Вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття

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 відбиття складається з генератора НВЧ з дискретною електронною перебудовою частоти, двонаправленого відгалужувача, двоканального хвилевідно-щілинного перетворювача, досліджуваного пристрою, двох узгоджених навантажень, двох детекторних головок і двох відрізків хвилеводу прямокутного перерізу. З метою спрощення конструкції, підвищення надійності і зниження вартості, перетворювач має лише дві детекторні головки, що збуджуються як опорним, так і вимірюваним каналами, з фазовим зсувом відгалужених хвиль, рівним 90°. UA 101437 C2 (12) UA 101437 C2 UA 101437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіовимірювальної техніки і може бути використаний у вимірювальних системах і приладах для вимірювання параметрів хвилевідних трактів і антен радіотехнічних систем. Відомі вимірювачі параметрів хвилевідних трактів (коефіцієнта відбиття, повних опорів) на основі чотиридетекторних датчиків (Бондаренко И. К., Дейнега М. А., Маграчев З. В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. - М.: Сов. радио, 1969. - С. 63, рис. 2.19; С. 72, рис. 2.26). Недоліком датчиків є велика частотна залежність фазового зсуву між елементами зв'язку двох детекторних головок з чотирьох. Для двох елементів зв'язку можна отримати практично незалежний фазовий зсув. Тому між елементами зв'язку і однією парою детекторних головок, і іншою - фазовий зсув у діапазоні частот мало змінюється, а фазовий зсув між суміжними елементами зв'язку цих пар сильно залежить від частоти. І ця обставина приводить до великої похибки вимірювання в повній смузі частот хвилеводу. Універсальний амплітудно-фазовий перетворювач НВЧ сигналів, призначений для вимірювання комплексних коефіцієнтів відбиття і передачі (Баканов С. А., Недвецкий В. Б., Саламатин В. В. Универсальний амплитудно-фазовый преобразователь СВЧ сигналов. Вопросы радиоэлектроники, серия: Радиоизмерительная техника (РТ), вып. 7, 1971. - С. 57) позбавлений вищезгаданого недоліку. З чотирьох детекторних головок тільки дві реагують одночасно і на падаючу, і на відбиту хвилю. Фазовий зсув між ними повинен бути постійним у діапазоні частот, що і реалізовано в НВЧ перетворювачі. Дві інші головки фазонезалежні, оскільки одна з них реагує тільки на падаючу хвилю, а інша - на відбиту. Недоліком даного вимірювача коефіцієнта відбиття є наявність двох каналів (опорного і вимірювального), і подільника потужності, які ускладнюють конструкцію хвилевідного перетворювача і приводять до додаткових похибок. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є «Чотиризондовий автоматичний вимірювач параметрів надвисокочастотних трактів» (Авторське свідоцтво СРСР № 194893 Чотиризондовий автоматичний вимірювач параметрів надвисокочастотних трактів // В. В. Саламатін), яке містить свіп-генератор, розв'язуючий атенюатор, чотиридетекторний шлейфовий датчик, досліджуване навантаження, детекторну головку, двонаправлений відгалужувач, два прямокутні позамежні хвилеводи і два узгоджені навантаження, що повністю поглинають падаючу на них потужність. Завдяки сумарній дії падаючої і відбитої хвиль на чотиридетекторний датчик, останній видає на індикаторний блок інформацію про модуль і фазу коефіцієнта відбиття. Оскільки довжини каналів падаючої і відбитої хвиль до площини симетрії чотиридетекторного датчика рівні між собою, значення фази, відлічуване по індикаторному пристрою, відповідатиме значенню фази коефіцієнта відбиття досліджуваного навантаження в діапазоні частот. Задачею винаходу є спрощення конструкції, підвищення надійності і зниження вартості вимірювача. Поставлена задача вирішується тим, що у вимірювачі комплексного коефіцієнта відбиття, що складається з генератора НВЧ, двонаправленого відгалужувача, узгоджених навантажень, двоканального хвилевідно-щілинного перетворювача, що містить вимірювальний і опорний канали та детекторні головки, згідно з винаходом, перетворювач має дві детекторні головки, встановлені між каналами, при цьому одна з них збуджується поперечними щілинами зв'язку, а інша - подовжніми, що прорізані в опорному і вимірювальному каналах, при цьому центри щілин знаходяться в одній поперечній площині, забезпечуючи фазовий зсув 90° між відгалуженими хвилями в діапазоні частот хвилеводу. Перевагою пропонованого вимірювача є менша кількість детекторних головок датчика всього дві, що приводить до істотної техніко-економічної переваги. На фіг. 1 наведена функціональна схема вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття (ККВ). На фіг. 2 наведена схема розташування щілин зв'язку дводетекторного перетворювача. Вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття (фіг. 1) складається з генератора НВЧ 1 з дискретною електронною перебудовою частоти, двонаправленого відгалужувача 3, досліджуваного пристрою 5, двох узгоджених навантажень 9 і 12, двох детекторних головок 10, 11 і двох відрізків хвилеводу прямокутного перерізу 8, 13. Двоканальний дводетекторний хвилевідно-щілинний перетворювач (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) з хвилеводами вимірювального тракту. Одна з щілин - поперечна, інша - подовжня. Центри щілин зв'язку розташовані в одній поперечній площині (фіг. 2). Фазовий зсув між відгалуженими хвилями (електрична відстань) дорівнює 90° на будь-якій частоті діапазону хвилеводу. Датчики 1 UA 101437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 потужності побудовані на відрізках прямокутних позамежних хвилеводів, встановлених торцем на відрізках хвилеводів вимірювального тракту. Діоди НВЧ розташовані симетрично відносно кінців відрізків, розташованих між базовими хвилеводами, збуджуються електричною складовою поля і знаходяться в її максимумі (в центрі широких стінок позамежних хвилеводів). Сигнал від генератора НВЧ (фіг. 1) з дискретною електронною перестройкою частоти надходить до вхідного плеча 2 первинного каналу двонаправленого відгалужувача (ДНВ), до вихідного плеча 4 якого підключено досліджуваний пристрій. У пряме плече 7 вторинного каналу (ВК) ДНВ відгалужується частина потужності сигналу генератора, який проходить через верхній (опорний) канал перетворювача 13 і поглинається в узгодженому навантаженні 12.  Сигнал, відбитий від досліджуваного навантаження 5 з ККВ Г і відгалужений у плече 6 верхнього каналу відгалужувача, надходить до нижнього (вимірювального) каналу перетворювача 8, а потім в узгоджене навантаження 9. Щоб вимірювати аргумент комплексного  коефіцієнта відбиття Г в площині фланця досліджуваного пристрою, довжини шляхів опорної і відбитої хвиль до площини симетрії 0-0' ДДХЩП мають бути рівними. Це забезпечується відповідними розмірами плечей 6 і 7 вторинного каналу ДНВ. Таким чином, значення аргументу  ККВ Г в площині симетрії 0-0' буде таким же, як в площині фланця. При аналізі вимірювача передбачаємо, що відбиття від узгоджених навантажень відсутні і спрямованість відгалужувача безконечна. В результаті інтерференції хвиль, що відгалужуються, як з опорного, так і вимірювального каналів, у детекторні головки 10, 11 (датчики потужності), напруги U 1, і U2, що знімаються з діодів НВЧ, визначається співвідношеннями: 2 2 2 2 2 U1  K10Eг  K1иЕг Г 2  2K10 K1иЕг Г cos  ; (1) 2 2 2 U2  K 2 Eг  K 2иЕг Г 2  2K 20 K 2иЕг Г cos  , (2) 20 2 де: K10, K1и, K20 K2и - модулі комплексних коефіцієнтів передачі (ККП) детекторних головок Д1 - 11 і Д2 - 10 з боку опорного і вимірювального каналів, відповідно; Ег - модуль комплексної амплітуди хвилі генератора; Г - модуль комплексного коефіцієнта відбиття досліджуваного пристрою; φ - фаза комплексного коефіцієнта відбиття. Внаслідок квадратичного детектування, напруга U1, що знімається з діода головки Д1, 2 2 дорівнює сумі квадратів модулів комплексних амплітуд хвиль, відгалужених з опорного - K 10 E г і 2 2 вимірювального - K 1иEг Г 2 каналів, плюс подвоєний добуток від перемноження модулів на косинус зсуву фаз. Аналогічно визначається і напруга U2; лише знак мінус перед подвоєним добутком від перемноження модулів обумовлений тим, що зсув фаз між відгалуженими хвилями змінився на 180 градусів. Виміряні значення напруг з детекторних головок залежать від параметрів досліджуваного пристрою - Г, φ і власних еквівалентних констант мікрохвильової частини вимірювача. Для вирішення системи рівнянь (1), (2) відносно Г і φ спочатку необхідно визначити ці константи. Визначення власних констант здійснене в результаті проведенні двох калібрувальних операцій. Перша калібрувальна операція. До плеча 4 двонаправленого відгалужувача під'єднуємо узгоджене навантаження; при цьому Г = Гсн = 0. Підставляючи в (1) і (2) значення Г = 0, отримаємо наступні значення калібрувальних сигналів U11 і U21: 2 2 U11  K 10 Eг ; (3) 2 U21  K 2 Eг . (4) 20 Друга калібрувальна операція. До плеча 4 ДНВ під'єднуємо короткозамикач, а до плеча 7 двонаправленого відгалужувача   узгоджене навантаження; при цьому, Г  Г к  expj , тобто Г = 1, φ = . Підставивши ці значення в (1), (2), отримуємо калібрувальні сигнали U12, U22 при другому калібруванні: 2 2 U12  K 1иEг ; (5) 2 U22  K 2иEг . (6) 2 Після калібрування схема приладу відновлюється. 2 Як легко помітити, константа - 2K10 K1иEг у третьому члені рівняння (1) дорівнює 2 2 2 2 2 2K10K1иEг  2 K10Eг K1иEг  2 U11U12 . (7) 2 UA 101437 C2 2 Константа - 2K 20 K 2иEг у третьому члені рівняння (2) дорівнює 5 2 2 2 2K 20K 2иEг  2 K 2 Eг K 2иEг  2 U21U22 . (8) 20 2 Таким чином, в результаті проведення двох калібрувальних операцій визначені присутні в рівняннях (1), (2) власні константи мікрохвильової частини вимірювача, і ці рівняння можуть бути представлені з урахуванням (3)...(8) у наступному вигляді: U1  U11  U12Г 2  2 U11U12Г cos  ; (9) U2  U21  U22Г 2  2 U21U22Г cos  . (10) 2 2 З отриманих рівнянь знаходимо невідомі величини Г і Гcos φ. Для визначення Г величину Г cos φ знаходимо з рівняння (9) і підставляємо її в рівняння (10): 10 Г cos   U1  U11  U12Г 2  Г cos   ; (11) 2 U11U12 U2  U2К1  U22Г 2 . (12) 2 U21U22 Після перетворення рівнянь (11), (12) отримаємо вираз для коефіцієнта відбиття по 2 потужності досліджуваного пристрою Г : U1  U11  U12Г 2 15 2 U11U12 звідки U1  U11 Г2  2 U11U12 U12   U2  U21  U22Г 2 ; 2 U21U22 U2  U21 2 U21U22 . (13) U22  2 U11U12 2 U21U22 Підставивши (11) в (9), знайдемо φ:  20 25 30 35 40 U 1   U11  U12Г 2 Г (14) 2 U11U12 Таким чином, для визначення модуля і аргументу комплексного коефіцієнта відбиття необхідно виміряти сигнали з датчиків потужності при підключенні до двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача досліджуваного пристрою і при проведенні калібрувань. Проте, необхідно визначити не лише чисельне значення аргументу косинуса, але і його знак. Відомо декілька способів визначення знака аргументу, але всі вони вимагають введення в схему додаткового структурного елемента. Нижче розглянемо спосіб визначення знака без внесення змін до конструкції мікрохвильового перетворювача. Дане завдання вирішується шляхом незначної зміни частоти вимірювального генератора відносно початкової f і порівняння обчислених модулів аргументів φx(f) і φx(f + Δf). Помістивши у вимірювальний канал між вихідним плечем первинного каналу двоканального відгалужувача і досліджуваним пристроєм відрізок регулярного хвилеводу довжиною L 1, отримаємо додатковий фазовий зсув ψ1 між опорною і прохідною хвилями: 2L1 1  B де В - довжина хвилі в хвилеводі, яка дорівнює C , B  2 2 f  fкр де fкр - критична частота хвилеводу. Якщо допустити, що при малому збільшенні частоти Δf параметри Г і φ залишаються приблизно незмінними, то за рахунок додаткової довжини L 1 можна отримати помітне збільшення φ на величину Δφ. Поява набігу Δφ приведе до зміни значення аргументу φ:   f  f   f    . Знак аргументу визначається однозначно: якщо  f  f   f  , то f   0 ; 3 UA 101437 C2 5 10 15 якщо  f  f   f  , то f   0 ; Таким чином, здійснюється визначення знака аргументу комплексного коефіцієнта відбиття без зміни конструкції перетворювача. На практиці значення Δφ, отже, φ (f) і φ (f + Δf) визначаються на двох сусідніх дискретних частотах. Напруги з датчиків потужності двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача надходять на пристрій сполучення комп'ютера з ДДХЩП і генератором. За розробленою програмою визначення модуля і аргументу комплексного коефіцієнта відбиття досліджуваного пристрою здійснюється на кожній дискретній частоті робочого діапазону. Результати відображаються в графічній і табличній формі на дисплеї ЕОМ. Таким чином, запропонований досить точний вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття, що калібрується, побудований на основі широкосмугового двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача. Виключення впливу на результат вимірювання заважаючої дії власних констант, НВЧ частини приладу здійснено через проведення нескладних калібрувальних операцій. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття, що складається з генератора НВЧ, двонаправленого відгалужувача, узгоджених навантажень, двоканального хвилевіднощілинного перетворювача, що містить вимірювальний і опорний канали та детекторні головки, який відрізняється тим, що перетворювач має дві детекторні головки, встановлені між каналами, при цьому одна з них збуджується поперечними щілинами зв'язку, а інша подовжніми, що прорізані в опорному і вимірювальному каналах, при цьому центри щілин знаходяться в одній поперечній площині, забезпечуючи фазовий зсув 90° між відгалуженими хвилями в діапазоні частот хвилеводу. 4 UA 101437 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 5