Способ измерения s-параметров объектов в нестандартных направляющих системах

Изобретение относится к технике измерения на СВЧ и может быть использовано для определения S-параметров устройств и электронных компонентов в нестандартных линиях передачи и плоских объектов в свободном пространстве. Технический результат состоит в повышении точности измерения S-параметров. Способ включает соединение двух переходов нестандартной электрически длинной линией передачи длиной L и измерение параметров , определение коэффициентов отражения от коаксиальных разъемов, соединение каждого перехода с отрезком линии длиной L/2, образуя цепи а и b, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, и измерение коэффициентов отражения со стороны коаксиальных разъемов, определение параметров цепей а и b

после чего включают между цепями а и b измеряемый объект, измеряют параметры соединения S11, S2l, Sl2, S22 и определяют параметры объекта из соотношений

3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано для определения волновых параметров рассеяния (S-параметров) объектов в нестандартных направляющих системах, а именно, в полосковых линиях (микроэлектронные компоненты: резисторы, поглотители мощности, ЧИП-индуктивности, диоды, транзисторы и т.д.), в металлических и диэлектрических волноводах (волноводные устройства, лампы бегущей волны, аттенюаторы и др.), а также в свободном пространстве (пластины изоляционных материалов и поглощающих покрытий и др.).

Все известные способы измерений S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве основаны на процедурах исключения влияния на результаты измерений окружающих устройств: переходов со стандартной на нестандартную линию передачи, антенн с участками свободного пространства между антеннами и объектом измерений.

Известен TRL метод измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве [1]. Этот способ основан на измерении S-параметров двух отрезков линии передачи, соединяющих между собой переходы со стандартного коаксиального канала на нестандартную линию передачи, а также измерения коэффициентов отражения от переходов в режиме отражения. Эти измерения позволяют определить S-параметры переходов с отрезками нестандартных линий с тем, чтобы выполнить процедуру исключения их влияния. В случае измерений в свободном пространстве вместо переходов используют две антенны в качестве переходов к свободному пространству, изменяя расстояние между ними, и отражающую пластину для получения коэффициентов отражения от антенн в режиме отражения.

Недостатками данного способа являются технические трудности, связанные с обеспечением измерений S-параметров переходов (или антенн) на разных расстояниях друг от друга, а также ограниченный диапазон частот, в котором обеспечивается достаточная точность получаемых результатов. Ограничение диапазона частот и снижение точности измерений возникают в случае, когда разность расстояний между переходами близка к целому числу полуволн.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является LRT-метод определения параметров объектов в нестандартных направляющих системах [2]. Метод не имеет явного ограничения по диапазону частот и основан на измерении S-параметров L-соединения переходов электрически длинной нестандартной линией передачи (когда электрическая длина линии L много больше электрической длины переходов), сквозного Т-соединения переходов и их каскадного соединения с объектом, включенном в разрыве нестандартной линии, а также измерении коэффициентов отражения от R-соединения переходов с отрезками нестандартных линий передачи в режиме холостого хода или короткого замыкания с последующей обработкой полученных результатов.

Технической проблемой (недостатком) прототипа является неповторяемость результатов при измерениях характеристик разъемных соединений с отрезками линий разной длины, что приводит к снижению точности измерения S-параметров устройств.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение (LR-метод), и технический результат от его использования, состоят в повышении точности измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах с минимальным комплектом калибровочных мер, минимальными временными и материальными затратами.

Сущность технического решения состоит в соединении двух переходов с внешними коаксиальными разъемами нестандартной (электрически длинной) линией передачи длиной L (L-соединение), измерении S-параметров L-соединения в заданном диапазоне частот и определении комплексных коэффициентов отражения коаксиальных разъемов переходов как средних линий квазипериодических функций частоты ƒ: , затем в осуществлении соединения каждого перехода с отрезком нестандартной линии (R-соединения), образуя две электрические цепи a и b, короткозамкнутые (режим короткого замыкания) или разомкнутые (режим холостого хода) на конце, измерении в каждом R-соединении коэффициентов отражения и со стороны их коаксиальных разъемов и определении на основе цифровой обработки полученных результатов измерений с помощью итерационной процедуры вычислений: - коэффициентов отражения цепей а и b со стороны нестандартных линий, произведений коэффициентов передачи каждой цепи и произведений коэффициентов передачи цепей а и b в прямом и обратном направлениях , причем отношение коэффициентов передачи цепей а и b определяют по результатам измерения коэффициентов отражения по формуле , a коэффициенты отражения Га, Гb от короткозамкнутых или разомкнутых нагрузок нестандартных линий из соотношений:

,

после чего включают между цепями а и b измеряемый объект и измеряют S-параметры этого соединения S11, S21, S12, S22, а параметры измеряемого объекта относительно его физических границ определяют из соотношений:

в которых , а detS=S11S22-S12S21, согласно изобретению при соединении каждого перехода с отрезком нестандартной линии короткозамкнутой или разомкнутой на конце длина каждого из отрезков равна половине длины L (L/2), а коэффициенты отражения и произведения коэффициентов передачи каждой цепи а и b, а также произведения коэффициентов передачи цепей произведения каждой цепи а и b, а также произведения коэффициентов передачи цепей а и b определяют по результатам измерения S-параметров, из соотношений:

В вариантах выполнения способа измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют:

- коаксиально-полосковые переходы, а в качестве электрически длинной линии полосковую линию, причем отрезки полосковых линий длиной L/2 могут выполняться, как на едином изоляционном основании, так и на отдельных подложках в зависимости от конструкции и условий установки измеряемого объекта между этими линиями.

- коаксиально-волноводные переходы, а в качестве электрически длинной линии используют два отрезка волновода нестандартного сечения длиной L/2, соединенные друг с другом фланцевым соединением, R-соединение переходов с отрезками волноводов длиной L/2 в режиме короткого замыкания в выполняют с помощью металлической пластины, установленной между фланцами волноводов, а измеряемый объект подключают между этими фланцами после удаления пластины короткозамыкателя;

- две антенны с коаксиальными разъемами, установленными на расстоянии L между их раскрывами, а функцию электрически длинной линии передачи выполняет свободное пространство между раскрывами антенн, R-соединение переходов с отрезками нестандартных линий длиной L/2 в режиме короткого замыкания выполняют, помещая отражающую металлическую пластину между антеннами на расстоянии L/2 между ними, а измеряемый объект помещают между антеннами вместо пластины короткозамыкателя.

Последовательность измерительных операций иллюстрируется рисунками, где изображено: фиг. 1 и 4 - L соединение переходов;

фиг. 2 и 5 - R-соединения переходов; фиг. 3 и 6 - соединение переходов с измеряемым объектом X (X - соединение);

фиг. 7 - реализация L соединений: фиг. 7а - в полосковых линиях передачи;

фиг. 7б - в нестандартных волноводах; фиг. 7в - в свободном пространстве;

фиг. 8 - реализация R-соединений: фиг. 8а - в полосковых линиях передачи;

фиг. 8б - в нестандартных волноводах; фиг. 8в - в свободном пространстве;

фиг. 9 - реализация соединений для измерения Х-объекта:

фиг. 9а - в полосковых линиях передачи;

фиг. 9б - в нестандартных волноводах;

фиг. 9в - в свободном пространстве.

На рисунках обозначено: 1, 2 - коаксиально-волноводные переходы; 3 - линия передачи длиной L; 4 - отрезки линии передачи L/2; 5 - измеряемый объект X.

Вначале (фиг. 1 и 4) коаксиально-полосковые переходы 1 и 2 соединяют электрически длинной полосковой линией передачи 3 длиной L (фиг. 7а), коаксиально-волноводные переходы 1 и 2 соединяют двумя отрезками волноводов длиной L/2 (фиг. 7б), а две антенны устанавливают на расстоянии L друг от друга (фиг. 7в), и измеряют S-параметры L-соединения в заданном диапазоне частот. Переходы 1 и 2 с отрезками длинных линий или антенны со свободным пространством длинной L/2 образуют электрические цепи соответственно а и b, включенные навстречу друг другу. Комплексные коэффициенты отражения этих цепей со стороны коаксиальных разъемов переходов (антенн) 1 и 2 определяют как средние линии квазипериодических функций и частоты ƒ.

Затем (фиг. 2 и 5) коаксиально-полосковые переходы 1 и 2 соединяют с отрезками разомкнутых на конце электрически длинных полосковых линий 4, причем длина каждого из отрезков равна половине длины линии 3 (фиг. 8а), во фланцевом соединении отрезков волноводов длиной L/2 устанавливают короткозамыкающую пластину (фиг. 8б), а между антеннами на расстоянии L/2 устанавливают металлический отражатель (фиг. 8в), и измеряют коэффициенты отражения от не связанных между собой цепей а и b со стороны их коаксиальных разъемов.

Коэффициенты отражения и произведения прямого и обратного коэффициентов передачи цепей а и b определяют из соотношений:

по результатам измерения S-параметров в коаксиальном канале L-соединения переходов линией 3.

Отношение коэффициентов передачи цепей а и b в формулах (1) определяют из соотношения а коэффициенты отражения Га, Гb от короткозамкнутых (или разомкнутых) нагрузок нестандартных линий 4 - из соотношений:

по результатам измерения коэффициентов отражения от R-соединения переходов.

В качестве измерителя S-параметров и комплексных коэффициентов отражения в коаксиальном канале используют векторный анализатор цепей. Все вычисления по формулам (1)÷(3) выполняют с помощью итерационной (повторяемой) процедуры, по которой все измеренные параметры заводятся ЭВМ и программным способом выполняются необходимые вычисления. На первом шаге вычислений по приведенным формулам коэффициенты отражения в (2) и (3) полагают равными нулю. Итерационная процедура определения параметров переходов сходится настолько быстро, что результаты вычислений на третьем и четвертом шаге вычислений практически не отличаются друг от друга. Завершающим шагом процедуры определения параметров цепей а и b является вычисление произведения их коэффициентов передачи в прямом и обратном направлении:

При измерении S-параметров S11, S21, S12, S22 измеряемого объекта 5, устанавливаемого между отрезками длиной линии L/2 нестандартной направляющей системы с переходами 1, 2, как показано на фиг. 3, 6 и 9 а, б, в, искомые величины определяют из соотношений, где det S=S11S22-S21S12, - определители S-матриц:

Потенциально высокая точность определения параметров окружающих цепей а и b предложенным LR-методом объясняется преодолением (так называемой) проблемы неповторяемости характеристик разъемных соединений. Как видно из приведенных соотношений (1), (4), практически все параметры цепей а и b определяются по результатам измерений L-соединения и только отношение , весьма близкое по своему значению к единице, в силу конструктивной симметрии цепей а и b, требует проведения измерения коэффициентов отражения R-соединения. По существу единственным источником методической погрешности LR-метода является процедура определения комплексных коэффициентов отражения цепей а и b со стороны коаксиальных разъемов как средних линий квазипериодических функций частоты ƒ: .

Таким образом, повышение точности измерения S-параметров измеряемых объектов в нестандартных направляющих системах достигается с минимальным комплектом калибровочных мер (в предлагаемом решении только две калибровочные меры LR, в прототипе три LRT), минимальными временными (сокращение времени на 33%) и материальными затратами.

Литература

1. Михаэль Хибель. Основы векторного анализа цепей. Москва, Издательский дом МЭИ, 2009, с. 133-152.

2. Лавричев О.В., Никулин С.М. LRT-метод определения параметров объектов в нестандартных направляющих системах // Журнал Датчики и системы. - М.: 2017, №8-9, с. 39-44.

1. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах, включающий соединение двух переходов с внешними коаксиальными разъемами нестандартной электрически длинной линией передачи длиной L, измерение S-параметров соединения в заданном диапазоне частот и определение комплексных коэффициентов отражения и от коаксиальных разъемов переходов, как средних линий функций частоты и соединение каждого перехода с отрезком линии передачи, образуя электрические цепи a и b, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, и измерение параметров и со стороны коаксиальных разъемов, определение коэффициентов отражения цепей а и b со стороны отрезков линии, произведений коэффициентов передачи и каждой цепи и произведений коэффициентов передачи цепей а и b и причем отношение коэффициентов передачи цепей а и b определяют по формуле а коэффициенты отражения

после чего включают между цепями а и b измеряемый объект и измеряют S-параметры этого соединения S11, S21, S12, S22, а параметры измеряемого объекта относительно его физических границ определяют из соотношений, в которых а

отличающийся тем, что при соединении каждого перехода с отрезком линии, короткозамкнутой или разомкнутой на конце, длина каждого из отрезков равна половине длины L, а параметры определяют из соотношений

2. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют коаксиально-полосковые переходы, а в качестве электрически длинной линии - полосковую линию.

3. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют коаксиально-волноводные переходы, а в качестве электрически длинной линии используют два отрезка волновода нестандартного сечения.

4. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют две антенны с коаксиальными разъемами, установленными на расстоянии L между их раскрывами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиолокационным измерениям, и может быть использовано при измерении коэффициента отражения (КО) плоских образцов радиопоглощающих покрытий (РПП).

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано для определения коэффициента отражения от земной поверхности, в том числе с применением лётно-подъёмных средств.

Изобретение относится к измерительной технике сверхвысоких частот, в частности к измерениям параметров СВЧ-двухполюсников. Технический результат - увеличение точности, а также уменьшение габаритов, массы и стоимости аппаратурной реализации.

Изобретение относится к области радиолокационных, лазерных и акустических измерений и может использоваться для калибровки доплеровских радаров (лидаров, сонаров) и имитации изменения структуры отраженного сигнала.

Изобретение относится к технике СВЧ измерений. Способ предлагает подачу через развязывающее устройство электромагнитного сигнала от генератора СВЧ на многоэлементный электроакустический преобразователь, нанесенный на кристаллический образец, засветку пучком света от лазера расположенных вдоль многоэлементного электроакустического преобразователя участков оптической среды, пропускная способность которых зависит от уровня поля стоячей электромагнитной волны в многоэлементном электроакустическом преобразователе, регистрацию распределения интенсивности света вдоль преобразователя после прохождения светом участков оптической среды и оценку распределения поля электромагнитной волны в многоэлементном электроакустическом преобразователе по зарегистрированной картине распределения интенсивности света.

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах. Согласно способу предварительно осуществляют калибровку с помощью плоского эталонного отражателя, затем перпендикулярно оси зеркала по середине расстояния Lфок между фазовым центром облучателя и фокусом зеркала устанавливают эталонный отражатель с известным коэффициентом отражения ГЭТ, измеряют коэффициент отражения S 11 Э Т ( f ) в той же полосе частот и определяют третий коэффициент A 3 Э Т обобщенного полинома P Э Т ( f ) = ∑ A n Э Т exp ( − j n 2 π f L ф о к / c ) , аппроксимирующего разность измеренных коэффициентов отражения, отнесенных к апертуре облучателя: P Э Т ( f ) ≈ ( S 11 Э Т ( f ) − S 11 И А ( f ) ) exp ( j 2 φ И О ( f ) ) , после чего вместо эталонного отражателя устанавливают испытуемый отражатель, измеряют коэффициент отражения на входе измерительной антенны S 11 И О ( f ) в той же полосе частот и определяют третий коэффициент полинома P И О ( f ) = ∑ A n И О exp ( − j n 2 π f L ф о к / c ) , аппроксимирующего разность коэффициентов отражения S 11 И О ( f ) − S 11 И А ( f ) , отнесенных к A 3 И С апертуре облучателя P Э Т ( f ) ≈ ( S 11 И О ( f ) − S 11 И А ( f ) ) exp ( j 2 φ И О ( f ) ) , коэффициент отражения ГИО испытуемого отражателя определяют по формуле Г И О = Г Э Т | A 3 И О | / | A 3 Э Т | 3 .

Заявлено устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ. Техническим результатом заявленного устройства выступает упрощение и повышение точности устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ и соответственно упрощение способа измерения.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), предназначено для измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузок в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн и может быть использовано для контроля в процессе производства коэффициента отражения отражающих материалов, например используемых для изготовления рефлекторов антенн.

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающих материалов в дециметровом и метровом диапазонах длин радиоволн.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для измерения коэффициента отражения плоских образцов радиопоглощающего покрытия (РПП) в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн.

Изобретение относится к технике измерения на СВЧ и может быть использовано для определения S-параметров устройств и электронных компонентов в нестандартных линиях передачи и плоских объектов в свободном пространстве. Технический результат состоит в повышении точности измерения S-параметров. Способ включает соединение двух переходов нестандартной электрически длинной линией передачи длиной L и измерение параметров, определение коэффициентов отражения от коаксиальных разъемов, соединение каждого перехода с отрезком линии длиной L2, образуя цепи а и b, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, и измерение коэффициентов отражения со стороны коаксиальных разъемов, определение параметров цепей а и b после чего включают между цепями а и b измеряемый объект, измеряют параметры соединения S11, S2l, Sl2, S22 и определяют параметры объекта из соотношений 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Наверх