Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття

Реферат: UA 104257 U UA 104257 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки радіовимірювань, а саме до вимірювальної техніки у міліметровому діапазоні довжин радіохвиль, і може бути використана як аналізатор комплексного коефіцієнта відбиття при розробці та тестуванні параметрів НВЧ-пристроїв, які використовуються, наприклад, у антенно-хвилеводній техніці, у медицині, у космічній радіолокації та не руйнуючому контролі параметрів деталей і машин. Відомо пристрій для вимірювань комплексного коефіцієнта відбиття, який містить генератор, спрямований відгалужувач, чотири хвилеводних щілинних мости, чотири детектори, які з'єднані з індикаторами потужності, та навантаження з невідомим комплексним коефіцієнтом відбиття (Патент США, № 4 104 583, НКИ 324-58, 1978). З застосуванням цього винаходу розроблені автоматизовані аналізатори кіл надвисоких частот для вимірювань параметрів чотирьох полюсників та комплексного коефіцієнта відбиття від навантажень (наприклад, Система векторного аналізу Anritsu VectorStar МЕ7828А). Недолік цих приладів полягає у тому, що вони мають складну конструкцію узгодженого вимірювального перетворювача та потребують попередню калібровку своїх параметрів з використанням щонайменше чотирьох еталонів комплексного коефіцієнта відбиття. Найбільш близьким за фізичною суттю до корисної моделі є пристрій, який містить розв'язаний надвисокочастотний генератор, гібридне з'єднання, виконане у вигляді перетину в одній площині двох НВЧ ліній передач, перше плече якого є вхідним, а четверте є вихідним для приєднання невідомого навантаження для дослідження, між виходом генератора та першим плечем гібридного з'єднання послідовно розташовані опорний спрямований детектор вихідної хвилі генератора та перший спрямований детектор відбитої хвилі з гібридного з'єднання, друге плече гібридного з'єднання підключено до другого спрямованого детектора вихідної хвилі, а третє - до третього спрямованого детектора вихідної хвилі, пристрій містить блок аналогоцифрових перетворювачів, до якого підключені вихідні сигнали від спрямованих детекторів і контролер, вихідні порти якого підключені до блока аналого-цифрового перетворювача та до генератора, а вхідний порт підключено до електронної обчислювальної машини, між неоднорідністю гібридного з'єднання та неоднорідністю невідомою навантаження міститься резонатор на відбиття (патент на корисну модель № 62293 кл. G 01 R 19/25, G 01 R 27/32, 2011). Головний недолік даного пристрою - велика похибка вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття (яка дорівнює 10 %), яка пов'язана з тим, що між неоднорідністю гібридного з'єднання та неоднорідністю невідомою навантаження міститься резонатор на відбиття, внаслідок чого з'являється залежність значення модуля невідомого коефіцієнта відбиття і похибки вимірювання від фази невідомого навантаження (Карлов В.А. 26-ГГц векторный анализатор цепей // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 6/11 (60) - Харьков, 2012. - С. 52-55). Задача корисної моделі - зменшення похибки вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття для пристроїв, які використовують у вимірювальному перетворювачі багатоплечу неоднорідність, при їх застосуванні у антенно-хвилеводній техніці, у медицині, у космічній радіолокації та неруйнуючому контролі параметрів деталей і машин. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій, який містить розв'язаний надвисокочастотний генератор, гібридне з'єднання, виконане у вигляді перетину в одній площині двох НВЧ ліній передач, перше плече якого є вхідним, а четверте є вихідним для приєднання невідомого навантаження для дослідження, між виходом генератора та першим плечем гібридного з'єднання послідовно розташовані опорний спрямований детектор вихідної хвилі генератора та перший спрямований детектор відбитої хвилі з першого плеча гібридного з'єднання, друге плече гібридного з'єднання підключено до другого спрямованого детектора вихідної хвилі, а третє - до третього спрямованого детектора вихідної хвилі, пристрій містить блок аналого-цифрових перетворювачів, до якого підключені вихідні сигналів від спрямованих детекторів і контролер, вихідні порти якого підключені до блока аналого-цифрового перетворювача та до генератора, а вхідний порт підключено до електронної обчислювальної машини, між неоднорідністю гібридного з'єднання та неоднорідністю невідомою навантаження міститься резонатор на відбиття, додатково введені керуючий фазообертач, вхід якого з'єднано з вихідним плечем гібридного з'єднання, а вихід - з розніманням вимірювача для підключення невідомого навантаження, двигун, ротор якого з'єднано з ротором фазообертача, щілинний оптоелектронний перемикач, який міститься на статорі фазообертача, блок керування фазообертачем, який підключено до двигуна, оптоелектронного перемикача та до контролера електронної обчислювальної машини. На фіг. 1 наведена структурна схема пристрою для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття. 1 UA 104257 U 5 10 15 20 Пристрій містить: 1 - генератор надвисоких частот, який програмується; 2 - вентиль; 3 - опорний спрямований детектор (ДС0) вихідної хвилі генератора; 4 - перший спрямований детектор (ДС1) відбитої хвилі з першого плеча гібридного з'єднання; 5 - гібридне з'єднання; 6 - другий спрямований детектор (ДС2) вихідної хвилі з другого плеча гібридного з'єднання; 7 - узгоджене навантаження; 8 - третій спрямований детектор (ДС3) вихідної хвилі з третього плеча гібридного з'єднання; 9 - блок аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), який програмується; 10 - контролер; 11 - електронна обчислювальна машина (ЕОМ); 12 - невідоме навантаження для дослідження; 13 - резонатор на відбиття; 14 - рознімання вимірювача для підключення невідомого навантаження; 15 - керуючий фазообертач; 16 - двигун кроковий; 17 - щілинний оптоелектронний перемикач; 18 - блок керування фазообертачем. На фіг. 2 представлено розміщення основних параметрів математичної моделі (1) вимірювача, центрів Q1 Q2 Q3, на геометричній моделі віртуального комплексного коефіцієнта відбиття G, який зв'язано з коефіцієнтом відбиття Г невідомого навантаження наступним * *   перетворенням: G  Г 1  S 44Г . 1  S 44Г 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 3 представлена фотографія розміщення блоків, які забезпечують автоматизацію фокусування фазообертача на невідому неоднорідність. Перечень блоків: 5 - гібридне з'єднання, виконане у вигляді перетину в одній площині двох НВЧ ліній передач, Е - площиний хрест; 12 - невідоме навантаження для дослідження; 13 - резонатор на відбиття; 15 - керуючий фазообертач; 16 - двигун кроковий; 17 - щілинний оптоелектронний перемикач; 18 - блок керування фазообертачем (18а - плата драйверу для керуючого фазообертача, 18б - мікропроцесорна плата). Структурна схема пристрою, яка відображена на фіг. 1, відрізняється від структурної схеми, яка була застосована у аналогу (патент на корисну модель № 62293 кл. G 01 R 19/25, G 01 R 27/32, 2011), тим, що у каналі резонатора на відбиття 13 міститься фазообертач 15, а також додатково введені блоки 16, 17, 18, які забезпечують проведення досліджень у автоматичному режимі. Як свідчить з фіг. 2, коли значення фази коефіцієнта відбиття дорівнює 0° - резонатор на відбиття сфокусовано, при цьому показання індикатора Р2 і радіус окружності з центром Q2 максимальні. Коли значення фази коефіцієнта відбиття дорівнює 180° (РІ) - резонатор на відбиття розфокусовано (невідома неоднорідність знаходиться у нестабільному вузлі індикатора потужності Р2). На фіг. 3 представлені основні блоки, з використанням яких забезпечуються реалізація представленого технічного рішення в автоматизованому режимі вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття. Ротор фазообертача 15 механічно з'єднано з ротором крокового двигуна 16 типу ДШИ-200-1-2. Плата 18а драйвера блока 18 для крокового двигуна 16 реалізовано на мікросхемах L298N і L6506 згідно з їх технічним описом. У мікроконтролерній платі 18б блока 18 застосовано AVR-мікроконтролер ATtiny2313. З використанням "старт-стопного" режиму порт-В ATtiny2313 забезпечує циклічну зміну фази двигуна 16. Імпульс "старт" надходить від ЕОМ до порту-D ATtiny2313 і за цим імпульсом кроковий двигун 16 здійснює два обороти з частотою 100 Гц. На статорі фазообертача 15 міститься щілинний оптоелектронний перемикач 17, типу KTIR0421DS. Коли у динамічному режимі фаза фазообертача 15 має значення "нуль" градусів, оптоелектронний перемикач 17 передає імпульс у блок АЦП. Функціонування пристрою здійснюється таким чином (фіг. 1). Після підключення невідомого навантаження 12 (або узгодженого навантаження при градуюванні індикаторів потужності) до 2 UA 104257 U 5 10 пристрою, кроковий двигун 16 змінює фазу фазообертача 15 на 360°; щілинний оптоелектронний перемикач 17 видає у блок АЦП імпульс, коли показання фазообертача 15 дорівнюються "нуль" градусів; цим імпульсом здійснюється запуск АЦП 9 і у пам'ять ЕОМ 0 0 передається n-пакетів (n=900) значень індикаторів потужності Р0, Р1, Р2, Р3 (Pi , P0 ). Для обчислення фази невідомого коефіцієнта відбиття треба обрати пакет показань індикаторів потужності P0, P1, P2, P3, який відповідає нульовій фазі фазообертача 15. Як свідчить з фіг. 2, коли значення фази коефіцієнта відбиття дорівнює 180° (РІ) - резонатор на відбиття роз фокусовано (невідома неоднорідність знаходиться у нестабільному вузлі індикатора потужності Р2), тому для обчислення модуля коефіцієнта відбиття треба обрати декілька (наприклад, N=200) пакетів показань індикаторів потужності P0, P1, P2, P3, які знаходяться у зоні максимальних значень індикатора потужності Р2.  Математична модель вимірювача для обчислення комплексного коефіцієнта відбиття Г , яка знаходиться у пам'яті ЕОМ, має такий вигляд: ~ 0  Si0 P0  P A4 1  2   A 4  Qi  0 0 i ; Г  , i  1 2, 3 , (1) ,  P P  0  S0  A Si4 i S 41  44  4 0 15 0 де S ij - розрахункові значення коефіцієнтів матриці розсіювання подільника потужності 5;  S0  0,4 - коефіцієнт відбиття від неоднорідності подільника потужності 5, який утворює 44 резонатор на відбиття 13 у вихідному четвертому плечі;    Qi  Si0 / Si0 - центри окружностей квадратних рівнянь (1); 1 4 20 0 Pi0 , P0 - значення вихідних сигналів спрямованих детекторів (ДС) при підключенні до   пристрою еталонного навантаження з відомим коефіцієнтом відбиття Г , наприклад, Г  0 ; 0 0 Pi , P0 - значення вихідних сигналів спрямованих детекторів при підключенні до пристрою  навантаження з невідомим коефіцієнтом Г . Після обробки по математичній моделі (1), 25 30 35 40 45 50 55 наприклад, N=200 пакетів показань індикаторів потужності, які знаходяться у зоні максимальних значень індикатора потужності Р2, маємо 200 значень комплексного коефіцієнта відбиття Г. В вибрані 200 значень комплексного коефіцієнта відбиття, наприклад, методом найменших квадратів, вписуємо окружність, радіус цієї окружність є невідомий модуль коефіцієнта відбиття. Залежність фази невідомого коефіцієнта відбиття від n-пакетів значень індикаторів потужності Р0, Р1, Р2, Р3 має, приблизно, лінійну залежність. Так як відомо, що при n=0 фаза фазообертача дорівнюється нулю градусів, то, наприклад, методом найменших квадратів знаходиться і фаза невідомого коефіцієнта відбиття. Таким чином, призначення фазообертач 15 наступне: спочатку сфокусувати вимірювач на  невідому неоднорідність, а потім обчислювати коефіцієнт відбиття Г навантаження - в наслідок чого похибка вимірювання невідомого комплексного коефіцієнта відбиття не залежить від фази невідомого навантаження. За результатами експериментальних досліджень запропонований пристрій має похибку вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття, яка дорівнює 1 % у режимі "фіксована частота" і 2 % у режимі "векторна панорама" (Карлов В.А. Вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття методом багатоплечої Е-площинної відлікової неоднорідності // У збірнику Міжнародної наук.-техн. конференції "Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та системи", КПІ, Київ, 2015, с. 9496. Available at http://reseachgate). Розглянутий пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття належить до класу приладів "векторні аналізатори кіл" і може бути використаний в усіх міліметрових діапазонах довжин хвиль. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття, що містить розв'язаний надвисокочастотний генератор, гібридне з'єднання, виконане у вигляді перетинання в одній площині двох НВЧ ліній передач, перше плече якого є вхідним, а четверте є вихідним для приєднання невідомого навантаження для дослідження, між виходом генератора та першим плечем гібридного з'єднання послідовно розташовані опорний спрямований детектор вихідної хвилі генератора та перший спрямований детектор відбитої хвилі з гібридного з'єднання, друге плече гібридного з'єднання підключено до другого спрямованого детектора вихідної хвилі, а третє - до третього спрямованого детектора вихідної хвилі, пристрій містить блок аналогоцифрових перетворювачів, до якого підключені вихідні сигнали від спрямованих детекторів і 3 UA 104257 U 5 контролер, вихідні порти якого підключені до блока аналого-цифрового перетворювача та до генератора, а вхідний порт підключено до електронної обчислювальної машини, між неоднорідністю гібридного з'єднання та неоднорідністю невідомого навантаження знаходиться резонатор на відбиття, який відрізняється тим, що в пристрій введені керуючий фазообертач, вхід якого з'єднано з вихідним плечем гібридного з'єднання, а вихід - з розніманням вимірювача для підключення невідомого навантаження, двигун, ротор якого з'єднано з ротором фазообертача, щілинний оптоелектронний перемикач, який міститься на статорі фазообертача, блок керування фазообертачем, який підключено до двигуна, оптоелектронного перемикача та до контролера електронної обчислювальної машини. 4 UA 104257 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5