Устройство для измерения s-параметров свч-четырехполюсников

 

Изобретение относится к р адйЬйЗйёрйтельной технике и мрж(гиспользоваться в автоматических измерительных системах и приборах СВЧ -диапазона. Цель изобретения - упрощение конструкции. Устройство содержит генератор 1, двунаправленный ртветвитель 2, три переменных аттенюатора 3,5,7, подвижный корбткеяамыкатель 4 и согласованный двухканальный детектор 8 с индикатором 9. Цель изобретения достигается благодаря подсоединению входа аттенюатора 5 к выходу падающей волны двунаправленного ответвителя 2, а выхода аттенюатора 5 - к входу йселедуемогб СВЧ- четырехполюсника 6. 1 ил.

СОЮЗ C0BEl СКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s 6 01 R 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4799299/09 (22) 05.03.90 (46) 15,08.92. Бюл, N 30

971) Севастопольский приборостроительный институт (72) И,Л,Афонин, В.В.Саламатин и А,Ю.Сидоров (56) Авторское свидетельство СССР

N 194893, кл. G 01 R 27/06.

Авторское свидетельство СССР

N . 1659903, кл. 6 01 R 27/06, 1988, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ S-ПАРАМЕТРОВ СВЧ-Ч ЕТЫ Р ЕХ ПОЛ 1ОСН И КО В!

Ы, 1755214 А1

2 (57) Изобретение относится к радйоизмерительной технике и может использоваться в автоматических измерительных системах и приборах СВЧ-диапазона. Цель изобретения — упрощение конструкции, Устройство содержит генератор 1, двунаправленный ответвитель 2, три переменных аттенюатора

3,5,7, подвижный кброткозамыкатель 4 и Согласованный двухканальный детектор 8 с индикатором 9. Цель изобретения достигается благодаря подсоединению входа аттенюатора 5 к выходу падающей волны двунаправленного ответвителя 2, а выхода аттенюатора 5 — к входу йсследуемого СВЧчетырехполюсника 6. 1 ил.

1755214

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано, в автоматических измерительных системах и приборах СВЧ-диапазона.

Известны автоматические измерители

КСВН, содержащие генератор, аттенюатор, направленные ответвители падающей и отраженной волны, use детекторные головки, осциллографический йндикатор, исследуемый СВЧ-двухполюсник.

Недостаткам этйх йзмерителей КСВН является отсутствие воэможности измерения фазы. . Известен также измеритель, содержащий генератор, двунаправленный ответвитель, подвижный короткозамыкэтель, детектор, стрелочный прибор, исследуемый

СВЧ двухполюсник.

Недостатком этого измерителя является невозможность измерения комплексного коэффициента передачи СВЧ-четырехполюсников, значительная погрешность измерения.

Известен измеритель параметров

СВЧ-элементов, содержащий источник

СВЧ-колебаний, делитель мощности; измерительный СВЧ-тракт, состоящий из двух отрезков, соединенных с согласованными нагрузками и детекторной секцией, подключенной к индикатору.

Недостатками этого измерителя являются малые функциональные возможности и низкая точность измерения, обусловленная неквадратичностью характеристики

С В Ч-детектора.

Известен измеритель, содержащий свип-генератор, развязывающий аттенюатор, двунаправленный ответвитель, исследуемый двухполюсник, четырехдетек. "тОрный шлейфовый датчик полных сопротивлений, детекторную головку и две согласованные нагрузки оо вторичном канале двунаправленного ответвителя.

Недостатком данйого устройства являются малые функциональные воэможности, : так как они не позволяют измерять модуль и фазу комплексного коэффициента передачи СВЧ-четырехполюсника. Из -33 наличия четырех детекторов будет вноситься значительная погрешность из-за неидентичности . вольт-амперных характеристик и неравномерности частотных характеристик детекто".ров. Значительная погрешность вносится из-за сложности применяемого панорамного индикатора и неквадратичности характеристик детектора. -В качестве протртипа выбрано устройство для измерения В-параметров СВЧ-устройств, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор, йервый и второй направленные ответвители, первый переменный аттенюатор и подвижный короткоэамыкатель, второй переменный аттенюатор, соединенный с ориентированным на падающую волну выходом вторичного канала первого направленного ответвителя, третий переменный аттенюатор, вход которого предназначен для подключения выхода исследуемого четырехполюсника, выход третьего пере10

25 эатели, обусловленные наличием последовательного соединения двух направленных ответвителей; сложность конструкции, так как в режиме измерения комплексного коэффициента отражения исследуемое СВЧустройство необходимо перестыковать из вторичного канала второго направленного ответвителя во вторичный канал первого направленного ответвителя и наоборот при измерении комплекСного коэффициента пе30 редачи, Кроме того, в процессе измерения

35 необходимо учитывать неидентичность характеристик первого и второго направленных ответвителей, в связи с чем возникают погрешности измерения.

Целью изобретений является повышение точности измерения за счет упрощения конструкции и снижения массогабаритных показателей измерителя $-параметров

СВЧ-устройств

45 Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения S-параметров

СВЧ-устройств, содержащем последовательно соединенные генератор СВЧ, двунаправленный ответойтель, первый переменный аттенюатор и подвижный ко50 роткозамыкатель, второй и третий переменные аттенюаторы, согласованный двухканальный СВЧ-детектор с индикатором, первый вход которого соединен с оыходом отраженной волны вторичного канала

55 двунаправленного Отоетоителя, а второй вход — с выходом третьего переменного аттенюатора, при этом вход третьего переменного аттенюатора предназначен для подсоединения выхода исследуемого СВЧменного аттенюатора соединен с первым входом двухканального согласованного детектора, второй вход которого подключен к ориентированному на отраженную волну

15 выходу вторичного канала первого направленного ответвителя, а выход — к выходу индикатора, к выходу второго переменного аттенюатора подключена согласованная нагрузка, а выход вторичного канала оторого

20 направленного ответоителя предназначен для подключения охода исследуемого четырехполюсника, Недостатками известного устройства являются большие массо-габаритные пока1755214

55 чет 1рехполюсника, вход второго переменного аттенюатора подсоединен к выходу падающей волны двунаllраоленного ответвителя, а его выход предназначен для подсоединения входа исследуеглого СВЧчетырехполюсника, На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения S-параметров СВЧ-устройств.

Устройство для измерения S-параметров СВЧ-устройств содержит последовательно соединенные генератор СВЧ 1, развязывающее устройство 2, двунаправленный отоетвитель 3, первый переменный аттенюатор 4 и подвижный короткоэамыкатель 5. Вход второго переменного аттенюатора 6 соединен с оыходом падающей волны вторичного канала двунаправленного ответоителя 3, а выход — с входом исследуемого

СВЧ-устройства 7, Выход исследуемого

СВЧ- устройства 7 соединен с входом третьего переменного аттенюатора 8, Выход третьего переменного аттенюатора 8 соединен со вторым входом согласованного СВЧдетектора 9, первый вход которого соединен с выходом отраженной волны вторичного канала двунаправленного ответвителя 3, а выход — к индикатору 10, Устройство для измерения S-параметров СВЧ-устройств работает следующим образом, Режим измерения комплексного коэффициента отражения, В режиме измерения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7 подключено к выходу второго переменного эттенюатора 6.

Режиму измерения предшествует режим калибровки, при котором вместо исследуемого СВЧ- устройства 7 подключается короткозамыкающая пластина.

Сигнал согласования СВЧ-детектора 9 при калибровке будет равен

Еок1 = EcS21i ок1$42 + Ег->31Та!Гк$43, (1) где Ег — сигнал СВЧ-генератора 1;

$(1 — элементы матрицы рассеяния двунаправленного ответвителя;

i — 1,2,3,4 — целые числа;

J = 1, 2, 3, 4 — целые числа;

Гок1 — КОМПЛЕКСНЫЙ КОЭффИцИЕНт Отражения первого переменного аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкэтеля 5 в режиме калибровки;

TA1 — комплексный коэффициент передачи второго переменного аттенюатора 6;

1 / г

Гк = Гк е =. 1 е — комплексный коэффициент отражения короткозамыкающей пластины. так как Г„- 1; p, — — ë..

Изменение положения подвижного короткозамыкателя 5, а также регулировка ослабления первого переменного аттенюатора 4 и второго переменного аттенюатора 6 дает Ецк1 = К которое фиксируется по нулевому показанию индикатора 10.

Тогда вы ражение (1) при нулевом сигнале на двухканальном согласованном СВЧ-детекторе 9 имеет вид

$21Г 1$42=- $31TA1 Гк$43.. (2)

В режиме измерения комплексного коэффициента отражен:.:.-, если в качестве исследуемого СВЧ-устройства 7 исследуется четырехполюсник;.то третий подстроечный эттенюатор 8 полностью вводится, т,е. имеет максимальное ослабление, сигнал на детектор 9 в этом случае равен

Eg1 = Е421Го1 42 + Ег 31ТА1 $11x343, (3) где Го1 — комплексный коэффициент отражения первого переменного аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкателя 5 s режиме измерения;

1Px

S11x = S11x е — комплексный коэффициент отражения исследуемого СВЧ-устройства 7.

Нулевого значения на детекторе 9 Eg1 =

=0 добиваются изменением коэффициента отражения первого переменного аттенюатора 4 до величины Го1, В этом случае

ЕгЫ Г: $42 =- Ь 31ТИ12 11x$43. (4)

Комплексный коэффициент отражения исследуемого СВЧ-устройства 7 определяется из выражения (4) с учетом калибровки (2).

S21 Г01 S42 S21 Г01 S42

11Х = Г„=

S31 Тд1 )43 21 ОК1 42

Го1 . Го1 (т 1 1

Гк= е

7ок l " Гок1 (5) где S11 =- Го1/Гок1 — модуль коэффициента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7;

rP11X = R ф 1 фОК1 фаэа .кОЭффици ента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7.

Модуль и фаза коэффициента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7 связаны с затуханием первого аттенюатора 4 и перемещением подвижного короткозамыкателя 5 следующим образом.

Коэффициент отражения от первого переменного аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкателя равен г г„= 5 - — - — т —, (6) тА Гкз

1 22 кз где S11 — комплексный коэффициент отражения от входа первого переменного аттенюатора 4;

1755214

S22 — комплексный коэффициент отражения от выхода первого переменного атте.нюатора 4; тд — комплексный коэффициент передачи первого переменного аттенюатора 4; 5

1(и+ 2 ф„)

Гк3 = Гк3 Š— КОМПЛЕКСНЫЙ коэффициент отражения подвижного короткозамыкателя 5 в плоскости выходно. го фланца первого переменного аттенюатора 4;

2и

Ф. = -Ч-,— L; Гкз = 1:

1 — расстояние от фланца аттенюатора

4 до пластины короткозамыкателя 5; 15

Яе — длина волны в волноводе.

Если пренебречь отражением от входа и выхода первого аттенюатора 4, т.е. считать

S» = S22 = О, то коэффициент отражения Го, согласно (6) будет равен 20

Гоо 2 1г фд (л+ -- т — L )

Тн Гкэ = тд е Гкз е е .(7)

ГДЕ тд, фД- МОДУЛЬ И фаэа КОМПЛЕКСНОГО коэффициента передачи первого перемен- 25 ного аттенюатора 4.

Значение комплексного коэффициента отражения первого переменного аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкателя 5 (далее по тексту для простоты изложения M назовем образцовой нагрузкой) при калибровке равно (VAA+ + < )

Гок1=гдк1 e . (8)

Значение коэффициента отражения образцовой нагрузки при измерении определяется следующим образом (2 Уд + 7т + 4 Л 2 )

Го1 = ГА1 е (9), 0 где гдк1, тд1 — коэффициенты передачи первого переменного аттенюатора 4 при калибровке и измерении соответственно; (1 L2 — расстояния от пластины подвижного короткозамыкателя 5 до фланца перво- 45 го переменного аттенюатора 4 при калибровке и измерении. соответственно, определяемые по шкале короткозамыкателя5;

С учетом (8) и (9) выражение для комп- 50 лексного коэффициента отражения S»x, o11ределяемое из (5), будет иметь вид

А1 2 I (X+ (I1 I-2 ) )

4Л

S»> >- е (10) 55 тДК1

Модуль коэффициента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7

S»>I- rA1 1тдк1, (11)

Фаза коэффициента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7

л =rC+ (L1 — L2). (12)

4зт

Показание первого переменного аттенюатора 4 в децибеллах и коэффициент передачи связаны зависимостью

А (9Б) = 10 tg 2 или — 2 — 10

1 тд Гд поэтому выражение (11) может быть переписано следующим образом

О,1 (ДК1 — A1)

S»x — = 10 (13)

10 0.1А1 гДе Ак1, A1 — показаниЯ аттенюатоРа 4 в ДБ при калибровке и измерении соответственно, Таким образом, определение модуля и фазы комплексного коэффициента отражения исследуемого СВЧ-устройства 7 сводится к измерению затухания первого переменного аттенюатора 4 и положения короткозамыкателя 5 при калибровке измерителя и измерении и последующему расчету по формулам (12) и (13).

Режим измерения комплексного коэффициента передачи.

Калибровка измерителя осуществляется при отсутствии исследуемого СВЧ-устройства 7. Второй 6 и третий S переменные аттенюаторы включены последовательно, Нулевого значения индикатора 10 добиваются регулировкой третьего переменного аттенюатора 8 и элементов образцовой нагрузки — первого переменного аттенюатора

4 и подвижного короткозамыкателя 5.

Сигнал на двухканальном согласованном СВЧ-детекторе 9 при калибровке имеет вид

Egk2 = ЕгБ21Гок2%2 + Ег$31ТА1Тлг = О, (14) откуда условие калибровки >21 Гок2342 =" 31TA1TA2 . (1 5)

Исследуемое СВЧ-устройство 7 включается между вторым 6 и третьим 8 переменными аттенюаторами. В режиме измерения на детектор 9 поступает три сигнала: отраженный от первого переменного аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкателя 5; прошедший через исследуемое СВЧ-устройство 7 и отраженный от исследуемого

СВЧ устройства 7.

Ец2 = г- 2 f о2.- 42 + ES31TA1S21TA2 +

+ Е431ТЛ1 Я»х543 =- 0 (16)

Равенство нулю этого сигнала достигается регулировкой модуля и фазы коэффициента отражения образцовой нагрузки (первого аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкателя 5) путем изменения затухания первого переменного аттенюатора 4 и

1755214 имеем

02(А»2 А2! ((2 "»2-А! (22(2А»2 А А! 222 (О (О .2(0 Г к.С вЂ” (! () кАЬ 22 л2

»»2 л» ((22,„.ar(42) »2 лг — 2 05

"»»2 лг

4 ° "»2 4» ("I "о) à Ькгг — (t, -4 ) AS С»*»2 ЬЬ 2 2 (23) 2 — ((4-Ц-Ä» COS — "(g -(, )

"М2 . к Ь или, учитывая (21), 20

00 (А »2 - А2), 4» 0 i (A „2<0 ЬЮ вЂ” (L» (2) (0 2222 — ((, -L )

0,((А»2 "г\ 4» »04(А»2-4,) 4 ° ((4-ь2) (О . 400 ((к,-(,2) 25

$21х с учетом (7) дает

4; ., (24) ((2((2A 24 2.— (, А2Е

;(2 „:,1.,м „Таки(4 образом, определение модуля и

30 фазы комплексного коэффициента передаГА„2 Е чи сводится к измерению затухания первого е """ Аь 21 2 — 4 ((„, (,,) пеРеменного аттенюатоРа 4 А1; Ак2; А2 и

4 положения короткозамыкателя 5 (2; L3; L4 и А22 . . последующему расчету по формулам (22) и

4, .)5 (24), Л»А(1 Ф", ((2-(4Ь)

Развяэывающее устройство 2 служит (19) "2 ""; . для развязки СВЧ-системы измерителя от генератора 1, гДе ьдк2,. ьд2 — коэффиЦиенты пеРеДачи пеР- В качестве индикатора 10 может быть вого переменного аттенюатора 4 при калиб- 40 применен простейший нуль-индикатор (реровке и измерении (режим измерения гистрация нулевого значения с выхода декоэффициента пеРедачи исследУемого СВЧ- тектора 9 как в режиме измерения, так и в устройства 7);

"3,) а — РасстоЯние от пластины поДвиж- следуемого устройства 7 однозначно опреногокоРоткоэам"кателЯ5дофланцапеРво 45 деляются параметра и переменного

ro аттенюэтоРа 4 пРи кэлибРовке и аттенюатора 2) и подвижного короткоэамыизмеРейиисоответственно(пРи Работе в Ре- кателя 5, что позволяет повысить точность жимеизмерения коэффициента передачи). измере язасчетисключенияпогрешйости

Модуль коэффициента передач из "Я

50 Реализация двухканального согласоль 2 е2 . ванного СВЧ-детектора 9 аналогична прото»2(2 (А("А2 AI 4 °

Таким образом, выражения (11) и (12) оДнозначно определяют модуль и фазу ком55 плексного коэффициента отражения, а выражения (22) (4. (24) — модуль и фазу комплексного коэффициента передачи исследуемого СВЧ-устройства 7, причем эти параметры определяются параметрами образцовой нагрузки (первого переменного

Э2(х л2 лг

А2 М(А»2-2(2), "Л(0((А»2-A»l

Л2»(0 ) лг (О (2 1) перемещения пластины подвижного короткозамыкателя 5.

Из выражения (16) определяется ко1(апЛЕКСНЫй КОЭффИЦИЕНт ПЕРЕДаЧИ $21х

$21 102 $42 + $31 ТЛ! $11х $4З

21х . 31. д! „.2 (1Л

Подстайовка в (17) условия калибровки (15) и выражения (4) дает

$21 Г02 $42 — $21 Г01 S42

$21х

21 .ок2 (18) (02 — Г01 Г02 Г01 то»2 Го»2 »»2 где Г01 — комплексный коэффициент отражения образцовой нагрузки(первого переменного аттенюатора 4 и подвижного

КОрОтКОЗаМЫКЭтЕЛя 5) ПрИ ИЗМЕНЕНИИ $11х;

Гок2 — КОМПЛЕКСНЫЙ КОЭффИЦИЕНт ОбРазцовой нагрузки при калибровке в режиме измерения коэффициента передачи;

Го2 — комплексный коэффициент отражения образцовой нагрузки при измерении

$21х.

Преобразование выражения (18) для

5 (22) где АК2, А2 — показания первого переменного аттенюатора 4 s дБ при калибровке и измерении соответственно.

Фаза коэффициента передачи из (19)

10 равна

1755214

12 аттенюатора 4 и подвижного короткозамыкателя 5).

Составитель Е. Адамова Техред М.Моргентал Корректор В, Петраш

Редактор Н. Горват

Заказ 2891 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101

Формула изобретения

Устройство для измерения S-параметров СВЧ-четырехполюсников. содержащее последовательно соединенные генератор, двунаправленный ответвитель, первый переменный аттенюатор и подвижный короткозамыкатель, второй и третйй переменные аттенюаторы, согласованный двухканальный.детектор с индикатором, первый вход которого соединен с выходом отраженной волны вторичного канала двунаправленного ответвителя, а второй вход — с выходом третьего переменного аттенюатора, при этом вход третьего переменного аттенюато5 ра предназначен для подсоединения выхода исследуемого СВЧ-четырехполюсника. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью упрощения конструкции, вход второго переменного аттенюатора подсоединен к выхо10 ду падающей волны двунаправленного ответвителя, а его выход предназначен для подсоединения входа исследуемого СВЧчетырехполюсника.