Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття мікрохвильових двополюсників

Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття мікрохвильових двополюсників, що містить генератор зондувального сигналу, вихід якого через двоспрямований відгалужувач підключений до вимірюваного мікрохвильового двополюсника, і датчик потужності, вихід якого з'єднаний з блоком обробки, який відрізняється тим, що в нього додатково введені керований дискретний фазообертач та двоплечий суматор, при цьому вхід датчика потужності підключений до виходу двоплечого суматора, перший вхід якого через керований дискретний фазообертач з'єднаний з виходом падаючої хвилі двоспрямованого відгалужувача, а другий вхід - з ви ходом відбитої хвилі двоспрямованого відгалужувача. Пристрій відноситься до радіовимірювальної техніки НВЧ діапазону і може бути використаний при вимірах модуля й аргументу комплексного коефіцієнта відбитку мікрохвильових двополюсників, а також повного опору. Відомий пристрій, виконаний на основі вимірювальної лінії, що представляє відрізок лінії передачі з подовжньою щілиною, у яку введений зонд, з'єднаний з входом датчика потужності (квадратична детекторна голівка), вихід якого з'єднаний з індикатором (див. [1], с. 323). Недоліком такого пристрою є складність автоматизації процесу виміру, тому що для цього необхідно застосувати механізм зворотнопоступального переміщення. Цей недолік усунутий у пристрої, що використовує метод чотирьох зондів. Цей пристрій містить відрізок лінії передачі, у якому на відстані λ/8 (λ – довжина хвилі в лінії передачі) уведені чотири нерухомих зонди, з'єднані з чотирма датчиками потужності, виходи яких підключені до пристрою обробки (див., [2] с. 12). Недоліком цього пристрою є вузькосмуговість, оскільки електричні відстані між зондами змінюються при зміні частоти зондувального сиг налу, що приводить до погрішності при роботі в смузі частот, (див. [2], с. 15) Цей недолік усун утий у пристроях 12полюсного типу, заснованих на використанні широкосмугових мікрохвильових вузлів (спрямованих відгалужува-чів, синфазних, протифазних і квадратурних розщеплювачів, див. [3], с. 316 і [4] с.186). Найбільш близьким по технічній сутності є пристрій, що включає дільник потужності, виходи якого підключені до двох двоспрямованих відгалужувачів, причому перший відгалужувач навантажений на короткозамикач, а другий – на вимірюваний мікрохвильовий двополюсник Вимірювальні виходи двоспрямованих відгалуживачів з'єднуються з входами двох 90o гібридних з'єднань, вихідні плечі яких підключені до входів дво х 180o гібридних з'єднань, виходи яких з'єднуються з чотирма датчиками потужності, виходи яких з'єднуються з блоком обробки (див. [4] с. 189). Недоліком прототипу є значні габарити мікрохвильового перетворювача і низька стабільність вимірів. Мікрохвильовий перетворювач прототипу (19) UA (11) 77744 (13) C2 (21) 20040806470 (22) 03.08.2004 (24) 15.01.2007 (46) 15.01.2007, Бюл. № 1, 2007 р. (72) Гімпілевич Юрій Борисович, Смаілов Юнус Якубович (73) СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОН АЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (56) SU 1679411 A1, 23.09.1991 SU 1626193 A1, 07.02.1991 SU 1626194 A1, 07.02.1991 RU 2253874 C2, 27.03.2004 DE 3111204 A1, 30.09.1982 US 4812738, 14.03.1989 GB 614259, 13.12.1948 JP 61237065, 22.10.1986 3 77744 4 містить одинадцять мікрохвильових вузлів: дільник 2 потужності, два двоспрямованих відгалужувача, ваного відгалужувача. До виходу двоспрячотири гібридні з'єднання, чотири датчики потужмованого відгалужувача підключений вимірюваний ності. Це приводить до значних габаритів мікрохвильовий двополюсник з комплексним комікрохвильового перетворювача. ефіцієнтом відображення Г. У результаті утвоУ прототипі використовуються чотири датчики рюється відбита хвиля з комплексною амплітудою потужності. Під впливом різних дестабілізуючих 3 4 факторів (наприклад, температури, радіації, волоЕотр. На вихода х і двоспрямованого гості й ін.) змінюються коефіцієнти перетворення відгалужувача виникають коливання з комплексцих датчиків, що приводить до погрішності через ними амплітудами, рівними: розкид цих коефіцієнтів. Таким чином, прототип U3 = ЕгS31; (1) має низьку стабільність вимірів і не може використовуватися в жорстких умовах експлуатації. U4 = ЕгГS42, (2) Технічною задачею винаходу є зменшення гаде S31, S42 – елементи S-матриці двоспрямобаритів мікрохвильового перетворювача при одваного відгалужувача. ночасному підвищенні стабільності вимірів. Ця задача вирішується шляхом істотного зменшення 3 кількості використовуваних мікрохвильових вузлів З виходу сигнал, пропорційний падаючої вимірювального перетворювача і використання хвилі, надходить на вхід керованого дискретного одного датчика потужності. Дляцього в пристрої фазообертача, з виходу якого, з обліком (1), фордля виміру комплексного коефіцієнта 5 відображення мікрохвильових двополюсників домується сигнал, що надходить на вхід сумадатково введені керований дискретний фазообертора. Комплексна амплітуда цього сигналу тач і двоплечий суматор, при цьому вхід датчика дорівнює: потужності підключений до виходу двоплечого (3) U(i )= Ег S31 × ejy i суматора, перший вхід якого з'єднаний з виходом 5 падаючої хвилі двоспрямованого відгалужувача де ψ i – фазове зрушення, внесене фазооберчерез керований дискретний фазообертач, а друтачем у i-ому стаціонарному стані; гий вхід з виходом відбитої хвилі двоспрямованого i = 1, 2, 3, 4 – номер стаціонарного стану керовідгалужувача. ваного дискретного фазообертача. Заявлений пристрій містить чотири 6 мікрохвильових вузла: один двоспря-мований На вхід суматора подається сигнал, провідгалужувач, керований дискретний фазообертач, суматор і один датчик потужності. У порівнянні з 4 порційний відбитій хвилі з виходу двоспряпрототипом у пристрої, що заявляється, зменшена мованого відгалужувача. Комплексна амплітуда кількість використовуваних вузлів на сім (майже в цього сигналу дорівнює три рази). Це приводить до істотного зменшення U6=U4=EгГS42. (4) габаритів і маси пристрою. У пристрої, що заявляється, присутній тільки 7 один датчик потужності. Тому виключається На виході суматора формується сигнал, погрішність виміру через розкид параметрів детеккомплексна амплітуда якого в i-ому стаціонарному торних голівок, що приводить до істотного стані дорівнює підвищення стабільності. (5) U(i) = U(i) + U6 На фіг. приведена функціональна схема про7 3 понованого пристрою. З обліком (1)...(4)запишемо (5) у виді Пристрій для виміру комплексного коефіцієнта U(i ) = E г ГS 42 + Eг S 31e jy i = 7 відображення мікрохвильових двополюсників (6) містить генератор зондувального сигналу 1, ви хід = E г ГS 42 + S 31e j yi якого через двоспрямований відгалужувач 2 Думаємо S31 = S42 вираження (6) запишемо у підключений до вимірюваного мікрохвильовому виді двополюсника 3. Вихід падаючої хвилі двоспрямоU(i ) = EгS31 Г e j j + e jyi = ваного відгалужувача через керований дискретний 7 (7) фазообертач 4, з'єднаний з першим входом двоп= EгS31e jy i 1+ Г e j(j- yi ) лечого суматора 5, другий вхід якого підключений до виходу відбитої хвилі двоспрямованого де Г , φ – модуль і аргумент комплексного ковідгалужувача. Вихід двоплечого суматора ефіцієнта відбитку Γ вимірюваного з'єднаний із входом датчика потужності 6, вихід мікрохвильового двополюсника. якого підключається до блоку обробки 7. Пристрій для виміру комплексного коефіцієнта 8 відбитку мікрохвильових двополюсників працює в На виході датчика потужності одержуємо такий спосіб. Для спрощення аналізу, розгляд пронапругу, пропорційну потужності вхідного сигналу. ведемо для випадку, що відповідає ідеальним хаЗ обліком (7) ця напруга дорівнює рактеристикам мікрохвильових вузлів. Зондувальний сигнал від НВЧ генератора з комплексною ( ) ( ( амплітудою Ег надходить на вхід 1 двоспрямо ) ) 5 i U(8) = 2 q U(i) 7 77744 = q S 31 Ег 1 + Г e j(j -y i ) 2 2 2 2 2 = K Ег æ1 + Г + 2 Г cos (j - yi ) ö ç ÷ è ø вираження для Г (8) де q – коефіцієнт перетворення датчика по2 тужності; K = q S31 – коефіцієнт пропорційності. З (8) випливає, що вихідні напруги датчика потужності в різних стаціонарних станах (i = 1... 4) мають вид: 2 2 ü U(1) = K Eг æ1 + Г + Г cos(j - y1)ö ç ÷ï 8 è ø ï 2 2 U(2 ) = K Eг æ 1 + Г + Г cos(j - y 2 )ö ï ç ÷ 8 è øï (9) ý 2æ 2 (3 ) U8 = K Eг ç 1 + Г + Г cos(j - y3 )ö ï ÷ è øï ï 2æ 2 ( 4) U8 = K Eг ç 1+ Г + Г cos(j - y 4 )öï ÷ è øþ де ψ 1, ψ 2, ψ 3 , ψ 4 – фазові зрушення, внесені у відповідних стаціонарних станах керованим дискретним фазообертачем. Ці фазові зрушення задаються за допомогою сигналів, що надходять із блоку керування. Розглянемо випадок, коли ψ 1=0o, ψ 2=90o, ψ 3=180o, ψ 4=270o. У цьому випадку вираження (9) приводиться до наступного виду: 2 2 ü U(1) = K Eг æ 1+ Г + Г cos(j )ö ç ÷ï 8 è ø ï 2 2 U(2 ) = K Eг æ 1+ Г + Г cos(j )ö ï ç ÷ 8 è øï (10) ý 2æ 2 (3 ) öï U8 = K Eг ç 1+ Г - Г cos(j )÷ è øï ï 2æ 2 ( 4) U8 = K Eг ç 1+ Г + Г cos(j)ö ï ÷ è øþ У блоці обробки сигнали (10) можуть бути оброблені різними способами. Розглянемо найпростіший варіант. Здійснимо попарне вирахування рівнянь (10) U x = U(1) - U( 2) = 4K Eг Г (cos(j ) - sin(j )) = 8 8 2 2 æp ö = 4 2 K Eг Г sinç + j ÷ è4 ø 4 U y = U8 - U (3 ) = 4K Eг Г (cos(j ) + sin(j))= 8 6 (11) 2 (12) 2 æp ö = 4 2 K Eг Г cosç + j ÷ è4 ø Для визначення модуля комплексного коефіцієнта відображення вимірюваного мікрохвильового двополюсника зведемо (11) і (12) у квадрат і витягнемо квадратний корінь із суми цих квадратів. У результаті одержуємо наступне Г = 1 U2 + U2 x y К1 (13) 2 де K1 = 4 2 K Eг – коефіцієнт K1 визначається при калібруванні пристрою по короткозамкнутому навантаженні. Аргумент комплексного коефіцієнта відображення вимірюваного мікрохвильового двополюсника визначається з (11) і (12) у такий спосіб æ Uy ö p ÷ (14) j = arctg ç çU ÷ - 4 è xø При проведенні вимірів на одній частоті як джерело зондувального сигналу можливе використання генератора стандартних сигналів типу Г4 відповідного діапазони, а при панорамних – свіпгенератора, наприклад, з комплекту панорамних вимірювачів КСХ і ослаблення (прилади групи Р2). У якості дво-спрямованого відгалужувача можна застосувати спарені відгалужувачі з комплекту панорамних вимірників КСХ і ослаблення, або окремий функціональний вузол, наприклад, модель із серії CD2-102-202-10S [5]. У якості керованого дискретного фазообертача можна використовувати модель DP для відповідного діапазону [б]. У якості двоплечого суматора можна застосувати модель RFM-7020-26-SMA-79 [7]. Датчиком потужності може бути будь-яка НВЧ детекторна голівка з квадратичною характеристикою. Бібліографія: 1. Кукуш В.Д. Электрорадионзмерения: Учеб. пособие ддя вузов. – М.: Радио и связь, 1985. – 368 с. 2. Бондаренко И. К. Автоматизация измерений параметров СВЧ / И. К. Бондаренко, Γ.Α Дейнега, З.В. Маграчев –М.: Сов. Радио, 1969. –304 с. 3. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. ВузовУПод ред. В.И. Винокурова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 351с. 4. Somlo P.I., Hunter D. A Six-Port Reftectometer and its Complete Characterization by Convenient Calibration Procedures // IEEE Trans. – 1982. – Vol. МТТ-30.–№2.–Р. 186-191. 5. Directional couplers, www.miteq.com. 6. Digital diode phase shifters, www.kditriangle.com. 7. Microwave components, adapters, cable assemblies, connectors. – Midwest Microwave, Printed in U.S.A. 1999. – 293 p. 7 Комп’ютерна в ерстка М. Клюкін 77744 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601