СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБРАТНЫХ ПОТЕРЬ В ФЕРРИТОВЫХ ПРИБОРАХ СВЧ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для измерения обратных потерь ферритовых приборов СВЧ, работающих в режиме заданного уровня отраженной мощности (на нагрузку с заданным КСВн) на высоком уровне мощности.

Параметры ферритовых приборов СВЧ, работающих на высоком уровне мощности, зависят от уровня падающей и отраженной мощностей, проходящих через ферритовый прибор. От уровня отраженной мощности наиболее сильно зависят обратные потери (развязки) развязывающих приборов: вентилей, циркуляторов. Поэтому измерение этих параметров производят в заданном режиме измерений, который определяется уровнем падающей мощности и КСВн оконечной несогласованной нагрузки (определяющим уровень отраженной мощности), например, способом по авт.св. N 311218. Недостатком этого способа является невысокая чувствительность и непостоянство режима измерений (уровень отраженной мощности изменяется в процессе измерений), что приводит к появлению дополнительной погрешности измерений.

Более высокую чувствительность и постоянство режима имеет способ измерения обратных потерь на высоком уровне мощности (Шагин И.С. Методы измерения и схемы установок для измерения параметров ферритовых приборов СВЧ. Обзоры по электронной технике. Серия 1 "Электроника СВЧ", выпуск 10 (479). М. : ЦНИИ "Электроника", 1977, с.15).

Однако положительные свойства этого способа проявляются только при использовании несогласованной нагрузки, имеющей постоянный КСВн во всем диапазоне частот измеряемого прибора и хорошо согласованного фазовращателя, включаемого перед этой нагрузкой. Реальные конструкции несогласованных нагрузок обычно представляют собой согласованную поглощающую нагрузку и включенный перед ней отражающий элемент. Известны различные конструкции отражающих элементов (рассогласователей), в том числе широкополосных, позволяющие обеспечить точный расчет их КСВн. Однако создание хорошо согласованных поглощающих нагрузок и фазовращателей является достаточно сложной (и не всегда выполнимой) технической задачей (особенно на больших уровнях мощности и на высоких частотах). На практике приемлемым для таких конструкций считается КСВн 1, 3; при этом известные конструкции фазовращателей (диэлектрические волноводные, тромбонные и телескопические коаксиальные) изменяют свой КСВн и фазу отраженного сигнала при изменении фазы проходящего сигнала. Поэтому при практической реализации способа не удается избежать влияния отражений от фазовращателя и поглощающей нагрузки на режим измерений и чувствительность. Например, при КСВн несогласованной нагрузки равной 2,0 и изменении КСВн фазовращателя в пределах от 1,2 возможно четырехкратное изменение уровня отраженной мощности, что приводит к появлению дополнительной погрешности и снижению чувствительности измерений.

Известен измеритель потерь в ферритовых устройствах (авт.св. N 310200). В нем создание измеряемого сигнала производится включением отражающего элемента перед поглощающей оконечной нагрузкой, поэтому ему присущи те же недостатки - непостоянство режима измерения и связанные с этим дополнительные погрешности, а также возможность значительного уменьшения чувствительности (в несколько раз).

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности измерения обратных потерь ферритовых приборов СВЧ, работающих в режиме заданного уровня отраженной мощности при любых КСВн поглощающей нагрузки.

Это достигается тем, что при заданном уровне отраженной мощности при использовании схемы с направленным ответвителем на входе измеряемого прибора, включенным за ним измерителем отраженной мощности, отражающим элементом и поглощающей нагрузкой, выполняют следующие операции: подают в тракт мощность от генератора СВЧ, контролируют заданный уровень отраженной мощности на выходе измеряемого прибора при перемещении отражающего элемента рассогласователя вдоль регулярной линии передачи до положения, при котором контролируемый уровень отраженной мощности совпадает с заданным, компенсируют все сигналы в индикаторном плече ответвителя с помощью установленного в смежном плече трансформатора полных сопротивлений и снова перемещают отражающий элемент рассогласователя вдоль регулярной линии передач в другое положение, при котором контролируемый уровень отраженной мощности повторно совпадает с заданным, отсчитывают величину этого перемещения и показания измерителя отношения мощностей в индикаторном плече, а затем исключают прибор и при прежнем показании измерителя отраженной мощности повторно отсчитывают показания измерителя отношения мощностей в индикаторном плече, а значение потерь рассчитывают как выраженное в децибелах произведение отношения показаний измерителя отношения мощностей в индикаторном плече направленного ответвителя при отсутствии и наличии измеряемого прибора в тракте на учетверенный квадрат синуса половины угла сдвига фазы отраженного сигнала, определяемого по величине перемещения отражающего элемента.

Измерительное устройство состоит из каскадно включенных генератора СВЧ, направленного ответвителя с измерителем отношения мощностей в индикаторном плече и трансформатором сопротивлений в смежном плече, измеряемого прибора, измерителя отраженной мощности отражающего элемента с заданным КСВн и поглощающей нагрузки. Отражающий элемент размещен на отрезке регулярной линии передачи с возможностью регулируемого продольного перемещения на расстояние, обеспечивающее возможность получения заданного уровня отраженной мощности в двух его положениях.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения обратных потерь ферритовых приборов СВЧ; на фиг.2 - векторная диаграмма образования суммарного отраженного сигнала на выходе измеряемого прибора; на фиг.3 - векторная диаграмма образования измеряемого сигнала в индикаторном плече направленного ответвителя.

Устройство содержит генератор 1 с индикатором уровня генерируемой мощности, направленный ответвитель 2, трансформатор 3 полных сопротивлений, поглощающую нагрузку 4, измеритель отношения мощностей 5, измеритель отраженной мощности 6, поглощающую оконечную нагрузку 7, измеряемый ферритовый прибор 8, рассогласователь 9, содержащий отражающий элемент (ОЭ) с заданным КСВн.

Измерения производят в следующем порядке: подают в тракт сигнал СВЧ заданного уровня мощности и устанавливают отражающий элемент ОЭ рассогласователя 9 в положение (l₁), при котором на измерителе мощности 6 контролируемый им уровень отраженной мощности (Р₆) будет соответствовать заданному. Затем с помощью трансформатора полных сопротивлений 3 компенсируют все сигналы, поступающие на вход измерителя отношения мощностей 5 до получения нулевых его показаний (Р₅ = 0). После этого перемещают отражающий элемент (чем сдвигают фазу отраженного сигнала) ОЭ в другое положение (l₂), при котором на измерителе мощности 6 будут наблюдаться прежние показания (Р₆), и отсчитывают при этом показания измерителя отношения мощностей 5 (Р₅'). При перемещении отражающего элемента ОЭ между положениями l₁ и l₂ наблюдается либо максимум (Р_6макс), либо минимум (Р_6мин) показаний измерителя мощности 6. Затем исключают из тракта измеряемый прибор и отсчитывают показания измерителя отношения мощностей 5 при прежних (Р₆) показаниях измерителя отраженной мощности 6.

Искомое значение обратных потерь (развязок) α_обр. определяют по формуле:
α_обр=10lg sin (дБ),, (1) где
Ψ=arcsin (град) при ГГ (2)
Ψ=180^°-arcsin (град) при Г sinϕ < Г (3)
ϕ = - при Р_6мин между l₁ и l₂ (4)
ϕ = 1801- - при Р_6мaкс между l₁ и l₂ (5)
λ - длина волны генератора 1;
Г = ; Г = (6)
К_оэ, К_зад. - соответственно КСВн отражающего элемента ОЭ и заданное значение КСВн несогласованной нагрузки.

Р₅'' - показания измерителя отношения мощностей 5 при исключенном из тракта измеряемом устройстве, определяемые в зависимости от конкретных условий измерений (при показаниях измерителя мощности 6 равных Р₆), либо при повторении всего процесса измерений, как показания в (˙) l₂; либо как показания (Р_пад) в (˙) l₁ или (˙) l₂ при подключении индикатора отношения мощностей 5 к плечу В ответвителя 2, а нагрузки 4 - к плечу А этого ответвителя, тогда
P =P_пад· Г (7)
Если конструкция отражающего элемента ОЭ позволяет точно рассчитать КСВн, то целесообразно иметь К_оэ = К_зад при этом ϕ=Ψ если возможен только приближенный (оценочный) расчет, то целесообразно иметь К_оэ ≥ К_зад, в этом случае значение К_оэ можно найти непосредственно в процессе измерений по значениям отраженной мощности Р_6макс; Р_6мин и уровню падающей мощности.

Принцип измерений и вид расчетных формул может быть понят из векторных диаграмм на фиг.2 и 3. На фиг.2 приведена векторная диаграмма образования суммарного отраженного сигнала, фиксируемого измерителем мощности 6, где
- сигнал, отраженный непосредственно от отражающего элемента ОЭ;
- сигнал, соответствующий заданному уровню отраженной мощности;
- суммарный сигнал, образованный отражениями от нагрузки 7, от разъемов (фланцев) рассогласователя 9 и выходного разъема измерителя мощности 6.

При перемещении отражающего элемента ОЭ изменяется только фаза сигнала , поэтому возможны два положения ОЭ (l₁ и l₂), при которых сумма сигналов и равна . Угол поворота сигнала определяется расстоянием между (˙) l₁ и (˙) l₂, обозначим его 2 ϕ, тогда повернется на угол 2 Ψ, поэтому из соотношений для треугольника получим:
Ψ = arcsin [град] (8)
Измеритель мощности 6 дает в точках l₁ и l₂ показания Р₆ ≈ ||², т. е. уровень отраженной мощности (и режим работы измеряемого устройства) в этих точках будет соответствовать заданному независимо от качества согласования нагрузки 7 и других элементов.

На фиг.3 приведена векторная диаграмма образования измеряемого сигнала (U'_s ), несущего информацию об измеряемой величине обратных потерь.

На вход измерителя отношения мощностей 5 поступают сумма сигналов "помех" (), образованная отражениями от входа исследуемого прибора 8, отражениями от нагрузки 7, измерителя мощности 6, разъемов рассогласователя 9, направленностью ответвителя 2; сигнал, отраженный от трансформатора полных сопротивлений 3 (сигнал компенсации) и измеряемый сигнал
=Q_обр, (9) где Q_обр. - коэффициент передачи по напряжению измеряемого прибора в обратном направлении.

В момент компенсации (Р₅ = 0) можно записать
=++=0
Очевидно, что при этом сигнал может быть представлен в виде
=--
При повороте сигнала на угол 2 Ψ произойдет поворот на этот же угол только сигнала , остальные сигналы своей амплитуды и фазы не изменят. Тогда результирующий сигнал '₅ образуется двумя сигналами с амплитудой | | сдвинутыми по фазе на угол (180^о - 2 Ψ).

По правилам суммирования векторов получим:
= =2 sinΨ
(10) Так как
P~ U; P ~ ; ~ Г; ~ Г,, то из выражений (9) и (10) с учетом того, что α_обр=20 lg получим выражение (1).

Из анализа измерений и выражения (1) следует, что измеряемый сигнал зависит только от заданного значения КСВн (К_зад) несогласованной нагрузки тракта, величины перемещения отражающего элемента (Δ l = l₁ - l₂), величины обратных потерь измеряемого устройства и не зависит ни от КСВн поглощающей нагрузки (К_пн), ни от КСВн других элементов тракта, причем в точках l₁ и l₂ обеспечивается постоянный заданный уровень отраженной мощности (т.е. и режим измерений), чем повышается точность измерений.

Чувствительность измерений повышается как минимум в 3 раза (при К_пн= К_зад = = К_оэ имеем Ψ=ϕ = 60^o), а при К_пн < К_зад - до 4-х раз (Ψ > 90^о), причем такое повышение чувствительности обеспечивается всегда независимо от КСВн поглощающей нагрузки и других элементов тракта.

Предлагаемые способ и устройство достаточно просто реализуются в различных сечениях волноводов и коаксиальных линий и могут быть использованы на больших уровнях мощности в широком диапазоне частот, так как в них не предъявляется каких-либо жестких требований по КСВн ни к нагрузке, ни к элементам схемы, ни к самому отражающему элементу. Достаточно, чтобы он имел КСВн, близкий к заданному, и возможность продольного перемещения вдоль линии передачи. Например, нагрузка измерителя поглощаемой мощности МКЗ-69 имеет КСВн ≅ 1,3 на частотах до 3 ГГц, на частоте 4 ГГц КСВн возрастает до 1,7-1,8 (не нормируется). При измерении обратных потерь ферритового прибора и использовании рассогласователя КСВн = 2,0 возможно изменение режима по отраженной мощности в пределах: при КСВн нагрузки 1,3 - от 0,04 Р_пад до 0,187 Р_пад, т.е. более чем в 4,5 раза; при КСВн нагрузки 1,7 - от 0,03 Р_пад до 0,48 Р_пад, т.е. в 16 раз.

При использовании в качестве отражающего элемента четвертьволнового цилиндра из фторопласта (КСВн 2,0), размещенного на отрезке регулярной линии с возможностью перемещения вдоль нее на расстояние в пределах половины длины волны при любом КСВн нагрузки, можно дважды установить уровень отраженной мощности, соответствующий заданному КСВн 2,0 ( ≈ 11% от Р_пад). При этом при КСВн нагрузки 1,3 имеем Ψ = 78^о, при КСВн нагрузки 1,7 имеем Ψ = 67^о, т.е. повышение чувствительности составит соответственно 3,9 раза (5,9 дБ) и 3,4 раза (5,3 дБ), т.е. чувствительность способа остается достаточно высокой при изменении КСВн нагрузки в широких пределах.

Способ не требует применения фазовращателей на входе рассогласователя. Высокая точность и чувствительность сохраняются при всех реально достижимых значениях КСВн поглощающей нагрузки и других элементов тракта СВЧ, а создание рассогласователей с подвижным (например, диэлектрическим) отражающим элементом технически намного проще, чем создание хорошо согласованных поглощающих нагрузок, фазовращателей или специальных конструкций несогласованных нагрузок с заданным КСВн. Поддержание постоянного заданного уровня отраженной мощности и необходимая раскомпенсация (разбалансировка) сигналов в индикаторном плече ответвителя, позволяющие повысить точность и чувствительность измерений, достигается одним и тем же перемещением отражающего элемента.

Использование: в технике СВЧ для измерения обратных потерь ферритовых приборов СВЧ, работающих в режиме заданного уровня отраженной мощности (заданного КСВ нагрузки) на высоких уровнях мощности. Сущность изобретения: устройство для измерения потерь содержит последовательно включенные генератор СВЧ, направленный ответвитель с трансформатором полных сопротивлений и измерителем отношения мощности в смежных плечах вторичного канала, измеряемый прибор, измеритель отраженной мощности, отражающий элемент, поглощающий нагрузку. Отражающий элемент размещен на отрезке регулярной линии передачи с возможностью продольного перемещения. В процессе измерений отражающий элемент перемещают вдоль линии передачи до положения, при котором контролируемый уровень отраженной мощности совпадает с заданным, затем компенсируют все сигналы в индикаторном плече ответвителя с помощью трансформатора полных сопротивлений в смежном плече, перемещают отражающий элемент в другое положение, при котором уровень отраженной мощности вновь совпадает с заданным, отсчитывают показания измерителя отношения мощности и величину перемещения отражающего элемента. Измерения повторяют при наличии и отсутствии в тракте измеряемого ферритового прибора. Искомое значение обратных потерь рассчитывают по показаниям измерителя отношения мощности и величине перемещения отражающего элемента. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения обратных потерь в ферритовых приборах СВЧ, основанный на подаче в тракт мощности от генератора СВЧ, контроле заданного уровня отраженной мощности на выходе измеряемого прибора, компенсации всех сигналов в индикаторном плече ответвителя, включенного на выходе генератора СВЧ с помощью установленного в смежном плече трансформатора полных сопротивлений, и отсчете показаний измерителя отношения мощностей в индикаторном плече ответвителя при наличии и отсутствии измеряемого прибора в тракте, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерений, заданный уровень отраженной мощности получают путем перемещения вдоль регулярной линии передачи отражающего элемента с заданным КСВН до положения, при котором контролируемый уровень отраженной мощности совпадет с заданным, а после проведения операции компенсации снова перемещают этот отражающий элемент в другое положение, при котором контролируемый уровень отраженной мощности повторно совпадет с заданным, отсчитывают величину этого перемещения, а значение обратных потерь рассчитывают как выраженное в децибелах произведение отношения показаний измерителя отношения мощностей в индикаторном плече направленного ответвителя при отсутствии и наличии измеряемого прибора в тракте на учетверенный квадрат синуса половины угла сдвига фазы отраженного сигнала, определяемого по величине перемещения отражающего элемента. 2. Устройство для измерения обратных потерь в ферритовых приборах СВЧ, содержащее последовательно соединенные генератор СВЧ, направленный ответвитель с измерителем отношения мощностей в индикаторном плече и трансформатором полных сопротивлений в смежном плече, измеритель отраженной мощности, отражающий элемент с заданным КСВН и поглощающую нагрузку, при этом выход направленного ответвителя и вход измерителя отраженной мощности предназначены для подключения входа и выхода измеряемого прибора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и чувствительности, отражающий элемент с заданным КСВН размещен на отрезке регулярной линии передачи с возможностью регулируемого продольного перемещения на расстояние, обеспечивающее возможность получения заданного уровня отраженной мощности в двух его положениях.