Вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття

Вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття, який містить генератор НВЧ, блок дискретної перебудови частоти, хвилеводний перетворювач з відрізком прямокутного хвилеводу, на широкій СТІНЦІ якого прорізані дві похилі щілини, які забезпечують слабку залежність від частоти 90градусного фазового зсуву між відгалуженими сигналами, і встановлена детекторна головка, три пристрої вибірки і зберігання, два суматори сигналів, два блоки віднімання, два квадратори, блок добування квадратного кореня, арктангенсний перетворювач, два вимірювачі відношень, індикатор фази, індикатор модуля, блок управління, який відрізняється тим, що введені додатково три детекторні головки, пристрій вибірки і зберігання, чотири вимірювачі відношень, при цьому кожна з детекторних головок встановлена над однією з щілин перша головка - над подовжньою щілиною, друга - над першою похилою, третя - над поперечною, четверта - над другою похилою, причому центри поперечної і подовжньої щілин розташовані в поперечній площині хвилеводу, відносно якої похилі щілини симетричні, виходи детекторних головок приєднані першої - до першого входу першого вимірювача відношення і входу першого пристрою вибірки і зберігання, другої до першого входу другого вимірювача відношення і входу другого пристрою вибірки і зберігання, третьої - до першого входу третього вимірювача відношення і входу третього пристрою вибірки і зберігання, четвертої - до першого входу четвертого вимірювача відношення і входу четвертого пристрою вибірки і зберігання, виходи першого, другого, третього і четвертого пристроїв вибірки і зберігання приєднані до других входів ВІДПОВІДНИХ вимірювачів відношень, керівні входи всіх чотирьох пристроїв вибірки і зберігання приєднані до першого виходу блока управління, другий вихід блоки управління з'єднано через блок дискретного перестроювання частоти з входом управління генератора НВЧ, до виходу генератора НВЧ підключений відрізок хвилеводу хвилеводного перетворювача, вихідний фланець якого призначений для підключення калібрувального або досліджуваного навантажень, вихід першого вимірювача відношення з'єднано з першим входом першого суматора і першим входом першого блока віднімання пристрою, вихід третього вимірювача відношення сполучено з другим входом першого суматора і другим входом першого блока віднімання, вихід другого вимірювача відношення сполучено з першим входом другого блока віднімання, а вихід четвертого вимірювача відношення сполучено з другим входом другого блока віднімання, вихід першого блока віднімання приєднано до першого входу п'ятого вимірювача відношення і до входу першого квадратора, вихід другого блока, віднімання приєднано до другого входу п'ятого вимірювача відношення і до входу квадратора, а вихід п'ятого вимірювача відношення через арктангенсний перетворювач до входу індикатора фази, виходи першого і другого Винахід відноситься до радіовимірювальної техніки і може бути використаний при розробці широкосмугових НВЧ пристроїв та в системах вбудованого контролю і діагностики параметрів хвилеводних трактів і антен радіотехнічних систем квадраторів приєднані до ВІДПОВІДНИХ ВХОДІВ дру гого суматора, вихід якого через блок добування квадратного кореня сполучений з другим входом шостого вимірювача відношення, перший вхід якого приєднаний до виходу першого суматора, вихід шостого вимірювача відношення сполучено з входом індикатора модуля СО го 44133 ВІДОМІ вимірювачі комплексного коефіцієнта відбиття, побудовані на основі чотирьохдетекторних датчиків (Бондаренко И К Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов / И К Бондаренко, ГА Дейнега, 3 В Маграчев - М Сов радио, 1969 - С 63, рис 2 19, С 72, рис 2 26) Недоліками вимірювачів є великі похибки вимірювань в діапазоні частот хвилеводу, викликані істотною частотною залежністю зсуву фаз відгалужених сигналів, а також неідентичністю частотних характеристик коефіцієнтів передачі каналів детекторів Відомий також вимірювач, побудований на базі універсального чотирьохдетекторного амплітудно-фазового перетворювача сигналів, призначений для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття і передачі (Баканов С А Универсальный амплитудно - фазовый преобразователь СВЧ сигналов /С А Баканов, В Б Недвецкий, В В Саламатин // Вопросы радиоэлектроники Серия "Радиоизмерительная техника (РТ)" - 1971 - Вып 7 - С 57) У вказаному перетворювачі фазовий зсув між двома сигналами, що відгалужуються мало залежить від частоти, а два інших відгалужені сигнали фазонезалежні, оскільки один з них пропорційний амплітуді падаючої хвилі, ІНШІЙ амплітуді відбитої хвилі Тому частотна похибка вимірювача виходить малою Однак похибка із за неідентичності коефіцієнтів передачі детекторів залишається той же, як і в попередньому аналогу Крім цього недоліком аналога, що розглядається, є наявність двох каналів (опорного і вимірювального) і дільника потужності, які ускладнюють конструкцію хвилеводного перетворювача і призводять до додаткової похибки вимірювання параметрів Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття (АС СССР №1688193 Измеритель комплексного коэффициента отражения / И Л Афонин, В В Саламатин / кл G01R27/06 1991 - Бюл №40) Прототип містить генератор НВЧ з дискретною перебудовою частоти, двущілинний однодетекторний хвилеводний перетворювач з р-і-п діодами, розташованими в щілинах зв'язку хвилеводу з детекторною головкою, пристрій для обробки сигналів з детекторної головки, що включає три блоки вибірки і зберігання, два суматора, два блоки віднімання, арктангенсний перетворювач, блок витягання квадратного кореня, індикатор модуля, індикатор фази На фіксованій частоті НВЧ сигналу з детекторної головки послідовно у часі в пристрій обробки поступає три сигнали Ці сигнали формуються внаслідок збудження головки спочатку однією щілиною, потім другою і, нарешті, обома щілинами Перемикання щілин проводиться блоком управління за допомогою р-i-n ДІОДІВ Вказані три сигнали почергово поступають в блоки вибірки і зберігання індикаторного пристрою, а потім обробляються аналоговим шляхом Перехід на іншу частоту здійснюється по сигналу з блоку дискретного перестроювання частоти Розміщення р-i-n ДІОДІВ в щілинах зв'язку хвилеводів малих перетинів викликає технологічні труднощі і ускладнює конструкцію хвилеводного перетворювача При невірній установці р-i-n ДІОДІВ або недостатній їх КІЛЬКОСТІ щілина може бути не повністю перекрита, і, минулий через неї сигнал НВЧ, спотворить результат вимірювання, викличе додаткову похибку Таким чином, прототипу властиві ІСТОТНІ недоліки Технічною задачею винаходу є зменшення похибки вимірювання і підвищення технологічності виготовлення хвилеводного перетворювача Для цього удосконалення зазнають хвилеводний перетворювач і блок обробки Хвилевідний перетворювач являє собою відрізок прямокутного хвилеводу, на широкій СТІНЦІ якого прорізані чотири вузькі щілини, що збуджують хвилеводи детекторів Одна з щілин є поперечною відносно осі первинного хвилеводу, інша подовжньої, а дві щілини - похилі Центри поперечної і подовжньої щілин знаходяться в поперечній площині хвилеводу, похилі щілини симетричні відносно цієї площини Центри всіх щілин зв'язку видалені від вузьких стінок хвилеводу на однакові відстані Хо Фазовий зсув між сигналами, відгалуженими поперечною і подовжньою щілинами, не залежить від частоти і дорівнює 90° Фазовий зсув між сигналами, що відгалужуються похилими щілинами, близький до 90° і мало змінюється в діапазоні частот хвилеводу Максимальне відхилення фазового зсуву від 90° не перевищує 1,6° (Пащенко И В Учет протяженности щелей при синтезе и анализе волноводных элементов связи // Изв вузов Сер Радиоэлектроника - 1999 - № 1 - С, 33 - 38) Алгоритм перетворення вимірювальної інформації, реалізований в блоці обробки сигналів, враховує особливості хвилеводного перетворювача і забезпечує зменшення похибок вимірювань Суть винаходу вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття, що містить генератор НВЧ, блок дискретного перестроювання частоти, хвилеводний перетворювач з відрізком прямокутного хвилеводу, на широкій СТІНЦІ якого прорізані дві похилі щілини з 90-градусним фазовим зсувом між відгалуженими сигналами, що мало залежить від частоти, встановлена детекторна головка, три пристрої вибірки і зберігання, дві суматори сигналів, два блоки віднімання, два квадратори, блок добування квадратного кореня, арктангенсний перетворювач, два вимірювача відношень, індикатор фази, індикатор модуля, блок управління, ВІДМІННИЙ тим, що введені додатково три детекторні головки, пристрій вибірки і зберігання, чотири вимірювач" відношень, при цьому кожна з детекторних головок встановлена над однією з щілин перша головка - над подовжньою щілиною, друга - над першою похилою, третя - над поперечною, четверта - над другою похилою, причому центри поперечної і подовжньої щілин розташовані в поперечній ПЛОЩИНІ, ВІДНОСНО ЯКОЇ ПОХИЛІ ЩІЛИНИ симетричні, виходи детекторних головок приєднані першої - до першого входу першого вимірювача відношення і входу першого пристрою вибірки і зберігання, другої - до першого входу другого вимірювача відношення і входу другого пристрою вибірки і зберігання, третьої - до першого входу третього вимірювача відношення і входу третього пристрою вибірки і зберігання, четвертої - до першого входу четвертого вимірювача відношення і входу четвертого пристрою вибірки і зберігання, 44133 виходи першого, другого, третього і четвертого пристроїв вибірки і зберігання приєднані до других входів ВІДПОВІДНИХ вимірювачів відношення, керівні входи всіх чотирьох пристроїв вибірки і зберігання підключені до першого виходу блоку управління, другий вихід блоку управління сполучається через блок дискретної перебудови частоти з входом управління генератора НВЧ, до виходу генератора СВЧ підключений відрізок хвилеводу хвилеводного перетворювача, вихідний фланець якого призначається для підключення калібрувального або досліджуваного навантажень, вихід першого вимірювача відношення з'єднано з першим входом першого суматора і першого входу першого блока віднімання, вихід третього вимірювача відношення сполучено з другим входом першого суматора і другим входом першого блока віднімання, вихід другого вимірювача відношення сполучено з першим входом другого блока віднімання, а вихід четвертого вимірювача відношення приєднаний до другого входу другого блока віднімання, вихід першого блока віднімання приєднаний до першого входу п'ятого вимірювача відношення и входу першого квадратора, вихід другого блока віднімання сполучено до другого входу п'ятого вимірювача відношення і входу другого квадратора, а вихід п'ятого вимірювача відношення через арктангенсний перетворювач приєднано до входу індикатора фази, виходи першого и другого квадраторів приєднані до ВІДПОВІДНИХ ВХОДІВ другого суматора, вихід якого через блок добування квадратного кореня сполучається з другим входом шостого вимірювача відношення, перший вхід якого приєднаний до виходу першого суматора, вихід шостого вимірювача відношення до входу індикатора модуля У порівнянні з першим аналогом вимірювач, що пропонується, забезпечує більш високу точність вимірювання із - за істотного зменшення частотної похибки, пов'язаної з фазовими зсувами сигналів, і виключення похибки, яка зумовлена неідентичністю каналів детекторів У порівнянні з другим аналогом перетворювач, що пропонується, має більш просту конструкцію, а вимірювач є більш точним завдяки відсутності похибок, пов'язаних з неоднаковим розподілом потужності і неідентичністю детекторних каналів У порівнянні з прототипом вимірювач, що пропонується, має більш просту конструкцію хвилеводного перетворювача і більш досконалий пристрій обробки інформації, що дозволяє виключити не тільки похибки вимірювання із - за неідентичності каналів детекторів, але і похибку із - за відбиття від виходу генератора, яка має місце в прототипі Викладене дозволяє зробити висновок про більш високі споживчі властивості пристрою, що заявляється На фіг 1 показана функціональна схема високочастотного блоку вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття На фіг 2 показане розташування щілин і детекторних головок хвилеводного перетворювача На фіг 3 зображена схема блоку обробки вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття Високочастотний блок вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття (фіг 1) містить послідо 6 вно сполучені генератор Н8Ч 1 з частотою, що змінюється, хвилеводиий перетворювач 2, до якого приєднується хвилеводне навантаження 3, що досліджується Хвилеводний перетворювач (фіг 2) містить відрізок прямокутного хвилеводу 4, детекторну головку 5, пов'язану з хвилеводом подовжньою вузькою щілиною 9, детекторну головку 6, пов'язану з хвилеводом першою похилою щілиною 10, детекторну головку 7, пов'язану з хвилеводом поперечною щілиною 1 1 , детекторну головку 8, пов'язану з хвилеводом через другу похилу щілину 12 Виходи детекторів підключені до блоку обробки Блок обробки (фіг 3), містить чотири пристрої вибірки і зберігання 13, 14, 15, 16, шість вимірювачів відношень 17, 18, 19, 20, 2 1 , 22, два блоки віднімання 23, 24, два суматора 25, 26, два НВЧ 27, 28, блок добування квадратного кореня 29, арктангенсний перетворювач ЗО, блок управління 3 1 , блок дискретного перестроювання частоти 32, індикатор фази 33, індикатор модуля 34 Вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття працює таким чином Генератор НВЧ формує на дискретній частоті вимірювальний сигнал, який через щілини зв'язку поступаєна детекторні головки Д 1 , Д2, ДЗ, Д4 На ці ж головки поступає відбитий сигнал від навантаження, що досліджується Внаслідок інтерференції падаючої і відбитої хвиль сигнали з детекторів U-i, U2, U3, U4 несуть інформацію про модуль Гх і фазу к коефіцієнта відбиття навантаження, що досліджується Більш строга, в порівнянні з прийнятою в прототипі, математична модель хвилеводного перетворювача показує, що величини вказаних сигналів будуть залежати також від модуля Гх і фази % коефіцієнта відбиття генератора (1) (3) де к 1 , к2, кЗ, к4 коефіцієнти, що визначаються перехідними ослабленнями щілин, коефіцієнтами перетворення детекторів, Е г напруженість електричного поля сигналу генератора, д _ "І ^ . р ^ р і _ Фази комплексних коефіцієнтів відбиття об'єкта, що досліджується, і генератора приведені до поперечної площини, що проходить через центр щілини головки Д4 Калібрування вимірювача здійснюється по узгодженому навантаженню на тих же частотах, на яких проводиться вимірювання параметрів навантаження, що досліджується 44133 Для ідеального ~ к — Калібровочні сигнали з детекторів % ™ Д1, Д2, ДЗ, Д4 будуть мати вигляд ІЛ 8 Напруження UIK, ІІгк, Узк, ^4к на кожної з дискретних частот робочої смуги запам'ятовуються в блоках вибірки і зберігання, які керуються сигналами блоку управління При діленні ВІДПОВІДНИХ сигналів на калибровочні отримуємо узгодженого навантаження Т ' U, і ПІЙ? НЬД* (5) (6) І+І (7) 1 Г"" (8) Операції віднімання (U.5 - Uj), (Ua - Ug) і складання (U.5 + Uj) дають (9) (10) (11) Обчислимо (12) Отримане значення фази коефіцієнта відбиття відображається на індикаторі фази (13) Зводячи в квадрат Ug, Uю і складаючи результати, отримуємо (14) (15) •CCS' .і . і 1ВГ. A>• (16) Витягуючи корінь квадратний, знаходимо (17) 9 44133 10 Розділивши сумарний сигнал U'\'\ на U^, отримаємо і f~"' І 1+1 , (18) Отримане значення модуля Гхи коефіцієнта відбиття визначається на індикаторі модуля ВІДПОВІДНО ДО вираження (19) Коли , допоміжний коефіцієнт у = 1, а інша допоміжна величина (20) , при цьому Відносна похибка вимірювання модуля коефіцієнта відбиття із - за нерівності раженням Навіть при максимальному відхиленні й.іР. тично рівний одиниці описується коефіцієнт ' прак Похибкою вимірювання модуля коефіцієнта відбиття із-за А ш ^ 0 можна нехтувати Похибка вимірювання фази коефіцієнта відбиття може бути описана вираженням, (22) З вираження слідує, що максимальна похибка вимірювання фази коефіцієнта відбиття в смузі частот хвилеводу не перевищує "*sw Таким чином, вимірювач модуля і фази коефіцієнта відбиття, побудований на основі чотирьохдетекторного перетворювача, володіє високою точністю і широкосмужністю Похибки, пов'язані з неідентичністю коефіцієнтів передачі каналів к1, к2, кЗ к4, нерівномірністю потужності НВЧ генерах тора і в діапазоні частот і відбиттям від генератора, виключені калібруванням вимірювача і запропонованим алгоритмом обробки вимірювальних Ui U4 і калібровочних UKI UK4 сигналів з детекторних головок Частотна похибка вимірювання, пов'язана з ВІДМІННІСТЮ фазовий зсувів від номінальних значень в діапазоні частот, мінімізована завдяки запропонованому способу побудови хвилеводного перетворювача і алгоритму обробки сигналів детекторів Конструкція хвилеводного перетворювача істотно спрощена в порівнянні з прототипом за рахунок виключення р-i-n ДІОДІВ Вищенаведений алгоритм можна представити в наступному вигляді (23) 11 44133 12 (24) (25) (26) Цей алгоритм може бути реалізований як за допомогою описаної аналогової обробки, так і за допомогою ЕОМ 13 44133 14 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90