Вимірювач комплексних параметрів нвч пристроїв

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 комплексних параметрів НВЧ пристроїв складається з пристрою індикації, НВЧ генератора, двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача, досліджуваного пристрою, U-подібного 180° вигину, відрізка регулярного хвилеводу, який дорівнює за довжиною досліджуваному чотириполюснику, і узгодженого навантаження. Вимірювач комплексних параметрів НВЧ пристроїв може працювати як в режимі вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття, так і в режимі вимірювання комплексного коефіцієнта передачі. UA 99989 C2 (12) UA 99989 C2 UA 99989 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. Відомий рефлектометричний спосіб вимірювання модуля і аргументу комплексного коефіцієнта передачі (ККП) і комплексного коефіцієнта відбиття (ККВ). Вимірювач ККП, який ґрунтується на порівнянні амплітуд падаючої і тієї, що пройшла через досліджуваний пристрій, хвиль, і вимірювач ККВ, який ґрунтується на порівнянні амплітуд падаючої і відбитої від досліджуваного пристрою хвиль. Недоліком способу є неможливість визначення аргументу ККП і ККВ [Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах /Ф. Тишер. - М.: Физикоматематическая литература, 1963. - С. 158.] Відомі вимірювачі комплексних коефіцієнтів відбиття і передач, побудовані на основі чотиридетекторних датчиків [Бондаренко И.К., Дейнега Г.А., Маграчев З.В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. - М.: Сов.радио, 1969. - С. 63, рис. 2.19; С. 72, рис. 2.26]. Недоліком вимірювачів є велика частотна похибка, 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 іншої пари детекторних головок фазовий зсув у діапазоні частот мало змінюється, а фазовий зсув між суміжними головками цих пар дуже залежить від частоти. І ця обставина призводить до великої похибки вимірювання модуля і аргументу комплексного коефіцієнта передач і комплексного коефіцієнта відбиття в діапазоні частот хвилеводу. Так само відомий універсальний амплітудно-фазовий перетворювач НВЧ сигналів, призначений для вимірювання комплексних коефіцієнтів відбиття і передачі [Баканов С.А., Недвецкий В.Б., Саламатин В.В. Универсальный амплитудно-фазовый преобразователь СВЧ сигналов. Вопросы радиоэлектроники, серия: Радиоизмерительная техника (РТ), вып. 7, 1971. С. 57], позбавлений вищезгаданого недоліку і є широкосмуговим. З чотирьох детекторних головок лише дві реагують одночасно і на падаючу, і на відбиту хвилі. Фазовий зсув між ними має бути постійним у діапазоні частот, що і реалізовано в НВЧ перетворювачі. Дві інші головки фазово незалежні, оскільки одна з них реагує лише на падаючу хвилю, а інша - на відбиту. Недоліком даного вимірювача є наявність двох каналів (опорного і вимірювального) і подільника потужності, які ускладнюють конструкцію хвилевідного перетворювача і призводять до додаткових похибок. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є "Вимірювач S-параметрів хвилевідного чотириполюсника" [Патент 17342А, Україна, Вимірювач S-параметрів хвилевідного чотириполюсника / В.В. Саламатін, І.В. Лащенко. - № 95062783; Заявл. 14.06.95; Опубл. 01.04.97], яке містить послідовно з'єднані генератор НВЧ, вхідний хвилевід однодетекторного датчика, досліджуваний чотириполюсник, 180-градусний плавний хвилевідний вигин, вихідний хвилевід однодетекторного датчика з узгодженим навантаженням; детекторну головку однодетекторного датчика, виконану у вигляді відрізка позамежного хвилеводу з симетрично встановленим НВЧ діодом, розташовану між широкими стінками прямокутних хвилеводів датчика і пов'язану з ними за допомогою двох пар похилих щілин (І і II, що прорізані в широкій стінці вхідного хвилеводу, І" і II", що прорізані в широкій стінці вихідного хвилеводу) зі встановленими в них р-і-n діодами; вихід НВЧ діода детекторної головки приєднаний до зв'язаного з ЕОМ індикаторного пристрою. Недоліком прототипу є необхідність установлення в щілинах зв'язку детекторної головки р-іn діодів, які перемикають щілини на відкриті або закриті режими роботи. Операція встановлення р-і-n діодів є складним технологічним процесом. Конструкція датчика при цьому ускладнюється, а надійність через наявність р-і-n діодів істотно зменшується. У пропонованому хвилевіднощілинному перетворювачі р-і-n діоди виключені з вимірювальної схеми. Крім того, в прототипі щілинні зв'язки, що збуджують детекторну головку, є похилими. Оптимальне рознесення щілин і кути їх нахилу забезпечують малозалежне від частоти фазовий зсув відгалужуваних хвиль, рівний 90° ± 5° в діапазоні частот хвилеводу. Відхилення фазового зсуву від 90° призводить до появи частотної погрішності. У пропонованому вимірювачі ця похибка виключена, оскільки детекторні головки збуджуються одна - поперечною, інша - подовжньою щілинами, в цьому випадку фазовий зсув між відгалужуваними хвилями залишається рівним 90° у всьому діапазоні частот хвилеводу. Технічною задачею винаходу є спрощення конструкції і технології виготовлення хвилевіднощілинного перетворювача, підвищення надійності роботи, зменшення похибки і зниження вартості при тих же функціональних можливостях вимірювача, тобто вимірювання як комплексного коефіцієнта передачі, так і комплексного коефіцієнта відбиття, не збільшуючи похибки вимірювання і його широкосмуговості. Для цього між хвилеводами перетворювача 1 UA 99989 C2 5 10 15 20 25 30 встановлені дві детекторні головки, одна з яких пов'язана з хвилеводами поперечними щілинами, інша - подовжніми, такими, що прорізають в широких стінках з різних боків від осьової лінії і центри яких знаходяться в одній поперечній площині. Вимірювач комплексних параметрів НВЧ пристроїв (кресл.) складається з пристрою індикації 1, НВЧ генератора 2, двоканального дводетекторного хвилевідно-щілинного перетворювача 3, досліджуваного пристрою 4, U-подібного 180° вигину 5, відрізка регулярного хвилеводу 6, який дорівнює за довжиною досліджуваному чотириполюснику, і узгодженого навантаження 7. Двоканальний дводетекторний хвилевідно-щілинний перетворювач 3 (ДДХЩП) складається з двох відрізків прямокутного хвилеводу, пов'язаних між собою двома детекторними головками, виконаними у вигляді відрізків позамежних хвилеводів з симетрично розташованими в них НВЧ діодами, які збуджуються двома ідентичними парами щілин зв'язку І-II і III-IV. Центри подовжніх щілин І, III і поперечних - II і IV знаходяться в одній поперечній площині. Проте, для наочності зображення, детекторні головки Д1 і Д2 на кресленні рознесені на електричну відстань, відповідну 90° зсуву хвиль між ними. Вимірювач комплексних параметрів НВЧ пристроїв може працювати як в режимі вимірювання комплексного коефіцієнта відбуття (ККВ), так і в режимі вимірювання комплексного коефіцієнта передачі (ККП). На вхід одного з хвилеводів ДДХЩП 3 надходить НВЧ сигнал від генератора 2. До вихідного фланця цього хвилеводу підключається досліджуваний пристрій (чотириполюсник) 3, модуль Г і аргумент  ККВ, а також модуль Т і аргумент  ККП якого підлягають визначенню. Сигнали з детекторних головок ДДХЩП 3 надходять на пристрій індикації 1, де відображаються результати вимірювання Г і , Т і . Робота вимірювача комплексних параметрів НВЧ пристроїв у режимі вимірювання модуля і фази ККВ. При вимірюванні комплексного коефіцієнта відбиття до виходу досліджуваного чотириполюсника приєднується узгоджене навантаження. Розглянемо роботу вимірювача ККВ для ідеалізованого випадку, коли вихід генератора ідеально узгоджений. Враховуючи 90° фазовий зсув між хвилями, відгалужуваними щілинами, і квадратичне детектування НВЧ сигналів діодами детекторних головок, вирази для напруг, що знімаються з детекторних головок, мають вигляд: 2 2 U1  k1Eг (1  Г 2  2Г cos ); U2  k 2Eг (1  Г 2  2Г cos ) , (1) де k1, k2 - коефіцієнти передачі детекторних головок; 2 E г - квадрат модуля комплексної нормованої амплітуди хвилі генератора; 35 Г і  - модуль і аргумент ККВ входу досліджуваного чотириполюсника. Сигнали з детекторних головок несуть інформацію про модуль Г і аргумент  ККВ. Проте, 2 2 через множники k 1E г і k 2Eг які невідомі, вирішення рівнянь (1) неможливе. Величини цих помножувачів можна визначити, якщо провести калібрування вимірювача по узгодженому навантаженню, для якого Г = 0. При цьому отримаємо два калібрувальні рівняння: 40 2 2 U1к  k1Eг ; U2к  k 2Eг . (2) Спільне вирішення вимірювальних (1) і калібрувальних (2) рівнянь дозволяє визначити модуль і аргумент ККВ досліджуваного пристрою. Розділивши U1, і U2 на U1к і U2к відповідно, отримаємо: U1 U2  1  Г 2  2Г cos   1  Г 2  2Г cos  U1к U2к ; , (3) 45 звідки Г U 1  U1   2 2  U1к U2к       arccos       1   ; (4)       U1  U2 1    U  U  1 2  1к 2к   . (5) U 1  U1   2 4  U1к U2к      Таким чином, для визначення модуля і аргументу ККВ необхідно виміряти сигнали з детекторних головок при підключенні до ДДХЩП 3 досліджуваного чотириполюсника і при 2 UA 99989 C2 5 10 калібруванні по узгодженому навантаженню і обробки за наведеним вище алгоритмом (4, 5), на кожній частоті робочого діапазону. Робота вимірювача комплексних параметрів НВЧ пристроїв у режимі вимірювання модуля і фази ККП. Хвиля від генератора 2, пройшовши крізь досліджуваний пристрій 4, надходить до верхнього каналу ДДХЩП 3. На діоди НВЧ щілинами зв'язку, що прорізані в широкій стінці верхнього хвилеводу, відгалужуються сигнали, пропорційні амплітуді хвилі, що пройшла. Крім того, при роботі вимірювача в даному режимі на діоди детекторних головок впливають ще два НВЧ сигнали: один пропорційний амплітуді падаючої хвилі, інший - відбитої. Розглянемо роботу вимірювача ККП для випадку, що ідеалізується, коли вихід генератора ідеально узгоджений. Вирази для напруг U1Т, і U2Т, що знімаються з детекторних головок, мають вигляд: 2 U1T  k1Eг (1  Г 2  Т 2  2Г cos   2T cos   2ГТ cos(   )) ; (6) 15 2 U2T  k 2Eг (1  Г 2  Т 2  2Г cos   2T cos   2ГТ cos(    )) ; (7) де Т і  - модуль і аргумент ККП досліджуваного чотириполюсника. Спільне вирішення вимірювальних (6), (7) і калібрувальних (2) рівнянь дозволяє виключити 2 2 помножувачі k 1E г і k 2Eг . Вимірювальні рівняння набувають вигляду: U1T  1  Г 2  Т 2  2Г cos   2T cos   2ГТ cos(    ) U1K ; (8) U2 T  1  Г 2  Т 2  2Г cos   2T cos   2ГТ cos(    ) U2K . (9) 20 Враховуючи (3), U1  1  Г 2  2Г cos  U1K ; (10) U2 2  1  Г  2Г cos  U2K , (11) U1 U1K , 25 U2 U 2K де - результати вимірювань сигналів з детекторних головок при роботі вимірювача в режимі вимірювання ККВ, рівняння (8) і (9) з урахуванням (10) і (11) набувають вигляду: U1T U  1  Т 2  2T cos   2ГТ cos(    ) U1K U1K ; (12) U2 T U2   Т 2  2T cos   2ГТ cos(    ) U2K U2K . (13) 30 Оскільки модуль і аргумент ККВ вже виміряні, невідомими в цих двох рівняннях є модуль Т і аргумент  ККП. Для їх визначення перетворимо рівняння шляхом їх підсумовування і віднімання.  U1T U1  U  U 1K  1K   U2T U2   U  U 2K   2K    2Т 2  4ГТ cos(   )   ; (14)  U1T U1  U  U 1K  1K   U2T U2   U  U 2K   2K    4Т cos    . (15) Для скорочення запису введемо позначення лівих частин рівнянь:  U1T U1  U  U 1K  1K 35   U2T U2   U  U 2K   2K  M   ; (16)  U1T U1  U  U 1K  1K   U2T U2   U  U 2K   2K  H   . (17) М і Н підставимо в рівняння (14) і (15) і проведемо додаткове їх перетворення: M  2Т 2 cos2   2Т 2 sin 2   4Г cos T cos   4Г sin T sin  ; (18) H T cos   4 ; (19) 3 UA 99989 C2 або, підставивши (19) у (18), отримаємо H2  2T 2 sin2   HГ cos   4ГТ sin  sin  8 . (20) T sin  . З рівняння (20) знаходимо M T sin  1,2  Г sin   5 Г 2 sin 2   H2 HГ cos  M   16 2 2 . (21) Єдиність вирішення рівняння (21) визначається конкретними значеннями знайдених параметрів: Г,  , Н, М. Зазначимо праву частину рівняння (21) символом Р, тобто T sin   P  Г sin   Г 2 sin 2   H2 HГ cos  M   16 2 2 . (22) Враховуючи (19), (22), модуль Т ККП буде дорівнювати T  T 2 cos2   T 2 sin 2   10 H2  P2 16 . Аргумент  ККП визначатиметься співвідношенням  4P    arctg   H . 15 Таким чином, для визначення модуля і аргументу ККП необхідно виміряти сигнали з детекторних головок при підключенні до ДДХЩП 3 досліджуваного пристрою 4, при калібруванні, при вимірі його ККВ з урахуванням запропонованого алгоритму обробки. У результаті вимірів ККП і ККВ, напруги з детекторних головок ДДХЩП 3 надходять на пристрій індикації 1, де відображуються результати вимірювання модуля і аргументу досліджуваного пристрою. Таким чином, запропоновано вимірювач, який дозволяє визначати, як комплексний коефіцієнт передачі, так і комплексний коефіцієнт відбиття хвилевідних пристроїв. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Вимірювач комплексних параметрів НВЧ пристроїв, що містить послідовно з'єднані генератор НВЧ, вхідний відрізок прямокутного хвилеводу хвилевідно-щілинного перетворювача, досліджуваний хвилевідний чотириполюсник, 180-градусний плавний хвилевідний вигин, відрізок регулярного хвилеводу, рівного по довжині досліджуваному чотириполюснику, вихідний відрізок прямокутного хвилеводу хвилевідно-щілинного перетворювача, погоджене навантаження, детекторну головку, виконану у вигляді відрізка позамежного хвилеводу з симетрично встановленим НВЧ діодом, розташованим між широкими стінками прямокутних хвилеводів перетворювача, вхід, який з'єднаний з індикаторним пристроєм, який відрізняється тим, що між хвилеводами перетворювача встановлені дві детекторні головки, одна з яких зв'язана з хвилеводами поперечними щілинами, інша - подовжніми, такими, що прорізані в широких стінках з різних боків від осьової лінії, і центри яких знаходяться в одній поперечній площині. 4 UA 99989 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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