СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ПАССИВНЫХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ И ПАНОРАМНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01R27/04 

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для испытаний пассивных четырехполюсников по рассеиваемой в них мощности, в частности для их контроля при настройке по критерию минимума рассеиваемой мощности.

Известен способ испытаний пассивных четырехполюсников, реализованный в устройствах [1], [2] (Измерители КСВН панорамные Р2-98 - Р2-109, Техническое описание и инструкция по эксплуатации 0.140.008 ТО, С.6, 32-34, 63-75 [1]; Измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18, Руководство по эксплуатации в двух частях. 4.1 ЖНКЮ. 468166.002 РЭ1, С.5-8, 11-13 [2]), обеспечивающий контроль модуля коэффициента отражения (Г) четырехполюсника путем измерения отношения мощности сигнала (Р_О), отраженного сигнала от входа четырехполюсника (измерительный канал А), к мощности сигнала (Р_П), падающего на вход четырехполюсника (опорный канал R) и контроль ослабления (L) (модуль коэффициента передачи) четырехполюсника путем измерения отношения мощности сигнала (Р_ПР), прошедшего через него (измерительный канал В) к падающей мощности (Р_П). При этом в панорамном измерителе используют три датчика мощности. Один датчик и его вход для контроля мощности сигнала (Р_П), падающего на вход четырехполюсника (опорный канал R), два датчика измеряемых сигналов и два входа измеряемых сигналов. Один датчик измеряемого сигнала - для контроля мощности сигнала (Р_О), отраженного от четырехполюсника (измерительный канал А), включенный по известной схеме испытаний по коэффициенту отражения (Г), другой - для контроля мощности сигнала (Р_ПР), прошедшего через четырехполюсник (измерительный канал В), включенный по схеме испытаний по ослаблению (L). Для обработки сигналов с датчиков и отображения измеренных и вычисленных параметров четырехполюсника измеритель содержит АЦП, программатор, вычислитель, цифровые индикаторы и монитор.

Вычисленные отношения P_ПР/P_П=L (ослабление) и Р_О/Р_П=Г (модуль коэффициента отражения) в виде графиков частотной зависимости индицируются на мониторе, при этом значения в каждой отдельной точке частотного диапазона отсчитываются по соответствующим меткам на мониторе измерителя. Кроме того, в измерителе [2] предусмотрена возможность индикации результатов обработки измеренных параметров по заданному извне алгоритму. Ослабление (L) только при хорошем согласовании четырехполюсника - малом коэффициенте отражения (Г) может косвенно (ориентировочно) характеризовать уровень рассеиваемой мощности (Р_Р) в четырехполюснике.

Недостатком известного способа, реализованного в [1], [2], является отсутствие в явном виде информации о мощности, рассеиваемой непосредственно в четырехполюснике (Р_Р), так как ослабление L=Р_ПР/Р_П включает как непосредственные потери мощности сигнала во внутренней структуре четырехполюсника, так и потери мощности сигнала за счет отражения от входа четырехполюсника - потери мощности, рассеиваемой вне внутренней структуры испытываемого узла, поэтому минимальному значению рассеиваемой в четырехполюснике мощности не всегда соответствует минимальное значение ослабления (максимальное значение коэффициента передачи), измеренные по известному способу [1], [2].

Результаты контроля и настройки четырехполюсника по известному способу сопряжены с неопределенностью результата контроля рассеиваемой мощности, что в условиях эксплуатации, при больших уровнях входной мощности (10…100 ватт), увеличивает вероятность отказа аппаратуры из-за перегрева.

Целью заявляемого изобретения является повышение надежности функционирования четырехполюсника, работающего при мощностях, близких к предельно-допустимым, за счет минимизации рассеиваемой мощности и соответствующего снижения тепловыделения во внутренней структуре четырехполюсника.

Это достигается тем, что в известном способе дополнительно производят контроль третьего измеряемого сигнала - мощности, рассеиваемой в четырехполюснике, т.е. тепловой мощности, определяемой как разность мощности сигнала (Р_П), падающего на вход четырехполюсника, и суммы мощностей сигналов (Р_О+Р_ПР), отраженного от входа четырехполюсника и прошедшего через него:

и тем самым осуществляют непосредственный контроль рассеиваемой мощности (Р_Р) в четырехполюснике в процессе его испытаний и проведение настройки параметров четырехполюсника по критерию допустимого уровня рассеиваемой (тепловой) мощности.

Заявляемый способ отличается от известного способа испытаний параметров пассивных четырехполюсников [1], [2], заключающегося в установке мощности опорного сигнала, падающего на вход четырехполюсника (Р_П) и контроле измеряемых мощностей сигналов, с возможностью индикации на экране монитора результатов контроля в виде частотных зависимостей, контролируемых параметров, с последующей оценкой характеристик четырехполюсника, причем в качестве мощностей измеряемых сигналов используются мощности сигналов отраженного от входа четырехполюсника (Р_О) и прошедшего через него (Р_ПР), тем, что производят контроль мощности (Р_Р), рассеиваемой в четырехполюснике, определяемой как разность между мощностью (Р_П) падающего сигнала на вход четырехполюсника и суммой мощностей (Р_О+Р_ПР) отраженного от его входа и прошедшего через него: Р_Р=Р_П-(Р_О+Р_ПР).

При использовании нормированных измеряемых мощностей к падающей мощности (Р_О/Р_П=Г и Р_ПР/Р_П=L) в соответствии с выражением (1) определяется нормированная рассеиваемая мощность (Р_Р/Р_П) - коэффициент рассеиваемой мощности (КРМ) как разность между нормированной падающей мощностью Р_П/Р_П=1 и суммой нормированных мощностей Р_ПР/Р_П+Р_О/Р_П=L+Г:

Предложенный способ испытаний параметров пассивных четырехполюсников реализуется применением известного измерителя [2] по новому назначению, а именно для непосредственного контроля и минимизации рассеиваемой мощности (Р_Р) в четырехполюснике в процессе его настройки.

Обоснованием применения измерителя [2] для контроля рассеиваемой во внутренней структуре четырехполюсника мощности (Р_Р), приводящей к перегреву устройства, является наличие в измерителе трех датчиков - датчика для контроля мощности сигнала (Р_П), падающего на вход четырехполюсника (опорный канал R), датчика для контроля мощности сигнала (Р_О), отраженного от четырехполюсника (измерительный канал А) и датчика для контроля мощности сигнала (Р_ПР), прошедшего через четырехполюсник (измерительный канал В), а также АЦП, программатора, вычислителя, монитора, обеспечивающих необходимые вычисления и индикацию результатов контроля параметров четырехполюсников на мониторе.

Программное обеспечение измерителя [2] позволяет выполнять вычисления с использованием измеренных параметров четырехполюсника для определения его производных параметров от измеренных по заданному извне алгоритму с возможностью индикации результатов вычислений на мониторе, например по алгоритму Р_Р/Р_П=[Р_П-(Р_П+Р_ПР)]/Р_П=1-(Г+L), соответствующему заявляемому способу для нормированных мощностей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение при испытаниях полной информации о рассеиваемой мощности в четырехполюснике, и получение возможности на этапе настройки минимизировать мощность рассеяния в четырехполюснике, что позволяет уменьшить вероятность выхода из строя четырехполюсников, работающих при больших мощностях на входе, и, соответственно, обеспечить выполнение поставленной цели - увеличение надежности работы четырехполюсника.

Именно заявляемое определение измерителем уровней мощности, рассеиваемой в четырехполюснике, мощности, падающей на вход четырехполюсника, обеспечивает согласно способу контроль мощности рассеяния и тем самым обеспечивает достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявленные изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями показывает, что заявленный способ отличается от известного использованием нового критерия оценки параметров четырехполюсника - рассеиваемая мощность, а устройство - измеритель коэффициента передачи и отражения, используется по другому назначению для осуществления заявленного способа, а именно обеспечения непосредственного контроля мощности рассеяния во внутренней структуре четырехполюсника - мощности, выделяемой в виде тепловой энергии.

Рассмотрим четырехполюсник СВЧ, на вход которого подается мощность Р_П (падающая мощность), от входа четырехполюсника часть мощности Р_О отражается (отраженная мощность) часть энергии, соответствующей рассеиваемой мощности Р_Р, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, с выхода четырехполюсника снимается мощность Р_ПР (прошедшая мощность).

Представим этот пассивный четырехполюсник с диссипативными потерями, в виде двух четырехполюсников, включенных каскадно:

первый четырехполюсник характеризует потери, обусловленные отражением мощности (Р_О), из-за рассогласованного включения четырехполюсника;

второй четырехполюсник характеризует потери, обусловленные поглощением мощности (Р_Р) в четырехполюснике.

Таким образом, на вход второго четырехполюсника поступает мощность Р_П-Р_О. Коэффициент передачи второго четырехполюсника равен Р_ПР/(Р_П-Р_О). На основание этого можно утверждать, что величина поглощенной мощности Р_Р, приведенная к мощности на входе второго четырехполюсника, равна:

С учетом выражения (3) получаем:

или для нормированных мощностей:

и, соответственно, величина поглощаемой в четырехполюснике мощности Р_Р равна разности мощности, падающей на вход четырехполюсника Р_П, и сумме мощностей, отраженной от входа четырехполюсника Р_О и прошедшей через него Р_ПР.

На рисунке фиг.1 приведена блок-схема панорамного измерителя [1], в состав которого входят следующие функциональные узлы: 1 - генератор (Г), 2 - датчик опорного сигнала (канала) (ДП), 3 - четырехполюсник (ЧП), 4 - датчик первого измеряемого сигнала (канала) (ДО), 5 - датчик второго измеряемого сигнала (канала) (ДПР), 6 - арифметический блок (АБ) и 7 - индикатор (И).

Способ поясняется блок-схемой панорамного измерителя (фиг.1), содержащего генератор 1 (Г) с выходом СВЧ, датчик опорного сигнала (канала) 2 (ДП) для контроля мощности, падающей на вход четырехполюсника 3, датчик первого измеряемого сигнала (канала) 4 для контроля мощности, отраженной от входа четырехполюсника (ДО), датчик второго измеряемого сигнала (канала) 5 для контроля мощности, прошедшего через четырехполюсник (ДПР), арифметический блок 6 (АБ) для вычисления рассеиваемой мощности по заданному алгоритму (1), подключенный выходом ИК3 к индикатору 7 (И) для визуализации уровня рассеиваемой мощности. Датчик опорного сигнала (канала) 2 подключен СВЧ входом к СВЧ выходу генератора 1, СВЧ выходом к СВЧ входу датчика первого измеряемого сигнала (канала) 4, низкочастотным выходом к входу ОК арифметического блока 6 и к индикатору 4 для контроля уровня входной мощности, падающей на вход четырехполюсника 3. Датчик первого измеряемого сигнала (канала) 4 подключен СВЧ выходом к входу четырехполюсника 3 и низкочастотным выходом к входу ИК1 арифметического блока 6. Датчик второго измеряемого сигнала (канала) 5 подключен СВЧ входом к выходу четырехполюсника 3 и низкочастотным выходом к входу ИК2 арифметического блока 6.

Способ осуществляется следующим образом. Перед работой панорамного измерителя собирают схему (Фиг.1) без четырехполюсника 3 - СВЧ выход датчика опорного сигнала (канала) 2 соединяют с СВЧ входом датчика второго измеряемого сигнала (канала) 5. С выхода генератора 1 устанавливают мощность в рабочем диапазоне частот, при которой необходимо испытывать четырехполюсник 3, контролируя мощность по индикатору 7. Калибруют панорамный измеритель по ослаблению, выравнивая значение сигнала второго измерительного канала относительно опорного канала. Отсоединяют СВЧ вход датчика второго измеряемого сигнала (канала) 5 от СВЧ выхода датчика опорного сигнала (канала) 2 и калибруют панорамный измеритель по коэффициенту отражения, выравнивая значение сигнала первого измерительного канала относительно опорного канала. Восстанавливают схему (Фиг.1) и производят измерения рассеиваемой мощности. При необходимости подстроенными элементами четырехполюсника осуществляют минимизацию рассеиваемой мощности.

На рисунке фиг.2 приведена блок-схема панорамного измерителя [2], в состав которого входят следующие функциональные узлы: 1 - измерительный блок (ИБ), 2 - четырехполюсник (ЧП), 3 - датчик первого измеряемого канала (ДО), 4 - датчик измеряемого второго канала (ДПР), 5 - ЭВМ.

Использование панорамного измерителя [2] по новому назначению для испытаний четырехполюсников по рассеиваемой мощности поясняется блок-схемой панорамного измерителя (Фиг.2), содержащего измерительный блок 1 (ИБ) с выходом СВЧ, входом опорного канала R (ОК) и входами измеряемых каналов - первого А (ИК1) и второго и В (ИК2), с встроенным в нем датчиком опорного канала для контроля мощности, падающей на вход четырехполюсника 2, датчик первого измеряемого канала 3 для контроля мощности, отраженной от входа четырехполюсника (ДО), подключенный СВЧ входом к СВЧ выходу измерительного блока, СВЧ выходом к входу четырехполюсника и низкочастотным выходом к входу А измерительного блока 1, датчик измеряемого второго канала 4 для контроля мощности, прошедшего через четырехполюсник (ДПР), подключенный СВЧ входом к выходу четырехполюсника и низкочастотным выходом к входу В измерительного блока 1, ЭВМ 5 с управляющей программой, обеспечивающая управление измерительным блоком 1, выполнение ряда вычислительных функций и панорамное отображение частотных характеристик измеренных отношений мощностей - ослабления и коэффициента отражения, как в децибелах, так и в разах.

Использование панорамного измерителя осуществляется следующим образом. Перед работой панорамный измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М калибруют для одновременного измерения коэффициентов отражения и передачи в разах [2].

Перед калибровкой при необходимости проведения испытаний при реальной максимально допустимой входной (падающей) мощности, что необходимо для четырехполюсников с элементами, нелинейно зависящих от мощности, в окне программы “Р2М” в режиме измерения модулей коэффициента передачи и отражения в “Параметрах синтезатора” в поле “Выходная мощность, дБм” устанавливают требуемую мощность.

В измерительный тракт между датчиками мощностей отраженного и прошедшего сигналов включают испытуемый четырехполюсник. Производят измерения коэффициентов отражения Г=Р_О/Р_П и передачи L=Р_ПР/Р_П - нормированных к падающей мощности (нормированных мощностей отраженного и прошедшего сигналов) в рабочем диапазоне частот в разах.

Используя связи между маркерами при маркерных измерениях в окне “Свойства связанного маркера”, в поле “Выражения” записывают арифметическое выражение, соответствующее соотношению (2) для вычисления КРМ в процентах по отношению к падающей мощности:

(1-(а.Левый)^2-(а.Правый)^2)∗100|КРМ%зн%,

где “а.Левый” и “а.Правый” - значения трасс левого и правого каналов на метке “а” - модули коэффициента передачи (ослабление или усиление) и отражения в разах по напряжению на метке “а”.

При этом над связью метки “а” отображается значение КРМ на частоте, соответствующей метке “а”.

Перемещая метку по диапазону частот, контролируют КРМ в рабочем диапазоне частот.

В случае необходимости аналогично устанавливают несколько связанных маркеров на различных частотах рабочего диапазона.

Таким образом определяют нормированную мощность рассеяния в четырехполюснике как разность нормированных мощностей - мощности падающего сигнала на вход четырехполюсника и мощностей отраженного от его входа и прошедшего через него.

При необходимости подстроенными элементами четырехполюсника осуществляют минимизацию рассеиваемой мощности.

Источники информации

1. Измерители КСВН панорамные Р2-98 - Р2-109. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 0.140.008 ТО. С.6, 32-34, 63-75.

2. Измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18. Руководство по эксплуатации в двух частях. Ч.1 ЖНКЮ. 468166.002 РЭ1. С.5-8, 11-13.

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для испытаний пассивных четырехполюсников по рассеиваемой в них мощности. Техническим результатом является получение при испытании полной информации путем измерения дополнительной величины рассеиваемой мощности в четырехполюснике и получение возможности на этапе настройки минимизировать мощность рассеяния, что увеличивает надежность работы четырехполюсника. Способ заключается в установке необходимой мощности опорного сигнала, падающего на вход четырехполюсника, и контроле мощностей сигналов отраженного от входа четырехполюсника и прошедшего через него. Новым в способе является контроль мощности, рассеиваемой в четырехполюснике (Р_Р), определяемой как разность мощности (Р_П) падающего сигнала и суммы мощностей (Р_О и Р_ПР), отраженной от его входа и прошедшей через него: Р_Р=Р_п-(Р_О+Р_ПР). Предлагаемый измеритель модуля коэффициента передачи и отражения позволяет измерять дополнительный параметр, а именно абсолютную (Р_Р) или нормированную (Р_Р/Р_П) мощность рассеяния в четырехполюснике. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ испытаний пассивных четырехполюсников, при котором устанавливают опорный сигнал, контролируя его мощность, падающую на вход четырехполюсника, и контролируют мощности первого и второго измеряемых сигналов с последующей оценкой характеристик четырехполюсника, причем в качестве мощностей первого и второго измеряемых сигналов используют мощности сигналов соответственно отраженного от входа четырехполюсника и прошедшего через него, отличающийся тем, что производят контроль мощности третьего измеряемого сигнала, причем в качестве мощности третьего измеряемого сигнала используют мощность, рассеиваемую в четырехполюснике, определяемую как разность между мощностью падающего сигнала на вход четырехполюсника и суммой мощностей отраженного от его входа и прошедшего через него.

2. Применение панорамного измерителя модуля коэффициента передачи и отражения для испытаний пассивных четырехполюсников по рассеиваемой в них мощности.