Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения на СВЧ Советский патент 1989 года по МПК G01R27/06 

4

Ф СП

СХ) 4

3149

циониый фазовращатель 7, амплитудные модуляторы 8 и 14, г-ры 9 и 15 НЧ, детекторы 1I, 19, 23, 28 и 29, полосовые фильтры 12, 20 и 24, вольтметры 13 и 21 , сумматоры 16, 22 и 26 , усилители 25 и 27, компаратор 30 и индикатор 31 знака. В устр-ве обеспечивается возможность измерения комплексного коэффициента отражения (ККО) линейных и нелинейных СВЧ- объектов с повышенной точностью при учете неидеальности СВЧ-эл-тов измерительного тракта о При измерении ККи нелинейных СВЧ-об Ьектов, зависяще-

го от мощности, контролируется уровень падаюп1;ей волшл по показанию вольтметра 13, Высгаие гармоники падающей и отраженной волны фильтруются за сч ет модуляторов 8 и 14, модулируемых колебаниЯ1чи разных частот При этом амплитудная зависимость ККО снимается с помощью аттенюатора 2 в автоматическом режиме., Неидеальная направленность ответвителей 3 и 5 и дисперсия всех эл-тов тракта интегрально учитываются в процедуре калибровки путем вычисления калибровочных констант, 1 з.По ф-лы, 1 ил

Изобретение относится к радиоизмерениям. Цель изобретения - повышение точности и обеспечение измерения нелинейных СВЧ-элементов. Устройство содержит СВЧ-г-р 1, управляемый аттенюатор 2, направленные ответвители 3, 5 и 10, вентили 4, 17 и 18, исследуемый двухполюсник 6, двухпозиционный фазовращатель 7, амплитудные модуляторы 8 и 14, г-ры 9 и 15 НЧ, детекторы 11, 19, 23, 28 и 29, полосовые фильтры 12, 20 и 24, вольтметры 13 и 21, сумматоры 16, 22 и 26, усилители 25 и 27, компаратор 30 и индикатор 31 знака. В устройстве обеспечивается возможность измерения комплексного коэффициента отражения (ККО) линейных и нелинейных СВЧ-объектов с повышенной точностью при учете неидеальности СВЧ-элементов измерительного тракта. При измерении ККО нелинейных СВЧ-объектов, зависящего от мощности, контролируется уровень падающей волны по показанию вольтметра 13. Высшие гармоники падающей и отраженной волны фильтруются за счет модуляторов 8 и 14, модулируемых колебаниями разных частот. При этом амплитудная зависимость ККО снимается с помощью аттенюатора 2 в автоматическом режиме. Неидеальная направленность ответвителей 3 и 5 и дисперсия всех эл-тов тракта интегрально учитываются в процедуре калибровки путем вычисления калибровочных констант. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к измерениям на СВЧ, и может использоваться для- измерения комплексного коэффициента отражения (ККО) линейных и нелиней- ных СВЧ-элементов и устройств.

Цель изобретения - повьшение точности, и обеспечение измерения нелинейных СВЧ элементов ,

На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения комплексного коэффициента отражения на СВЧ.

Устройство для измерения комплекс- .ного коэффициента отражения на СВЧ содержит СВЧ-генератор 1 управляемый аттенюатор 2, первый направленный от- ветвитель 3, первый вентиль 4, второй направленный ответвитель 5,исследуемый двухполюсник 6, двухпозицион- ный фазовращатель 7, первый амплитудный модулятор 8, первый НЧ-генератор

9,третий направленный ответвитель

10,первый детектор 11, первый полосовой фильтр 12, первый вольтметр 13 второй амплитудный модулятор 14,второй НЧ-генератор 15, первый сумматор 16,- второй 17 и третий 18 вентили, второй детектор 19, второй полосовой фильтр 20, второй вольтметр 21, второй сумматор 22, третий детектор 23, третий полосовой фильтр 24, первый усилитель 25, третий сумматор 26, второй усилитель 27, четвертый

28 и пятый 29 детекторы, компаратор 30 и индикатор 31 знака.

Устройство для измерения .комплексного коэффициента отражения на СВЧ работает следующим образомс

Гармоническое колебание генератора 1, амплитуду которого можно регулировать с помощью управляемого аттенюатора 2, через первый направленный ответвитель 3, первый вентиль 4 и второй направленный ответвитель 5 поступает на вход исследуемого двухполюсника 6 с, Гармоническое колебание, .ответвляемое первым направленным ответвителем 3, проходит через, двухпозиционный фазовращатель 7,модулируется по амплитуде первым амплитудным модулятором 8 и поступает через третий направленный ответвитель 10 и второй вентиль 17 на первый вход первого сумматора 16 Это колебание имеет следующий вид, соответственно:

при перпом положении двухпозицион ного фазовращателя 7

x(t) с( + ni cosiJ t) (l

при втором положении двухпозицион ного фазовращателя 7

x,(t) qc(l + m cosi7,t )cos(ujt + + V),(2)

где с - амплитуда колебания; И|,fl - индекс и частота модуляции амплитудного модулятора 8; со - частота колебания, генерируемого СВЧ генератором 1; q - коэффициент, учитывающий

изменение амплитуды сигнала при переключении фазы двух- позиционным фазовращателем 7 v - фазовый сдвиг, вносимый при переключении двухпозиционо- го фазовращателя 7, который

51

должен быть в окрестности 90(90 145).

На второй вход первого сумматора 16 через третий вентиль 18 подается колебание, промодулированное по амплитуде вторым амплитудным модулятором 14, с выхода второго направленного ответвителя 5о Это колебание записывается в виде:

y(t) D(l + , )cos( + 1) +

N

+ Т D;(l + m,co3.t)cos(iwt +

+ С.;), .(3)

где D - амплитуда колебания первой

гармоники, ш, fij- индекс и частота модуляции

второго амплитудного модулятора 14;

ц) - фаза колебания первой гармоники относительно колебания x(t);

N - число высших гармоник, порожденных исследуемым двухполюсником 6; Dj,q).- их амплитуды и фазы.

Суммарные колебания z(t) xjt) + y(t), z(t) x(t) + y(t) подаются на второй детектор 19 и с его выхода через второй полосовой фильтр 20, настроенный на разностную частоту Яр Я, - Sl,j, flpi Si,, Slpi Л на второй вольтметр 21 „ Показания второго вольтметра 2 при двух положениях двухпозиционного фазовращателя 7 соответствуют амплитудам комбинационных составляю1цих колебаний z(t) и Zj(t) с разностной частотой Si,, которые равны

V ,m,cosiy;

(4)

V /±К, qcDra,in.((4; -gr )/, (S)

где V, V,j - показания второго

вольтметра 21; К - коэффициент передачи

второго детектора 19 и второго полосового фильтра 20„

Из (4) и (З) следует, что высшие гармоники в (З) фильтрзпотся.

Для определения знаков в выражениях (4) и (5) колебания с выходов генераторов 9 и 15 суммируются вторым сумматором 22 и подаются на третий детектор 23. Гармоническое колебание разностной частоты Я.р , выделенное

975846

третьим полосовым фильтром 24,подается на первый усилитель 25, обеспечивающий постоянство амплит уды сигнала на первом входе третьего сумматора 26 и постоянное напряжение с выхода четвертого детектора 28 на входе компаратора 30 На второй вход третьего сумматора 26 подается коле10 бание постоянной амплитудой, поддерживаемой вторьгм усилителем 27, с выхода второго полосового фильтра 20 Суммарный сигнал с выхода третьего сумматора 26 подается через пятьй

15 детектор 29 на второй вход компаратора ЗОо

Колебания на входах третьего сумматора 26 могут быть либо в фазе, либо в противофазе, что соответствует

20 знакам + и - в (4) и (5)о В первом случае постоянное напряжение на выходе детектора 29 больше, чем на выходе четвертого детектора 28. Этому соответствует первое состояние

25 компаратора 30 (высокий уровень), которое регистрируется индикатором 31 (например, светодиодом). Противофазному состоянию (знак - в (А) и (5)) соответствует второе сос30 тояние когтаратора 30 (низкий уровень )о Сигнал с выхода компаратора может быть непосредственно введен в ЭВМ как один двоичный разряд (бит). Колебание, ответвленное третьим

35 направлением ответвителем 10 и прошедшее первьй детектор 1I и первый полосовой фильтр 12, настроенный на частоту Я,, подается на первый вольтметр 13. Показание первого

40 вольтметра 13 соответствует амплитуде составляющей на частоте 51, этих колебаний, которая равна соответственно

при первом положении двухпозицион45 ного фазовращателя 7

3 ,;

(6)

при втором положении двухпозиционного фазовращателя 7

50

V „

(7)

где Vj J V - показания первого вольтметра 13;

К - коэффициент, учитьшаю- щи затухание сигнала при его прохождении ,по СВЧ-тракту.

Поделив выражение (7) на (б), вычисляют коэффигшент, учитьтаю ций

изменение амплитуды сигнала при переключении двухпозиционного фазовра- пдателя 7:

(4)

с1 -vvv

Поделив выражения получают

J Lpoos tf; ;. LqpcosC V - be L (K/K,)

m

p D/c

Из (9) и (10) кое отношение

опре)

foTH Р L cosLf+ JLfsinif, (1 где Lpsin4 ( - Lp-q cosifcosy)/20 /qsiny, причем предполагается, что 1 известно.

Из-за неидеальности направленных ответвителей 3 и 5 рассогласования измерительного тракта первые гармоники колебаний на их выходах не пропорциональны только первым гармоникам одной из волн: падающей a(t) или отраженной b(t) как в идеальном рефлектометре, т„е, для амплитуд составляющих с частотой ю колебаний y(t) справедливо

X

(t)

и

+ /1Ъ;

+ ъ.

(12) (13)

с с(а

D ja

где фазы отсчитываются относительно с о, {Ь , т , комплексные коэффициенты.

Поделив (13) на (12), вычисляют ККО исследуемого двухполюсника

Г - cT/i- -р/1 /0

(14)

где PJ определяется из (П)

Si Ь-у/с/, ,- Lrf/ty , Sj /ь / калибровочные константы, определяемые в процессе калибровки устройства при присоединении к нему вместо исследуемого объекта трех образцовых нагрузок с известными ККО

Г,, Г,, Г,. При этом

дает

соотнощение (14) порож- три линейных уравнения с тремя

неизвестными S, , S,2 s

975848

При измерении ККО нелинейных СВЧ- объектов, зависящего от мощности, необходим контроль фовня падающей

, волны /а,/. С этой целью определяют четвертую калибровочную константу S при подключении вместо исследуемого объекта образцового ваттметра, показания которого Ро связаны с уровнем

to падающей волны /а / соотношением:

/, / ,/(1 - , (15)

РО

50 Ом,

где

а ККО образцового ваттметра Го расчитывается по измеренному р по формуле

(14),

В этом же режиме первым вольтметром 13 измеряется V- и из (6) следует

0

5

0

5

0

5

0

5

(16)

(17)

с Vv,/K,m,, откуда с учетом (12)

/ / -

/а/

где 84. .,.

Подставляя в (17) вместо Р величину TO и вместо величину /а / из (l5), определяют 84, что позволяет при измерении ККО (г) нелинейного объекта контролировать уровень падающей волны по показаниям первого вольтметра 1З

Таким образом, обеспечивается возможность измерения ККО линейных и нелинейных СВЧ-объектоБ с повышенной точностью при учете неидеальности элементов СВЧ-измерительного тракта Высшие гармоники падающей и отраженной волны фильтруются благодаря применению двух модуляторов, модулируемых колебаниями разных частот, что обеспечивает измерение ККО нелиней- . 1ТЫХ объектов, причем амплитудная зависимость ККО снимается с помощью управляемого аттенюатора в автостатическом режиме о

Неидеальная направленность первого и второго направленных ответвителей, дисперсия всех элементов тракта интегрально учитывается в процедуре калибровки путем вычисления калибровочных констант о Процедура калибровки обеспечивает повышенную точность измерений без использования прецизионных дорогостоящих СВЧ-эле- ментов

Структура устройства для измерения комплексного коэффициента отражния ориентирована на его автоматизации с помощью ЭВМ,

Кроме , не требуется использование прецизионных СВЧ-элементов, поскольку все необходимые параметры находятся из процедуры калибровкио Необходимая развязка каналов падающей и отраженной волны обеспечивается включением вентилей 4,17 и 18о

Формула изобретения 1 о Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения на СВЧ, содержащее СВЧ-генератор, последовательно соединенные первый направленный ответвитель, вентиль и второй направленный ответвитель, выход которого является выходом для подключения исследуемого двухполюс- ника, первый амплитудный модул ятор, к модулирующему входу которого подсоединен первый НЧ-генератор, а к выходу - вход третьего направленного ответвителя, первый детектор,соединенный с выходом ориентированного на падающую волну вторичного канала третьего направленного ответвителя, последовательно соединенные первый сумматор и второй детектор, последовательно соединенные второй сумматор и третий детектор, третий сумматор, первый и второй входы которого подключены к выходам первого и второго усилителей, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности и обеспечения измерени-я нелинейных СВЧ-элементов, между выходом СБЧ-генератора и входом первого направленного ответвителя включен управляемый аттенюатор, между выходом ориентированного на падающую волну вторичного канала первого нап0

5

0

5

0

5

0

5

равленного ответвителя и входом первого амплитудного модулятора включен двухпозиционный фазовращатель, выход первого детектора подключен к последовательно соединенным введенным полосовому фильтру и первому вольтметру, введены второй амплитудный модулятор и подключенньй к его модулирующему входу второй НЧ-генератор, причем вход второго амплитудного модулятора соединен с выходом ориентированного на отраженную волну вторичного канала второго направленного ответвителя, а выход через введенный второй вентиль подключен к первому входу первого сумматора,второй вход которого через введенный третий вентиль подсоединен к выходу первичного канала третьего направленного ответвителя, последовательно соединенные второй полосовой фильтр и второй вольтметр, вход второго полосового фильтра подключен к выходу второго детектора, а выход - к входу первого усилителя, введен подключенный к выходу третьего детектора третий полосовой фильтр),выход которого соединен с входом второго усилителя, первый и второй входы второго сумматора подключены,соответственно, к выходам первого и второго НЧ-генератора, четвертый и пятый детекторы, входы которых соединены соответственно с выходом второго усилителя и с выходом третьего сумматора, а выходы - с первым и вторым входами введенного компаратора, выход которого подключен к входу введенного индикатора знака,

2,, Устройство по По1, о т л и - чающееся тем, что детекторы выполнены квадратичными,. а усилители - в виде усилителей-ограничителей о