Вимірювач комплексного коефіцієнта передачі

Реферат: Винахід належить до радіовимірювальної техніки і може бути використаний у вимірювальних системах і приладах для вимірювання параметрів хвилевідних трактів і антен радіотехнічних систем. Вимірювач комплексного коефіцієнта передачі складається з генератора НВЧ з дискретною електронною перебудовою частоти, подільника потужності, коаксіальнохвилевідних переходів, двоканального хвилевідно-щілинного перетворювача, який має вимірювальний і опорний канали і узгоджені навантаження. Для спрощення конструктивного виконання перетворювач має лише дві детекторні головки, що збуджуються як опорним, так і вимірюваним каналами, з фазовим зсувом відгалужуваних хвиль, рівним 90°. UA 99074 C2 (12) UA 99074 C2 UA 99074 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до радіовимірювальної техніки і може бути використаний у вимірювальних системах і приладах для вимірювання параметрів хвилевідних трактів і антен радіотехнічних систем. Відомий рефлектометричний спосіб вимірювання модуля і аргументу комплексного коефіцієнта передачі (ККП), заснований на порівнянні амплітуд падаючої і такої, що пройшла через досліджуваний пристрій, хвиль. Недоліком способу є неможливість визначення аргументу ККП [Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах - М.: Физико-математическая литература, 1963. - C. 158.] Відомі вимірювачі комплексних коефіцієнтів передач, побудовані на основі чотиридетекторних датчиків [Бондаренко И.К., Дейнега Г.А., Маграшев З.В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. - М.: Сов. радио, 1969. - С. 63, рис. 2.19; С. 72, рис. 2.26]. Недоліком вимірювача є велика частотна похибка, яка обумовлена неможливістю отримання частотно незалежних фазових зсувів між відгалужуваними хвилями на детекторних головках. Для двох головок можна отримати практично незалежний фазовий зсув. Тому для однієї і другої пари детекторних головок фазовий зсув в діапазоні частот мало змінюється, а фазовий зсув між суміжними головками цих пар дуже залежить від частоти. І ця обставина приводить до великої похибки вимірювання модуля і аргументу комплексного коефіцієнта передач і комплексного коефіцієнта відбиття в діапазоні частот хвилеводу. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є "Широкосмуговий шлейфовий датчик комплексних параметрів хвилевідного тракту" [Авторское свидетельство СССР № 242250 Широкополосный шлейфовый датчик комплексных параметров волноводного тракта /В.В. Саламатин], яке містить чотири детекторні головки, два відрізки хвилеводу, зв'язані між собою двома круглими позамежними хвилеводами-шлейфами, що є камерами детекторних головок, і два узгоджені навантаження, що повністю поглинають падаючу на них потужність. Детекторні головки розміщені на широких стінках хвилеводів. Вони зв'язані з прямокутними хвилеводами крізь щілини зв'язку, розташовані під кутом 30 35 40 45 50  16 (1115") до поперечної осі хвилеводів. Центри щілин знаходяться в площині кругової поляризації для середньої частоти, причому щілини для головок розташовані по обидва боки поздовжньої осі хвилеводів. Перевагою пропонованого вимірювача є менша кількість детекторних головок (у 2 рази) датчика, що приводить до істотної техніко-економічної переваги. Вимірник комплексного коефіцієнта передачі (кресл.) складається з генератора НВЧ 1 з дискретною електронною перебудовою частоти, подільника потужності 2, досліджуваного чотириполюсника 4, коаксіально-хвилевідних переходів 3 і 10, вимірювального каналу 5, опорного каналу 9, двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача 7, узгоджених навантажень 6 і 8, і відрізка регулярного хвилеводу, рівного по довжині досліджуваному чотириполюснику 11. Сигнал від генератора НВЧ 1 з дискретною електронною перебудовою частоти через подільник потужності 2 і коаксіально-хвилевідні переходи 3 і 10 надходить до вимірювального 5 і опорного 9 каналів, навантажених узгодженими навантаженнями 6 і 8. У вимірювальний канал 5 включається досліджуваний чотириполюсник 4. Двоканальний дводетекторний хвилевіднощілинний перетворювач 7 (ДДХЩП), виконаний на основі двох відрізків хвилеводу прямокутного перерізу з прорізаними в їх широких стінках по парі щілин, що зв'язують хвилеводи детекторних головок (датчиків потужності - Д1 і Д2), як з вимірювальним 5, так і з опорним 9 каналами. Фазовий зсув між сигналами, відгалужуваними щілинами в хвилеводи датчиків потужності Д1 і Д2, рівний 90°. 90-градусний зсув забезпечується тим, що одна щілина поперечна, а інша подовжня і їх центри розташовані в площині 0-0". Опорна площина 0-0", що проходить крізь центри щілин зв'язку детекторної головки Д1, рівновіддалена від бічних плечей подільника потужності. Тому зсув фаз між опорною і вимірювальною хвилями дорівнює фазовому зсуву , що вноситься досліджуваним чотириполюсником відносно відрізка регулярного хвилеводу 11. В результаті інтерференції хвиль, що відгалужуються як з опорного 9, так і вимірювального 5 каналів в детекторні головки (датчики потужності), напруги U 1 і U2, що знімаються з діодів НВЧ, визначаються співвідношеннями: 2 10 Ег + К 2 20 Ег + К U1 = К U2 = К 2 2 2 2 1И Ег Т +2 К10 К1И Ег Т cos , (1) 2И Ег Т 2 К20 К2И Ег Т cos , (2) 2 2 2 2 2 2 55 де К10, К1И, К20, К2И - модулі комплексних коефіцієнтів передачі (ККП) детекторних головок Д1 і Д2 з боку опорного 9 і вимірювального 5 каналів, відповідно; 1 UA 99074 C2 5 10 15 Ег - модуль комплексної амплітуди хвилі генератора 1; Т - модуль ККП досліджуваного чотириполюсника 4;  - фазовий зсув, що вноситься досліджуваним чотириполюсником 4. Унаслідок квадратичного детектування, напруга U1, що знімається з діода головки Д1, дорівнює сумі квадратів модулів комплексних амплітуд хвиль, відгалужених з опорного 9 2 2 2 2 2 К 10Ег і вимірювального 5 - К 1И Ег Т каналів, плюс подвоєний добуток від множення модулів на косинус зсуву фаз. Аналогічно визначається і напруга U 2, тільки знак мінус перед подвоєним добутком від множення модулів обумовлений тим, що зсув фаз поміж відгалужуваними хвилями змінився на 180°. Виміряні значення напруги з детекторних головок залежать від параметрів досліджуваного чотириполюсника 4 - Т і , і власних еквівалентних констант мікрохвильової частини вимірювача. Для вирішення системи рівнянь (1)…(2) відносно Т і  спочатку необхідно визначити ці константи. Визначення власних констант здійснене в результаті проведенні двох калібрувальних операцій. Перша калібрувальна операція. Від вимірювача 5 каналу від'єднується КВП 3, до нього під'єднується узгоджене навантаження. На діоди головок надходять хвилі, відгалужені лише з опорного 9 каналу. Вирази для напруги з діодів головок U1K1 і U2K1 в цьому випадку мають вигляд: 2 10 U1K1 = К 2 2 20 Ег ; U2K1 = К 2 Ег , (3) 20 25 Далі відновлюється схема приладу. Друга калібрувальна операція. Від опорного каналу 9 від'єднується КВП 10, до якого під'єднується узгоджене навантаження. На діоди головок надходять хвилі, відгалужені лише з вимірювального каналу 5. При цьому замість досліджуваного чотириполюсника 4 у вимірювальний канал 5 підключається рівний йому за довжиною відрізок регулярного хвилеводу (Т = 1). Другі калібрувальні рівняння матимуть вигляд: 2 1И U1K2 = К 2 2 Ег ; U2K2 = К 2И 2 Ег , (4) Після калібрування схема приладу відновлюється. 2 Як легко відмітити, константа - 2К10 К1И Ег у третьому члені рівняння (1) дорівнює 30 2 2 2 K10K1ИЕг 2  2 K 2 Eг K 2 Eг  2 U1K1U1K 2 , 10 1И (5) Константа - 2 К20 К2И ЕГ2 у третьому члені рівняння (2) дорівнює 35 2 2 2 K10K1ИЕг 2  2 K 2 Eг K 2 Eг  2 U2K1U2K 2 , 10 1И (6) Таким чином, в результаті проведення двох калібрувальних операцій, визначені присутні в рівняннях (1), (2) власні константи мікрохвильової частини вимірювача, і ці рівняння можуть бути надані з урахуванням (3), (6) у наступному вигляді: 40 U1  U1 1  U1 2T2  2 U1 1U1 2 T cos  , K K K K (7) U2  U2K1  U2K2T2  2 U2K1U2K2 T cos  , (8) З отриманих рівнянь знаходимо невідомі величини Т і Т cos . 2 Для визначення Т величину Т cos  знаходимо з рівняння (7) і підставляємо її в рівняння 2 45 (8): 2 UA 99074 C2 U1  U1K1 U2  U2K1  2 U1K1U1K 2 2 U2K1U2K 2 , T2  U1K 2 U2K 2  2 U1K1U1K 2 2 U2K1U2K 2 (9) Перепишемо рівняння (7) відносно  і, підставивши Т, знаходимо значення аргументу комплексного коефіцієнта передачі 2  U U  1 1K1  U1K 2T  2 U1K1U1K 2   arccos  T       ,     (10) 5 10 15 20 25 Тобто для визначення модуля і аргументу комплексного коефіцієнта передачі необхідно виміряти сигнали з датчиків потужності при підключенні до ДДХЩП 7 досліджуваного пристрою 4 і при проведенні калібрувань. В результаті розробленого алгоритму проведення калібрувальних операцій виключений вплив на результат вимірювання власних констант мікрохвильової частини приладу, що дозволило виключити домінуючі похибки вимірювання. Напруги з датчиків потужності мікрохвильового перетворювача надходять на пристрій сполучення комп'ютера з хвилевідно-щілинним перетворювачем і генератором. За розробленою програмою визначення модуля і аргументу комплексного коефіцієнта передачі досліджуваного пристрою 3 здійснюється на кожній дискретній частоті робочого діапазону. Результати відображаються в графічній і табличній формі на дисплеї ЕОМ. Таким чином, запропонований точний вимірювач комплексного коефіцієнта передачі хвилевідних пристроїв, побудований на основі конструктивно простого двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вимірювач комплексного коефіцієнта передачі, що складається з генератора НВЧ з дискретною електронною перестройкою частоти, подільника потужності, коаксіально-хвилеводних переходів, двоканального хвилевідно-щілинного перетворювача, що має вимірювальний і опорний канали та детекторні головки, а також узгоджених навантажень, який відрізняється тим, що перетворювач має дві детекторні головки, що збуджуються як опорним, так і вимірювальним каналами з фазовим зсувом відгалужуваних хвиль, рівним 90. 3 UA 99074 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4