Способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника в волноводе

 

Способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника в волноводе может быть использован при проектировании и изготовлении устройств, содержащих линии с распределенными параметрами. Способ включает измерение комплексных коэффициентов отражения и передачи в исходном волноводе при установке исследуемого четырехполюсника в заданном относительно продольной оси волновода положении. Частоту, на которой проводят измерения, выбирают из заданного диапазона частот, а измерения проводят последовательно в прямом и обратном направлениях. Для измерения на другой частоте из заданного диапазона частот исследуемый четырехполюсник устанавливают в эквивалентный волновод, имеющий волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению исходного волновода, и проводят измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи последовательно в прямом и обратном направлениях. Все измерения проводят при неизменном типе волн. Положение исследуемого четырехполюсника относительно продольной оси эквивалентного волновода сохраняется идентичным его положению в исходном волноводе. Технический результат заключается в исключении влияния направляющей линии на результаты измерений и обеспечении возможности расширения диапазона технический средств, используемых при проектировании, исследовании и разработке СВЧ-устройств. 2 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а более точно к способам измерения частотных характеристик пассивных четырехполюсников в волноводах и может быть использовано при проектировании и изготовлении устройств, содержащих линии с распределенными параметрами, например, при проектировании и изготовлении фильтров и согласующих устройств СВЧ.

Известен способ измерения S-параметров пассивного четырехполюсника в волноводе, реализованный в устройстве, описанное в а.с. СССР N 1800396. Устройство содержит последовательно соединенные генератор СВЧ, первый направленный ответвитель с детектором отраженной волны и первый отрезок волновода. В устройстве имеется первая отражающая неоднородность, установленная с возможностью перемещения вдоль оси первого волновода. Кроме того, в устройстве имеются второй отрезок волновода и вторая отражающая неоднородность, установленная с возможностью перемещения вдоль оси второго волновода, а также второй направленный ответвитель, короткозамыкатель и второй детектор. Второй детектор присоединен к выходу падающей волны второго ответвителя. Кроме того, в устройстве имеется измеритель отношений, к первому и второму входам которого присоединены соответственно выходы первого и второго детекторов. Выход первого волновода и вход второго волновода являются соответственно входом и выходом для подключения исследуемого четырехполюсника.

Способ реализуется следующим способом. Исследуемый четырехполюсник устанавливают в измерительный тракт. Перемещают первую неоднородность до получения минимального сигнала на измерителе отношений. Определяют при этом положении фазу коэффициента отражения исследуемого четырехполюсника. Далее перемещают вторую отражающую неоднородность вновь до получения минимального показания измерителя отношений и определяют фазу коэффициента передачи исследуемого четырехполюсника. После этого перемещают первую неоднородность до появления максимальных показаний измерителя отношений. По полученным результатам определяют расчетным путем модули коэффициентов отражения и передачи. Необходимые для расчета значения модуля коэффициента отражения используемых неоднородностей определяются аналогичным путем при включении в измерительный тракт эталонных четырехполюсников.

Таким образом, в описанном способе измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи пассивного четырехполюсника измерения проводятся в одном измерительном тракте. Известно, что на результаты измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсника в волноводе оказывают влияние, вследствие дисперсии, свойства самого волновода. Описанный способ не позволяет определить из результатов измерений значения коэффициентов отражения и передачи, характеризующие только свойства исследуемого четырехполюсника.

Известен способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника в волноводе, описанный в кн. В. Фуско "СВЧ-цепи. Анализ и автоматизированное проектирование". Пер. с англ. Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1990. с. 197 - 200.

В соответствии с этим способом размещают исследуемый четырехполюсник в исходном волноводе в заданном относительно продольной оси положении. Затем измеряют комплексные коэффициенты отражения и передачи электромагнитного излучения исследуемого пассивного четырехполюсника последовательно в прямом и обратном направлениях. Значения частоты, на которых проводят измерения, выбирают из заданного диапазона частот. После этого измерения повторяют многократно, каждый раз меняя значение частоты электромагнитного излучения при неизменном типе волн.

Этот способ позволяет измерить комплексные коэффициенты отражения и передачи пассивного четырехполюсника при разных значениях частоты электромагнитного излучения. При этом, в отличие от описанного выше способа, не требуется использования эталонных четырехполюсников.

Однако, как и в описанном выше способе, измеренные значения коэффициентов передачи и отражение четырехполюсника характеризуют не только свойства исследуемого объекта, но и свойства самого волновода, поскольку при измерении частоты электромагнитного излучения вследствие дисперсии волновода изменяется его волновое сопротивление. Таким образом, на результаты измерения влияет суммарный эффект изменения параметров волновода и четырехполюсника в зависимости от частоты. Это затрудняет, а в некоторых случаях практически исключает возможность оценки свойств четырехполюсника.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать такой способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника в волноводе, который бы позволил исключить влияние изменения волнового сопротивления волновода в зависимости от частоты излучения и тем самым расширить диапазон технических средств, используемых при проектировании, исследований и разработке устройств СВЧ.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника, в соответствии с которым размещают исследуемый пассивный четырехполюсник в исходном волноводе в заданном относительно продольной оси положении, измеряют комплексные коэффициенты отражения и передачи при известном типе волн и значении частоты электромагнитного излучения, выбранной из заданного диапазона частот, последовательно в прямом и обратном направлениях, в соответствии с изобретением, для измерения на другой частоте измерения, выбранной из заданного диапазона частот, исследуемый пассивный четырехполюсник устанавливают в эквивалентный волновод, имеющий волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению исходного волновода, измеряют комплексные коэффициенты отражения и передачи электромагнитного излучения исследуемого пассивного четырехполюсника в прямом и обратном направлениях, причем измерения проводят при неизменном типе волн и положении четырехполюсника относительно продольной оси эквивалентного волновода, идентичном его положению относительно продольной оси исходного волновода.

Благодаря тому, что измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи исследуемого четырехполюсника дополнительно проводят в эквивалентных волноводах, волновые сопротивления которых равны волновому сопротивлению исходного волновода, на частотах, выбранных произвольно из заданного диапазона частот, изменения указанных коэффициентов в зависимости от частоты излучения определяются только свойствами исследуемого четырехполюсника.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых: фиг. 1 изображает блок-схему устройства, на котором реализован способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника в волноводе в соответствии с изобретением; фиг. 2 изображает частотные характеристики пассивного четырехполюсника, измеренные известным способом, и способом, предлагаемым в настоящем изобретении.

Устройство, на котором реализован способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника в соответствии с изобретением /фиг. 1/, содержит генератора 1 СВЧ-колебаний, снабженный датчиком частоты 2. Выход генератора 1 соединен с входом направленного ответвителя 3, который, в свою очередь, соединен с усилителем-измерителем 4 отраженной волны. Выход направленного ответвителя 3 соединен с входом переключателя 5 волноводов. Переключатель 5 волноводов имеет три выхода, каждый из которых соединен с одним из волноводов 6, 7 или 8. Волновод 6 в описываемом варианте осуществления изобретения является исходным волноводом. В волноводе 6 с помощью фланцевых соединений 9, 10 закреплен исследуемый четырехполюсник 11. Положение четырехполюсника 11 относительно продольной оси волновода 6 определяется посадочными местами фланцевых соединений. Волновод 7 является эквивалентным волноводом, т.е. имеет при заданном значении частоты такое же волновое сопротивление, что и исходный волновод 6. Этот волновод 7 имеет поперечные размеры, отличные от поперечных размеров волновода 6. В этом случае, как это условно показано на чертеже, для установки исследуемого четырехполюсника используются переходы-отрезки 12, 13 волноводов переменного сечения, как это обычно принято в СВЧ-технике. В этом случае положение четырехполюсника относительно продольной оси волновода 7 также определяется посадочными местами фланцевых соединений. Это обеспечивает положение исследуемого четырехполюсника относительно продольных осей эквивалентного волновода, идентичное его положению относительно продольной оси исходного волновода 6. Аналогичным образом, волновод 8, который является также эквивалентным волноводом, снабжен переходами 14, 15. Волноводы 6, 7 и 8 своими выходами соединены с входами второго переключателя 16 волноводов. Выход переключателя 16 соединен с входом детекторной секции 17, которая снабжена усилителем-измерителем 18 прошедшей волны.

В описываемом примере осуществления изобретения используются только два эквивалентных волновода. Следует иметь ввиду, что количество эквивалентных волноводов, необходимое для определения частотных характеристик пассивного четырехполюсника, определяется требованиями к точности измерений и заданным диапазоном частот электромагнитного излучения.

Способ реализуется следующим образом. С помощью датчика 2 устанавливают значение частоты f₁ генератора 1, выбранное из заданного диапазона частот. Электромагнитное излучение проходит ответвитель 3 и поступает на вход переключателя 5 волноводов. В положении "A" переключателя 5, как показано на фиг. 1, электромагнитное излучение поступает в исходный волновод 6 и проходит через исследуемый четырехполюсник 11. Часть излучения отражается четырехполюсником 11, а часть излучения через переключатель 16 и детекторную секцию 17 поступает на усилитель-измеритель 18, которым и измеряют коэффициент передачи исследуемого четырехполюсника.

Отраженная от исследуемого четырехпорлюсника 11 часть излучения проходит переключатель 5 в обратном направлении и через ответвитель 3 с детекторной секцией поступает на усилитель-измеритель 4, которым и измеряют комплексный коэффициент отражения исследуемого четырехполюсника 11.

Таким образом определяют комплексные коэффициенты отражения и передачи, измеренные в прямом направлении.

После этого исследуемый четырехполюсник 11 переворачивают на 180^o и меняют местами вход и выход. Измерения повторяют при том же значении частоты электромагнитного излучения, получив, таким образом, значения комплексных коэффициентов передачи и отражения исследуемого четырехполюсника 11 при заданном значении частоты в исходном волноводе 6 в прямом и обратном направлениях.

Затем четырехполюсник 11 устанавливают в эквивалентный волновод 7. Переключатели 5 и 16 устанавливают в положение "B". С помощью датчика 2 устанавливают значение частоты f₂ генератора 1, выбранное из заданного диапазона частот, при котором данный волновод 7 является эквивалентным к исходному волноводу 6. Затем проводят измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи в прямом и обратном направлениях аналогично тому, как это проводилось в исходном волноводе, получая, таким образом, комплексные коэффициенты отражения и передачи в эквивалентном волноводе 7 на частоте f₂ в прямом и обратном направлениях.

После этого аналогичные измерения проводят во втором эквивалентном волноводе 8 при значении частоты f₃, выбранном также из заданного диапазона частот и соответствующим условию эквивалентности волновода 8 исходному волноводу 6. Переключатели 5 и 16 при этом устанавливают в положение "C".

Как уже упоминалось выше, измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения исследуемого пассивного четырехполюсника проводят, в случае необходимости, в нескольких эквивалентных волноводах.

Экспериментальные измерения проводились в трехсантиметровом диапазоне волн на прямоугольных металлических волноводах с четырехполюсниками типа индуктивных и емкостных диафрагм. На фиг. 2 приведены результаты измерений модуля коэффициента отражения. Значения модуля коэффициента отражения указаны по оси ординат, значения частоты f - по оси абсцисс, в гигагерцах /ГГц/. Кривая 19 изображает зависимость модуля коэффициента отражения от частоты электромагнитного излучения, измеренным известным способом, кривая 20 изображает зависимость этого же коэффициента от частоты, измеренного в соответствии с изобретением. Из чертежа видно, что значения коэффициентов, измеренные разными способами, существенно отличаются друг от друга. Расхождение кривых 20 и 19 определяется влиянием дисперсии волновода.

Измерения проводились в исходном волноводе прямоугольного сечения. Размеры сечения составили a x b = 23 x 10 мм. Исследуемый четырехполюсник представлял собой диафрагму емкостного типа. Характеристическое сопротивление волновода определяли по известной формуле: (1) где Z_TE(H10) - характеристическое сопротивление прямоугольного волновода с поперечным размером "a", мм; Z_TEM - характеристическое сопротивление волновода на волне TEM (табличное значение); λ - длина волны в свободном пространстве, мм (табличное значение); a - поперечный размер волновода, мм; ε, μ - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды соответственно, в нашем случае ε и μ приняты за единицу.

Как видно из формулы 1, чтобы перейти от измерений на исходном волноводе на одной частоте к измерениям на другой частоте в соответствующем эквивалентном волноводе, необходимо сохранить постоянным в этой формуле отношение λ/2a. Это достигается соответствующим подбором критического размера волновода. Так например, в наших измерениях на прямоугольных металлических волноводах поперечные размеры эквивалентных волноводов составили: на частоте 8 ГГц - a x b = 28,75 x 10 мм; на частоте 10 ГГц - a x b = 23 х 10 мм;
на частоте 12 ГГц - a x b = 19,17 х 10 мм;
Для волны типа ТМ также существует известная формула:
(2)
где
Z_ТМ - характеристическое сопротивление прямоугольного волновода с размером поперечного сечения "a", мм;
Z_ТЕМ - характеристическое сопротивление волновода на волне ТЕМ (табличная величина);
λ - длина волны в свободном пространстве, мм (табличная величина);
a - поперечный горизонтальный размер волновода, мм;
ε, μ - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды соответственно, в нашем случае ε и μ приняты за единицу.

Как и при расчете по формуле 1 величина λ/2a должны быть постоянной, что достигается изменением поперечного размера волновода.

Автором дополнительно проводились расчеты простейших четырехполюсников на других направляющих линиях. В качестве направляющих линий использовались микрополосковые (симметричные и несимметричные) и коаксиальные линии, стандартные и зауженные прямоугольные и круглые волноводы, а неоднородности - металлические стержень и кольцо, металлические диафрагмы индуктивного и емкостного типа, взятые из N. Marcuvitz, Wavequide handbook, 1951 и других источников.

Для круглых диэлектрических волноводов (оптических волокон) аналогичным параметром является волноводный параметр:
V = kd(n²₁-n²₂)^1/2 = 2π/λd(n²₁-n²₂)^1/2
где
λ - длина волны в свободном пространстве;
d - диаметр сердцевины волокна;
n₁ - показатель преломления материала сердцевины;
n₂ - показатель преломления окружающей оболочки.

Для сохранения постоянства V можно, например, изменять диаметр сердцевины волокна d так, чтобы отношение d/λ-const во всем частотном диапазоне измерений. Предполагается, что в волокне распространяется только один тип волны (мода). Аналогичным образом можно осуществлять измерения параметров четырехполюсников и для других линий оптической интегральной технологии.

Таким образом, предлагаемый способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника позволяет исключить влияние направляющей линии на результаты измерений. Это позволяет увеличить арсенал технических средств, используемых при исследовании, проектировании и разработке устройств СВЧ и оптики. Наиболее успешно предлагаемый способ измерения можно применять при разработке элементной базы для этих устройств.

Формула изобретения

Способ измерения частотной характеристики пассивного четырехполюсника, в соответствии с которым размещают исследуемый четырехполюсник в исходном волноводе в заданном относительно продольной оси волновода положении и измеряют комплексные коэффициенты отражения и передачи при известном типе волн и значении частоты электромагнитного излучения, выбранной из заданного диапазона частот, последовательно в прямом и обратном направлениях, отличающийся тем, что для измерения на другой частоте излучения, выбранной из заданного диапазона частот, исследуемый пассивный четырехполюсник устанавливают в эквивалентный волновод, имеющий волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению исходного волновода, измеряют комплексные коэффициенты отражения и передачи электромагнитного излучения исследуемого пассивного четырехполюсника в прямом и обратном направлениях, причем измерения проводят при неизменном типе волн и положений четырехполюсника относительно продольной оси эквивалентного волновода, идентичном его положению относительно продольной оси исходного волновода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2