Устройство для измерения параметров рассеяния СВЧ-четырехполюсника Советский патент 1990 года по МПК G01R27/04 

рые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы с выходов направленных ответвителей 18 и 10. При этом сигналы, поступающие на ваттметры 36 и 37, можно записать в виде

м

Z,(t)G cos(wt+t)+ ZG.cos(iut+n.);

ui ( 5)

N Z (t)H cos(Wt+Q)+ ZH.cos(iwt+Q,),

irl (6)

где G и Н - амплитуды первых гармоник;

соответственно равны

Pj Y 6jPfX +P14+Vp D cos(if-iv); .(17)

P2Y 6;Plx+P14+V xC с°л(в-1ч), (18)

где 6- - коэффициент, учитывающий изменение амплитуды сигналов (1) и (2) при переключении управляемого фазовращателя 24;

в в-(;

i - номер гармоники, на которой проводятся измерения.

Затем переключатели 34 и 35 переключаются в состояние, когда на вторые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы (5)-(6).

В этом режиме показания ваттметров 36 и 37 соответственно равны

+ VP G соз(ц-1чО; 09)

п «

Р

. Л. р +p irlX r«

cos(Q-i), (20) где

Поделим выражения (13)-(20) на А и преобразуем их к следующему виду

G/A созч ll2«zEib . Vt(x

И/А cos Q, ;

D/AcosY- lf lEl j

MX

C/A cos б

HPTx

(21)

(22) (23)

(24)

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - расширение класса измеряемых СВЧ-четырехполюсников и обеспечение измерения на гармониках основной частоты. Для этого устройство содержит СВЧ-г-р 1, направленные ответвители 2, 3, 10, 11, 13, 17, 18 и 23, делитель 4 мощности, вентили 5 и 15, нелинейные эл-ты 6, 22 и 29, управляемые аттенюаторы 7, 14 и 25, управляемые фазовращатели 8, 24 и 28, перестраиваемые полосовые фильтры 9, 19 и 30, измеряемый СВЧ-четырехполюсник 12, сумматоры 16, 32 и 33, переключатели 20, 26, 34 и 35, согласованные нагрузки 21 и 27, 3-дБ гибридный мост 31, ваттметры 36 и 37 и частотомер 38. В данном устройстве реализуется задача измерения параметров рассеяния как линейных, так и нелинейных параметров рассеяния как на основной частоте, так и на высших гармониках. Причем при измерениях параметров рассеяния нелинейных объектов по высшим гармоникам сохраняется режим возбуждения исследуемого четырехполюсника 12 по первой гармонике. 1 ил.

D/A sinq- - PJl/P 6iiPji/Pjx p/A cosicosjL .(и)

S 111 if

П/А « Д PlV/PlX -&:H-PlY/Plx-MC/A COS0COS4 . /9Ач

C/A sin 6 -т--, (26)

Г/А С4„„ - Pit/Pix-6j.HPit/P«-G/A cosicosv . G/A 81ПЦ- -.. .- ,

sin (

Н/А sin Q- /Рп ; Л :Р11/Р1х 11Н/А со80со (

Х(LfSinV

Так как направленные ответвители 10, 11, 17 и 18 не являются идеальными и СВЧ-тракт не является идеально -согласованным, колебания на выходах направленных ответвителей не про порциональны только падающим а., , аг или только отраженным Ь1$ Ь волнам. Поэтому колебания (3)-(6) представляются в комплексном виде как линейные комбинации падающих и от- раженных волн

(29) (30) (31) (32)

где , ,г, , 4 - комплексные

константы. 45

Величины и, cs К, g вычисляются следующим образом:

d-(D/A cos +jD/A sinif)-T/Ptx ; (33) с-СС/А cosG+jC/A з1пв) (34) g(G/A cos +jG/A sin ч) /Р1Л; (35) h(H/A cos Q+jH/A sin Q УР, (36)

где j -1.

Из уравнений (29)-(30) вычисляют 55 следующие отношения волн:

50

..-ifb

(37)

/P«-G/A cosicosv . .- ,

sin (

(27)

х I c-K4h

(38)

Ь /а К ).,

, К7 ()

(39)

где. ,;

Tl

кэ / г,;

K5 /e7/r«; к« сР2/Т2; ,.

Умножив (37) и (39) на la,, т.е. положив фазу равной нулю, получают величину отраженных волн Ь,, и Ь. Величина падающей волны а вычисляется из (38) по известной bj. Параметры рассеяния измеряемого СВЧ-че- тырехполюсника I2

,434; 4 saiai+S«tai(40) (41)

Для вычисления S-параметров измерение падающих и отраженных волн производится для второго состояния управляемого аттенюатора 7 и (или) управляемого фазовращателя 8, что позволяет получить четыре уравнения с четырьмя неизвестными Sи ,S , S 2.1

(42)

b1-S2 a ,+S77a2,

ткуда

Q .bji« . « ,

Ъга -Ъ га .

S71a ai-a a.,

b.,-S I aj .

ь. -

11

S4i

a, bj-SnaV

(43)

(44) (45) (46) (47)

Аналогично формулам (13)-(39) вычисляются падающие и отраженные волны по второй гармонике агш , aaw , причем фазовый сдвиг у, вносимый управляемым фазовращателем ., 237 должен быть равным приблизитель -5 . г о

но 45 .

Параметры рассеяния нелинейного четырехполюсника по второй гармонике можно вычислить из уравнений

blu;,5

+S

7Ы, °2(Ju,2eL1u)1

Для определения параметров рассеяния измеряемого СВЧ-четырехпо- люсника на второй гармонике перестраиваемые полосовые фильтры 9, 19, 30 настраиваются на частоту второй гармоники. Далее подбирают такое по- 20 ложение управляемого аттенюатора 25 и управляемого фазовращателя 24, чтобы показание одного из ваттметров 36 и 37 было минимально, при таком состоянии переключателей 34 и 35, при 25 котором на вторые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы с первых выходов направленных ответвителей 17 иншш м вторую

11 (падающие волны).Минимальному по- Чтобы вычпслнть 8 параметры по казанию одного из ваттметров 36 и 37 30 вторЬй онике из уравнений (60) и соответствует максимальная компенса- (6) необхОдИМО иметь по три такнх ция первой гармоники на входе ваттметра, что снижает требования к динамическому диапазону используемых ватт(60) bioi rSmij iuj Sjw a uay (61)

гАе параметры

1 рассеяния по второй гармо- , пике;

Ь. . , Ъ, , - свободные члены, учитываюW10 W10

щие влияние первои гармощие на входы ваттметров 36 и 37, за писываются в виде

Xt (t)A2u;cos 2wt; X2(t)pA2utoos(2wt+tf);

(48) (49)

уравнения. Эти уравнения получают изменением падающих и отраженных волн по второй гармонике с помощью пере- метров 36 и 37. Колебания, поступаю- КЛЮЧателя 20, управляемого аттенюатоПГИР НЯ ПУППЫ ИЯТ ГМО ГПП-П П U 47 ОЯ- JJ -,,о

ра 7 и управляемого фазовращателя о и последующим их измерением.

Таким образом, получают систему из шести уравнений с шестью неизвест™ 40 ными S-zoj, S,,, 5шгг, Ъц, , Ьц, . Решив эту систему, определяют искомые параметры рассеяния по второй гармонике.

,0 ч Д .Параметры рассеяния по третьей и

1(t)Cicos(2wt+94)+ C.cos(iUrt:+6); №yrmt гармоникам вычисляют аналогич но параметрам рассеяния по второй гармонике с той лишь разницей, что перестраиваемые полосовые фильтры 9, 19 и 30 настраиваются на частоту со™

7 /-..N «fi .Z % L -,-, / 50 ответствующей гармоники, а фазовый

Z,(t)H1cos(2wt+Qa)+|.H.cos(iutt:+Q;) вносимый управляемым фазовращателем 28, должен быть примерно равным 90°/п, где п - номер гармоники, на которой производятся измерения. Для определения констант р, 6;, , а также величины фазового сдвига ц|, вносимого управляемым фазовращателем 28, по первой и высшим );(54) гармоникам производится калибровка.

Y1(t)D2cos(2o,t+(/J+ D.cosCiwt+q,); 2 ч(50)

Z (t)G,cos(2wt+ 1,)+ G. cos (ioJt+ П,;) ;

(52)

(53)

где

,- амплитуды вторых гармоник.

Показания ваттметров 36 и 37 соот- 55 ветствуют амплитудам колебаний (48)-(53)

A72w;

P1Y D7+PriY; Р ч С +РГ1у; Р17 С +РГ1г;

(55) (56) (57) (58) (59)

t ггг

Аналогично формулам (13)-(39) вычисляются падающие и отраженные волны по второй гармонике агш , aaw , причем фазовый сдвиг у, вносимый управляемым фазовращателем 237 должен быть равным приблизитель. г о

но 45 .

Параметры рассеяния нелинейного четырехполюсника по второй гармонике можно вычислить из уравнений

blu;,5

+S

7Ы, °2(Ju,2eL1u)1

(60) bioi rSmij iuj Sjw a uay (61)

гАе параметры

1 рассеяния по второй гармо- , пике;

ншш м вторую

Ь. . , Ъ, , - свободные члены, учитываюW10 W10

щие влияние первои гармоЦ1

С этой целью вместо измеряемого СВЧ- четырехполюсника 12 поочередно подключаются к каждому полюсу по три отражающие образцовые меры с известными комплексными коэффициентами отражения Г, , Гг , г3 .

Так как образцовые меры являются линейными, то в выражениях (3)-(6) отсутствуют колебания высших гармоник (при калибровке по первой гармонике), поэтому выражения (9)-(12) можно переписать в виде

4Y

ZY

,2

(62) (63) (64) Pi2sH,(65)

выражения (13)-(20) принимают, сответственно вид

p;z P1x +P12 -t-Vp l cosT,;(66)

P Plx+P2z+Vp,xP22cos Q;(67)

P4 Y + cos Ч J(68)

P2y Pw+P2Y+Yp P cos9 ;(69)

P;Y-6,P11C+P1 +УриР1убТсо8();

(70)

,pn+pn + /P2xpiY Ј7cos(9-V);

Р, г -6,Р„ +P1z+Vp7xT icos(rj-v); (72)

P 2 6iPax+Pi2+ xP u6;Cos(Q-Y).

(73)

Из выражений (66)-(6.9) вычисляют с точностью до знака величины ч, Q , If, 8 , а из выражений (70)-(73) с тоностью до знака - величины ((f-ty),

(e-v), (1-ц), (Q-V)

;

1 f arccos () ;(74)

YPixP z

Q- t arccos (F-ygi LH) - (75) ЧРгхР12

tf-t arccos(Ц: ДЫЈЦ01 (76)

9± arccos( (77)

Y-V-t агссов ЈЦШ И.) j (78)

IPixP i

12 ± arccos (Slc felLP) j (79)

1p-vP,Y6;

lXrlY i

5 Ц-У- t arccos (gll-lM LllI) .

TP«P«

ч

л , /P-iz- iP гг ч t arccos ().

PixPi26i

0

Из выражений (78)-(81) с учетом (74)-(77) вычисляются четыре значе- „ ния у (для каждого из выражений (7Й)- (81) по его заранее известному приближенному значению). Для увеличения точности измерений полученные из вы- р ажений (78)-(81) значения (усредняются. Аналогичные измерения производятся для , 30, 22°,... Для вычисления величины производят еще одно измерение мощности для каждого положения управляемого фазовращателя 28 при таком положении переключателей 34 и 35, при котором на входы сумматоров 32 и 33 не поступает ни один из сигналов с направленных от- ветвителей 10, И, 17, 18 при включении управляемого фазовращателя 28 в состояние, когда он вносит дополни0 тельный фазовый сдвиг у. Показания ваттметров 36 и 37 в этом случае соответствуют г

5

5

Р{х, 6, .г

0

(82)

(83)

Поделив выражение (82) на (7), получают коэффициент (у , учитывающий неидеальность широкополосного фазовращателя 28:

6|- i xi/pi

5

Произведя измерения d, g, с, h для каждой образцовой меры и подставив вместо bt/a15 Ьг/а2 коэффициенты отражения Гл Г4 , г отражающих нагрузок из выражений (37) и (38), получают по три уравнения с тремя неизвестными K.J, К2, К3 и К4, К5 К g соответственно. Величину константы К7 вычисляют из выражения (39) по измеренным значениям d, g, с, h при соединении выходов направленных ответвителей 11 и 18 встык. Для этого случая отношение Ьа/а1 1. Для определения уровня

падающей волны |а 1 | к выходу первичного канала направленного ответвите- ля вместо измеряемого СВЧ-четырех- полюсника 12 подключается образцовый

5

измеритель СВЧ-мощности, что позволяет вычислить его коэффициент отражения г и рассчитать по его показанию Р0 уровень падающей волны

1a,l f2R0P0/(l-lf0iy } (84)

где Ом, а Г0 вычисляется из (37) по измеренным (ing при подключении образцового ваттметра. В этом же режиме показание ваттметра 36 Р у пропорционально квадрату падающей волны а , поэтому

laJ-Kglfp,(85)

8

где К6 - коэффициент пропорциональности.

Из выражения (85) с учетом (84) вычисляют коэффициент пропорциональности

к

I (1-|Г0|)Р1х

(86)

позволяющий определять уровень падающей волны а, по показанию ватт- 25 метра 36 - Ри из (85). При калибровке по высшим.гармоникам вычисляются только константы ( ( , . по формулам (37)-(39), (86).

Таким образом, реализуется задача -JQ измерения параметров рассеяния как линейных, так и нелинейных четырехполюсников как на основной частоте, так и на высших гармониках. Причем при измерениях параметров рассеяния нелинейных объектов по высшим гармо- никам сохраняется режим возбуждения исследуемого чегырехполюсника по первой гармонике.

Формула изобретения дд

Устройство для измерения параметров рассеяния СВЧ-четырехполюсника, содержащее СВЧ-генератор с подключенным к его выходу-первым направлен- 45 ным ответвителем, второй и третий направленные ответвители, ориентированные соответственно на отраженную и падающую волну, между первичными каналами которых включается измеряв- зд

мый СВЧ-четырехполюсник, первый и

второй переключатели, к первым выходам которых подсоединены первая и вторая согласованные нагрузки, и третий и четвертый переключатели, -5

отличающееся тем, что, с целью расширения класса измеряемых

СВЧ-четырехполюсников и обеспечения .

змерения на гармониках основной ча1

стоты, в него введен четвертый направленный ответвитель, вход которо-1 го соединен с выходом первичного канала первого направленного ответви- теля, а выход первичного канала - с входом введенного делителя, первый выход которого через последовательно соединенные введенные первый вентиль первый нелинейный элемент, первый управляемый аттенюатор, первый управляемый фазовращатель, первый перестраиваемый полосовой фильтр и пятый направленный ответвитель, ориенти- рсгванный на падающую волну, соединен с входом третьего направленного от- ветвителя, второй выход делителя мощности через введенные шестой направленный ответвитель, второй аттенюатор и второй вентиль подсоединен к первому входу введенного первого сумматора, выход вторичного канала шестого направленного ответви- теля через введенный второй нелинейный элемент соединен с входом первого переключателя, второй выход которого через введенный второй перестраиваемый фильтр подсоединен к второму входу первого сумматора, выход которого соединен с входом введенного седьмого направленного ответ вителя, ориентированного на падающую волну и подсоединенного выходом первичного- канала к входу второго направленного ответвителя, выход вториного канала четвертого направленного ответвителя через последовательно соединенные введенный восьмой направленный ответвитель, второй переключатель, введенные второй управляемый фазовращатель, третий нелинейный элемент и ; третий перестраиваемый полосовой фильтр подключен к первому входу введенного 3-дБ гибридного моста, к второму входу которого через введенные последовательно соединенные третий управляемый фазовращатель и 1 третий управляемый аттенюатор подсоединен выход вторичного канала восьмого направленного ответвителя, выходы вторичных каналов седьмого и второго направленных ответвителей и третьего и пятого направленных ответвителей подключены соответственно к входам третьего и четвертого переключателей, выходы которых соединены соответственно с первыми входами введенных и третьего сумматоров, при этом второй вход второго сумматора

15-1569743 16

подсоединен к первому выходу, а вто- нагружены на введенные первый и второй вход третьего сумматора - к вто-рой ваттметры, а выход вторичного рому выходу 3-дБ гибридного моста, vканала первого направленного ответви- выходы,второго и третьего сумматоровтеля нагружен на введенный частотомер.