Способ калибровки для ваттметров поглощаемой мощности на основе диодных преобразователей Российский патент 2023 года по МПК G01R21/10 G01R21/07 

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники сверхвысоких частот (СВЧ) и радиотехнических систем, и может быть использовано для калибровки ваттметров поглощаемой мощности, содержащих в качестве первичных преобразователей диодный детектор. Изобретение касается также компенсации изменений показаний диодных детекторов и ваттметров при изменении температуры окружающей среды.

Уровень техники

Калибровка ваттметра представляет собой процесс формирования таблиц соответствия путем сопоставления измеряемых значений величины, получаемой от чувствительного элемента калибруемого ваттметра, с показаниями эталонного ваттметра.

Известен способ калибровки (ГОСТ 8.569-2000 ВАТТМЕТРЫ СВЧ МАЛОЙ МОЩНОСТИ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 0,02-178,6 ГГц: Методика поверки и калибровки), для которого калибровочная таблица формируется путем поточечного сопоставления отклонений калибруемого ваттметра от эталонного ваттметра для всех мощностей и частот из рабочего диапазона калибруемого ваттметра с определенным шагом.

Недостатком известного способа является отсутствие учета влияния изменения температуры на показания ваттметра и большое число точек в калибровочной таблице.

Также известен способ калибровки, описанный в силовом измерительном приборе с внутренней калибровкой диодных детекторов (патент US9568518 опубл. 14.02.2017). В данном способе в составе ваттметра реализован отдельный калибровочный блок, который производит калибровку диодного преобразователя.

Достоинствами данного способа является учет влияния температуры и филккер-шумов. Недостаток известного способа является то, что он описывает исключительно процесс пользовательской калибровки, не затрагивая первичную калибровку при производстве ваттметра.

Наиболее близким аналогом является способ калибровки (патент US 7026807 опубл. 11.4.2006), в котором к эталонному и калибруемому ваттметру через усилитель подключается источник СВЧ-сигнала, и значения мощности, измеряемые эталонным ваттметром, сопоставляются с показаниями чувствительного элемента калибруемого ваттметра во всем рабочем диапазоне частот и мощностей калибруемого ваттметра с учетом температуры окружающей среды.

Недостатком данного способа является отсутствие программных решений для уменьшения влияния ошибки измерения динамической характеристики диодного детектора калибруемого ваттметра минимизации числа точек калибровочной таблицы.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на создание способа калибровки ваттметров поглощаемой мощности на основе диодных преобразователей, учитывающего влияние температуры, а также минимизирующего влияние ошибки измерения динамической характеристики калибруемого ваттметра при заданном числе точек калибровочной таблицы.

Основной технической задачей заявляемого изобретения является уменьшение погрешности измерения мощности калибруемых ваттметров поглощаемой мощности.

Технический результат от использования изобретения заключается уменьшении погрешности измерений и количества точек в калибровочной таблице за счет применения программной температурной коррекции программы для уменьшения влияния ошибки измерения динамической характеристики диодного детектора калибруемого ваттметра, а также программы минимизации числа точек частотной характеристики калибровочной таблицы ваттметра.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложен способ калибровки ваттметра поглощаемой мощности на основе диодных преобразователей, заключающийся в формировании калибровочных таблиц путем сопоставления показаний эталонного ваттметра и диодного детектора калибруемого ваттметра. Калибровку осуществляют в два этапа, подключая эталонный и калибруемый ваттметры к генератору сигналов СВЧ с диапазоном перестройки по частоте и мощности большим или равным частотному и динамическому диапазону калибруемого ваттметра через делитель мощности, предварительно записывая во внутреннюю память калибруемого ваттметра измеренную и аппроксимированную зависимость детектируемого напряжения диодных детекторов от температуры для температурной коррекции, измеренную датчиком температуры. На первом этапе осуществляют калибровку во всем динамическом диапазоне измеряемых калибруемым ваттметром мощностей в следующей последовательности:

- измеряют зависимость напряжения с выхода диодного детектора калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ во всем динамическом диапазоне калибруемого ваттметра на одной частоте, на которой влияние погрешности рассогласования наименьшее,

- обрабатывают значения измеренной динамической характеристики программой для уменьшения влияния ошибки измерения динамической характеристики диодного детектора калибруемого ваттметра путем усреднения заданного числа зависимостей и аппроксимации этих зависимостей, формируя на основе полученных данных калибровочные таблицы,

- записывают калибровочные таблицы во внутреннюю память калибруемого ваттметра и проверяют отклонение калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ в динамическом диапазоне калибруемого ваттметра.

На втором этапе осуществляют калибровку во всем частотном диапазоне калибруемого ваттметра в следующей последовательности:

- измеряют зависимость напряжения с выхода диодного детектора калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при синхронной перестройке частоты эталонного ваттметра вместе с генератором СВЧ при одной установленной мощности генератора,

- рассчитывают отклонение показаний калибруемого ваттметра от эталонного ваттметра обрабатывают результаты измерений программой для минимизации числа точек измеренной частотной характеристики калибруемого ваттметра,

- записывают калибровочные таблицы во внутреннюю память калибруемого ваттметра и проверяют отклонение калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ во всем частотном диапазоне калибруемого ваттметра, повторяют проверку для заданного числа уровней мощности СВЧ генератора.

И далее на основании калибровочных таблиц и напряжения на выходе диодного преобразователя рассчитывается измеряемая калибруемым ваттметром мощность в заданном диапазоне мощностей и частот.

В рамках возможной реализации заявляемого способа на первом и втором этапах осуществляют зануление путем разрядки конденсаторов диодного детектора и измеряют собственные шумы детектора и компонентов калибруемого ваттметра для их учета при обработке измеренных данных.

В ходе реализации заявляемого способа при измерении зависимости напряжения с выхода диодного детектора калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра проводят коммутацию сигнала на выходе диодного детектора калибруемого ваттметра.

Также при возможной реализации заявляемого способа на первом и втором этапах для расширения динамического диапазона перестройки генератора СВЧ между генератором СВЧ и делителем мощности может быть подключен внешний управляемый аттенюатор и/или усилитель мощности.

В ходе реализации заявляемого способа в качестве эталонного ваттметра может быть использован эталонный ваттметр проходящего типа.

Заявляемый способ могут реализовывать путем подключения калибруемого и эталонного ваттметров через развязывающий аттенюатор или ферритовый вентиль.

Краткое описание чертежей

Заявленное изобретение поясняется рисунками, где представлены:

на фиг. 1 - последовательность действий (этапов) калибровки ваттметра поглощаемой мощности,

на фиг. 2 - функциональная схема установки для калибровки ваттметра при использовании эталонного ваттметра поглощаемой мощности,

на фиг. 3 - функциональная схема установки для калибровки ваттметра при использовании эталонного ваттметра проходящей мощности,

на фиг. 4 - блок схема калибруемого ваттметра поглощаемой мощности,

на фиг.5 - графические зависимости экспериментально измеренных данных напряжения на выходе диодного детектора от температуры,

на фиг.6 - графические зависимости нормированных данных зависимости детектируемого напряжения диодного детектора от температуры нормированные относительно напряжения диодного детектора при нормальной рабочей температуре ваттметра.,

на фиг.7 - графические зависимости, описывающие отклонение детектируемого напряжения диодного детектора при изменении температуры, аппроксимированные полиномом второй степени для записи в память ваттметра,

на фиг. 8-9 - графики измеренной динамической характеристики до и после произведения усреднения, соответственно,

на фиг. 10 - график измеренной динамической характеристики после произведения усреднения и аппроксимации,

на фиг. 11 представлен процесс минимизации числа точек частотной характеристики на этапе 2.

На рисунках обозначено:

1 - калибруемый ваттметр;

2 - эталонный ваттметр поглощаемой мощности;

3 - вентиль либо развязывающий аттенюатор;

4 - делитель мощности;

5 - усилитель мощности и / или аттенюатор переключаемый;

6 - генератор СВЧ;

7 - эталонный ваттметр проходящей мощности;

8 - диодный детектор;

9 - блок коммутаторов;

10 - блок зануления;

11 - усилитель;

12 - аналогово- цифровой преобразователь;

13 - блок цифровой обработки сигналов;

14 - датчик температуры.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собой способ калибровки для ваттметров поглощаемой мощности на основе диодных преобразователей. Результатом применения способа является получение калибровочных таблиц, с помощью которых можно однозначно преобразовать напряжение диодного преобразователя в измеряемую мощность в требуемом диапазоне мощностей и частот.

В основе разделения калибровки ваттметра на два этапа лежит допущение о том, что динамическая характеристика диодного преобразователя пропорционально изменяется в зависимости от частоты, при этом, не меняя своей формы, что позволяет измерять показания ваттметра в каждой точке из рабочего диапазона, то есть достаточно измерить динамическую характеристику на одной частоте и частотный коэффициент, который будет корректировать значения динамической характеристики во всем рабочем диапазоне частот.

После детектирования высокочастотного сигнала диодным детектором 8, постоянное напряжения с детекторов поступает на блок коммутаторов 9, в котором коммутируется с определенной частотой для уменьшения влияния фликкер-шумов, далее в блоке зануления 10 производят зануление, путем разрядки конденсаторов диодного детектора и измерение уровня собственных шумов прибора для их учета при измерении мощности, затем полученное напряжение усиливается в блоке усилителя 11 и преобразуется в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем 12 для последующей обработки в блоке цифровой обработки сигналов 13. Помимо этого, в непосредственной близости диодного детектора 8 калибруемого ваттметра размещен датчик температуры 14, показания которого можно однозначно преобразовать в текущую температуру и использовать для компенсации ошибки, вызванной изменением температуры.

Для температурной коррекции ваттметра считывают данные об изменении температуры и компенсация температурных уходов. Данные об изменении температуры рассчитываются на основе изменения показаний датчика температуры 14, установленного непосредственно вблизи диодного детектора 8. Компенсация температурных уходов производится за счет деления измеренного значения напряжения на корректирующий коэффициент, который является значением функции термокоррекции К_кор(T) при учете температуры датчика температуры, и происходит исходя из записанных в ваттметр зависимостей напряжения диодного детектора от температуры.

,

где:

U₀ - показание прибора,

К_кор(T) - функция термокоррекции,

T - температура датчика температуры.

Функция термокоррекции рассчитывается при помощи аппроксимации полиномом второй степени полученных экспериментально данных о зависимости изменения детектируемого напряжения от температуры при фиксированных мощностях.

,

где

a, b, c - коэффициенты аппроксимирующей функции.

Процесс получения функции температурной коррекции представлен на фиг. 5-7.

При калибровке ваттметра используют эталонный ваттметр поглощаемой мощности 2 (фиг. 2) или эталонный ваттметр проходящей мощности 7 (фиг. 3).

Калибровка ваттметра 1 на первом этапе калибровки проходит для всех мощностей и одной частоты из рабочего диапазона ваттметра, в качестве этой частоты выступает частота, на которой погрешности рассогласования наименьшие. При помощи генератора сигналов СВЧ 6, аттенюатора управляемого и/или усилителя мощности 5 формируется сигнал, который поступает на делитель мощности 4 и, далее через развязывающее устройство 3 на входы эталонного 2 и калибруемого 1 ваттметров (фиг. 2). При обработке результатов измерения, измеренная мощность для эталонного ваттметра и напряжение для диодного детектора корректируется с учетом S-параметров делителя мощности и развязывающих устройств.

Полученные численные значения измеренной динамической характеристики обрабатывают программой для уменьшения влияния ошибки измерения динамической характеристики диодного детектора калибруемого ваттметра путем усреднения заданного числа зависимостей и аппроксимации этих зависимостей, формируя на основе полученных данных калибровочные таблицы. Записывают калибровочные таблицы во внутреннюю память калибруемого ваттметра и проверяют отклонение калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ во всем динамическом диапазоне калибруемого ваттметра. Обработка измеренной динамической характеристики на первом этапе поясняется графиками на фиг. 8-10. При этом число точек по мощности при измерении динамической характеристики должно составлять не менее четырех на каждое изменение входной мощности сигнала в 10 раз. По мере уменьшения измеряемой мощности и увеличения влияния шумов на измерение детектируемого напряжения, число точек по мощности может быть увеличено для более точного описания динамической характеристики диодного детектора. При измерении динамической характеристики диодного детектора используется заданное число измерений с последующим усреднением для уменьшения влияния шумов. На фиг. 8 и фиг. 9 представлены графики измеренной динамической характеристики до произведения усреднения и после, соответственно. Далее измеренные данные в пределах нижней границы рабочего диапазона мощностей диодного преобразователя дополнительно аппроксимируются (фиг. 10) для уменьшения влияния шумов.

На втором этапе калибровка ваттметра 1 проходит для одной мощности из квадратичного диапазона либо нескольких мощностей из квадратичного диапазона в случае наличия нескольких каскадов детектирования и всех частот из рабочего диапазона ваттметра.

Обработка измеренной частотной характеристики на втором этапе поясняется графиками на фиг. 11. В процессе калибровки рассчитываются отклонение показаний калибруемого ваттметра показаний от эталонного ваттметра. Далее алгоритм минимизации количества точек вычисляет точку, наиболее удаленную от прямой, соединяющей первую и последнюю точку измеренной частотой зависимости, и включает эту точку в итоговую калибровочную таблицу. В следующей итерации алгоритм находит наиболее удаленную точку от кривой, полученной в предыдущей итерации, и также включает эту точку в итоговую калибровочную таблицу, и так далее пока не будет получено требуемое число точек. Таким образом, возможно получить калибровочную таблицу с заданным количеством точек при этом минимизируя отклонение полученной калибровочной таблицы от измеренной частотной характеристики.

Результатом применения способа является получение калибровочных таблиц, с помощью которых можно однозначно преобразовать напряжение диодного преобразователя в измеряемую мощность в требуемом диапазоне мощностей и частот.

Изобретение относится к области измерительной техники сверхвысоких частот. Калибровку осуществляют в два этапа, предварительно записав во внутреннюю память калибруемого ваттметра измеренную и аппроксимированную зависимость детектируемого напряжения диодных детекторов от температуры для температурной коррекции. На первом этапе осуществляют калибровку во всем динамическом диапазоне измеряемых калибруемым ваттметром мощностей, на втором этапе осуществляют калибровку во всем частотном диапазоне калибруемого ваттметра. Формируют калибровочные таблицы, которые записывают во внутреннюю память калибруемого ваттметра и проверяют отклонение калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ в динамическом диапазоне калибруемого ваттметра и во всем частотном диапазоне калибруемого ваттметра. Техническим результатом при реализации заявленного решения является уменьшение погрешности измерений и количества точек в калибровочной таблице. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ калибровки ваттметра поглощаемой мощности на основе диодных преобразователей, заключающийся в формирования калибровочных таблиц путём сопоставления показаний эталонного ваттметра и диодного детектора калибруемого ваттметра, отличающийся тем, что калибровку осуществляют в два этапа, подключая эталонный и калибруемый ваттметры к генератору сигналов СВЧ с диапазоном перестройки по частоте и мощности, большим или равным частотному и динамическому диапазону калибруемого ваттметра, через делитель мощности, предварительно записывая во внутреннюю память калибруемого ваттметра измеренную и аппроксимированную зависимость детектируемого напряжения диодных детекторов от температуры для температурной коррекции, измеренную датчиком температуры, при этом на первом этапе осуществляют калибровку во всём динамическом диапазоне измеряемых калибруемым ваттметром мощностей в следующей последовательности:

- измеряют зависимость напряжения с выхода диодного детектора калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ во всём динамическом диапазоне калибруемого ваттметра на одной частоте, на которой влияние погрешности рассогласования наименьшее;

- обрабатывают значения измеренной динамической характеристики программой для уменьшения влияния ошибки измерения динамической характеристики диодного детектора калибруемого ваттметра путём усреднения заданного числа зависимостей и аппроксимации этих зависимостей, формируя на основе полученных данных калибровочные таблицы;

- записывают калибровочные таблицы во внутреннюю память калибруемого ваттметра и проверяют отклонение калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ в динамическом диапазоне калибруемого ваттметра,

- затем на втором этапе осуществляют калибровку во всём частотном диапазоне калибруемого ваттметра в следующей последовательности:

- измеряют зависимость напряжения с выхода диодного детектора калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при синхронной перестройке частоты эталонного ваттметра вместе с генератором СВЧ при одной установленной мощности генератора;

- рассчитывают отклонение показаний калибруемого ваттметра от эталонного ваттметра, обрабатывают результаты измерений программой для минимизации числа точек измеренной частотной характеристики калибруемого ваттметра;

- записывают калибровочные таблицы во внутреннюю память калибруемого ваттметра и проверяют отклонение калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра при перестройке генератора СВЧ во всём частотном диапазоне калибруемого ваттметра, повторяют проверку для заданного числа уровней мощности СВЧ генератора,

- и далее на основании полученных калибровочных таблиц и напряжения на выходе диодного преобразователя рассчитывают измеряемую калибруемым ваттметром мощность в заданном диапазоне мощностей и частот.

2. Способ калибровки ваттметра по п.1, отличающийся тем, что на первом и втором этапах осуществляют зануление путем разрядки конденсаторов диодного детектора и измеряют собственные шумы детектора и компонентов калибруемого ваттметра для их учёта при обработке измеренных данных.

3. Способ калибровки ваттметра по п.1, отличающийся тем, что при измерении зависимости напряжения с выхода диодного детектора калибруемого ваттметра от показаний эталонного ваттметра проводят коммутацию сигнала на выходе диодного детектора калибруемого ваттметра.

4. Способ калибровки ваттметра по п.1, отличающийся тем, что на первом и втором этапах для расширения динамического диапазона перестройки генератора СВЧ между генератором СВЧ и делителем мощности подключают внешний управляемый аттенюатор и/или усилитель мощности.

5. Способ калибровки ваттметра по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталонного ваттметра используют эталонный ваттметр проходящего типа.

6. Способ калибровки ваттметра по п.1, отличающийся тем, что калибруемый и эталонный ваттметры подключают через развязывающий аттенюатор или ферритовый вентиль.