Устройство для измерения параметров СВЧ-элементов Советский патент 1985 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к измерителной технике и может быть использовано для измерения коэффициента отражения, коэффициента стоячей волны и полного сопротивления сверхвысокочастотных элементов.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для измерения параметров СВЧ-элементов, на фиг. 2 - структурная электрическа схема блока слежения.

Устройство для измерения параметров СВЧ-элементов сожержит СВЧ-гене ратор 1, циркулятор 2 с согласованной нагрузкой 3 в третьем плече, отрезок А СВЧ-тракта с измерительным зондом 5, управляемьм фазовращатель 6, исследуемый СВЧ-элемент 7, амплитудный детектор 8, дифференциальный усилитель 9, перв.ый и второй пиковые детекторы 10 и 11, первый и второй сумматоры 12 и 13, компаратор 14, триггер 15, блок 16 слежения-хра нения, состоящий из первого ивторог операционных усилителей 17 и 18, аналогового ключа 19 и истокового повторителя 20, блок 21 управления, состоящий из источника 22 постоянного двухполярного напряжения, коммутатора 23, генератора 24 линейно изменягацегося напряжения, а также .блокинг-генератор 25, аналого-цифровой преобразователь 26, микропроцессор 27, цифровой индикатор 28, накопительный конденсатор 29.

Устройство для измерения параметров СВЧ-элементов работает следуняцим образом.

Высокочастотные колебания от СВЧгенератора 1 поступают через циркуля:тор 2 в отрезок 4 СВЧ-тракта, проходят через управляемый фазовращатель 6 и отражакл-ся от исследуемого СВЧэлемента 7. Отраженные высокочастотные колебания проходят через управляемый фазовращатель 6 (например, в виде невзаимного ферритового фазовращателя), изменяя свою фазу на величину, определяемую напряжекием, поступающим от блока 21 управления на управляющий вход управляемого фазовращателя 6, отрезок 4 СВЧ-тракта, далее через циркулятор 2 отраженные высокочастотные колебания поступают в согласованную нагрузку, где они поглощаются.

В отрезке СВЧ-тракта в результате интерференции падающей и отраженной волн возникает стоячая волна, причем в месте подключения измерительного зонда 5 фаза отраженной волны сдвинута относительно на величину

4

0)

- фаза коэффициента отражедения исследуемого СВЧ-злемента 7; дЧ- сдвиг фазы, вносимый управляемым фазовращателем 6, (фазовый сдвиг, соответстствующий расстоянию от измерительного зонда 5 к исследуемому СВЧ-элементу 7 и обратно).

При этом напряжение литудного детектора выражением

,-,..,(.. W

где Е - напряженность падающей

волны

Г - модуль коэффициента отражения исследуемого СВЧ-элемента 7.

После детектирования напряжения и амплитудным детектором 8, работающим в линейном режиме, напряжение на его выходе определяется выражением

Ur,bl|.r4rcos(f-/l - X,) , О)

где К - коздрфициент передачи амплитудного детектора 8. Линейный режим работы детектора 8 предпочтителен по следующим причинам.:

Устройство может использоваться в реальной аппаратуре, выходная мощность передатчиков з которой может .достигать значительной величины (десятки-сотни киловатт), при зтом не представляется возможным обеспечить работу амплитудного детектора 8 в квадратичном режиме. Для того, чтобы определить величины J и Ч, исключив при этом неизвестную величину EIJ,, необходимо иметь систему из двух уравнений, тогда как при работе амплитудного детектора 8 в квадратичном режиме необходимо иметь систему минимум из трех уравнений. Напряжение на выходе амплитудно.го детектора 8 максимально U, акс минимально В те моменты времени когда изменение фазы,вносимое управляемым фазовращателем 6, равно и и Смокс tMHH eм«кc tмин l/ i,jr-lL X Ag о Из системы двух уравнений (4) определяются модуль коэффициента отражения г и его фаза V , определяема в момент времени; когда напряжение на выходе амплитудного детектора 8 равно и, ьмин Г.:|х... ()-, (5) 6 макс л 2 .мии- -f-M- . ( Aj Процесс определения модуля и фазы коэффициента отражения исследуемого СВЧ-элемента 7 происходит следующим образом. Блокинг-генератор 25 работает либо в автоколебательном, либо в ждущем режимах, что определяется режимом работы СВЧ-генератора 1. Импульсом с выхода блокинг-генера тора 25 опрокидьгоается триггер 15,. единичное выходное состояние с которого поступает на управляищ вход коммутатора 23. Коммутатор 23 подключает к входу генератора 24 линейно изменякщегося напряжения выход +Е источника 22 постоянного двухполярного напряжения. Линейно возрастающее напряжение с выхода reHepaTop 24 линейно изменянщегося напряжения подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 6, который изменяет фазу, отраженной от исследуе мого СВЧ-элемента 7 вс&тны, и соответ ственно изменяется напряжение на выходе амплитудного детектора 8, Это напряжение поступает одновременно на вход первого пикового детектора tO, nepBbrii вход дифференциального усилит ля 9 и первый вХод компаратора 14. На первом пиковом детекторе 10 вьзделяется и запоминается напряжение мвкц которое поступает на второй вход дифференциального усилителя 9, на котором вьщеляется разность неядцу максимальным U MCKKC текущим U йап- ряжениями с амплитудного детектора 8. Максимальная разность U AIOKC -Uj вьщеляется и запоминается вторым пиковым детектором 11. Напряжения выхода первого пикового детектора 10 и U,, -и/ ,,„ с выхода второго пикового детектора 11 поступают на второй сумматор t3, где из первого вычитается второе и получается- напряжение емин которое подается на второй вход компаратора 14, где оно сравнивается с текущим напряжением Ug, поступающим на его первый вход с :: выхода амплитудного детектора 8. В момент их равенства компаратор 14 изменяет свое состояние на выходе, тем самым опрокидывая триггер 15 в нулевое состояние на выходе, которое поступает на коммутатор 23, Коммутатор 23 производит подключе1ше входа генератора 24 линейно изменяющегося напряжения к выходу -Е источника 22 постоянного двухполярного напряжения. Напряжение на выходе генератора 24 линейно изменяющегося напряжения начнет линейно уменьшаться, тем самым изменяя фазу отраженной волны в другую сторону до достижения следующего минимума стоячей волны в отрезке 4 СВЧ-тракта в месте расположения измерительного зонда 5. Процесс перестройки от минимума до минимума и обратно будет повторяться до тех пор, пока в отрезке 4 СВЧ-тракта существует электромагнитная волна. При импульсной работе СВЧ-генератора 1 запуск ройства в режим измерения производится модулирующим импульсом СВЧгенератора 1 путем запуска блокинг- генератора 25. Напряжения ,,. с выхода перого пикового .детектора 10 и выхода второго сумматора 13 посупают на входы первого сумматора li, котором они cyм в pyютcя и напряже ьмйкс „ц с выхода первоо сумматора 12 по ступает на первый ход аналого-цифрового преобразоваеля 26. Напряжение (мйн выхода второго пикового детектора 1 поступает на второй вход аналогоИ1ФРОВОГО преобразователя 26. Выходой импульс триггера 15, длительость которого пропорциоНгшьна длие стоячей волны в отрезке 4 СВЧракта, поступает на третий вход аналого-цифрового преобразователя 26. Выходное напряжение генератора 24 линейно изменяющегося напряжения поступает на вход блока 16, В момент времениJ когда измерительный зонд 15 фиксирует первый минимум стоячей волны от исследуемого СВЧ-элемента 7, триггер 15 опрокидьшается от нулевого в единичное состояние на выходе, которое запускает по управля ющему входу блок 16 в режим хранения выходного напряжения Ui генератора 2А линейно изменяющегося напряжения прямо пропорционального сдвигу фазы вносимому управляемым фазовращателем 6, поступакядего на четвертый вход аналого-цифрового преобразователя 26. В аналого-цифровом преобразователе 26 входные напряжения и длительность импульса триггера 15 преобразуются в дафровой код во вре мя действия единичного импульса с выхода триггера 15. Сброс аналогоцифрового нреобразователя 26 в нуле вое состояние производится во время нулевого выходного импульса тригге ра 15. Преобразованные аналого-цифр вым преобразователем 26 в цифровой код значения входных напряжений и длительности импульса триггер 15 поступакЛ на соответствующие входы микропроцессора 27, который производит вычисление модуля Г и фазы Ч коэффициента отражения по соотношениям (5) и (6) с учетом собственного козффициента отражения управляемого фазовращателя 6. По вычисленны значениям модуля и фазы коэффициент отражения микропроцессор 27 вычисля ет значения коэффициента стоячей волны Kj.g , активной и реактивной составляющей входного сопротивления исследуемого СВЧ-элемента 7 по соот ношениям Значения модуля и фазы коэффициента отражения, коэффициента стоячей волны, активной и реактивной составляющих входного сопротивления исследуемого СВЧ-элемента 7 индицируются на цифровом индикаторе 28. Блок 16 слежения-хранения работает следующим образом. При замыкании аналогового ключа 19, что соответствует нулевому состоянию на его управлякяцем входе, напряжение на накопительном-конденсаторе 29 следит за входным напряжением и в каждый момент времени точно ему равно. При поступлении на управляющий вход аналогового ключа 19 единичного импульса от триггера 15 он размьжается и напряжение на выходе блока 16 слежения-хранения равно напряжению, запомненному на копительном квнденсаторе 29 в момент времени, предшествующий разьшканию аналогового ключа 19. Утечка напряжения на накопительном конденсаторе 29 чрезвычайно мала, так как его нагрузкой является истоковьй повторитель 20 с изолированным затвором, не потребляннцим тока от входной цепи, каковой является накопителыай конденсатор 29. Блок 16 слеженияхранения хранит значение входного напряжения, равного напряжению с генератора 29 линейно изменяющегося напряжения в момент времени, коГда на измерительном зонде 5 находится первый минимум стоячей волны. Это напряжение с выхода блока 16 слежения-хранения поступает на четвертый вход аналого-цифрового преобразователя 26.

t

flе

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-ЭЛЕМЕНТОВ, содержащее СВЧ-генератор, последлвательно соединенные отрезок СВЧ-тракта с измерительным зондом, подключенным к ампдитудному детектору, и управляемый фазовращатель, выход которого является входом для подключения исследуемого СВЧ-элемента, а управляющий вход соединен с выходом блока управления, отличающее- с Л тем, что, с целью повышения точности, между выходом СВЧ-генератора и входом отрезка СВЧ-тракта с измерительным зондом включен циркулятор, третье плечо которого нагружено на согласованную нагрузку, к выходу амплитудного детектора последовательно подключены первыА пиковый детектор и первый сумматор, выход которого является первым выходом устройства, между выходом амплитудного детектора и входом блока управления последовательно включешл дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с выходом первого пикового детектора, второй пиковый детектор, выход которого является вторым выходом устройства, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого пикового детектора, а выход - с вторым входом первого сумматора, компаратор, второй вход которого по цключен к выходу амплитудного детектора, и триггер,выход которого является третьим выходом устройства,к выходу управле ПИЯ подключен блок слежения-хранения, управляющий вход которого соединен с выходом триггера,а выход является чет« вертым выходом устройстав, 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что. блок слежения-хра ения состоит из последовательно соединенньк первого операционного усилителя, вход которого является входом блока слежения-хранения, аналогового ключа, упргшлякщий вход Од которого является управляющим входом блока слежения-хранения, истокового О повторителя с накопительным конденсатором на входе, и второго операционного усилителя, выход которого являсл ется выходом блок§ слежения-хранения. 3.Устройство по п. 1, отлиучающееся тем, что блок зтравЬения содержит последовательно соединенные источник постоянного двухполяр ного напряжения, двухканальный коммутатор, управляющий вход которого является входом блока управления, и генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого является выходом блока управления.

jL

A.

гг

jL

иг.1

Г

Фиг.2