СВЧ-РЕФЛЕКТОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения оконечных нагрузок в стандартных коаксиальных и волноводных каналах.

Для измерений в широкой полосе частот рефлектометры строят по известной схеме [1] , содержащей один противофазный и три квадратурных гибридных соединения. Однако жесткие требования к электрической длине соединений в схеме, технологические сложности, связанные с реализацией гибридных соединений в широкой полосе частот, делают такие рефлектометры дорогостоящими, громоздкими, рабочая полоса их не превосходит двух октав.

Известны простые конфигурации рефлектометров (см. [2] приложение), содержащие два направленных (однозондовых) датчика (рис. 11.21 приложения) или один ненаправленный (четырехзондовый) датчик (рис. 11.22 приложения) индуктивного или емкостного типа.

Однако такие рефлектометры имеют рабочую полосу частот, не превосходящую одной октавы, и невысокую точность измерения.

В качестве ближайшего аналога для технического решения выбран СВЧ-рефлектометр, содержащий ненаправленный (четырехзондовый) датчик, зонды которого расположены в линии передачи (волноводе) на расстоянии, равном 1/8 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона (рис. 11.22 приложения).

Целью изобретения является расширение полосы рабочих частот рефлектометра с зондовыми датчиками с существенным уменьшением габаритов по сравнению с имеющимися решениями, упрощением устройства и повышением точности измерения. Сущность изобретения заключается в том, что в СВЧ-рефлектометр, содержащий ненаправленный четырехзондовый датчик, выход которого является выходом для подсоединения оконечной нагрузки, введен направленный датчик, вход которого является входом для подключения генератора СВЧ, а выход соединен со входом ненаправленного четырехзондового датчика, расстояние между зондами которого равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, причем три зонда выполнены реагирующими на электрическое или магнитное поле, а четвертый зонд выполнен реагирующим соответственно на магнитное поле или электрическое поле и установлен в плоскости расположения среднего зонда четырехзондового датчика, напротив него.

Направленный датчик содержит детектор и направленный ответвитель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом направленного датчика, а выход вторичного канала соединен с детектором.

В другом варианте выполнения СВЧ-рефлектометра направленный датчик содержит зонд и аттенюатор, вход которого соединен с зондом и является входом направленного датчика, а его выходом является выход аттенюатора. Использование миниатюрного аттенюатора упрощает конструкцию рефлектометра по сравнению с использованием в нем направленного ответвителя.

Электрическая схема выполнения многополюсного СВЧ-рефлектометра приведена на фиг. 1 - 4, где изображено: на фиг. 1 - схема рефлектометра, у четырехзондового датчика которого три зонда реагируют на электрическое поле, а один - на магнитное; на фиг. 2 - схема рефлектометра, у четырехзондового датчика которого три зонда реагируют на магнитное поле, а один - на электрическое; на фиг. 3 - схема рефлектометра с направленным ответвителем в направленном датчике; на фиг. 4 - схема рефлектометра с аттенюатором в направленном однозондовом датчике; на фиг. 5 показано расположение калибровочных постоянных рефлектометра.

Рефлектометр содержит (фиг. 1-2) включенные последовательно генератор СВЧ 1, направленный однозондовый датчик 2, ненаправленный четырехзондовый датчик 3, выход которого является выходом для подсоединения исследуемой нагрузки 4. Расстояние L между зондами 5, 6 четырехзондового датчика 3 равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, причем три зонда 5 выполнены реагирующими на электрическое (фиг. 1) или магнитное поле (фиг. 2), а четвертый зонд 6 выполнен реагирующим соответственно на магнитное поле (фиг. 1) или электрическое (фиг. 2) поле и установлен в плоскости расположения среднего зонда четырехзондового датчика 3, напротив него.

Направленный датчик 2 может содержать (фиг. 3) направленный ответвитель падающей волны 7, выход вторичного канала которого соединен с детектором 8 датчика 2.

В другом варианте выполнения направленный датчик 2 содержит (фиг. 4) миниатюрный аттенюатор 9 с ослаблением 3-5 дБ, вход которого соединен с зондом 10 датчика 2.

СВЧ-рефлектометр работает следующим образом.

Сигнал от генератора СВЧ 1 через направленный ответвитель 7 с детектором 8 (или через зонд 10 и аттенюатор 9) попадает в исследуемую оконечную нагрузку 4, претерпевая отражения в плоскостях размещения зондов 5, 6. Мощности Р_i (Р₁, Р₂, Р₃, Р₄, Р₅ - см. фиг. 1 - 4), регистрируемые детекторами или зондами датчиков 2 и 3, связаны с измеряемым коэффициентом отражения Г оконечной нагрузки 4 соотношением
P_i = α_i|a|²|Г-q_i|², i = 1-5 (1)
Здесь α_i - действительные, q_i - комплексные постоянные, определяемые конструкцией рефлектометра, а - комплексная амплитуда волны, падающей на нагрузку.

Перед измерением Г рефлектометр калибруют на всех частотах, определяя α_i и q_i (1), путем подключения нагрузок 4 с известным коэффициентом отражения Г_H [3] . Калибровка требует наличия хотя бы одной "ненулевой" мощности Р₁, что достигается использованием в рефлектометре направленного датчика 2.

Реальную и мнимую части Г определяют из соотношений Г_H [4]

Здесь A_i, B_i и С_i действительные постоянные, однозначно определяемые через α_i и q_i.

Детектор 8 датчика 2, включенный во вторичном канале направленного ответвителя 7 (или зонд 10, включенный перед аттенюатором 9), реагирует на амплитуду волны, падающей на измеряемую нагрузку 4. Высокая точность восстановления Г по результатам измерения мощностей Р_i (P₁-Р₅) обеспечивается в том случае, когда калибровочные комплексные постоянные q_i (q₂-q₅) в плоскости комплексной переменной Г достаточно удалены друг от друга. Это условие в нашем случае выполняется в двухоктавной полосе рабочих частот, когда расстояние L между зондами 5, 6 равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте f_о рабочего диапазона, нижняя частота рабочего диапазона f_H = 0,5f_о, а верхняя f_В = 2f_о. Калибровочные постоянные зондов датчика 3, реагирующих соответственно на электрическое и магнитное поле, описываются выражениями:
q_i = -exp(i4πl_i/λ) (для электрического поля)
q_i = -exp(i4πl_i/λ) (для магнитного поля)
Здесь l_i - расстояние (см. фиг. 2) от зондов 5, 6 датчика 3 до плоскости подключения измеряемой нагрузки 4. На фиг. 5 показано расположение калибровочных постоянных рефлектометра на нижней f_н, средней f_о и верхней f_в частоте рабочего диапазона частот.

Таким образом, оптимальное соотношение и расположение зондов 5, 6 датчика 3, реагирующих на электрическое и магнитное поле, позволило при простой конструкции рефлектометра расширить полосу рабочих частот и повысить точность измерения за счет выполнения условия достаточной удаленности друг от друга калибровочных постоянных q_i в плоскости комплексной переменной Г.

Литература:
1. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. - М.: Радио и связь, 1987, с. 185, рис. 10.6.

2. Пашков А.Н. и др. Радиоизмерения. - М.: Мин. Обороны, 1980.

3. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985.

4. Садкова О.В., Никулин С.М. Способ оценки погрешности результатов измерительных процессов в 12-полюсной рефлектометрии. Журнал "Измерительная техника", 2001, 1, с.50-53.

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения оконечных нагрузок в стандартных коаксиальных и волноводных каналах. Техническим результатом является расширение полосы рабочих частот, уменьшение габаритов, упрощение устройства и повышение точности измерения. В СВЧ-рефлектометр, содержащий генератор СВЧ, ненаправленный четырехзондовый датчик, выход которого является выходом для подсоединения исследуемой оконечной нагрузки, введен датчик, включенный между генератором СВЧ и входом ненаправленного четырехзондового датчика, расстояние между зондами которого равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, причем три зонда выполнены реагирующими на электрическое или магнитное поле, а четвертый зонд выполнен реагирующим соответственно на магнитное поле или электрическое поле и установлен в плоскости расположения среднего зонда четырехзондового датчика, напротив него. Датчик содержит детектор и направленный ответвитель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом датчика, а выход вторичного канала соединен с детектором. В другом варианте выполнения СВЧ-рефлектометра датчик содержит зонд и аттенюатор, вход которого соединен с зондом и является входом датчика, а его выходом является выход аттенюатора. 2 з. п.ф-лы, 5 ил.

1. СВЧ-рефлектометр, содержащий ненаправленный четырехзондовый датчик, выход которого является выходом для подсоединения исследуемой оконечной нагрузки, отличающийся тем, что в него введен датчик, вход которого является входом для подключения генератора СВЧ, а выход соединен со входом ненаправленного четырехзондового датчика, расстояние между зондами которого равно 1/12 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, причем три зонда выполнены реагирующими на электрическое или магнитное поле, а четвертый зонд выполнен реагирующим соответственно на магнитное поле или электрическое поле и установлен в плоскости расположения среднего зонда четырехзондового датчика. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик содержит детектор и направленный ответвитель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом датчика, а выход вторичного канала ответвителя соединен с детектором. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик содержит зонд и аттенюатор, вход которого соединен с линией зонда, вход которой является входом датчика, а его выходом является выход аттенюатора.