ИЗМЕРИТЕЛЬ S-ПАРАМЕТРОВ НЕВЗАИМНОГО СВЧ-ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА Российский патент 1994 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при аттестации невзаимных СВЧ-четырехполюсников.

Известны измерители S-параметров невзаимных СВЧ-четырехполюсников [1] , использующие кольцевой измерительный тракт с выделением каждой парциальной волны. Для их реализации требуются вентили с высокой развязкой, что неизбежно сужает диапазон рабочих частот измерителя.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсника [2] , содержащий последовательно соединенные генератор, вентиль, первый двунаправленный ответвитель, к первому выходу которого присоединен первый детектор, второй двунаправленный ответвитель, к второму выходу которого присоединена первая согласованная нагрузка, исследуемый четырехполюсник, третий двунаправленный ответвитель, к второму выходу которого присоединена вторая согласованная нагрузка, четвертый двунаправленный ответвитель, к первому выходу которого присоединен второй детектор, а к второму выходу подключен первый электрически управляемый отражающий фазовращатель, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя управляющего напряжения.

В известном устройстве измерение S-параметров невзаимного четырехполюсника путем балансировки производится при настройке аттенюаторов и фазовращателей опорных каналов вручную, что не позволяет производить измерения автоматически, кроме того, увеличивается время измерения.

Технической задачей изобретения является автоматизация процесса измерения комплексных S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсника.

Для этого в измеритель S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсника, содержащий последовательно соединенные генератор, вентиль, первый двунаправленный ответвитель, к первому выходу которого присоединен первый детектор, второй двунаправленный ответвитель, к второму выходу которого присоединена первая согласованная нагрузка, исследуемый четырехполюсник, третий двунаправленный ответвитель, к второму выходу которого присоединена вторая согласованная нагрузка, четвертый двунаправленный ответвитель, к первому выходу которого присоединен второй детектор, а к второму выходу подключен первый электрически управляемый отражающий фазовращатель, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя управляющего напряжения, введены последовательно соединенные делитель мощности и присоединенные входами к соответствующим его выходам первый, второй, третий и четвертый амплитудные модуляторы, включенные между выходом вентиля и первыми входами первого, второго, третьего и четвертого двунаправленных ответвителей соответственно, второй электрически управляемый отражающий фазовращатель, присоединенный к второму выходу первого двунаправленного ответвителя, а управляющим входом - к выходу формирователя управляющего напряжения, первый и второй генераторы модулирующей частоты, выходами присоединенные к низкочастотным входам первого и третьего, и второго и четвертого амплитудных модуляторов соответственно, к выходу первого детектора присоединены последовательно соединенные введенные первый фильтр и первый детектор низкой частоты, а также последовательно соединенные введенные второй фильтр и второй детектор низкой частоты, а к выходу второго детектора присоединены последовательно соединенные введенные третий фильтр и третий детектор низкой частоты, и также последовательно соединенные введенные четвертый фильтр и четвертый детектор низкой частоты.

По сравнению с известным устройством предлагаемый измеритель проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности измерения комплексных S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсника.

Эти свойства предлагаемого измерителя являются новыми, так как в прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в отсутствии делителя мощности, первого, второго, третьего и четвертого амплитудных модуляторов, первого и второго генераторов модулирующей частоты, второго электрически управляемого отражающего фазовращателя, первого, второго, третьего и четвертого фильтров и первого, второго, третьего и четвертого детекторов низкой частоты, невозможно производить измерения комплексных S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсника автоматически, и являются существенными.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства.

Измеритель S-параметров невзаимных СВЧ-четырехполюсников содержит последовательно соединенные генератор 1, вентиль 2, первый двунаправленный ответвитель 3, к первому выходу которого присоединен первый детектор 4, второй двунаправленный ответвитель 5, к второму выходу которого присоединена первая согласованная нагрузка 6, исследуемый четырехполюсник 7, третий двунаправленный ответвитель 8, к второму выходу которого присоединена вторая согласованная нагрузка 9, четвертый двунаправленный ответвитель 10, к первому выходу которого присоединен второй детектор 11, а к второму выходу подключен первый электрически управляемый отражающий фазовращатель 12, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя управляющего напряжения 13, последовательно соединенные делитель мощности 14 и присоединенные входами к соответствующим его выходам первый 15, второй 16, третий 17 и четвертый 18 амплитудные модуляторы, включенные между выходом вентиля 2 и первыми входами первого 3, второго 5, третьего 8 и четвертого 10 двунаправленных ответвителей соответственно, второй электрически управляемый отражающий фазовращатель 19, присоединенный к второму выходу первого двунаправленного ответвителя 3, а управляющий входом - к выходу формирователя управляющего напряжения 13, первый 20 и второй 21 генераторы модулирующей частоты, выходами присоединенные к низкочастотным входам первого 15 и третьего 17 и второго 16 и четвертого 18 амплитудных модуляторов соответственно, к выходу первого детектора 4 присоединены последовательно соединенные первый фильтр 22 и первый детектор низкой частоты 23, а также последовательно соединенные второй фильтр 24 и второй детектор низкой частоты 25, а к выходу второго детектора 11 присоединены последовательно соединенные третий фильтр 26 и третий детектор низкой частоты 27, и также последовательно соединенные четвертый фильтр 28 и четвертый детектор низкой частоты 29.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал от генератора 1 через вентиль 2 попадает на вход делителя мощности 14, далее с его первого, второго, третьего, и четвертого выходов на входы соответственно первого 15, второго 16, третьего 17 и четвертого 18 амплитудных модуляторов. Генераторы модулирующих частот управляют коэффициентами передачи, первый 20 - первого 15 и третьего 17 амплитудных модуляторов частотой Ω₁ , второй 21 - второго 16 и четвертого 18 амплитудных модуляторов частотой Ω₂. При этом в первый детектор 4 приходят две опорные волны - промодулированная частотой Ω₁из первого выхода первого двунаправленного ответвителя 3 и промодулированная частотой Ω₂ из первого выхода второго двунаправленного ответвителя 5 для измерения коэффициента отражения S_11хи коэффициента передачи S_12х четырехполюсника соответственно. Во второй детектор 11 также приходят две опорные волны - промодулированная частотой Ω₂ из первого выхода четвертого двунаправленного ответвителя 10 и промодулированная частотой Ω₁ из первого выхода третьего двунаправленного ответвителя 8 для измерения коэффициента отражения S_22хи коэффициента передачи S_21х четырехполюсника соответственно.

Сингал с второго выхода первого двунаправленного ответвителя 3 поступает на второй электрически управляемый отражающий фазовращатель 19 и далее в измерительный тракт, отражается от входа исследуемого четырехполюсника 7 и, попадая в детектор 4, содержит информацию о коэффициенте отражения S_11х, проходит через исследуемый четырехполюсник 7 и, попадая в детектор 11, содержит информацию о коэффициенте передачи S_21х.

Сигнал с второго выхода четвертого двунаправленного ответвителя 10 поступает на первый электрически управляемый отражающий фазовращатель 12 и далее в измерительный тракт, отражается от входа исследуемого четырехполюсника 7 и, попадая в детектор 11, содержит информацию о коэффициенте отражения S_22х, проходит через исследуемый четырехполюсник 7 и, попадая в детектор 4, содержит информацию о коэффициенте передачи S_12х.

Первый 22 и третий 26 фильтры настроены на частоту Ω₁, а второй 24 и четвертый 28 - на частоту Ω₂. При этом после детектирования получим на выходе первого детектора низкой частоты 23 U₁= KK_g1K_нч1E; на выходе второго детектора низкой частоты 25 U₂= KK_g1K_нч2E; на выходе третьего детектора низкой частоты 27 ; на выходе четвертого детектора низкой частоты 29 ; где К - коэффициент, учитывающий коэффициенты передачи делителя мощности 14 (здесь считаем, что они равны) и для первого 23 и третьего 27 детекторов низкой частоты первого двунаправленного ответвителя 3;
К_д1, К_д2 - коэффициенты передачи первого 4 и второго 11 детекторов соответственно;
К_нч1, К_нч2, К_нч3, К_нч4 - коэффициенты передачи первого 23, второго 25, третьего 27 и четвертого 29 детекторов низкой частоты соответственно;
ϑ₁ , ϑ₂ - фазовые сдвиги, вносимые первым 12 и вторым 19 электрически управляемыми отражающими фазовращателями соответственно;
S - коэффициент передачи с первых входов на первые выходы и с вторых входов на вторые выходы первого 3, второго 5, третьего 6 и четвертого 10 двунаправленных ответвителей;
S^I - коэффициент передачи с первых входов на вторые выходы и с вторых входов на первые выходы первого 3, второго 5, третьего 8 и четвертого 10 двунаправленных ответвителей.

Полученные выражения справедливы для линейного режима работы первого 4 и второго 11 детекторов.

Фазовые сдвиги ϑ₁ и ϑ₂, создаваемые первым 12 и вторым 19 электрически управляемыми отражающими фазовращателями соответственно, однозначно связаны с напряжением формирователя управляющего напряжения 13, который формирует периодически плавно меняющееся напряжение таким образом, чтобы обеспечить линейное изменение фазовых сдвигов ϑ₁ и ϑ₂ в пределах ϑ_1max = ϑ_2max > 360^о при любой длине волны в диапазоне ₁измерителя. При этом напряжения первого 23, второго 25, третьего 27 и четвертого 29 детекторов низкой частоты будут меняться в соответствии с изменением интерференционных картин поля.

Подключение к выходам первого 23, второго 25, третьего 27 и четвертого 29 детекторов низкой частоты и формирователя управляющего напряжения 13 ЭВМ позволяет автоматически измерять напряжения на выходах первого 23, второго 25, третьего 27 и четвертого 29 детекторов низкой частоты, соответствующие интерференционным минимумам и максимумам поля, и временные положения минимумов относительно момента запуска формирователя управляющего напряжения 13. В результате модули S-параметров равны
S_11x= ,
,
,
.

Для измерения фаз коэффициентов отражения и передачи невзаимного СВЧ-четырехполюсника перед началом измерений производят калибровку, заключающуюся в определении временных положений минимумов напряжений U₁, U₂, U₃, U₄ относительно момента запуска формирователя управляющего напряжения 13 t₀₁, t₀₃, t₀₄ соответственно. При калибровке для фаз коэффициентов отражения ϕ_11х и ϕ_22х к фланцам первых входов второго 5 и третьего 8 двунаправленных ответвителей подключают вместо исследуемого четырехполюсника 7 короткозамыкатели, а для фаз коэффициентов передачи ϕ_12х и ϕ _21х - отрезок регулярного волновода той же геометрической длины, что и у исследуемого четырехполюсника 7. После калибровки в схему включают исследуемый четырехполюсник 7. В результате фазы коэффициентов передачи и отражения будут равны
ϕ_11x= Π+ ,
,
,
, где t₁₁, t₁₂, t₁₃, t₁₄ - временные положения минимумов напряжений U₁, U₂, U₃, U₄ соответственно относительно момента запуска формирователя управляющего напряжения 13 при включенном в схему исследуемом четырехполюснике 7;
Δ t_λ - промежуток времени между появлением двух следующих один за другим минимумов одного из напряжений U₁, U₂, U₃, U₄, пропорциональный длине волны.

Период формирователя управляющего напряжения 13 должен удовлетворять условиям T_ф>>2π/Ω₁, T_ф>>2π/Ω₂ .

В качестве генератора 1 может быть применен генератор качающейся частоты с периодом Т_ткч << Т_ф, тогда измерения можно будет производить автоматически в широком диапазоне частот.

Делитель мощности может быть реализован, например, в соответствии со структурной схемой, представленной на фиг. 2.

Делитель мощности содержит первый двунаправленный ответвитель 1 и присоединенные к его первому и второму выходам первыми входами второй 2 и третий 3 двунаправленные ответвители соответственно, а к вторым входам первого 1, второго 2 и третьего 3 двунаправленных ответвителей подключены первая 4, вторая 5 и третья 6 согласованные нагрузки соответственно. Коэффициенты передачи с входов на выходы первого 1, второго 2 и третьего 3 двунаправленных ответвителей равны S ^II .

На фиг. 3 изображен электрически управляемый отражающий фазовращатель; на фиг. 4 - схема устройства управления.

Управляющие входы первого 1, второго 2, третьего 3 p-i-n-диодов подключены к выходам первого 4 и второго 5 элементов 2 ИЛИ и первого 6 элемента 2 И соответственно, первые входы которых соединены с выходами первого компаратора 7, второго 8 элемента 2 И и второго компаратора 9 соответственно, вторые входы первого 6 и второго 8 элементов 2 И и первого элемента 2 ИЛИ 4 через схему управляемой задержки 10 подключены к выходу генератора прямоугольных импульсов 11, первый вход второго элемента 2 И 8 соединен с выходом первого компаратора 7, вход управления схемы управляемой задержки 10 соединен с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения 12, вход синхронизации которого, а также входы компараторов подключены к выходу формирователя управляющего напряжения 13 измерителя S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсника.

Генератор прямоугольных импульсов вырабатывает периодическую последовательность коротких импульсов с периодом из условий Т_п<<Т_ф, T_п>>2π/Ω₁ , T_п>>2π/Ω₂. Схема управляемой задержки задерживает задний фронт импульсов на время от 0 до Т_и, изменяя его линейно под действием генератора линейно изменяющегося напряжения за период Т_гмин = 1/3 Т_ф. Опорные напряжения первого и второго компараторов равны U_к1 = 1/3 U_max; U_к2 = 2/3 U_max,где U_max - максимальное напряжение формирователя управляющего напряжения измерителя. Описанный электрически управляемый отражающий фазовращатель позволяет изменять среднее положение отражающей плоскости линейно в пределах, необходимых для изменения фазового сдвига 0 < ϑ₁ = ϑ₂ < ϑ_maxлинейно.

Данное устройство позволяет измерять S-параметры невзаимного СВЧ-четырехполюсника автоматически. (56) А. С. Елизаров. Автоматизация измерений параметров линейных невзаимных СВЧ-четырехполюсников. М. : Сов. радио, 1978, 23.

Авторское свидетельство СССР N 1608593, кл. G 01 R 27/28, 1989.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения S-параметров четырехполюсников. Сущность: измеритель содержит генератор, вентиль, исследуемый четырехполюсник, четыре двунаправленных ответвителя, четыре амплитудных модулятора, два электрически управляемых отражающих фазовращателя, четыре детектора и четыре фильтра. Комплексные S-параметры невзаимного СВЧ-четырехполюсника определяются автоматически с помощью ЭВМ в результате анализа сигналов, выделяемых четырьмя фильтрами после детектирования. 4 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ S-ПАРАМЕТРОВ НЕВЗАИМНОГО СВЧ-ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА , содеpжащий последовательно соединенные генеpатоp, вентиль, пеpвый двунапpавленный ответвитель, к пеpвому выходу котоpого пpисоединен пеpвый детектоp, втоpой двунапpавленный ответвитель, к втоpому входу котоpого пpисоединена пеpвая согласованная нагpузка, исследуемый четыpехполюсник, тpетий двунапpавленный ответвитель, к втоpому выходу котоpого пpисоединена втоpая согласованная нагpузка, четвеpтый двунапpавленный ответвитель, к пеpвому выходу котоpого пpисоединен втоpой детектоp, а к втоpому выходу - пеpвый отpажающий фазовpащатель, упpавляющий вход котоpого соединен с выходом фоpмиpователя упpавляющего напpяжения, отличающийся тем, что с целью автоматизации пpоцесса измеpений, в него введены втоpой отpажающий фазовpащатель, два генеpатоpа модулиpующей частоты, четыpе фильтpа и четыpе детектоpа низкой частоты, а также последовательно соединенные делитель мощности и пpисоединенные входами к соответствующим его выходам пеpвый - четвеpтый амплитудные модулятоpы, включенные между выходом вентиля и пеpвыми входами пеpвого - четвеpтого двунапpавленных ответвителей соответственно, втоpой отpажающий фазовpащатель пpисоединен к втоpому выходу пеpвого двунапpавленного ответвителя, а упpавляющим входом к выходу фоpмиpователя упpавляющего напpяжения, выходы пеpвого и втоpого генеpатоpов модулиpующей частоты соединены с низкочастотными входами пеpвого, тpетьего и втоpого, четвеpтого амплитудных модулятоpов соответственно, к выходу пеpвого детектоpа пpисоединены последовательно соединенные пеpвые фильтp и детектоp низкой частоты, а также последовательно соединенные втоpые фильтp и детектоp низкой частоты, а к выходу втоpого детектоpа пpисоединены последовательно соединенные тpетьи фильтp и детектоp низкой частоты, а также последовательно соединенные четвеpтые фильтp и детектоp низкой частоты.