Устройство для измерения S-параметров СВЧ-четырехполюсника Советский патент 1991 года по МПК G01R27/04 

Изобретение относится к радиоизмерениям на СВЧ, в частности может использоваться для измерения S-параметров линейных и нелинейных активных СВЧ-че- тырехполюсников.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения S-параметров нелинейного активного СВЧ-четырехполюсника в режиме большого сигнала.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения S-парзмет- ров СВЧ-четырехполюсника содержит генератор 1 СВЧ, первый согласующий трансформатор 2, направленный ответви- тель(НО)3 падающей волны, первый согласованный отключатель 4, первую зондовую секцию5, исследуемый СВЧ-четырехполюс- ник 6, направленный ответвитель (НО) 7 прошедшей волны, вторую зондовую секцию 8, второй согласующий трансформатор 9, нагрузку 10 с переменным коэффициентом отражения, полосовой фильтр 11, второй согласованный отключатель 12, двухпозиционный фазовращатель 13, трехканальный делитель 14, первый 15, второй 16 и третий 17 сумматоры, первый 18, второй 19 и третий 20 индикаторы.

Устройство для измерения S-параметров СВЧ-четырехполюсника работает следующим образом.

Гармоническое колебание генератора 1 через первый, согласующий трансформатор 2, НО 3. второй согласованный отключатель 12 и первую зондовую секцию 5 подается на вход исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6. Сигнал с его выхода проходит НО 7, вторую зондовую секцию 8, второй согласующий трансформатор 9 и, .отражаясь от нагрузки 10, вновь поступает на выход исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6. Колео о со ел XI ел

бание, ответвленное НО 3, через полосовой фильтр 11, первый согласованный отключа- тель 4 двухпозиционный фазовращатель 13, трехканальный делитель 14 поступает на входы сумматоров 15-17. Колебания, ответвленные первой зондовой секцией 5, НО 7 и второй зондовой секцией 8, поступают на другие входы сумматоров 15-17 соответственно. Второй согласованный отключатель 12 переводится в положение I, а первый согласованный отключатель 4 - в положение II (положению I соответствует прохождение сигнала в измерительный тракт, а положению II - непрохождение), модуль коэффициента отражения нагрузки 10 устанавливается минимально возможным.

Настройкой первого согласующего трансформатора 2 добиваваются максимально возможного показания первого индикатора 18, затем настройкой второго согласующего трансформатора 9 увеличивают это показание, после чего снова увеличивают показание первого индикатора 18 подстройкой первого согласующего трансформатора 2 и т.д. до тех пор, пока данное показание первого индикатора 18 перестанет увеличиваться.

Колебания, поступающие на входы сумматоров 15, 16, 17 имеют вид

G;(t)C-,cos(cottq ;);00

Н d;(t -D;co5(, jt2lDijco5(jtottei- ); (2)

где Cr(t} - колебания, поступающие на входы сумматоров 15,16,17 с выходов трехканаль- ного делителя 14; Cf и р - их амплитуды и фазы, причем( di(t)- колебания, поступающие на другие входы сумматоров 15,16, 17; DI и ft - амплитуды и фазы первых гармоник этих колебаний; DIJ и ft - амплитуды и фазы высших гармоник; N - неизвестное число высших гармоник.

Далее каждым из индикаторов 18,19,20 измеряют по пять мощностей , 2, 3 - индекс, обозначающий номер ваттметра).

Первый согласованный отключатель 4 находится в положении I, второй согласованный отключатель 12 - в положении II

Pi(l)Ci2/2.(3)

Второй согласованный отключатель 12 находится в положении I, первый согласованный отключатель 4 - в положении II.

P2(i) bi2/2 + PЈ;.(4)

Оба согласованных отключателя 4, 12 находятся в положении i Рз(|) -Ci 2/2+Di 2/2+CiDi cos (ft - /л) +Pri .(5)

Двухпозиционный фазовращатель 13 переводится во второе состояние, при котором он вносит фазовый сдвиг , величина

которого должна находиться в окрестности ±90°(V ±90° ±45°)

l i04U /2 Ј1/2+9;Ci5ico5(.(6)

Первый согласованный отключатель 4

находится в положении I, вторрй согласованный отключатель 12 - в положении И P5{l) gi2ci2/2.(7)

где i - номер соответствующей пары колеба- 0 ний (1) и (2);

IV, - суммарная мощность гармоний колебания di(t);

. gi - коэффициенты, учитывающие изменение амплитуд сигналов Ct(t) на входах ин- 5- дикаторов 18, 19, 20 при переключении двухпозициоиного фазовращателя 13;

fy - фазовые сдвиги, вносимые двухпо- зиционным фазовращателем 13 и имеющие различные значения для каждого колебания 0 Ct(t) вследствие неидеальности СВЧ-тр акта. Из выражения (5) вычисляют (ft - fi), а из выражения (6) - (ft - fi) с учетом (3). (4), (7)

$lCos( .

Рг1- РЈ - л|2 РУ -D; cos(9;4f;flcos Vi

,j2P sinv;(g)

Комплексные амплитуды первых гармоник колебаний (2) будут равны

Di Dt cos (ft - 9«)+jDi sin (ft - pi), (10) где J2 -1,1 1,2,3.

Гак как колебания di(t) b da(t) ответвляются первой и второй зондовыми секциями 5,8 соответственно, то комплексные амплитуды их первых гармоник Di и 6з будут пропорциональны линейным комбинациям первых гармоник падающей и отраженной волн на входе и выходе исследуемого СВЧ- четырехполюсника 6

VPA+y.b,}(11)

5

0

5

0

5;6 m(9;-Cf;l

Е,«|5,а4+У,Ь.

2 3

(12)

0

5

а комплексная амплитуда первой гармоники колебаний d2(t), ответвляемого НО 3 пропорциональна комплексной амплитуде пер- 5 вой гармоники отраженной волны Ьа:

6.2 0202.(13)

где /3i,/Зз , yi, уз , «2 - комплексные коэффициенты пропорциональности.

Комплексная амплитуда колебания, ответвляемого НО 7, и как следствия, колебания C(t), поступающего на первый вход второго сумматора 16, пропорциональна амплитуде падающей волны

Ci «iai,(14)

где а - коэффициент пропорциональности.

Величина С вычисляется из выражения (3),

Ci .

Вычисляют отношения следующих величин Di/Ci, D2/C1, 62/03:

D,lc, fi(/ci( + jp(/c,-tjci,} Dj/Ci-s /oi, -Ц/o,j

n /т. 5i/iilkl/Јi

0a№s M 7uf1;

и из полученных уравнений выражают отношения волн bi/ai, 62/31. 62/82:

bi/ai Kipi/Ci-K2;(15)

b2/ai K3D2/Ci;(6)

62/02

D2/D3

(17)

(аг/а,),-(аг/а,)г

е , , ,. (Ь,1а.),-(Ь,/а.)г

(ы,|а,/),-р-т-,. .. .- ; (azK).-(aJQ )a

. . . (Wa),-(b2/d2U ./q.l.-WA).

(0

(г.)

. K/i - D2/D3 КБ где , , Кд «о//х.г , К«

Ks-fo/Јt - калибровочные константы.

Уровень падающей волны определяют по формуле.

lail V§PWIail .08)

Параметры рассеяния исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6 связаны с волнами в измерительном тракте следующими соотношениями:

bjd sjcoja./l + e.jcoja.llaja,) t /.4) Ц/аг«5г,(ь).|а,/)а,(а),/о,/). 0)

Для двух значений а2/Й1, получаемых изменением фазы волны (для линейных объ- ектов возможно изменение амплитуды а2) с помощью нагрузки 10, соотношения (19), (20) образуют систему из четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными Sn, 812, 821, 822, решение которой имеет вид:

,,,„, IbJd.Uta/a.h-tWa.UaWa,).

s.M a- )e,А 0

R /„ ,Л , ((fl./cia),-(b jd.{d.fa1)t (а.|аД-(а./6«Ь

где (a2/ai)j. вычисляется по следующей формуле:

(a2/ai)i.2 (62/31)1.2 / (62/82)1 2 (25)

Для нелинейных и неустойчивых объектов найденные параметры рассеяния явля- ются функциями модуля падающей волны ai, который вычисляется из соотношения (18).

Зависимость элементов матрицы рассеяния исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6 от амплитуды падающей волны| а1| опреде- ляется измерением S-параметров для каждого фиксированного значения на данной частоте О). Изменение частоты а) позволяет снять частотную зависимость S-na- раметров.

Для определения модуля константы { OH j комплексных констант Ki-Ks и углов фазового сдвига $ , i 1, 2, 3, вносимого

5

10

15

20

двухпозиционным фазовращателем 13, производится калибровка. С этой целью вместо исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6 в сечении А-А поочередно подключаются две образцовые отражающие нагрузки с известным Г и образцовый измеритель мощности, а затем сечения А-А и В-В соединяются проходной образцовой мерой с известными S-параметрами.

Для одной из отражающих образцовых нагрузок, например для первой, из соотношений (5) и (6) для I 1 определяют величины

б 10ГССО5

.pjO.

(S tiVj-larccos

(26) (27)

0

5 0

5

0

откуда Vi ± (ft - Vi ) ± & .(28)

По условию близости 1 к заранее определенному значению, известному с погрешностью ±10°, выбирается одно из четырех значений if), определяемых из выражения (28).

При поочередном подключении двух отражающих образцовых нагрузок с известными комплексными коэффициентами отражения П и соотношение (15) порождает систему из двух линейных уравнений с двумя неизвестными Ki и К2, где вместо отношения волн bi/ai подставляется соответствующий коэффициент отражения отражающей образцовой нагрузки

П Ki(Di/Ci)i-K2;

r2 K(Di/Ci)2-K2.

Решение полученной системы линейных алгебраических уравнений имеет вид.

h - гч

(29)

(D,/ft,},-(Drr,)2;

ГЛРЛС -Гг(Р./С,1

(Djc.l.-di./c.b

(30)

При подключении в сечение А-А образцового ваттметра его показание Р„ связано с уровнем падающей волны /аю/ соотношением

;aioi V2 P0/(1 - 1Г01) ,(31)

где комплексный коэффициент отражения образцового ваттметра Го вычисляется из соотношения (15) по измеренному DI /С.

Подставляя в выражение (18) вместо ,aij величину 1аю, из соотношения (31) определяют ittii, позволяющую по показанию второго индикатора 19 определять модуль падающей волны |ai по формуле (18).

При подключении проходной образцо- зой меры вычисляются по четыре значения углов фазового сдвига ifa и У-3 из соотношений, аналогичных соотношению (28), после

чего выбирают единственное значение каждого угла фазового сдвига $г и ifa по условию максимальной близости их к величине тр.

Параметры рассеяния проходной образцовой меры связаны с волнами в СВЧ- тракте соотношениями(19) и (20), из которых вычисляются отношения волн (a2/ai )i и

(62/32 V

л;/-1 tb./a;h-s., (aztat t 1j

(b,M,e;

S,ft

Sn Sj

сзг)

+ S.J

(35)

-(fi.tfO-,, 4t

где (bi/ai )i вычисляется по формуле (15), так как константы Ki и fa уже найдены.

Из полученных отношений волн определяют отношение (62/31)1, которое равно (b2/ai)i(a2/a{H-(02/32)1,(34)

Подставив (62/31 )i в выражение (16), вычисляют

K3 (62/ai)i/(D2/Ci)i.(35)

Изменив падающую волну 32 с помощью нагрузки 10, определяют второе отношение волн (62/32)2 по формуле (33).

Поочередно подставляя отношения волн (62/82)1,2 в формулу (17), получают два линейных алгебраических уравнения с двумя неизвестными fe/j и КБ, решение которых имеет вид

(Рг1РО|/((Рг/Рди(Ъг/а г)2

. }

I

V

к4

(OjBjli-tDz/Ds), (iyDjUO UOKb l.M/Cbz/anj

(D2{U5)2-()t

Таким образом, устройство для измерения параметров СВЧ-четырехполюсника реализует поставленную цель измерения всех четырех параметров рассеяния нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников в режиме большого сигнала при наличии высших гармоник. Формула изобретения Устройство для измерения S-парамет- ров СВЧ-четырехполюсника, содержащее

последовательно соединенные генератор СВЧ, первый согласующий трансформатор и направленный ответвитель падающей волны, последовательно соединенные направленный ответвитель прошедшей волны, первый сумматор и первый индикатор, а также последовательно соединенные второй согласующий трансформатор и нагрузку с переменным коэффициентом отражения,

причем вход направленного ответвителя прошедшей волны является входом для прохождения выхода исследуемого СВЧ-четырехполюсника, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения S-параметров нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников в режиме большого сигнала, к выходу вторичного канала направленного ответвителя падающей волны подключены последовательно соединенные

полосовой фильтр, первый согласованный отключатель, двухпозиционный фазовращатель, трехканальный делитель, второй сумматор и второй индикатор, к выходу первичного канала направленного ответвителя падающей волны подключены последовательно соединенные второй согласованный отключатель и первая зондо- вая секция, выход которой является выходом для Подсоединения входа исследуемого

СВЧ-четырехполюсника, а выход зонда соединен с вторым входом второго сумматора, между выходом первичного канала направленного ответвителя прошедшей волны и входом второго согласующего трансформатора введена вторая зондовая секция, выход зонда которой подсоединен к первому входу введенного третьего сумматора, при этом его второй вход соединен с вторым выходом трехканального делителя, а выход

подключен к входу введенного третьего индикатора, а третий выход трехканального делителя подключен к второму входу первого сумматора.

Изобретение относится к радиоизмерениям на СВЧ. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения S-параметров нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников в режиме большого сигнала. Для этого устройство содержит генератор 1 СВЧ, согласующие трансформаторы 2 и 9, направленный ответвитель 3 падающей волны, согласованные отключатели 4 и 12, зондовые секции 5 и 8, исследуемый СВЧ-четырехполюсник 6, направленный ответвитель 7 прошедшей волны, нагрузку 10 с переменным коэффициентом отражения, полосовой фильтр 11, двухпозиционный фазовращатель 13, трехканальный делитель 14, сумматоры 15, 16 и 17 и индикаторы 18, 19 и 20. Данное выполнение устройства позволяет реализовать измерение всех четырех S-параметров рассеяния нелинейных активных СВЧ-четырехполюсников 6 в режиме большого сигнала при наличии высших гармоник. 1 ил.