента передачи из плеча 3 в плечо 4.

Приведенное соотношение непосредственно вытекает из свойств двойного СВЧ моста (см., например, Ж.Будурис, П.Шеневье. «Цепи сверхвысоких частот», М.: изд-во Сов. Радио, 1979, стр.256-259). Затем эталонную и измеряемую нагрузки меняют местами и вновь проводят измерение амплитуды и фазы коэффициента передачи между плечами "1" и "4". Второе измеренное значение комплексного коэффициента передачи равно

К ˙ 2 и з м = 1 2 ( ( 1 + δ 2 ) Г и з м - ( 1 - δ 1 ) Г э т )                           ( 6 )

Далее вычитаем из первого измеренного значения второе измеренное значение. Разность измеренных величин К ˙ 1 и з м и К ˙ 2 и з м равна

К ˙ 1 и з м К ˙ 2 и з м = Г э т Г и з м                                  ( 7 )

Из указанного соотношения находится измеряемый коэффициент отражения

Г и з м = Г э т ( К ˙ 1 и з м К ˙ 2 и з м )                                 ( 8 )

Измеренное значение коэффициента отражения не зависит от наличия асимметрии СВЧ моста. Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении точности измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн за счет устранения погрешности измерения, связанной с наличием несимметрии двойного СВЧ моста.

Два варианта устройств, реализующих способ измерения коэффициента отражения, показаны на Фиг.2 и Фиг.3.

В первом варианте - устройство по заявляемому способу для измерения небольших плоских образцов отражающих материалов (с размерами образцов меньше λ) содержит: генератор СВЧ 1, измеритель коэффициента передачи 4, эталонный образец отражающего материала 2, измеряемый образец 3, двойной СВЧ мост 5.

Эталонный образец отражающего материала 2 выполняется в виде плоской пластины из хорошо проводящего металла, например меди электротехнических марок, с установочными отверстиями для присоединения к выходному фланцу волноводного СВЧ моста. Поверхность его, обращенная к СВЧ мосту, обработана, например, электрополированием до высокого класса чистоты поверхности и защищена хорошо проводящим покрытием, например, путем золочения. Выполненная таким образом эталонная нагрузка имеет коэффициент отражения не менее 0.995.

Измеряемый образец 3 выполняется с размерами и присоединительными отверстиями, соответствующими эталонному образцу.

Двойной СВЧ мост 5 выполнен из отрезков прямоугольного волновода с размерами поперечного сечения соответственно требуемому диапазону частот, снабжен соединительными фланцами со стандартными размерами. Двойные СВЧ мосты являются промышленно выпускаемыми волноводными компонентами, производимыми рядом фирм. Например, фирмой AIRCOM MICROWAWE для диапазона частот 10 ГГц выпускается мост L(102)75, для диапазона частот 36 ГГц - мост (102Ка)00. В качестве измерительного прибора 4 и генератора СВЧ 1 используется измеритель комплексных коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов передачи (векторный анализатор цепей СВЧ) необходимого диапазона частот, например ZVA40, производимый фирмой Rohde&Schwarz (диапазон частот до 40 ГГц, точность измерения коэффициента передачи не хуже 1…2%).

Измерение коэффициента отражения образца осуществляется следующим образом:

1. Проводится предварительная калибровка измерителя комплексных коэффициентов передачи в соответствие с инструкцией по его использованию.

2. К измерителю подключается двойной СВЧ мост с установленными эталонным и измеряемым образцами и производится измерение коэффициента передачи К1 изм.

3. Эталонный и измеряемый образцы меняют местами и проводят повторное измерение коэффициента передачи К2 изм.

4. Вычисляется измеренный коэффициент отражения

Г и з м = Г э т ( К ˙ 1 и з м К ˙ 2 и з м )                                 ( 9 )

5. Уточняют коэффициент отражения измеряемого образца с целью учета того, что измерение проводилось в волноводе, для которого характеристическое сопротивление Zcw отличается от характеристического сопротивления в свободном пространстве Zc0

Z c w = α Z c 0                                            ( 1 0 )

по формуле

Г и з м   о б р = ( 1 ( 1 Г и з м ) / α ) ,                            ( 11 )

где α = Z c w Z c 0                                           ( 1 2 )

Во втором варианте заявляемый способ реализован для измерения коэффициента отражения плоских образцов отражающих материалов с размерами более длины волны. Устройство, реализующее способ, показано на Фиг.3.

Измерение коэффициента отражения образца реализуется следующим образом.

1. Проводится предварительная калибровка измерителя комплексных коэффициентов передачи 6 в соответствие с инструкцией по его использованию.

2. К измерителю 6 подключается двойной СВЧ мост 7 с установленными на нем рупорами 2, 3 и присоединенными в их апертурах эталонным 4 и измеряемым 5 образцами и проводится измерение коэффициента передачи К1 изм.

3. Эталонный и измеряемый образцы меняют местами и проводят повторное измерение коэффициента передачи К2 изм.

4. Проводят вычисление измеренного коэффициента отражения

Г и з м = Г э т ( К ˙ 1 и з м К ˙ 2 и з м )                                 ( 1 3 )

5. Уточняют коэффициент отражения измеряемого образца с целью учета того, что измерение проводилось с использованием рупоров, осуществляющих трансформацию коэффициента отражения образца.

Измеряемый коэффициент отражения нагрузки

Г и з м = Г э т К 1  изм 2 изм К р у п                               ( 1 4 )

где Круп - коэффициент трансформации коэффициента отражения участком рупора между его входным фланцем и выходной поверхностью. Коэффициент трансформации определяется для данного рупора заранее, например экспериментально.

Расчеты и эксперименты показывают, что предложенный способ измерения СВЧ-нагрузок позволяет измерять коэффициенты отражения нагрузок, значение которых близко единице, с погрешностью не более 0.01. Способ измерения коэффициента легко реализуется в устройствах, состоящих из серийно выпускаемых промышленностью элементов и приборов. Способ обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности измерения отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн, и может применяться для целей контроля материалов и изделий СВЧ в производственных условиях.

Способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки, заключающийся в том, что измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство измерения амплитуды и фазы СВЧ колебания и измеряют коэффициент передачи K1 изм между двумя свободными плечами СВЧ моста, отличающийся тем, что после первого измерения меняют местами измеряемую и эталонную нагрузки, производят повторное измерение коэффициента передачи К2 изм между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения от нагрузки Гизм как разность между коэффициентом отражения от эталонной нагрузки Гэт и разность между двумя измеренными коэффициентами передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста:
Гизмэт-[К1 изм2 изм].



 

Похожие патенты:

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 и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающего покрытия (РПП) в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн.

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

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

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

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.

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.

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.

Изобретение относится к технике СВЧ измерений. Способ предлагает подачу через развязывающее устройство электромагнитного сигнала от генератора СВЧ на многоэлементный электроакустический преобразователь, нанесенный на кристаллический образец, засветку пучком света от лазера расположенных вдоль многоэлементного электроакустического преобразователя участков оптической среды, пропускная способность которых зависит от уровня поля стоячей электромагнитной волны в многоэлементном электроакустическом преобразователе, регистрацию распределения интенсивности света вдоль преобразователя после прохождения светом участков оптической среды и оценку распределения поля электромагнитной волны в многоэлементном электроакустическом преобразователе по зарегистрированной картине распределения интенсивности света. При этом посредством многоэлементного электроакустического преобразователя возбуждают упругие волны в кристаллическом образце, акустически соединенном с фотоупругой средой, обладающей высоким коэффициентом акустооптического качества и малым затуханием упругих волн, направляют эти волны в фотоупругую среду, фотоупругую среду освещают пучком света необходимой поляризации от лазера, направляя его на возбужденные отдельными элементами многоэлементного электроакустического преобразователя упругие волны под углом Брэгга, и затем регистрируют картину распределения интенсивности света. Технический результат - улучшение параметров преобразователя. 3 ил.

Изобретение относится к области радиолокационных, лазерных и акустических измерений и может использоваться для калибровки доплеровских радаров (лидаров, сонаров) и имитации изменения структуры отраженного сигнала. Заявленное устройство для имитации доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала включает антенну, тракт с расположенным на расстоянии четверть длины волны от конца тракта короткозамыкающим pin-диодом, который управляется мультивибратором, причем антенна и тракт делятся пополам и во вторую половину вводится управляемый тем же мультивибратором дополнительный короткозамыкающий pin-диод, расположенный на расстоянии четверть длины волны от конца и сдвинутый по длине тракта на одну восьмую длины волны относительно исходного pin-диода. Техническим результатом является подавление второй (зеркальной) доплеровской компоненты. 5 ил.
Наверх