Спосіб вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття двополюсника

Реферат: Спосіб визначення комплексного коефіцієнта відбиття належить до радіовимірювальної техніки й може бути використаний при створенні вимірників амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик антен і інших радіотехнічних пристроїв. Спосіб заснований на поділі вимірювального сигналу на дві складові, формуванні модульованих по амплітуді НВЧ сигналів на частотах 1 і  2 , формуванні опорного й вимірювального каналів для кожної із цих складових, виділенні, вимірі, запам'ятовуванні калібрувальних сигналів на частотах 1 ,  2 , 1   2 і вимірювальних сигналів на частоті 1   2 і використанні цієї інформації для визначення модуля й фази коефіцієнта відбиття досліджуваного двополюсника. UA 104604 C2 (12) UA 104604 C2 UA 104604 C2 5 10 15 20 25 Спосіб вимірювання належить до радіовимірювальної техніки і може бути використаний при створенні вимірників амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик антен та інших радіотехнічних пристроїв. Технічною задачею винаходу є підвищення точності вимірювання амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик антен та інших радіотехнічних пристроїв у широкому діапазоні частот. Суть способу полягає в поділі безперервного НВЧ сигналу на дві складові, амплітудної модуляції НВЧ сигналу першою складовою частотою Ω1, другою складовою частотою Ω2, формуванні з кожної промодульованої складової сигналів опорного і вимірювального каналів, попередньому виділенні сигналу першого опорного каналу з частотою Ω1 від першої складової при короткозамикачі в першому опорному каналі, узгоджених навантаженнях замість досліджуваного двополюсника і короткозамикача в другому опорному каналі при відсутності сигналів від другої складової та вимірюванні амплітуди Uоп1, аналогічному виділення сигналу другого опорного каналу з частотою Ω 2 від другої складової при короткозамикачі в другому опорному каналі, узгоджених навантаженнях замість досліджуваного двополюсника і короткозамикача в першому опорному каналі при відсутності сигналу від першої складової і вимірі амплітуди Uоп2, попередньому виділення сигналу вимірювального каналу з частотою Ω 2 від другої складової при узгоджених навантаженнях у першому і другому опорних каналах, короткозамикач і замість досліджуваного двополюсника при відсутності сигналу від першої складової і вимірі амплітуди Uв им , аналогічному попередньому виділенню сигналу 1 вимірювального каналу з частотою Ω1, від першої складової при узгоджених навантаженнях у першому і другому опорних каналах, короткозамикачі замість досліджуваного двополюсника при відсутності сигналу від другої складової і вимірі амплітуди Uв им2 попередньому виділенні сигналів з частотою Ω1+Ω2 від першої і другої складових при трьох короткозамикачах, включених у перший і другий опорні канали і замість досліджуваного двополюсника, вимірі амплітуд U1, U2, виділенні сигналів з частотою Ω 1+Ω2 від першої і другої складових при двох короткозамикачах, включених у перший і другий опорні канали і досліджуваному двополюснику, вимірі амплітуд Uх1, Uх2, і визначенні Гх і αх за такими формулами:  Г x  K 1U x1  K 2U x 2  K 3  K 4U21  K 5U22  K 6U x1U x 2  K 7U x1  K 8U x 2  K 9 x x   q cos 1  q1 cos  2 ; sin  x  2 sin1   2   30 40 45 50    ; q2 sin 1  q1 sin  2 . sin1  2  Отримана інформація використовується для визначення комплексного коефіцієнта відбиття двополюсника. Винахід відноситься до радіовимірювальної техніки і може бути використаний при створенні вимірювачів комплексного коефіцієнта відбиття для дослідження амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик антен та інших радіотехнічних пристроїв. Відомий спосіб вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття двополюсника, заснований на порівнянні падаючої і відбитої від досліджуваного двополюсника хвиль (Barnett EF A New Precision X-Band Phase-Shifter. Trans. IRE of Instrumentation. October 1955, PII-4, p. 150-154., Bachman L., A Waveguide Impedance Meter for Automatic Display of Complex Reflection Coefficient Transaction, IRE, vol. MTT-3, N1, 1955.).Максимальна похибка при вимірюванні модуля і фази коефіцієнта відбиття в автоматичному режимі подібного пристрою становить ± 12 % по модулю і 10° по фазі в межах 12 % смуги частот. Відомий спосіб вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття двополюсника (авторських свідоцтво SU № 2069862, кл. G01R 27/04, 1996) прийнятий як прототип. У пристрої за цим способом НВЧ сигнал поділяють на дві складові, модулюють першу з складову частотою Ω 1 другу складову частотою Ω2 ≠ Ω1 підсумовують обидві складові, виділяють сигнали різницевої частоти і сигнали з частотами 2Ω1, 2Ω2, вимірюють їх амплітуди, за якими визначають шукані параметри. Основним джерелом похибки приладу, що реалізує цей спосіб, при роботі в широкому діапазоні частот є велика похибка вимірювання, обумовлена кінцевою спрямованістю відгалужувачів. Зазначена складова похибки різко збільшується при зменшенні модуля коефіцієнта віддзеркалення досліджуваної навантаження. Підвищення спрямованості cos  x  35 1 12 2 1 UA 104604 C2 5 10 15 20 25 30 відгалужувачів, як відомо, обмежується можливостями сучасних технологій і, отже, призводить до суттєвого підвищення собівартості вимірника в цілому, особливо в міліметровому діапазоні хвиль. Іншим недоліком цього способу є значна похибка виміру, обумовлена використанням для визначення шуканих параметрів досліджуваного пристрою сигналів з частотами 2Ω 1 2Ω2. Формування напруг з частотами 2Ω1 2Ω2, відбувається не тільки за рахунок інформаційної складової, але за рахунок не лінійності модуляційної характеристики, наприклад, p-i-n модуляторів (з'являються другі гармоніки через не лінійність модуляторів). Природно, при цьому спотворюється результат вимірювання. На фіг. 1 надана структурна схема вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття, за допомогою якого реалізується пропонований спосіб. На фіг. 2 представлена електрична схема надвисокочастотної частини вимірювача. Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття містить НВЧ генератор 1, дільник потужності 2, входом з'єднаний з виходом НВЧ генератора 1, модулятори 3, 4, входами з'єднані з першим і другим виходами дільника потужності 2 відповідно, подвійні хвилевідні трійники 5, 6, H-входами з'єднані з виходами амплітудних модуляторів 3, 4, відповідно, короткозамикач 8, підімкнений до першого бічного плеча подвійного хвилевідного трійника 5, короткозамикач 9, підімкнений до першого бічного плеча подвійного хвилевідного трійника 6, суматор 7, з'єднаний першим і другим входами з другими бічними плечима подвійних хвилевідних трійників 5, 6, відповідно, досліджуваний двополюсник 10, підімкнений до виходу суматора 7, НВЧ детектори 11, 12, з'єднані з E-виходами подвійних хвилевідних трійників 5, 6, синхронні детектори 13, 14 інформаційними входами підімкнені до виходів НВЧ детекторів 11, 12, відповідно, електронний коммутатор 15, з'єднаний своїми входами з виходами синхронних детекторів 13, 14, блок керування й індикації 16, виходами підімкнений до керуючих входів НВЧ генератора 1, амплітудних модуляторів 3, 4, синхронних детекторов 13, 14, електронного комутатора 15, а входом з'єднаний з виходом електронного комутатора 15. Пристрій працює таким чином. Режиму вимірювання передує режим калібрування. На першому етапі калібрування модулятор 3 працює в режимі амплітудної модуляції, а модулятор 4 закритий і електромагнітна хвиля, яка надходить на нього з другого виходу дільника потужності 2, повністю в ньому поглинається. При цьому замість досліджуваного двополюсника 10 і короткозамикача 9 у НВЧ тракт вимірювача включаються узгоджені навантаження, а короткозамикач 8 підімкнений. Напруга Uоп1 на виході синхронного детектора 14, налаштованого на частоту Ω 1, має вигляд 2 2 Uоп1  K д11Е 0K 2M3Г кзK 13 , 2 (2) 35 40 45 50 55 де Kд11 - коефіцієнт перетворення детектора 11; K2 - модуль коефіцієнта передачі шляху від виходу генератора 1 до НВЧ детектора 11; М3 - коефіцієнт модуляції модулятора 3; К13 коефіцієнт перетворення синхронного детектора 13; Г кз - модуль коефіцієнта відбиття короткозамикача. На другому етапі калібрування модулятор 3 закритий і електромагнітна хвиля, яка надходить на нього з першого виходу дільника потужності 2, повністю в ньому поглинається, модулятор 4 працює в режимі амплітудної модуляції. При цьому замість досліджуваного двухполюсника 10 і короткозамикача 8 у НВЧ тракті включені узгоджені навантаження, а короткозамикач 9 підключений. Напруга Uоп2 на виході синхронного детектора 14, налаштованого на частоту Ω 2, має вигляд 2 2 2 Uоп2  K д12Е 0K 3M 4Г кзK 14 де Kд12 - коефіцієнт перетворення детектора 12; K3 - модуль коефіцієнта передачі шляху від виходу генератора 1 до НВЧ детектора 12; М4 - коефіцієнт модуляції модулятора 4; K14 коефіцієнт перетворення синхронного детектора 14. На третьому етапі калібрування модулятор 4 працює в режимі амплітудної модуляції, модулятор 3 закритий і електромагнітна хвиля, яка надходить на нього з другого виходу дільника потужності 2, повністю в ньому поглинається. При цьому замість досліджуваного двополюсника 10 у НВЧ тракт включений короткозамикач. Замість короткозамикачів 8, 9 підключені погоджені навантаження. Напруга Uв им на виході синхронного детектора 13, 1 налаштованого на частоту Ω2, має вигляд 2 2 Uв им1  K д11Е 0K 2M 4Г кзK 13 , 4 (4) 2 UA 104604 C2 5 де K4 - модуль коефіцієнта передачі шляху від виходу генератора 1 до НВЧ детектора 11. На четвертому етапі калібрування модулятор 3 працює в режимі амплітудної модуляції, модулятор 4 закритий і електромагнітна хвиля, яка надходить на нього з другого виходу дільника потужності 5, повністю в ньому поглинається. При цьому замість досліджуваного двополюсника 10 у НВЧ тракті залишається увімкненим короткозамикач. Замість короткозамикачів 8, 9 підключені узгоджені навантаження. Напруга Uв им2 на виході синхронного детектора 14, налаштованого на частоту Ω1, має вигляд 2 2 2 Uв им2  K д12Е 0K 5M3Г кзK 14 , 10 (5) де K5 - модуль коефіцієнта передачі шляху від виходу генератора 1 до НВЧ детектора 13. На п'ятому етапі калібрування модулятори 3, 4 працюють у режимі амплітудної модуляції. У НВЧ тракт включені короткозамикачі 8, 9 і замість досліджуваного двополюсника 10 у НВЧ тракті залишається увімкненим короткозамикач. Напруги U1, U2 на виходах синхронних детекторів 13, 14, налаштованих на частоту Ω1 + Ω2, мають вигляд: 15 U1  Uоп1  Uизм1  2 Uоп1Uизм1 cos 1 ; U2  Uоп2  Uизм2  2 Uоп2Uизм2 cos  2 , 20 25 (6) (7) де β1 β2 - диференціальні фазові зсуви між сигналами опорних і вимірювальних каналів, обумовлені нерівністю електричних довжин цих каналів. Однозначність визначення β1 β2, забезпечується умовами: 0 ≤ β1 < π/4; π/4 < β2 ≤ π/2. На цьому калібрування закінчується. У режимі вимірювання в НВЧ тракт вимірювача включені короткозамикачі 8, 9 і досліджуваний двополюсник 10. Напруги на виходах синхронних детекторів 13, 14 мають вигляд: U x1  Uоп1  Uв им1Г 2  2 Uоп1Uв им1Г х cos х  1  ; х U x 2  Uоп2  Uв им2Г 2  2 Uоп2Uв им2 Г х cos х   2  , х 30 (8) (9) де Гх, αх - модуль і фаза коефіцієнта відбиття досліджуваного двополюсника 10. Блок керування й індикації 16 реалізує алгоритми:  Г x  K 1U x1  K 2U x 2  K 3  K 4U21  K 5U22  K 6U x1U x 2  K 7U x1  K 8U x 2  K 9 x x    1 12 2    (10) ; sin  x  q2 cos 1  q1 cos  2 ; sin1   2  (11) cos  x  q2 sin 1  q1 sin  2 , sin1  2  (12) 35 де K5  K1  b  b    b  ; Uв им1q3 2  2 2 Uв им1q3 K2  b  b  ; Uв им2 q3 K3  Uоп1 ; Uв им2 q3 b  ; Uоп1Uв им2 q3 K6  3  K4     2 2 Uв им1q3 2 2   b  b  b  2 Uв им1Uв им2 q3 b    2  Uоп2 ; Uв им1q3 2 b  ; Uв им1Uв им2 q3 UA 104604 C2 K7  K9    2   b   b  2 Uв им1Uв им2 q3   1b 2 2 2 Uв им1Uв им2 cos 1  ;    2 b  b  Uоп2 ; Uв им1Uв им2 q3   Uизм1Uоп2 ; U1  Uопт1  Uв им1 K8  b  Uоп1Uоп2 ; cos  2  ; 2 Uоп1Uв им1   2 b  b  b  2 Uв им2Uв им1q3  2 Uоп2Uв им2 ; q1     cos1  2  ; q 3    b  2 b  ; U2  Uопт 2  Uв им2  2   b  Uоп1 ; Uв им1Uв им2 q3 U x1  Uопт1  Uв им1Г 2 х 2 Uоп1Uв им1Г х ; U x 2  Uопт 2  Uв им2Г 2 х . 2 Uоп2Uв им2 Г х З урахуванням знаків для sin αx і cos αx у виразах (11), (12) фаза коефіцієнта відбиття досліджуваного двополюсника обчислюється в діапазоні від нуля до 360 градусів. Аналіз виразів (1)…(12) показує, що при амплітудній модуляції НВЧ сигналу першої складової частотою Ω1, другої складової частотою Ω2, формуванні з кожної про модульованої складової сигналів опорного і вимірювального каналів вдається виділити на частоті Ω1 + Ω2 вимірювальну інформацію про модуль і фазу коефіцієнта відбиття. При цьому паразитні складові, обумовлені неідеальною розв'язкою між бічними плечима і між Н-плечем і Е-плечем хвилевідних трійників, придушуються виборчою системою (синхронними детекторами). Завдяки цьому забезпечується підвищення точності виміру. Диференціальні фазові зсуви між сигналами опорних і вимірювальних каналів β1, β2, обумовлені нерівністю електричних довжин цих каналів, при калібруванні визначаються на кожній із заданих частот, що сприяє підвищенню точності вимірювання. Крім того, вартість вимірника, що реалізує запропонований спосіб, значно знижується за рахунок використання подвійних хвилевідних трійників порівняно невисокої якості. Дійсно, виділення вимірювального сигналу на частоті Ω1 + Ω2 і заглушення інших бічних складових, що утворюються за рахунок неідеальної розв'язки трійників, допускає знизити вимоги до якості виробництва подвійних трійників. q2  5 10 15 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Спосіб вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття, заснований на поділі безперервного НВЧ сигналу на дві складові частоти 1 та  2 , амплітудної модуляції НВЧ сигналу першою 30 складовою частотою 1 та другою складовою частотою  2 , який відрізняється тим, що з кожної промодельованої складової формують сигнали опорних і вимірювального каналів, попередньо виділяють сигнал першого опорного каналу з частотою 1 при короткозамикачеві в першому опорному каналі та узгоджених навантаженнях та вимкнених досліджуваного двополюсника та короткозамикача в другому опорному каналі, і вимірюють амплітуду Uоп1 , 35 40 45 також попередньо виділяють сигнал другого опорного каналу з частотою  2 при короткозамикачеві в другому опорному каналі та узгоджених навантаженнях та вимкнених досліджуваного двополюсника та короткозамикача у першому опорному каналі, і вимірюють амплітуду Uоп2 , крім того попередньо виділяють сигнал вимірювального каналу з частотою  2 при узгоджених навантаженнях у першому і другому опорних каналах та короткозамикачеві та вимкненого досліджуваного двополюсника, і вимірюють амплітуду Uв им , попередньо виділяють 1 сигнали вимірювального каналу з частотою 1 при узгоджених навантаженнях у першому і другому опорних каналах та короткозамикачеві та вимкненого досліджуваного двополюсника, і вимірюють амплітуду Uв им2 , попередньо виділяють сигнали з частотою 1   2 при трьох короткозамикачах, включених у перший і другий опорні канали та вимкненого досліджуваного двополюсника, вимірюють амплітуди U1 та U2 , виділяють сигнали з частотою 1   2 при двох короткозамикачах, включених у перший і другий опорні канали, та досліджуваного двополюсника, вимірюють амплітуди Ux1 та U x 2 , а модуль Г х і фазу  х досліджуваного двополюсника визначають за такими формулами: Гx   K 1U x1  K 2U x 2  K 3  K 4U21  K 5U22  K 6U x1U x 2  K 7U x1  K 8U x 2  K 9 x x    4 1 12 2    ; UA 104604 C2 q cos 1  q1 cos  2 ; sin  x  2 sin1   2  cos  x  де K5  5 K7  K9  b  b  K2  ; Uв им2 q3   b  K1  ; Uв им1q3 b  b  2 2 Uв им1q3 2    Uоп1 ; Uв им2q3 2   b  b  2 Uв им1Uв им2 q3   1b 2 2 2 Uв им1Uв им2 cos 1  q2  q2 sin 1  q1 sin  2 , sin1   2  ;    2 b  b  Uоп2 ; Uв им1Uв им2 q3 U1  Uопт1  Uв им1 ;  cos  2  2 Uоп2Uв им2 5 2 2 Uв им1q3 2    2 b  b   b  2 Uв им2Uв им1q3 q 3    b  2 b  ; U2  Uопт 2  Uв им2 U x 2  Uопт 2  Uв им2Г 2 х . 2 Uоп2Uв им2 Г х b   2 Uв им1Uв им2q3 K8  b  Uоп1Uоп2 ;   K4  2   b  b  b  K6    Uвим Uоп2 ; 1 2 Uоп1Uв им1 b  K3  ; Uоп1Uв им2 q3 ; q1    2  Uоп2 ; Uв им1q3 2 b  ; Uв им1Uв им2q3   2   b  Uоп1 ; Uв им1Uв им2q3   cos1   2  ; U x1  Uопт1  Uв им1Г 2 х 2 Uоп1Uв им1Г х ; UA 104604 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 6