Устройство для измерения коэффициентов матрицы рассеяния 2N-полюсника Советский патент 1990 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для дистанционных измерений матриц рассеяния пассивных многополюсников с общим числом N пар входных и выходных зажимов (), в частности для дистанционных измерений матриц рассеяния фазированных антенных решеток KB и УКВ диапазонов.

Целью изобретения является сокращение времени измерения коэффициентов матрицы рассеяния 2М-полюсника и снижение трудоемкости выполняемых при этом операций.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения коэффициентов матрицы рассеяния 2М-полюс- ника для частного случая, когда N 2№+2n 18 (, ); на фиг. 2 - структурная схема ПЗУ; на фиг. 3 - структурная схема формирователя адреса; на фиг. 4а - принципиальная схема коммутатора (2 2); на фиг. 4б - схема двух возможных состояний коммутаторов (2x2), соответствующих своим сигналам управления; на фиг.4в- эквивапентная схема коммутатора () Устройство для измерения коэффици- ентов матрицы рассеяния 2Ы-полюсни- ка (фиг. 1) содержит многополюсник 1, высокочастотный генератор 2, ам- плифазометр 3, линию 4 передачи, измерительный блок 5, состоящий из рефлектометра 6, коммутатора () 7 и аттенюатора 8, линию 9 передачи, блок 10 регистрации, матричный переключатель 1 , состоящий из бинарных переключателей 12 и 13 и блока 14 коммутации. Бинарный переключатель 12 состоит из коммутаторов (2 х 2) 15-21, бинарный переключатель 13 - из коммутаторов (2 2) 22-28.

Блок 14 коммутации состоит из коммутаторов 29-35 и коммутатора (4 4) 36, включающего в себя коммутаторы (2 х 2) 37-40. Устройство для измерения коэффициентов матрицы рассеяния 2И-полюсника содержит также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 41, формирователь 42 адреса, линию 43 передачи.

ПЗУ 41 (фиг. 2) выполнено на базе микросхем 556 РТ5, являющихся программируемыми ПЗУ емкостью би При (, ) требуемая емкость ПЗУ 171 «26) бит обеспечивается четырьмя микросхемами 4, параллельно соединенные адресные входы

5

0

5

0

5

0

45

50

55

которых подключены к выходам 8-канального мультиплексора 45. Каждый канал мультиплексора 45 содержит резонансный усилитель 46 с резонансной частотой F «F0+KaF (К-1...8), амплитудный детектор 47 и транзисторны) ключ 48. Конкретные значения частот FK определяются быстродействием используемых коммутаторов (2-2). В конкретной реализации F0 15 кГц HdF Ј4 кГц. Присутствие на входе мультиплексора 45 сигнала частоты FK приводит к появлению на выходе К-го канала напряжения логической 1, его отсутствие - логического О. Нагрузками микросхем 44 являются транзисторные ключи 49, в коллекторные цепи которых включены обмотки реле ком- мутаторов (2x2). Формирователь 42 адреса предназначен для формирования адреса (в двоичном коде), соответствующего измеряемому коэффициенту матрицы рассеяния. В конкретной реализации формирователь 42 адреса (фиг, 3) содержит восемь генераторов 50 частоты FK, восьмиканальный аналоговый ключ 51 и сумматор 52. Восьмиканальный ключ 51 выполнен на микросхеме 543 ККЗ, на входах управления которой устанавливается требуемый двоичный адрес (в напряжениях ТТЛ-логики).Сумматор 52 выполнен на операционном усилителе, 157 УД1 с повышенной нагрузочной способностью, обеспечивающей уровни напряжений частот FK на входе мультиплексора 45 ПЗУ 41 порядка единиц вольт при соединении ПЗУ 41 с выходом формирователя коаксиальной линии длиной до нескольких сотен метров. Первые выходы всех коммутаторов бинарных переключателей 12 и I3 соединены с соответствующими согласованными нагрузками. Первые выходы коммутаторов 29-36 блока 14 коммутации подключены к входам коммутаторов 18-21 бинарного переключателя 12 попарно, т.е. первые выходы коммутаторов 29 и 30 - к входам коммутатора 18, первые выходы коммутаторов 31 и 32 - к входам коммутатора 19, первые выходы коммутаторов 33 и 34 - к входам коммутатора 29, первые выходы коммутаторов 35 и 36 - к входам коммутатора 21. Вторые выходы коммутаторов 29-36 блока 14 коммутации подключены к входам коммутаторов 25-28 бинарного переключателя 13 попарно, т.е.

вторые выходы коммутаторов 29 и 30 - к входам коммутатора 25, вторые выходы .коммутаторов 31 и 32 - к входам коммутатора 36, вторые выходы коммутаторов 33 и 34 - к входам коммутатора 27, вторые выходы коммутаторов 35 и 36 - к входам коммутатора 29. Входы коммутаторов 29-38 являются входами матричного переключателя 11 с первого по девятый соответственно и соединены с соответствующими выходами многополюсника 1. Первые выходы коммутаторов 18-21 подключены к согласованной нагрузке, а вторые выхо- ды попарно (18 и 19, 20 и 21) - к входам коммутаторов 16 и 17, первые выходы которых подключены к согласованной нагрузке, первые выходы коммутаторов 25-28 подключены к согласо- ванной нагрузке, а вторые выходы попарно (25 и 26, 27 и 28) - к входам коммутаторов 23 и 24, первые выходы которых подключены к согласованной нагрузке. Генератор 2 своим выходом соединен с вторым (опорным) входом амплифазометра 3. Выход генератора 2 через линию 4 передачи соединен с первым (сигнальным) входом (по падающей волне) измерительного блока 5, кото- рый является входом рефлектометра 6 по падающей волне. Вход рефлектометр 6 по отраженной волне является вторым (измерительным) входом измерительного блока 5. Выход рефлектометра 6 по отраженной волне подключен к первому входу коммутатора (2x2) 7 Второй вход коммутатора (2 2) 7 через аттенюатор 8 соединен с третьим (измерительным) входом измерительного блока 5. Первый выход коммутатора (2 х 2) 7 соединен с согласованной нагрузкой, а второй выход является выходом измерительного блока 5 и через линию 9 передачи подключен к первому(измерительному ) входу ампли- фаэометра 3. Выходы амплифазометра 3 соединены с входами блока 10 регистрации. Выходы многополюсника 1 являются его входами по падающей вол не. Выходы многополюсника 1 соединены с входами матричного переключателя 11 N 2, где N 2m+2n (,2,.., ,1,... ,2tTU1). Входы матричного пе- реключателя I1 являются одновремен- но его выходами по падающей волне. В конкретной реализации (, ) матричный переключатель 11 образован из бинарных переключателей

ю s 0 5 0 5 0 5

5

0

12, 13, выполненных на основе коммутаторов () и блока 14 коммутацииt Бинарный переключатель 12 включает коммутаторы 15-21, бинарный переключатель 13 - коммутаторы 22-28. Елок 14 коммутации включает () коммутаторов (2 ж 2), в конкретной реализации - коммутаторы 29-35. Блок 14 коммутации включают также п коммутаторов (), состоящих из коммутаторов (), в конкретной реализации - коммутатор 36, состоящий из коммутаторов 37-40. Первый выход коммутатора 37 и выход коммутатора 38 подключены к входам коммутатора 39, первый выход Которого соединен с согласованной нагрузкой, а второй выход является первым выходом коммутатора 36. Второй выход коммутатора 37 соединен с входом коммутатора 40, первый выход которого соединен с согласованной нагрузкой коммутатора 36. Входы коммутаторов ряда 14 являются входами матричного переключателя 1I. Вторые выходы коммутаторов 16 и 17 соединены с входами коммутатора 15, первый вход которого соединен с согласованной нагрузкой, а второй выход представляет собой выход бинарного переключателя 12. Вторые выходы коммутаторов 23 и 24 соединены с входами коммутатора 20, первый выход которого соединен с согласованной нагрузкой, а второй выход представляет собой выход бинарного переключателя 13. Выходы бинарных переключателей 12 и 13 являются соответственно выходами матричного переключателя 11 по отраженной и пр ошедшей волнам и соединены с измерительными входами измерительного блока 5. Выход бинарного переключателя 12 является одновременно его входом и выходом матрич- iHoro переключателя по падающей волне. Управляющие входы всех коммутаторов (2 2), начиная с 15 и кончая 40, а также коммутатора 7 подключены к соответствующим выходам ПЗУ 41 и пред-, ставляют собой управляющий вход матричного переключателя 11. Адресный вход ПЗУ 41 через линию 43 передачи соединен с формирователем А2 адреса. Коэффициенты передачи между любым входом и любым выходом матричного переключателя 11 идентичны. Это обеспечивается идентичностью коммутаторов и тем, что коммутаторы соединены между собой отрезками кабеля равной

электрической длины, составляющей Д/4 на максимальной частоте рабочего диапазона частот, где А- длина волны.

Генератор 2 предназначен для формирования синусоидального высокочастотного сигнала в исследуемом диапазоне частот. В качестве высокочастотного генератора 2 может быть использован генераторный блок промышленного измерителя комплексных коэффициентов передачи типа Р4-11.

В качестве амплифазометра 3 может быть использован измерительный блок прибора типа Р4-11.

Измерительный блок 5 предназначен для выделения измеряемых напряжений прошедшей и отраженной волн. Блок 5 располагается вблизи многополюсника I.

В качестве рефлектометра 6 может быть использован рефлектометр прибора типа Р4-11.

Коммутатор (2x2) является.базовым элементом матричного переключателя 11, выполняется из двух встречновклю- ченных высокочастотных реле типа РПВ 2/7, на обмотки которых подается общий сигнал управления (структурная схема коммутатора (2 2) приведена на фиг. 4а). К выходам коммутатора 7 подключены согласующие емкости (С к с; 2 ), компенсирующие последовательные индуктивности L выводов реле.

Аттенюатор 8 предназначен для выравнивания коэффициентов передачи трактов измерительного блока 5 для отраженной и прошедшей через измеряемый многополюсник 1 волн. В качестве аттенюатора 8 может быть использован рефлектометр с характеристиками идентичными характеристиками рефлектометра 6, вход которого по падающей волне соединен с согласованной нагрузкой

В качестве блока 10 регистрации |может быть использован микрокалькулятор МК-64, имеющий на входе встроенный аналоговый коммутатор и аналого- цифровой преобразователь. К выходу микрокалькулятора через блок сопряжения Электроника МС-4612 подключено термопечатающее устройство 15ВВП80-22 В конкретной реализации для каждый бинарный переключатель 12 и 13 содержит 7 коммутаторов (2 х2),- выполненных аналогично коммутатору 7 К одному из выходов коммутатора подключена согласованная нагрузка,

5

0

5

0

5

0

15

0

в качестве которой использован высокочастотный безындуктивный резисi

тор типа С2-10. Номинал резистора определяется волновым сопротивлением измерительного тракта.

Устройство для измерения коэффициентов матрицы рассеяния 2И-полюсника работает следующим образом.

Высокочастотное напряжение подающей волны с генератора 2 по линии 4 передачи поступает на измерительный блок 5. Рефлектометр 6 обеспечивает передачу падающей волны на вход по падающей волне бинарного переключателя 12. Бинарный переключатель 12 осуществляет передачу напряжения падающей волны на первый вход одного из коммутаторов блока 14 коммутации, адрес которого задан состоянием ПЗУ 41. Один из выходов этого коммутатора, соединенный с его первым входом, подключен к i-му выходу многополюсника 1. Например, при измерении S-. (здесь i, j - порядковый номер соответственно входа многополюсника 1 по падающей волне и выхода по прошедшей волне), когда , , в состоянии I (фиг. 46) находятся коммутаторы 15, 16, 33, 27, 24, а в состоянии О - коммутаторы 18, 30, 22. Состояние остальных коммутаторов матричного переключателя 11 произвольно, с энергетической точки зрения целесообразно их состояние устанавливать нулевым. При этом падающая волна поступает на третий вход по подающей волне многополюсника 1. Отраженная от третьего входа волна через коммутаторы 30, 18, 16, 15 поступает на вход по отраженной волне рефлектометра 6 измерительного блока 5. Рефлектометр 6 осуществляет передачу отраженной волны на первый вход коммутатора 7. Одновременно напряжение волны, прошедшей через многополюсник I на его девятый выход, передается на вход аттенюатора 8 измерительного .блока 5 через коммутатор 33 блока 14 коммутации и коммутаторы 2/, 24, 22 бинарного переключателя 13. С выхода аттенюатора 8 напряжение поступает на 2-й вход коммутатора 7. Коммутатор 7 в зависимости от своего состояния, заданного ПЗУ 41, обеспечивает передачу напряжения отраженной (состояние I) или прошедшей (состояние О) волны нл измерительный вход амплифачометрп 3, При этом напряжение другой волны через коммутатор 7 поступает на согласованную нагрузку. Напряжения волн, прошедших с 3-го входа на все остальные выходы многополюсника 1 (кроме выхода 9), поступают через соответствующие коммутаторы (2 2) на согласованные нагрузки матричного переключателя I 1 .

Таким образом, в измерениях каждого из коэффициентов S( активно участвуют лишь те коммутаторы (), через которые передается напряжение падающей волны к i-му выходу измеряемого 2М-полгссника I с выхода по подающей волне.рефлектометра 6 и напряжение прошедшей волны с j-ro выхода 2М-полюсника на выход измерительного блока 5. Все остальные коммутаторы матричного переключателя 11, не участвующие в передаче к третьему выходу и с девятого выхода 2Н-полюс- ника 1 напряжений падающей и прошедшей волн, могут находиться в произвольном состоянии. В состоянии О коммутатор 7 соединяет выход рефлектометра 6 по отраженной волне с согласованной нагрузкой, а выход матричного переключателя 1I по прошедшей волне - черея аттенюатор 8 и линию 9 передачи - с измерительным входом амплифазометра 3. В состоянии I коммутатор 7 соединяет измерителный вход амплифачометра 3 с выходом рефлектометра 6 по отраженной волне, а выход по прошедшей волне матричного переключателя II - с согласованной нагрузкой. В результате в состоянии О коммутатора 7 на измерительный вход амплифазометра 3 передается с 1-го выхода 2Ы-полюсника 1 напряжение прошедшей волны, а напряжение отраженной волны с j-ro выхода 2М-полюгника поступает в согласованную нагрузку, и, наоборот, в состоянии 1 на измерительный вход амплифазометра передается напряжение отраженной волны, а в согласованную нагрузку, включенную на одном из выходов коммутатора 7, поступает напряжение прошедшей волны. Режим измерения коэффициента матрицы рассеяния S; , реализуемый в предлагаемом устройстве, состоит в возбуждении j-ro выхода 2Н-полюсника напряжением падающей волны комплексной амплитуды Пп и поочередном измерении комплексных амплитуд Uв расхо10

15

20

2S

30

35

40

45

0

5

дящихся от 2И-полюсника волн (отраженных на выходе j или прошедших с выхода j на выход t), при этом линии передачи, соединяющие все выходы 2М-полюсника с измерительной установкой, должны быть нагружены согласованными нагрузками.

Выбор каналов i, j рассеянной и падающей волн производится в предлагаемом устройстве матричным переключателем 11 и коммутатором 7, которые построены так, что все выходы измеряемого 2Г -полюсника одновременно подключены к согласованным нагрузкам для любой пары индексов i,j.

Напряжения, поступающие на измерительный вход амплифазометра, пропорциональны соответствующему коэффициенту S. матрицы рассеяния. Ампли- фазометр формирует постоянное напряжение, пропорциональное амплитудам и разности фаз сигналов, поступающих на его входы. Регистрирующее устройство регистрирует напряжения, пропорциональные модулю (S; ,) и фазовому сдвигу ц. .коэффициентов матрицы рассеяния.

Для регистрации нормированных коэффициентов матрицы рассеяния с плоскостью отсчета фазы, приведенной к выходным зажимам измеряемого многополюсника, проводится предварительная калибровка измерительной схемы, для чего вместо одного из выходов измеряемого многополюсника к измерительной схеме подключается двухполюсник с известным импедансом, например Z,. codS , U, 0. В момент калибровки выходные напряжения амплитудного и фазового каналов амплифазометра, пропорциональные соответственно S и д , устанавливаются

11

IV

соответственно равными, например, и О V (при коэффициенте передачи фазового канала, составляющем .чд)

После проведения калибровки регистрируемые в процессе измерения на- пряжения (в вольтах) амплитудного и фазового каналов численно равны модулю и фазовому сдвигу измеряемого нормированного коэффициента матрицы

.j./S lS /S JeHV V.

рассеяния S,

Цикл измерения коэффициентов матрицы рассеяния на одной частоте определяется быстродействием коммутаторов матричного переключателя и регистрирующего устройства. Характерное время коммутации матричного переключателя составляет около 10 мс. В случае, например, 16-плюсника (N-8) измерение всех 36 коэффициентов матрицы рассеяния составит около 0,4 с. При использовании в качестве регистрирующего устройства термопечатаю- щего устройства указанного в описании типа, которое обеспечивает скорость регистрации около 100 символов/с, время регистрации 36у пятизначных комплексных чисел составит около 4 с. Время измерения матрицы рассеяния на У фиксированных частотах составит M«(t+4)c, где t (с) - время, затрачиваемое на перестройку частоты генератора, составляющее при ручной перестройке частоты около 10 с. В результате суммарное время, затраченное на измерение матрицы рассеяния 16-полюсника на 10 фиксированных частотах диапазона, не превышает 2 мин.

j

При осуществлении ручного переключения при измерении 36 коэффициентов матрицы рассеяния цикл измерений на одной частоте диапазона составил бы 144 переключения, т.е. при средней длительности переключения оператором 5 с - 12 мин, в М точках рабочего диапазона частот - 12 М мин. Следовательно, исключением из процесса измерения ручных операций многократного переключения выходов измеряемого многополюсника с измерительной схемой и согласованными нагрузками сокращается время измерения коэф

5

0

5

0

5

фициентов матрицы рассеяния 2М-по- люсника, а также трудоемкость воспроизводимых операций.

Формула изобретения

Устройство для измерения коэффициентов матрицы рассеяния 2Ы-полюсни- ка, содержащее высокочастотный генератор, через первую линию передачи соединенный с первым входом измерительного блока, последовательно соединенные амплифазометр и блок регистрации, выход измерительного блока через вторую линию передачи соединен с первым измерительным входом амплифазометра, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и снижения трудоемкости, в него введены последовательно соединенные через третью линию передачи формирователь адреса и постоянное запоминающее устройство, а также матричный переключатель , входы матричного переключателя соединены с клеммами для попарного подключения соответствующих выходов 2И-полюсника, первый и второй выходы матричного переключателя соединены соответственно с вторым и третьим входами измерительного блока, выход высокочастотного генератора соединен с опорным входом амплифазометра, выходы постоянного запоминающего устройства соединены с управляющими входами матричного переключателя.

т

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для дистанционных измерений матриц рассеяния пассивных многополюсников, в частности, фазированных антенных решеток КВ- и УКВ-диапазонов. Целью изобретения является сокращение времени рассеяния 2 N-полюсника и снижение трудоемкости выполняемых при этом операций. Поставленная цель достигается введением в устройство формирователя 42 адреса, постоянного запоминающего устройства 41 и матричного переключателя (N^.2)11. Устройство также содержит высокочастотный генератор 2, измерительный блок 5, амплифазометр 3, блок 10 регистрации и линию 9 передачи. 4 ил.

2 гпф

00089S1

ffX L Ск - E1nnnr Г cj

+50V

.0

Фиг. 4