Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения

 

V зобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для измерения комплексного коэффициента отражения .и полного сопротивления различных двухполюсников. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона изменения мощности. Измеритель содержит СВЧ-генератор 1, четырехзондовый датчик 2, фазометры 8, 9, тангенсные преобразователи 10, 11. квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19, арктангенсный преобразователь 15, индикатор фазы 16, сумматоры 17. 21, блоки извлечения квадратного корня 18. 22, блок вычитания 23 и источник опорного напряжения 24 Цель изобретения достигается за Счёт введения фазометра 9, преобразователя 11, квадраторов 12, 13, сумматоров 17, 21 и блока 22. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>л G 01 R 27/06

НОЕ ПАТЕНТНОЕ

CCP

CP) АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

¹17 (54)

ЗФ (57) И рени изме (21) 4 (22) 0 (46) 0 (71) ный (72) (56)

N 10

КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

20850/09 .05.90 .02.93. Бюл. ¹ 5 евастопольский и риборостроительнститут .Б,Гимпилевич вторское свидетельство СССР

2432, кл. G 01 R 27/06, 1982; вторское свидетельство СССР

9238, кл. G 01 R 27/06, 1989;

ЗМЕРИТЕЛЬ МОДУЛЯ И ФАЗЫ КОИ ЦИ Е НТА ОТРАЖЕ Н ИЯ зобретение относится к технике измена СВЧ и может использоваться для ения комплексного коэффициента от„„5U„„1793392 А1 ражения и полного сопротивления различных двухполюсников. Цель изобретения— повышение точности и расширение диапазона изменения мощности. Измеритель содержит СВЧ-генератор 1, четырехзондовый датчик 2, фазометры 8, 9, тангенсные преобразователи lO, 11, квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19, арктангенсный преобразователь 15, индикатор фазы 16, сумматоры

17, 21, блоки извлечения квадратного корня

18, 22, блок вычитания 23 и источник опорного напряжения 24. Цель изобретения достигается за счет введения фазометра 9, преобразователя 11, квадраторов 12, 13, сумматоров 17, 21 и блока 22. 1 ил.

1793392

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения и полного сопротивления СВЧ устройств различного целевого назначения.

Известны измерители коэффициента отражения, содер>кащие последовательно соединенные свипирующий СВЧ-генератор, четырехзондовый датчик полных сопротивлений и измеряемый двухполюсник.

Каждый из зондов датчика полных сопротивлений нагружен на соответствующий квадратичный детектор. Выходы квадратичных детекторов соединены со входами осциллографического индикатора, в котором осуществляется обработка результатов.

Кроме того, в таких измерителях имеется цепь стабилизации уровня мощности СВЧгенератора, содержащая дополнительно однодетекторную либо двухдетекторную секцию, . Недостатком этих измерителей является существенная погрешность измерения, которая вызывается неидентичностью характеристик СВЧ-детекторов, а так>ке остаточной неравномерностью мощности

СВЧ-генератора. Кроме того, индикаторный блок таких измерителей имеет большие га-. бариты и массу, а принцип действия не позволяет осуществлять раздельное измерение модуля и фазы комплексного коэффициента отражения.

Зти недостатки устранены в автоматических и,"мерителях полных сопротивлений, реализующих коммутационный способ измерения. В таких устройствах зонды датчика полных сопротивлений подсоединены через СВЧ-коммутатор к одному СВЧ-детектору. Обработка результатов ведется путем фильтрации составляющих спектра продетектированного сигнала, что обеспечивает малые габариты и массу, исключает необходимость цепи стабилизации мощности и позволяет осуществить раздельное измерение модуля и фазы.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в (4).

Это устройство и выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор, отрезок линии передачи и четырехзондовый датчик, выход которого является входом для подсоединения исследуемого двухполюсника.

Зонды связи датчика через СВЧ-коммутатор соединеньь со входом квадратичного

СВЧ-детектора, выход которого через после\ довательно соединенные полосовой фильтр, линейный амплитудный детектор и первый управляемый делитель напряжения

55 нению ответвляемой мощности (квадратичная зависимость от глубины погружения);

3) погрешность из-за н идентичности потерь пропускания каналов СВЧ-коммутатора;

4) погрешность иэ-за нестабильности потерь пропускания СВЧ-коммутатора, которая особенно существенна при эксплуатации измерителя в жестких условиях.

Динамический диапазон изменения мощности в линии передачи, в пределах которого возможны измерения, определяется динамическим диапазоном измеряемого модуля коэффициента отражения (КСВ) и диапазоном приемлемого квадратичного детектирования, Если задаться максимальным значением KCB = 10, то мощность в максимуме амплитудного распределения будет превышать мощность в минимуме в

100 раз (20 дБ). Широко известно, что диаподключен к первому входу измерителя отношения, выход которого соединен с индикатором модуля. Выход полосового фильтра через последовательно соединенные фазометр, тангенсный преобразователь, второй управляемый делитель напряжения и арктангенсный преобразователь соединен. с индикатором фазы, Выход арктангенсного преобразователя через усилитель, первый косинусный преобразователь, перемножитель, вычитающее устройство и корнеизвлекающее устройство подключен ко второму входу измерителя отношения. Управляющий выход СВЧ-генератора подключен ко

"5 вторым входам первого и второго управляе мых делителей напряжения, а через второй косинусный преобразователь — ко второму входу перемножителя. Блок управления соединен с управляющим входом СВЧ-комму20 татора и опорным входом фазометра, Недостатком устройства-прототипа является недостаточно высокая точность измерения и малый динамический диапазон изменения мощности в линии передачи, Эти недостатки вызваны тем, что в прототипе осуществляется анализ амплитудного распределения поля в линии передачи. Прототипу свойственны следующие погрешности:

1) погрешность из-за неквадратичности

30 характеристики СВЧ-детектора. Зта погрешность резко возрастает при измерении больших значений коэффициентов отражения, когда динамический диапазон сигналов на выходах элементов связи датчика возрастает;

2) погрешность из-за неидентичности зондов датчика. Даже небольшие отличия в глубине погружения элементов связи в линию передачи приводят к заметному изме1793392 паз ров (за ста

Йож ния сост это когд как кон рад н приемлемого квадратичного детектиния СВЧ-диодов не превышает 35 дБ ределами этого диапазона результаты вятся недостоверными). Поэтому возый динамический диапазон изменеощности в основной линии передачи вит (35 — 20) = 15 дБ. В ряде случаев недостаточно. Например, в случае, встроенный измеритель используется ля настройки СВЧ-тракта, так и для оля его в режиме функционирования технической системы. Настройка проро ь в таких случаях, так как оз вол яет выя вить и ричи ну аварии. елью изобретения является повышеочности измерения и расширение дического диапазона изменения ости в линии передачи, 1 казанная цель достигается тем, что в итель модуля и фазы коэффициента ения, содер>кащий последовательно ненные генератор СВЧ и четырехзондатчик, выход которого является вхоля подсоединения исследуемого олюсника, последовательно соеди е первый фазометр и первый тангенпреобразователь, последовательно ненные первый блок деления, арктан и преобразователь и индикатор фаследовательно соединенные первый звлечения квадратного корня, второй еления и индикатор модуля, последоно соединенные источник опорного. жения и блок вычитания, введены поательно соединенные второй фазоторой тангенсный преобразователь, квадратор, первый сумматор, втомматор и второй блок извлечения тного корня, выход которого подклюорому входу блока вычитания, выход тангенсного преобразователя соевторым входом первого сумматора веденный второй квадратор, выходы и второго тангенсных преобразоваона ние нам мощ изме отра саед довы дом двух ненн сный соед генсн зы, и блок блок вател напря следо через телей соединены соответственйо с первым и вторым входами первого блока деления, выход первого сумматора соединен с входом первого блока извлечения квадратного корня, выхад блока вычитания соединен с вторым входом второго блока деления, а ! выход источника опорного напряжения со1

I води ся на малых уровнях мощности при исп ьзовании стандартных генераторов мощ ости в несколько милливатт, а реальная работа осуществляется на больших уров ях мощности (ватты, десятки ватт, сотни в тт). Кроме того, мощность в реальной ради технической системе может из-за аварийн х ситуаций резко изменяться в больших пределах. Система контроля должна функ иони ват единен с вторым входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехзондового датчика соединены с входами первого

5 фазометра, а выходы второго и четвертого зондов — с входами второго фазометра, Таким образом, в заявляемом устройстве в отличие от прототипа осуществляется анализ фазового распределения поля линии

10 передачи, а не амплитудного. Это достигается введением заявленных отличительных признаков, которые являются новйми, так как отсутствуют в прототипе. Эти признаки обеспечивают получение новых техниче15 ских свойств, а именно, повышают точность и расширяют динамический дйапазой изменения мощности в линии передачи. Это подтверждает существенность заявленных признаков.

20 На чертеже иэобоажена структурная схема устройства.

Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор 1, четырехзон25 довый датчик 2 и измеряемый двухполюсник 3, Выходы зондов 4, 5, 6, 7 датчика 2 подключены к входам фазометров 8, 9, Причем зонды 4 и 6 подключены к входам фазометра 8, а зонды 5 и 7 к входам фазометра

30 9. Выходы фазометров 8 и 9 через соответствующие тангенсные преобразователи 10 и 11 подключены к входам соответствующих квадраторов 12 и 13 и к входам первого блока деления 14, выход которого через ар35 ктангенсный преобразователь 15 соединен с индикатором фазы 16. Выходы квадраторов 12 и 13 подключены к входам первого сумматора 17, выход которого через первый блок извлечения квадратного корня 18 под40 ключен к входу второго блока деления 19 и непосредственно к входу второго сумматора 21, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 24, а выход через второй блок извлечения квадратного

45 корня 22 подключен ко входу блока вычитания 23, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 24, Выход блока вычитания 23 соединен со вторым входом второго блока деления 19,,выход ко50 торого соединен с индикатором модуля 20.

СВЧ-генератор 1 предназначен для формирования гармонических колебаний определенной частоты. В качестве СВЧ-генератора 1 может быть использован любой

55 генератор соответствующего диапазона волн из. группы приборов Г4 (генераторы измерительные высокочастотные). Для панорамных измерений следует применять генераторы кЭчаюфейся частоты, например, из комплекса приборов Р2 (иэмерители КСВ

1793392

20

30

40

55 и ослабления). При встроенном контроле используется генератор радиотехнической системы.

Четырехзондовый датчик 2 предназначен для анализа фазового распределения поля в линии передачи. Для ответвления сигналов из отрезка линии передачи могут использоваться ненаправленные емкостные, индуктивные и индуктивно-емкостные зонды 4, 5, 6, 7. Наиболее просто реализуется датчик на основе четырех емкостных штырей, размещенных на расстоянии il /8 (А — длина волны в линии передачи). Конкретные конструкции датчиков приведены, например, в (1, 2).

Фазометры 8 и 9 предназначены для измерения фазовых сдвигов между сигналами, ответвленными зондами 4, 6 и 5, 7 соответственно. Для этой цели можно применить серийно выпускаемые нашей промышленностью приборы групп Ф2 и

ФК2. В частности, могут быть использованы приборы ФК2 — 12, ФК2 — 18, ФК2-29 ФК2—

33, ФК2-39 и другие.

Тангенсные преобразователи 10, 11, квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19; арктангенсный преобразователь 15, сумматоры 17, 21, блоки извлечения квадратного корня 18, 22 и блок вычитания 23 предназначены для осуществления соответствующих функциональных преобразований.

Схемные реализации этих блоков широко известны, весьма разнообразны и приведены, например, в (5). При использовании цифровых выходов фазометров 8 и 9 перечисленные блоки следует реализовать в цифровом виде с использованием цифровых интегральных схем и микропроцессоров.

Источник опорного напряжения 24 предназначен для выработки напряжений, условно принятых за единицу в конкретных схемах. Реализовать его можно с помощью стабилизаторов постоянного напряжения и делителей напряжения на прецизионных резисторах, Схемы этих устройств широко известны и не требуют пояснений и ссылок.

Индикаторы фазы 16 и модуля 20 предназначены для индикации результатов измерения. Для этих целей могут быть использованы стрелочные, цифровые, графические v: другие типы индикаторов.

Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения работает следующим образом. Рассмотрим линию передачи без потерь. Отсчет расстояния будем прово.А дить от плоскости подключения исследуемого двухполюсника 3, т,е. справа-налево. В отрезке линии передачи с четырехзондовым датчиком 2 в общем случае будет существовать падающая волна с комплексной амплитудой Опад.(!), которая распространяется в направлении от генератора СВЧ 1 к двухполюснику 3, и отраженная волна с комплексной амплитудой Оотр.(1), которая распространяется в обратном направлении.

В результате интерференции этих волн получаем суммарную волну с комплексной амплитудой

U(l) =Опад.(I) + Uorp.(l). (1)

Обозначим значение комплексных амплитуд падающей и отраженной волн в плоскости подключения двухполюсника 3 через Uo ад. и

Uo отр. соответственно. Тогда комплексные амплитуды этих волн на расстоянии I от нагрузки будут равны

Опад.(l) = Uo пад. e ; Остр(!) = Uo отр !

Л(где P =2л /il — волновое число;

А — длина волны в линии передачи.

Подставив эти значения в формулу (1), получим

U(l)= Оопад,Е т + Ооотр Е4 (2)

Вынесем за скобки член Оопад.е

)В

U(l)=0 „eit (1+ р e i2plj (3)

По определению величина Ооотр./Оопад, является комплексным коэффициентом отражения двухполюсника 3 в плоскости подключения к датчику 2, т.е.

" =Г= !Г!еi<, (4)

0опад. где !Гi, p — модуль и фаза комплексного коэффициента отражения двухполюсника 3.

Подставим (4) в (3)

U(l)= Uonap. е (1+ Г! е !() ). (5) используя формулу Эйлера, представим (5) следующим образом

U(I)=Uor т (1 + Г cos (2j3I — p)—

-j 1 à I sin(2Pl — p)) (6)

Сигналы; которые ответвляются зондами 4, 5, 6, 7, будут иметь вид

U !(!)=0опад.е Ki (1+ Г cos (2 P — р )— — j l Г I sin (2p t - q) ) ) (7) где i — номер зонда(=4,5, 6, 7);

К вЂ” комплексный коэффициент передачи l-ro зонда.

Из(7) определим начальные фазы ответвляемых сигналов, полагая начальную фазу падающей волны в плоскости подключения двухполюсника З,.нулевой

1793392

ЛЧ =(2+44 Ь)+

+arctg

5, (17) + arctg (9) (18), (20) + alctg

9 ! Г I sio 2 1!в

1+ l à l cos 2 li — rp

i = 311+ф — arctg () где ф — аргумент комплексного коэффицие та передачи l-ro зонда К1, Учтем, что расстояния между зондами 4, 5, 6, 7 выбираются равными il/8, т,е. I6 = I7+

+, Л /8; l5= !7+ Л /4; l4= I7+ЗЛ /8, т гда начальные фазы ответвляемых сигнал в будут

=j3 !7 + (7 — arctg

1 -!. Г! cos (2j3I7 ф)

Л

=j3 i7 +ф +ф6

I Г! в1п (2j3l7+2j3 — — P) .Л

RGg . (10)

1 + Г l cos (2 3!7 + 2j3 — — ф) .Л

Л

=j3 !7 +j3 + ф5.

l Г! sin (2j3I7+2 j3 — „— p) ,Л

Bag 4, (11)

1 + à cos (2j3I7+2j3 — — p)

Л

=j3 l7+j3 8 +$4 4—

ЗЛ

I Г! sio (2j3I7 + 2j3 — — p) эЛ g . (12)

1+ Г cos (2/3!7+2j3 — p) .зЛ

1 + à sin (2j3 l7 — p) 10

1 — I Г sin (2Я -p) % = (— — + ф7 — (5 )—

- агс19

15 1 — I à I cos(2j317 — p) -arctg

1 + Г Cos (2j317 — р)

20 Свернем (17) и (18), используя известную формулу

arctg а + arctg у = arctg . (19) а+

1 — ау

В результате преобразований получим

Л Ь (+(4 (6)+

30 1 — IГ!

Л% = (— +47 — 4 5 )—

ctg

П азания фазометров 8 и 9 при соответств щем подключении входов будут равны

Л1Ь = V4 — Ч 6, (13)

Ь% =% — %, (14)

П ставляя в (13) и (14) формулы (9) — (12) и уч ывая, что Р =2л/Л, получим

+ (4 (6

I Ã I sin (2j3l7+ 2 !!7

3 юг

rctg +

1+ I à I cos(2!!3I7+ 2 — p)

I Г I sin (2j3I7+ 2 -p)

+а .; (15)

1+ Г сов(2Р!7+ — (р) Ъ = — +47 — ивЂ

- а,ctg !

ГIsln 2 l7— !

1+ Г I сов (2j3I7 — p) !

Гlsin 2 l7+x

+ arctg

1 + Г I cos(2j317+K — р) (21), (22) Ь% =агс19

1 — à I

55, (23) ЛЧ = arctg

1 — IГ!

-arctg

В выражениях (20) и (21) первые члены в круглых скобках являются постоянными величинами и не зависят от измеряемых параметров:

I Г I и р. Эти члены могут быть исключены при калибровке измерителя по согласованной нагрузки, для которой Г I = О. Подставляя е (20) и (21) значение Г (= О, видим, что показания фазометров 8 и 9 будут соответственно равны;

45 %0=(2 +ф4 (6)Л%0 =(2 + 7 5)

Путем введения компенсирующих фазовых сдвигов с помощью фаэовращателей, которые имеются в любом фазометре, можно добиться нулевых. показаний фазометров 8

50 и 9. С учетом этого соотношения (20) и (21) могут быть записаны в виде

1793392

4II I гг (1 — IlI ) 2 2

U21= 0.11+ 1— (32) О1ОцЛЧ вЂ”, (24) 10

2 2 2

1 — Ir I (1 — I I-I ) 25

023 022 1:= (1 — I r I ) е 2

01з= Un

Эти соотношения представляют собой систему из двух уравнений с двумя неизвестными; I Г I и р, Для определения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения напряжения с выходов фаэометра поступают на тангенсные преобразователи 10 и 11, с выходов которых снимают сигналы

011-1ц ЛЧ4 .,(25) 2

1 — 1Г1

Сигналы с выходов тангенсных преобразо- вателей 10 и 11 поступают на входы делителя и делимого первого блока деления 14.

При этом на выходе этого блока формируется с игнал

Этот сигнал поступает на вход арктангенсного.преобразователя I5, на выходе которого получаем сигнал, пропорциональный фазе комплексного коэффициента отражения

0@= агсщ014= р-2р !т (27)

Этот сигнал поступает на индикатор фазы 16.

Исключение постоянной величины -2 j3 !т из результата осуществляется путем начальной установки показаний индикатора при калибровке по образцовой мере с нулевой фазой, либо с любым другим заранее известным значением фазы. Для этих целей удобно использовать короткозамыкатель. . Сигналы 01о и U11с выходов тангенсных преобразователей 10 и 11 поступают также на квадраторы 12 и 13, на выходах которых . получаем

0 =0 2 41" I сов —.2 17 (28)

012=01о

1 (29) (1 — Г.I )

Эти сигналы поступают на входй первого сумматора 17, на выходе которого получим

017 = 012+ 01з — .. (30)

41Г! (1 — II I )

Этот сигнал поступает на вход первого блока извлечения квадратного корня 18, на вы ходе которого

U18 017 .. {31)

21ГI

1 — If I

Одновременно сигнал с выхода первого сумматора 17 поступает на вход второго сумматора 21, на второй вход которого подано единичное напряжение от источника опорного напряжения 24. На выходе второго сумматора имеем

Этот сигнал поступает на вход второго блока извлечения квадратного корня 22, на выходе которого г

U22 - Чà — ., (зз)

1 — IГI

Этотсигнал поступает на вход уменьшаемого блока вычитания 23, на вход которого

20 подано единичное напряжение от источника опорного напряжения 24. На выходе блока вычитания 23 будем иметь г

1+ I I г

1 — Г!

21 Г! (34) г

Таким образом на вход делимого второго блока деления 19 подан сигнал Огз, а на вход делителя сигнал 01я. Тогда на выходе второго блока деления 19 будет сигнал

U19 — =! à I

U23

018 (35).

Это сигнал поступает на индикатор модуля

20.

Докажем получение заявленного поло40 жительного эффекта.

Повышение точности в заявленном устройстве обусловлено следующими причинами:

1) исключается погрешность из-за не45 квадратичности детектора, так как в заявленном устройстве измеряется не мощность ответвленного сигнала, а фаза. СВЧ-детектор при этом из схемы исключен;

2) исключается погрешность из-за неи50 дентичности глубины погружения зондов, так как изменение глубины погружения приводит к изменению коэффициента передачи и, как следствие, к изменению ответвляемой мощности, а на фазу ответвляемого сигнала

55 практически не влияет;

3) исключается погрешность из-за неидентичности потерь пропускания каналов

СВЧ-коммутатора и из-за нестабильности этих потерь, так как СВЧ-коммутатор исключен из схемы.

1793392

14 шим, Типовое значение динамического диапазона входных сигналов 60-100 дБ (смотри, например фазометры ФК2-29, ФК2-33, и другие). Таким образом, динамический диапазон мощности в линии передачи при прочих равных, оговоренных ранее, условиях составит не менее (60-20) = 40 дБ, т,е, на

25 дБ шире, чем в прототипе, м

У о с

С к н

10 явл

) то пе вт и оп л ни ди по зо

Составитель Ю.Гимпилевич

Техред M,Ìîðãåíòaë Корректор Л.Филь

Редактор С. Кулакова

За аз 503 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, yn,Гагарина, 101

Динамический диапазон изменения щности в линии передачи в заявляемом тройстве будет шире, поскольку фазометр ладает существенно большим динамичеим диапазоном входных сигналов, чем 5

Ч-детектор. Этот диапазон определяется эффициентом усиления усилителя-ограчителя, который может быть очень больФормула изобретения

Измеритель модуля и фазы коэффицита отражения. содержащий последовально соединенные генератор СВЧ и

ырехзондовый датчик, выход которого яется входом для подсоединения исслемого двухполюсника, последовательно диненные первый фазометр и первый генсный преобразователь, последоваьно соединенные первый блок деления, тангенсный преобразователь и индикафазы, последовательно соединенные рвый блок извлечения квадратного корня, рой блок деления и индикатор модуля, следовательно соединенные источник рного напряжения и блок вычитания, о тч а ю шийся тем, что, с целью повышеточности и расширения динамического пазона изменения мощности, введены ледовательно соединенные второй фаетр, второй тангенсный преобразователь, первый квадратор, первый сумматор, второй сумматор и второй блок извлечения квадратного корня, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, выход первого тангенсного преобразователя соединен с вторым входом первого сумматора через введенный второй квадратор, выходы первого и второго тангенсных преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока деления, выход первого сумматора соединен с входом первого блока извлечения квадратного корня, выход блока вычитания соединен с вторым входом второго блока деления, а выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехэондового датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов — с входами второго фазометра.