Способ испытаний параметров четырехполюсников и панорамный измеритель для его осуществления

Изобретение относится к технике СВЧ-измерений и может быть использовано для испытаний СВЧ четырехполюсников, а также в частном случае для их контроля и настройки. Технический результат изобретения: снижение трудоемкости испытаний четырехполюсников, улучшение качества параметров четырехполюсников и повышение точности измерений их параметров. Сущность: способ заключается в сравнении опорного и измеряемого сигналов и минимизации их отношения при настройке четырехполюсника. В качестве опорного сигнала используют сигнал, прошедший через четырехполюсник, который сравнивается с измеряемым сигналом, отраженным от входа четырехполюсника. Для осуществления данного способа используют панорамный измеритель, содержащий генератор качающейся частоты, измеритель отношений, датчики мощности опорного и измеряемого сигналов, согласованную нагрузку. Датчик опорного сигнала включают между выходом четырехполюсника и согласованной нагрузкой для контроля мощности, прошедшей через него, а датчик измеряемого сигнала включается между генератором качающейся частоты и входом четырехполюсника для контроля сигнала, отраженного от его входа. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к технике СВЧ-измерений и может быть использовано для испытаний СВЧ четырехполюсников, а также в частном случае для их контроля и настройки.

Широко известен способ испытаний по ослаблению сигнала, прошедшего через четырехполюсник, с использованием панорамного измерителя, заключающийся в сравнении мощности измеряемого сигнала, прошедшего через четырехполюсник (Р_ПР), с мощностью опорного сигнала, падающего на его вход (Р_П). Измеряемое отношение Р_ПР/Р_П отсчитывается по шкале панорамного измерителя, отградуированного в децибелах [1]. При использовании этого способа сущность настройки четырехполюсника сводится к максимизации контролируемого отношения Р_ПР/Р_П [1].

Основной недостаток данного способа - низкая чувствительность при измерении малых величин ослабления, так как изменение ослабления на сотые доли децибела может привести к изменению на десятые доли КСВН. Зафиксировать изменение ослабления на сотые доли децибела практически невозможно. Кроме того, чувствительность ослабления (Р_ПР/Р_П) к изменению параметров четырехполюсников резко снижается при увеличении поглощаемой в нем мощности.

Этому способу и устройству присущ также недостаток, заключающийся в том, что сигнал, прошедший через четырехполюсник (Р_ПР), не дает информации об отраженном от его входа сигнале - степени согласования четырехполюсника по входу. Второй используемый сигнал - падающий на вход четырехполюсника - определяется только генератором панорамного измерителя и никак не характеризует параметры четырехполюсника. Уменьшение ослабления четырехполюсника в данном случае может быть получено как за счет снижения КСВН по входу, так и за счет уменьшения поглощаемой мощности в сосредоточенных диссипативных элементах четырехполюсника (в диодах, резистивных пленках, низкодобротных резонаторах и т.п.) при расположении их в минимуме электрического для параллельного включения и в минимуме магнитного поля для последовательного включения. При этом одному и тому же ослаблению может соответствовать различный КСВН. Таким образом, минимальному ослаблению не соответствует однозначно минимально возможный КСВН.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ испытаний по КСВН или однозначно связанному с ним коэффициенту отражения, при котором сравнивается мощность измеряемого сигнала, отраженная от входа четырехполюсника (Р_О), с мощностью опорного сигнала, падающая на его вход (Р_П) [1].

Сравнение производится с использованием панорамного измерителя, содержащего генератор качающейся частоты, датчик опорного сигнала, подключенный к выходу генератора качающейся частоты, для контроля мощности, падающей на вход четырехполюсника, датчик измеряемого сигнала, включенный между высокочастотным выходом датчика опорного сигнала и входом четырехполюсника, для контроля мощности, отраженной от его входа, согласованную нагрузку, включенную на выходе четырехполюсника, измеритель отношений, подключенный к низкочастотным выходам датчиков опорного и измеряемого сигналов. Измеряемое отношение Р_О/Р_П отсчитывается по шкале измерителя отношений, отградуированной в значениях КСВН [1]. При использовании этого способа испытаний сущность настройки четырехполюсника сводится к минимизации контролируемого отношения Р_О/Р_П [1].

Способ испытаний параметров СВЧ четырехполюсников по КСВН на панорамном измерителе, выбранный в качестве прототипа заявляемого способа, является очень эффективным при испытаниях четырехполюсников с небольшим (0,1-0,3 дБ) ослаблением и при равномерном распределении потерь мощности по длине устройства, определяющимися, как правило, потерями на отражение. Способ обеспечивает высокую точность контроля параметров, так как КСВН является наиболее чувствительной величиной к изменению параметров СВЧ четырехполюсника.

Основным недостатком этого способа является резкое снижение чувствительности КСВН к изменению параметров четырехполюсника при увеличении в нем диссипативных потерь. Так, например, если перед реактивным элементом четырехполюсника включены диссипативные элементы с ослаблением, мало зависящим от сопротивлений нагрузки и генератора, то сигнал, падающий на вход четырехполюсника, пройдя через его диссипативные элементы, уменьшится на величину, определяемую их ослаблением, и отразится от реактивного элемента. Отраженный сигнал, пройдя на вход четырехполюсника, также уменьшится на величину ослабления диссипативных элементов. В результате реактивные элементы четырехполюсника становятся развязанными от его входа ослаблением диссипативных элементов и при ослаблении в диссипативных элементах 6-8 дБ практически не влияют на отраженный от его входа сигнал и, соответственно, на КСВН четырехполюсника.

Другим недостатком этого способа является отсутствие информации о сигнале, прошедшем через четырехполюсник в нагрузку (Р_ПР). Так же, как и при измерении ослабления, минимальный КСВН может быть получен как за счет уменьшения отраженного сигнала от четырехполюсника с нагрузкой, так и за счет увеличения поглощаемой мощности в сосредоточенных диссипативных элементах четырехполюсника. При этом минимальному КСВН может соответствовать ослабление любой величины.

Таким образом, испытания СВЧ четырехполюсников только по ослаблению или только по КСВН не дают полную информацию о параметрах четырехполюсника и не позволяют получить минимальное ослабление при минимально возможном КСВН при его настройке.

Практический опыт испытаний СВЧ четырехполюсников показывает, что для получения указанного оптимального соотношения между ослаблением и КСВН приходится многократно, поочередно настраивать четырехполюсник по КСВН и ослаблению в процессе его испытаний. Однако даже такая поочередная настройка не всегда обеспечивает минимальное значение ослабления при минимальном КСВН.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение трудоемкости операций контроля и настройки четырехполюсников, улучшение качества их параметров и повышение точности измерений за счет увеличения чувствительности контролируемого параметра.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в контроле его параметров путем измерения отношения мощностей сигналов опорного и отраженного от входа четырехполюсника с последующей оценкой его характеристик, причем в качестве опорного сигнала используется сигнал, прошедший через четырехполюсник. В панорамном измерителе для осуществления предлагаемого способа испытаний параметров четырехполюсников, содержащем генератор качающейся частоты, датчик опорного сигнала, включенный в высокочастотный тракт для контроля мощности опорного сигнала, датчик измеряемого сигнала, включенный на входе четырехполюсника, для контроля мощности сигнала, отраженного от входа четырехполюсника, согласованную нагрузку, включенную на выходе высокочастотного тракта, измеритель отношений, подключенный к низкочастотным выходам датчиков опорного и измеряемого сигналов, причем датчик опорного сигнала включен между выходом четырехполюсника и согласованной нагрузкой для контроля мощности сигнала, прошедшего через четырехполюсник, а вход датчика измеряемого сигнала подключен к выходу генератора качающейся частоты.

Таким образом, производится измерение отношения мощностей сигнала, отраженного от входа четырехполюсника, к сигналу, прошедшему через него (Р_О/Р_ПР). Отраженный сигнал несет в себе информацию о степени согласования четырехполюсника с генератором, а прошедший - о вносимых потерях мощности четырехполюсником.

В предлагаемом способе сравнение двух величин, одновременно зависящих от параметров четырехполюсника и изменяющихся в противоположных направлениях при изменении его параметров, приводит к более быстрому изменению измеряемого отношения по сравнению с прототипом и, соответственно, увеличивает его чувствительность контролируемого параметра к изменению параметров четырехполюсника.

Именно заявленное включение датчиков опорного и измеряемого сигналов в устройстве обеспечивает, согласно способу, контроль отношения мощностей сигналов, отраженного от входа четырехполюсника и прошедшего через него, и, тем самым, достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного использованием нового критерия оценки параметров четырехполюсника (Р_О/Р_ПР), а устройство для осуществления заявляемого способа - взаимным расположением датчиков относительно испытываемого четырехполюсника.

Минимальное значение КСВН четырехполюсника может быть получено не только при согласованном включении реактивных элементов, входящих в четырехполюсник, а также за счет поглощения мощности в диссипативных элементах, в том числе в сосредоточенных - полупроводниковых элементах, низкодобротных резонаторах и т.д.

Уровень поглощаемой мощности в диссипативных элементах зависит не только от величины действительной части комплексного сопротивления в сечении четырехполюсника, где установлены элементы, но и от взаимного расположения диссипативных элементов относительно минимальных и максимальных значений амплитуд напряженности электрического (магнитного) поля смешанной волны (суперпозиции стоящей и бегущей волн).

При испытаниях четырехполюсника по КСВН (коэффициенту отражения Г) контролируют отношение мощностей отраженного от четырехполюсника сигнала Р_О и падающего на его вход сигнала Р_П, добиваясь при этом минимального значения S₁₁=Г=Р_О/Р_П. При этом используемое отношение не содержит информации о прошедшей через четырехполюсник мощности, и в некоторых случаях минимизация отраженного сигнала может привести к увеличению поглощаемой мощности в четырехполюснике, то есть к уменьшению мощности на его выходе и соответствующему увеличению ослабления в нем, за счет согласования диссипативных элементов четырехполюсника и расположения их в максимуме электрического поля для параллельных диссипативных элементов и максимуме магнитного поля для последовательных.

При испытаниях четырехполюсника по ослаблению L контролируют отношение мощностей прошедшего через четырехполюсник сигнала Р_ПР и падающего на его вход сигнала Р_П, добиваясь при этом максимального значения 1/Т₁₁=L= Р_ПР/Р_П, а это отношение не несет полной информации об отраженном от входа четырехполюсника сигнале.

Испытания четырехполюсника по параметру Т=Р_О/Р_ПР позволяют оптимизировать значения мощностей сигналов отраженного от четырехполюсника сигнала Р_О и прошедшего через него Р_ПР, так как параметр Т содержит оба значения мощностей, необходимых для оценки качества параметров четырехполюсника.

Кроме того, использование параметра Т повышает чувствительность контролируемой величины для четырехполюсников без потерь или с потерями, которыми можно пренебречь (фильтры, делители, направленные ответвители, фазовращатели проходного типа и др.).

Так, например, при воздействии на четырехполюсник каким-либо образом сигнал, отраженный от его входа Р_О, уменьшился в k раз и стал равен Р_ОΔ=Р_О/k, что соответствует уменьшению коэффициента отражения Г в k раз. Это приведет к соответствующему увеличению проходящей через четырехполюсник мощности и соответствующему увеличению мощности Р_ПР на его выходе в k раз, и новое значение прошедшего сигнала будет равно Р_ПРΔ=Р_ПР·k, что соответствует уменьшению ослабления L в k раз. При этом значение параметра Т при новых значениях отраженной и прошедшей мощностей будет равно Т_Δ=(P_О/k)/(Р_ПР·k)=(Р_О/Р_ПР)/k²=T/k². В итоге получается, что изменению отраженного сигнала (коэффициенту отражения) в k раз соответствует изменение прошедшего сигнала. Значения мощностей изменяются в противоположных направлениях при изменении параметров четырехполюсника, что приводит к более быстрому изменению измеряемого отношения по сравнению с прототипом и, соответственно, увеличивает его чувствительность контролируемого параметра к изменению параметров четырехполюсника.

На фиг.1, 2 показаны различные взаимные расположения максимумов и минимумов электрического поля Е по длине линии передачи l относительно параллельно включенного резистивного элемента R_ДИСС на частоте f₁. В данном случае отрезок линии передачи с резистивным элементом рассматривается как один из простейших четырехполюсников.

На фиг.3, 4 приведены соответствующие качественные частотные зависимости КСВН и ослабления.

Характеристики КСВН и ослабления на фиг.3 соответствуют расположению резистивного элемента в минимуме электрического поля, а на фиг.4 - его максимуму. Из чертежей видно, что уменьшение КСВН на частоте f₁ на фиг.4 по сравнению с фиг.3 происходит за счет поглощения СВЧ-мощности вследствие расположения максимума электрического поля в области резистивного элемента.

При испытаниях четырехполюсника по коэффициенту отражения (КСВН) путем подстройки добиваются минимального значения Р_О/Р_П=S₁₁=Г, а это отношение не содержит информации о поглощенной в четырехполюснике мощности. При испытаниях четырехполюсника по ослаблению путем подстройки добиваются максимального значения Р_ПР/Р_П=1/Т₁₁=L. Однако малозаметное изменение ослабления на 0,1-0,2 дБ может привести к значительному изменению КСВН. Испытания четырехполюсника по параметру Р_О/Р_ПР=Т позволяет оптимизировать значения отраженного от четырехполюсника сигнала и сигнала, прошедшего через него, за счет оптимального согласования неоднородностей четырехполюсника.

На фиг.5 представлен испытываемый четырехполюсник; на фиг.6 представлена блок-схема панорамного измерителя для осуществления заявляемого способа испытаний параметров четырехполюсников.

Панорамный измеритель для осуществления заявляемого способа испытаний параметров четырехполюсников содержит генератор 1 качающейся частоты, измеритель 2 отношений, датчик 3 измеряемого сигнала, включенный для контроля отраженного сигнала, и датчик 4 опорного сигнала, включенный для контроля прошедшего сигнала, согласованную нагрузку 5. Проверяемый четырехполюсник - 6.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед работой панорамный измеритель калибруется по схеме для измерения КСВН [1]. Затем собирается схема, представленная на фиг.6, и измерителем отношений производится отсчет контролируемой величины Р_О/Р_ПР. При необходимости подстроечными элементами четырехполюсника осуществляется минимизация контролируемого отношения мощностей отраженного от входа четырехполюсника сигнала и сигнала, прошедшего через него, по кривой на индикаторе измерителя отношений 2. При этом обеспечивается минимальное ослабление при минимально возможном КСВН.

Рассмотрим четырехполюсник, представленный на фиг.5, на вход которого от генератора падает волна с мощностью Р_П (Р_П1) и отражается от входа волна с мощностью Р_О (P_О1). На выходе четырехполюсника действуют мощности: Р_ПР (Р_П2) - падающая в нагрузку и Р_О2 - отраженная от нагрузки. При прохождении волны через четырехполюсник часть мощности рассеивается в нем - Р_Р. Для пассивного четырехполюсника справедливо равенство:

Мощность Р_О2 отраженной волны от нагрузки в выражении (1) формально отсутствует, т.к., пройдя через четырехполюсник в обратном направлении, она получит некоторое ослабление за счет активных потерь в четырехполюснике и сложится с мощностью отраженной волны на входе. Поэтому фактически на входе будет существовать суммарная мощность отраженной волны Р_О. Мощность падающей волны Р_П не зависит от параметров четырехполюсника и определяется только генератором, а мощности Р_О, Р_ПР, Р_Р зависят от схемы четырехполюсника и принимают различные значения в зависимости от его параметров.

Предположим, что в четырехполюснике имеется параметр Х, изменение которого приводит к изменению мощностей по законам:

P_П=const, т.к. при конкретной схеме измерений не зависит от параметров четырехполюсника.

При контроле ослабления производится измерение отношения

выраженного в десятичных логарифмах: 10lg(Р_ПР/P_П), при контроле коэффициента отражения измеряется отношение

причем отсчет производится, как правило, по шкале индикатора, отградуированной в значениях КСВН.

В заявляемом способе предлагается производить контроль величины:

В выражения (3, 4) входит значение мощности волны, падающей на вход четырехполюсника (Р_П), не зависящее от параметров четырехполюсника и соответственно не несущее никакой информации о нем. При постоянной мощности генератора, что обычно выполняется при измерениях, величину ослабления определяет только мощность волны, прошедшая через четырехполюсник - падающая в нагрузку (Р_ПР). Аналогично коэффициент отражения определяет только мощность отраженной волны от входа четырехполюсника (Р_О), характеризующая согласование по входу. В выражение (5) по предлагаемому способу входят одновременно значения мощностей Р_О и Р_ПР. Следовательно, измеряемая величина Т=Р_О/Р_ПР по заявляемому способу является более информативной, более полно характеризует параметры четырехполюсника.

Разделим обе части уравнения (1) на Р_П, обозначив R=P_Р/P_П и учитывая (3, 4), получим:

Ослабление четырехполюсника можно представить в виде:

Подставив (7) в (6), получим:

Продифференцировав (8) по параметру Х, получим выражение для чувствительности величины Т в зависимости от чувствительности Г:

Выразив Т из (7) и подставив в (9), получим:

Продифференцировав (7) по X и подставив выражение для в (10), получим соотношение для чувствительности величины Т, выраженное через чувствительность ослабления:

Из выражений (10, 11) видно, что чувствительность величины Т к изменению параметров четырехполюсника всегда больше чувствительности коэффициента отражения и ослабления.

Рассмотрим частные случаи.

1. Мощность, рассеиваемая в четырехполюснике, не зависит от параметра Х (R=const), что выполняется для большого класса устройств. При этом и выражения (10,11) принимают вид:

Из выражений видно, что чувствительность изменения величины Т отличается от чувствительности коэффициента отражения и ослабления на величину (1+Г/L)/L. Так как области изменения Г и L лежат в пределах 0≤Г≤1, 0≤L≤1, то всегда выполняется условие: (1+Г/L)/L≤1.

Следовательно, чувствительность величины Т по абсолютной величине будет всегда больше чувствительности коэффициента отражения и ослабления:

2. Четырехполюсник без потерь (R=0), при этом:

и выражения (10,11) принимают вид:

Из выражений (12-15) видно, что крутизна изменения параметра Т всегда выше крутизны изменения ослабления и коэффициента отражения. Увеличение чувствительности контролируемой величины приводит к увеличению разрешающей способности отсчетного устройства и соответствующему уменьшению погрешности измерения параметров четырехполюсника [1].

В результате можно сделать выводы: контролируемая величина по заявляемому способу является более информативной, более чувствительной к изменению параметров четырехполюсников, обеспечивает более высокую точность измерений параметров четырехполюсников. Известные панорамные измерители не обеспечивают измерение величины по заявляемому способу - изменив в их схеме измерения расположение функциональных элементов, эти измерители можно применять для испытаний четырехполюсников по заявляемому способу.

По предлагаемому способу и устройству для его осуществления испытывались и настраивались диодные переключатели. Настройка переключателей при контроле параметров по известному способу обеспечила следующие значения электрических характеристик: КСВН не более 1,55, ослабление в пределах 0,7-1,1 дБ в октавном диапазоне частот.

При испытании этих же переключателей по заявляемому способу было уменьшено ослабление на 0,1-0,2 дБ при том же КСВН, что позволило уменьшить поглощаемую диодами мощность в 1,5-2 раза.

Настройка многоканальных частотно-избирательных преобразователей при контроле параметров по заявляемому способу позволила снизить общие потери преобразования на 1,5-2 дБ при уменьшении неравномерности потерь преобразования на 0,6 дБ.

Во всех указанных случаях настройка каждого устройства с использованием контроля параметров по заявляемому способу производилась только за один прием, за счет чего время настойки и контрольных операций сократились в 2-3 раза.

Экспериментальная отработка диодных переключателей и многоканальных частотно-избирательных преобразователей показала, что параметр Т, используемый в заявляемом способе, несет в себе информацию о качестве параметров четырехполюсника - о величинах его ослабления и КСВН.

Использование предлагаемого способа испытаний СВЧ четырехполюсников и панорамного измерителя для его осуществления позволило, по сравнению с известным, контролируя отношение двух сигналов, характеризующих два разных параметра четырехполюсника, получить соответствие минимального ослабления минимальному КСВН и, тем самым, качественно улучшить электрические параметры четырехполюсника, снизить трудоемкость его контрольно-настроечных операций и повысить чувствительность контролируемой величины и тем самым уменьшить погрешность измерения параметров.

Источники информации

1. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985. - С.25, 26, 332-335.

2. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения. Минск: Высшая школа, 1986. - С.282-320.

3. ГОСТ 15604-81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.

1. Способ испытаний параметров четырехполюсников, заключающийся в контроле его параметров путем измерения отношения мощностей сигналов, опорного и отраженного от входа четырехполюсника, с последующей оценкой его характеристик, отличающийся тем, что в качестве опорного сигнала используется сигнал, прошедший через четырехполюсник.

2. Панорамный измеритель для осуществления способа испытаний параметров четырехполюсников по п.1, содержащий генератор качающейся частоты, датчик опорного сигнала, включенный в высокочастотный тракт для контроля мощности опорного сигнала, датчик измеряемого сигнала, включенный на входе четырехполюсника, для контроля мощности сигнала, отраженного от входа четырехполюсника, согласованную нагрузку, включенную на выходе высокочастотного тракта, измеритель отношений, подключенный к низкочастотным выходам датчиков опорного и измеряемого сигналов для контроля отношения опорного и измеряемого сигналов, отличающийся тем, что датчик опорного сигнала включен между выходом четырехполюсника и согласованной нагрузкой для контроля мощности сигнала, прошедшего через четырехполюсник, а вход датчика измеряемого сигнала подключен к выходу генератора качающейся частоты.