Способ измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи свч четырехполюсников
Владельцы патента RU 2662505:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к измерению комплексных коэффициентов отражения и передачи СВЧ четырехполюсников. Решение содержит СВЧ генератор с присоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, четыре вентиля. При этом между выходами вентилей и входами исследуемого четырехполюсника в обоих каналах включены трехзондовые измерительные линии, а амплитудные модуляторы имеют разные некратные между собой частоты. Технический результат заключается в повышении производительности измерения комплексного коэффициента отражения и передачи СВЧ четырехполюсников. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Технической задачей изобретения является повышение производительности измерения комплексного коэффициента отражения и передачи СВЧ четырехполюсников.
Сущность способа заключается в том, что распространяющаяся от СВЧ генератора электромагнитная волна делится на две равные части, в первом и втором каналах падающие волны модулируются по амплитуде гармоническим напряжением с частотами Ω1 и Ω2 соответственно, отраженные от входов исследуемого четырехполюсника волны суммируются с падающими на трех емкостных зондах в каждом из каналов, каждая из суммарных волн детектируется своим СВЧ детектором, в первом и во втором каналах с помощью полосовых фильтров, настроенных соответственно на частоты Ω1 и Ω2, из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U1…U3, несущие информацию о комплексном коэффициенте отражения со стороны первого входа четырехполюсника, аналогично из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U4…U6, несущие информацию о комплексном коэффициенте отражения со стороны второго входа четырехполюсника, прошедшие с первого канала во второй и из второго в первый через исследуемый четырехполюсник волны доходят до своих зондов, где суммируется с падающими волнами, суммарные сигналы детектируется СВЧ детекторами, с помощью полосовых фильтров, настроенных на частоту Ω3=Ω1+Ω2, из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U7, U8 в первом и U9, U10 во втором каналах, несущие информацию о комплексном коэффициенте передачи четырехполюсника во взаимообратных направлениях, а модули коэффициентов отражения ГХ1, ГХ2, аргументы коэффициентов отражения ϕГх1, фГх2 от первого и второго входов четырехполюсника соответственно, аргументы коэффициентов передачи αКХ1, αКХ2 четырехполюсника; модули коэффициентов передачи КХ1 - от первого его входа до второго, КХ2 - от второго его входа до первого соответственно определяются по формулам:
где Uki - напряжения на выходах полосовых фильтров, полученные в режиме калибровки;
αi, βi - дифференциальные фазовые сдвиги в каналах СВЧ тракта измерителя, измеренные в режиме калибровки.
Известен способ измерения параметров четырехполюсников, с двумя рефлектометрами (Hoer С.А., A Network Analyser Incorporating two six-port Reflectometr-IEEE Trauson Microwave theory and technigues, 1997, vol. Mtt-25, №12, p. 1070-1074).
Измеряемое устройство по этому способу возбуждается с обоих входов одновременно СВЧ сигналами с разными фазовыми сдвигами. В каждом из трех режимов возбуждения рефлектометры фиксируют отношения комплексных амплитуд отраженных и падающих волн на входах измеряемого устройства. Однако известное устройство позволяет определить параметры только взаимных четырехполюсников.
Известен способ измерения параметров четырехполюсников (авторское свидетельство SU №1677669, кл. G01R 27/28, 15.09.91). Недостатком такого способа является ограниченный динамический диапазон измерений коэффициента передачи S21 в силу того, что 
определяется не S21, а произведением S12×S21, кроме того, для определения коэффициентов передачи S21 и S12≠S21 невзаимных четырехполюсников требуются специальные меры, усложняющие процесс измерений и снижающие точность измерений.
Известен способ измерения параметров СВЧ четырехполюсников (авторское свидетельство RU №2233454, кл. G01R 27/06, 02.09.2002). Недостатком такого способа является большая трудоемкость измерений, выраженная в двухэтапном цикле измерения и приводящая с снижению производительности измерений.
На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.
Измеритель содержит СВЧ генератор 1, делитель мощности 2, в первом канале первый ферритовый вентиль 3, амплитудный модулятор 4, второй ферритовый вентиль 5, трехзондовую измерительную линию с СВЧ детекторами 6, во втором канале первый ферритовый вентиль 7, амплитудный модулятор 8, второй ферритовый вентиль 9, трехзондовую измерительную линию с СВЧ детекторами 10, исследуемый четырехполюсник 11, блок аналоговой обработки 12, микроЭВМ 13 и ПЭВМ 14.
Измеритель работает следующим образом. СВЧ генератор 1 вырабатывает электромагнитную волну, которая распространяется к делителю 2. Делитель 2 делит эту волну на две равные части. С первого выхода делителя 2 по первому каналу волна распространяется к первому входу четырехполюсника 11 через, последовательно соединенные, ферритовый вентиль 3, амплитудный модулятор 4, ферритовый вентиль 5 и трехзондовую измерительную линию 6. Аналогично во втором канале волна распространяется ко второму входу четырехполюсника 11 через, последовательно соединенные, ферритовый вентиль 7, амплитудный модулятор 8, ферритовый вентиль 9 и трехзондовую измерительную линию 10. Отраженные от входов четырехполюсника 11 волны суммируются с падающими в плоскостях подключения зондов измерительных линий 6 и 10. Прошедшие во взаимообратном направлении через четырехполюсник 11 волны также суммируются с падающими в плоскостях подключения зондов измерительных линий 6 и 10.
Структурная схема блока аналоговой обработки 12 показана на фиг. 2
Блок аналоговой обработки 12 содержит: в первом канале - предварительные усилители 15…17; полосовые фильтры 18…24; блок синхронных детекторов 25;
во втором канале - предварительные усилители 26…28; полосовые фильтры 29…35; блок синхронных детекторов 36.
Режиму измерения предшествует режим калибровки.
Структурная схема измерителя в режиме калибровки показана на фиг. 3.
На первом этапе калибровки вместо четырехполюсника 11 в СВЧ тракт включаются согласованные нагрузки 15, 16. В режиме калибровки с первого выхода делителя 2 волна распространяется в сторону согласованной нагрузки 15 через последовательно соединенные ферритовый вентиль 3, амплитудный модулятор 4, ферритовый вентиль 5, трехзондовую измерительную линию 6 и полностью нагрузкой 15 поглощается. Аналогично во втором канале волна распространяется в сторону согласованной нагрузки 16 через последовательно соединенные ферритовый вентиль 7, амплитудный модулятор 8, ферритовый вентиль 9, трехзондовую измерительную линию 10 и полностью нагрузкой 16 поглощается. При этом на выходах полосовых фильтров 18, 21, 24 и 29, 32, 35 блока аналоговой обработки 12 появляются напряжения Uk1…Uk3 и Uk4…Uk6 от первого и второго каналов соответственно:
;
;
где Kd1…Kd3, Kd4…Kd6 - коэффициенты преобразования СВЧ детекторов измерительных линий 6, 10 в первом и втором каналах соответственно; ЕП1, ЕП2 - напряженности электромагнитного поля в плоскостях расположения зондов измерительных линий в 6 и 10 в первом и втором каналах соответственно.
С помощью специальной программы оператор осуществляет коррекцию неидентичности амплитудно-частотных характеристик коэффициентов Kd1…Kd3 и Kd4…Kd6 преобразования СВЧ детекторов измерительных линий 6, 10. После такой коррекции выполняются условия:
.
С учетом этого можно записать:
На втором этапе калибровки вместо четырехполюсника 11 в СВЧ тракт вместо согласованных нагрузок 15, 16 включаются эталонные короткозамыкатели. С учетом (1) для напряжений Uk1…Uk9 от первого и Uk10…Uk12 от второго каналов на выходах полосовых фильтров 18, 21, 24 и 29, 32, 35 блока аналоговой обработки 12 можно записать:
;
;
;
;
;
,
где β1…β6 - фазовые набеги в каналах в плоскостях подключения зондов измерительных линий 6, 10 соответственно.
На третьем этапе калибровки модулятор 4 первого канала находится в закрытом состоянии, а модулятор 8 второго канала в режиме амплитудной модуляции. Электромагнитная волна через регулярный волновод, подключенный вместо исследуемого четырехполюсника 11, проходит из второго канала в первый и воздействует на первые два зонда измерительной линии 6. Для напряжений на выходах полосовых фильтров 19, 22 от первого канала, настроенных на частоту Ω2, с учетом (1) можно записать:
;
,
где ЕПР1 - напряженность электромагнитного поля в плоскостях расположения зондов измерительной линии 6.
Аналогично на четвертом этапе калибровки модулятор 8 второго канала находится в закрытом состоянии, а модулятор 4 первого канала в режиме амплитудной модуляции, электромагнитная волна через регулярный волновод, подключенный вместо исследуемого четырехполюсника 11, проходит из первого канала во второй и воздействует на первые два зонда измерительной линии 10. Для напряжений на выходах полосовых фильтров 30, 33 от второго канала, настроенных на частоту Ω1, с учетом (1) можно записать:
;
,
где ЕПР2 - напряженность электромагнитного поля в плоскостях расположения зондов измерительной линии 8.
На пятом этапе калибровки оба канала открыты (модуляторы 4, 8 работают в режиме амплитудной модуляции), электромагнитные волны через регулярный волновод, подключенный вместо исследуемого четырехполюсника 11, проходят во взаимообратных направлениях, воздействует на первые два зонда измерительной линии 6 в первом канале и на первые два зонда измерительной линии 10 во втором канале. При этом для напряжений на выходах полосовых фильтров 20, 23 от первого канала, настроенных на частоту Ω3=Ω1+Ω2, с учетом (1) можно записать:
;
,
а на выходах полосовых фильтров 31, 34 от второго канала, настроенных на частоту Ω3=Ω1+Ω2 с учетом (1) можно записать:
;
.
Измерительная информация, полученная при калибровке, обрабатывается и запоминается в виде констант, которые используются при измерении параметров исследуемого четырехполюсника 11.
В режиме измерения в первом и втором каналах падающие волны модулируются по амплитуде гармоническим напряжением с частотами Ω1 и Ω2 соответственно, отраженные от входов исследуемого четырехполюсника 11 волны суммируются с падающими на трех емкостных зондах измерительных линий в каждом из каналов, каждая из суммарных волн детектируется своим СВЧ детектором, в первом и во втором каналах с помощью полосовых фильтров 18, 21, 24 от первого канала и 29, 32, 35 от второго канала, настроенных соответственно на частоты Ω1 и Ω2. Из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U1…U3 от первого и U4…U6 от второго каналов:
;
;
;
;
;
,
где αXi - аргумент коэффициента отражения исследуемого четырехполюсника 11.
Прошедшая со второго канала в первый через исследуемый четырехполюсник 11 волна доходит до зондов измерительной линии 6, где суммируется с падающими волнами. Суммарные сигналы детектируется СВЧ детекторами этой линии. С помощью полосовых фильтров 20, 23, настроенных на частоту Ω3=Ω1+Ω2, из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U7, U8.
Прошедшая с первого канала во второй через исследуемый четырехполюсник 11 волна доходит до зондов измерительной линии 10, где суммируется с падающими волнами. Суммарные сигналы детектируется СВЧ детекторами этой линии. С помощью полосовых фильтров 31, 34, настроенных на частоту Ω3=Ω1+Ω2, из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U9, U10.
При этом для напряжений U7…U10, несущих информацию о комплексных коэффициентах передачи четырехполюсника 11 во взаимообратных направлениях можно записать:
;
;
;
.
При этом модули коэффициентов отражения ГХ1, ГХ2, аргументы коэффициентов отражения ϕГх1, ϕГх2 от первого и второго входов четырехполюсника соответственно, аргументы коэффициентов передачи αКХ1, αКХ2 четырехполюсника; модули коэффициентов передачи КХ1 - от первого его входа до второго, КХ2 - от второго его входа до первого соответственно определяются по формулам:
;
;
;
;
;
;
;
.
Таким образом, измерительный цикл по предлагаемому способу осуществляется в один этап. При этом одновременно измеряются все восемь параметров исследуемого четырехполюсника, что увеличивает производительность измерений по сравнению с прототипом. Измерители, основанные на предлагаемом способе, найдут применение при панорамных измерениях параметров взаимных и невзаимных СВЧ устройств, например, ферритовых вентилей и других СВЧ четырехполюсников.
1. Способ измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи СВЧ четырехполюсников, основанный на амплитудной модуляции СВЧ сигналов в двухканальном устройстве, отличающийся тем, что распространяющаяся электромагнитная волна от СВЧ генератора делится на две равные части, в первом и втором каналах электромагнитные волны модулируются по амплитуде гармоническим напряжением с частотами Ω1 и Ω2 соответственно, отраженные от входов исследуемого четырехполюсника волны суммируются с падающими на трех емкостных зондах в каждом из каналов, каждая из суммарных волн детектируется своим СВЧ детектором, в первом и во втором каналах с помощью полосовых фильтров, настроенных соответственно на частоты Ω1 и Ω2, из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U1…U3, несущие информацию о комплексном коэффициенте отражения со стороны первого входа четырехполюсника, аналогично U4…U6, несущие информацию о комплексном коэффициенте отражения со стороны второго входа четырехполюсника, прошедшие с первого канала во второй и из второго в первый через исследуемый четырехполюсник волны доходят до своих зондов, где суммируются с падающими волнами, суммарные сигналы детектируются СВЧ детекторами трехзондовых измерительных линий, с помощью полосовых фильтров, настроенных на частоту Ω3=Ω1+Ω2, из спектра продетектированных сигналов выделяются гармонические составляющие U7, U8 в первом и U9, U10 во втором каналах, несущие информацию о комплексном коэффициенте передачи четырехполюсника во взаимообратных направлениях, а модули коэффициентов отражения ГХ1, ГХ2, аргументы коэффициентов отражения ϕГх1, ϕГх2 от первого и второго входов четырехполюсника соответственно, аргументы коэффициентов передачи αКХ1, αКХ2 четырехполюсника; модули коэффициентов передачи КХ1 - от первого его входа до второго, КХ2 - от второго его входа до первого соответственно определяются по формулам:
где Uki - напряжения на выходах полосовых фильтров, полученные в режиме калибровки;
αi, βi - дифференциальные фазовые сдвиги в каналах СВЧ тракта измерителя, измеренные в режиме калибровки.
2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее СВЧ генератор с присоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, четыре вентиля, отличающееся тем, что между выходами вентилей и входами исследуемого четырехполюсника в обоих каналах включены трехзондовые измерительные линии, а амплитудные модуляторы имеют разные некратные между собой частоты.
