Измеритель S - параметров четырехполюсника СВЧ Советский патент 1991 года по МПК G01R27/04 G01R27/28 

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

Целью изобретения является сокращение времени измерений и повышение точности.

На чертеже представлена структурная электрическая схема измерителя S-параметров четырехполюсника СВЧ.

Измеритель содержит генератор 1 СВЧ, делитель 2 мощности, первый вентиль 3, управляемый аттенюатор 4, управляемый фазовращатель 5, первый направленный от- ветвитель (НО) 6, второй вентиль 7, второй НО 8, исследуемый четырехполюсник 9 СВЧ, фильтр 10 нижних частот, первый согласованный отключатель 11, первый гибридный мост 12, первую согласованную нагрузку 13, второй согласованный отключатель 14, третий согласованный отключатель 15, второй гибридный мост 16, третий гибридный мост 17, вторую согласованную нагрузку 18, первый ваттметр 19, первый переключатель 20, второй переключатель 21 и второй ваттметр 22.

Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ работает следующим образом.

Гармонический испытательный сигнал генератора 1 делится делителем 2 на два колебания, первое из которых поступает через второй вентиль 7, второй НО 8 в первое плечо исследуемого четырехполюсника 9. Второе колебание проходит первый венО 00

ю ю ri/ib 3, управляемый аттенюатор 4, управля- .. мым фазовращатель 5, первый НО G и поступает во второе плечо исследуемого четырехполюсника 9. Генератором 1 устанавливаются заданные частота и мощность испытательного сигнала во птором канале (второй вентиль 7 и второй НО 8), а управляемыми аттенюатором 4 и фазовращателем 5 - мощность испытательного сигнала в первом канале и его фазовый сдвиг по отношению к сигналу второго канала.

Колебания, ответвляемые НО 6 и 8, п силу неидеальности последних являются линейными комбинациями падающих и отраженных волн, существующих в отг.чет- ных плоскостях измерителя, по измерениям которых определяются искомые S-парэмет- ры. Колебание, полученное на первом ответвляющем выходе НО б, проходит через Фмлыр 10, третий согласованный отключа- |Сль 15, первый переключатель 20, второй гибридный мост 16, первый гибридный мост 12 и поступает на второй ваттметр 22. Это колебание имеет следующий вид:

Ci(t) Cicosoit,. (1)

где Ci, (a - амплитуда и частота

Колебание, полученное на втором отпет пляющем выходе НО 8, проходит первый согласованный отключатель 11, первый гиб- рчдный мост 12 и поступает па в юрой ваттметр 22. Это колебание имеет вид

С2(г) C2COS (cut (pi) + п

+ 2,C2i COS (I COt I) ,

(2)

(с С2 и - амплитуда и фазч (от нос. о Ci(t) первой гармоники данного колебания;

C2I и р2 амплитуда и фазы высших гармоник;

N -- неизветное число высших гармоник.

Колебание, полученное на первом ответвляющем выходе НО 6, проходит второй переключатель 21, третий гибридный мост 17 и поступапет на первый ваттметр 19. Это колебание имеет вид

Сз (t) - Сз cos (a) t + узз) Ь

+ Сз|С08(1йИ (),(3)

2

где Сз, V33 амплитуда и фаза первой гар- моники;

Сз), /Ъ - амплитуды и фазы высших гармоник (все фазы относительно Ci(t)).

Колебание, полученное на втором от- гетрляющем выходе НО 6, проходит второй

с чласовэнный отключагель И, второй пе- ррключпгель 21, фетий гибридный мост 17 и поступает на первый ваттметр 19 Оно

имеет вид

V

С4 CU COS (Ш t + pt) +

10

$

+ X C4I cos Ou)t ) .(4)

I 2

где Gi. (pi, - амплитуда и фаза первой гармоники,

C/ii и рц - амплитуды и фазы высших гармоник (относительно Ci(t)).

5Колебание, поступающее на первый

ваттметр 19 с псрпо о выхода второго гиб ридного моста 16 через ретин гибридный мост 17, имеет вид

Cs (t) Јз cos (a) t + /s), (5)

0 где Со и / его амплитуда и фаза

Прммсм, что положение (1) согласованных отклгачателей 11, 14, 15 соответствует пропусканию поступающих на них сигналов, а положение (0) - запиранию. Положе25 ние (1) переключаюля 20 соответствует соединению с сто входом второго входа гибридного мостя 16 а положение1 (2) - первого входа гибридного моста 16 Положение (1) переключателя 1 соответствует пропуска30 nine колебания Сз (t) а положение (2) - колебания (t)

В зависимости от положения согласованных от ключлтелой 11, 15 и переключате- 35 ля П ватгмогр 22 измеряет следующие мощности (пером кпзтсль 21 и согласован ЬЧ 1 ОТКЛ , Г(, 1Ь 11 ПРОИЗВОЛ И ПОЛОл.сниях)

1) согласованный откл.очатель 15 - в 40 положении (1), согласованный отключагель (11) - к положении (0), переключатель 20 - в положении (1).

Pi- /л (w)Ci2/2 .

(6)

45

где /л ((и)- коэффициент, учитывающий коэффициент эффективности и коэффициент отражения ваттметра 22,

2) согласованный отключатель 15 - в 50 положении (0), согласованный отключатель 11 - в положении (1), переключатель 20 - в положении (1).

55

Р2 /л (oj)C22/2 - Pj;2 ,

(7)

где Pj2 - суммарная мощность высших гармоник колебаний C(t):

3) согласованные отключатели 11 и 15 - в положении (1), переключатель 20 - в положении (1),

с чласовэнный отключагель И, второй пе- ррключпгель 21, фетий гибридный мост 17 и поступает на первый ваттметр 19 Оно

имеет вид

V

С4 CU COS (Ш t + pt) +

$

+ X C4I cos Ou)t ) .(4)

I 2

Pi- /л (w)Ci2/2 .

(6)

где /л ((и)- коэффициент, учитывающий коэффициент эффективности и коэффициент отражения ваттметра 22,

2) согласованный отключатель 15 - в положении (0), согласованный отключатель 11 - в положении (1), переключатель 20 - в положении (1).

55

Р2 /л (oj)C22/2 - Pj;2 ,

(7)

где Pj2 - суммарная мощность высших гармоник колебаний C(t):

3) согласованные отключатели 11 и 15 - в положении (1), переключатель 20 - в положении (1),

(w)Ci2/2 H С22/2 + + Ci C2cosp2 + Pi2 :

4) согласованные отключатели 11 и 15 - в положении (1), переключатель 20 - в поло- 5 жении (2):

Pf j (со) qi2 Ci2/2 + С22/2 + + qi Ci C2 cos (pi - Vi) + Pt2 ,(9)

гдедти 1 - величины, учитывающие изменение амплитуды и фазы сигнала Ci(t), получающиеся при переключении этого сигнала с первого на второй вход гибридного моста 16. При этом должны быть соблю- дены условия q т4 0 и 1 n JT, n 0,+ 1, + 2..., что обеспечивается использованием гибридного моста 16;

5) согласованный отключатель 15 - в положении (1), согласованный отключатель 11 - в положении (0), переключатель 20 - в положении (2):

5

10

0

Рэ 2.Н П22 С52/2 + CV/2

+ q2 Ci Cs cos (p4 - ps гЈг). (1/;)

где q2 qi и t/5 -тр - из-за неидоальногги СВЧ-тракта (q2 - 0, fi п л), n - О, М 2, ..., обеспечиваются свойством квадратурнл- сти гибридного моста 1G;

10)согласованный отклюматель 14 в положении (0), согласованый отключатель 15-в положении(1), переключатели 20и21

о положении (2);

Рю- /U2Hq22C52/2.(15)

11)согласованные отключатели 14 и 15

в положении (0), переключатели 20 и 21 - в положении (1);

Рп- (w) Сз /2- .

(16)

где Р$:З- суммарная мощность высших гармоник колебания Ca(t);

12) согласованный отключатель 14 - в положении (0), согласованный отключатель 15- в положении (1), переключатели 20 и 21 - в положении (1);

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может использоваться для измерения S-параметров линейных и нелинейных СВЧ- четырехпоолюсников. Цель изобретения - сокращение времени измерений и повышение точности. Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ содержит генератор 1 СВЧ, делитель 2 мощности, первый вентиль 3, управляемый аттенюатор 4, управляемые; фазовращатель 5, первый направленный от- ветвитель (НО) 6, второй вентиль 7, второй НО 8, исследуемый четырехполюсник 9 СВЧ, первый согласованный отключатель 11, первый гибридный мост 12, первую согласованную нагрузку 13, второй согласованный отключатель 14, третий согласованный отключатель 15, второй гибридный мост 16, третий гибридный мост 17, вторую согласованную нагрузку 18, первый ваттметр 19. Цель достигается введением фильтра 10 нижних частот, первого переключателя 20, второго переключателя 21 и второго ваттметра 22. 1 ил. (Л

P5 / iHqi2Ci2/2.

(10)

Ваттметр 19 измеряет следующие мощности в зависимости от положения согласо- ванных отключателей 14 и 15 и переключателей 20 и 21 (согласованный отключатель 11 в произвольном положении);

6)согласованный отключатель 14 - в положении (0), согласованный отключатель 15 - в положении (1), переключатель 21 - в положении (2)

(ш)С52/2;(11)

где /J2 (df)- коэффициент, учитывающий коэффициент эффективности и коэффициент отражения ваттметра 19;

7)согласованный отключатель 14 - о положении (1), согласованный отключатель 15 - в положении (0), переключатель 20 - в положении (1), переключатель 21 - в положении (2):

P7 f.l2(ui) + U

(12)

где Pt4 - суммарная мощность высших гармоник колебания C4(t);г

8) согласованные отключатели 14 и 15 - в положении (1), переключатель 20 - в положении (1), переключатель 21 - в положении (2):

Рв„ Ј2И С52/2 + С42/2 +

+ CA Cs cos (p4 - ps) + Pli;(13)

9) согласованные отключатели 14 и 15 в положении (1), переключатели 20 и 21 - в

положении (2):

25

Р12, 2Н С52/2 + Сз2/2 + + Cs Сз cos (рз - уз) + Pi- з ;

П7)

0

0

13) согласованный отключатель 14 - в положении (0), согласованный отключатель 15 - в положении (1). переключатель 20 - в положении (2), переключатель 21 -- в положении (1):

Pi3 ,/«2vH q22 C52/2 f Сз2/2 «q2C3C5COs(p3-y35-Vu)+Pi3; (18)

Из выражений (6) - (18) определяются следующие величины:

/Д5С1 РТ, 5С2Соз / 2(Рз-Р2-Р1).

/tflClSln (Р4 -. Р5 - Р2 Z - V9 Рс Г.о гпс (т гпс t/л Y/V9 I

5

№

2 Ps C2 cos pi cos Ps sin

v

Сз cos Срз - ps) (Pia - Pn

-Pey/zpe,

/#5 Сз sin (рз-р5)(Р13-- Pn-Pio- C3 COS (рз - po) COS 1/2)/

/ 0/2РкГ sin Vu) .(19)

и

;,5

C cos (p4 - ps)

5

(Paj- Рб - P) / V2 P6 ,

//2 5 C-i sln(p4 - ps) (Pg - Рю - P - 2 РкГсз cos (p4 - ps) cos V)/

Рю .

C2 C2 Д5 /ii 5 C2 cos P2 +

+ j G sinpz,

Сз Сз Ч -Г / ГСзсоз.

(рз - у) + j Сз sin (рз - , С4 - CV I|lft f J1tyS 5 Oj cos (0x - y) + + jCislnJ$p«-p5),

.

Так как колебания Ci(t) - C4(t) являются линейными комбинациями падающих (Ai, Да) и отраженных (Bi, 82) волн, их комплексные амплитуды имеют вид

Ci- 5(fi))Ai+/Jto)Bi, 1-1,2,

Ci - « И А2 + # И В2, 1-3,4, (20)

v

где фазы отсчитываются относительно Ci, oi (со) и Д (о) - неизвестные комплексные частотно-зависимые ко нстанты. Подставив в (20) вместо величин Ci величины Ci (I 1... Л), получим:

Ci- 0(w)Ai + #(u/)Bi, 1-1,2,

Ci - cq (со) А2 + (со) B2, i 3, 4, (21)

где

GC1 (W)/#5«1 (C0),/3l (U) /Л 5/ 1 И- «2 И /#5 ОД (О)), fc О) AIll5& Иод (и. рв) /#5 од (а) .

j83(u,)/#5/fcHl |V 04()/#5Јu)f1Yr,

#(u,)/ 2l5/S4HiJVr. Из выражений (21) вычисляются следу- ю щие отношения волн:

Bi/Ai

Ca/Ci - Ki Кз - К2 C2/Ci

(22)

.. C4/bi (1 + КдВ1/АО-Кд/КаСз/Сз(К|-КзВ)/Л1) ., .

As/Al к (i - IU/K к5) {

B2/A2

Сз/С4 K4 Кб - Кб C3/C4

(24)

где Ki - oa/ai, K2 - /Vai, Кз - /Si/ai, К

ОД/04, Кб , Кб - )3з/04, Кз - 04/01.

Параметры рассеяния измеряемого четырехполюсника 9 связаны с волнами в измерительном тракте (в отсчетных плоскостях) следующим соотношением:

Bi/Ai Sii(ft, |Ail) + + Si2(u), Ail)A2/Ai,(25)

B2/A2 - 821 (W . lAil)Ai/A2 + -S22 (0). I Ail).(26)

Для двух значений A2/Ai, получаемых изменением фазы волны А2 с помощью управляемого фазовращателя 5 (для линейных нагрузок возможно изменение амплитуды А2 с помощью управляемого аттенюатора 4).

соотношения (25) и (26) образуют систему из четырехлинейных уравнений с четырьмя неизвестными Sn, 812, 821, 822. решение которой имеет вид:

(Bn/Al)2 (A2/AQ - (Bi/AQi (A2/Ai)2 11(A2/Ai)i - (A2/Ai)z

(Bi/AQi-(Bi/At)z 12 (A2/Ai)i-(A2/Ai)2

S21

(B2/A2)i - (B2/A2)2 (Ai/A2)i - (A1/A2)2

(27) (28)

(29)

Q (B2/A2)2 (Ai/A2)i - (B2/A2)1 (Ai/A2)2 b22(Ai/A2)i - (

(30)

При измерении параметров рассеяния нелинейных элементов требуется знать уровень падающей волны IAi4, который вычисляется по формуле

lAil

Vp7

lail И +K2Bi I Ail

(31)

полученной из первого уравнения системы (21).

Для определения трех действительных констант |ail,i,t/Ј и семи комплексных констант Ki - К проводится калибровка.

Для этого вместо четырехполюсника 9 подключаются две отражающие двухполюсные нагрузки. В этом случае падающие и отраженные волны не будут содержать высших гармоник, т. е. Pi2 Р.з Ј4 0. С учетом этого и выражений(6) и (.) из формулы (8) получим:

(pi ± arccos (Рз - Р2 - Pi)/2 Pi PS .

(32) а из формулы (9), с учетом (6) и (10) получим

р1 - Vi) ± arccos (P4 - PS -Pi)/2 Pi PS .

(33)

Из выражений (32) и (33) можно определить четыре значения величины

Vi ± (/Ъ V) ± № Выбор одного из найденных значений Vi производится по приближенно известному (с точностью ±(10-15)° значению из условия, что Vi - Значение i с указанной точностью может быть рассчитано или предварительно измерено.

91G829411u

Аналогичным образом вычисляется иП(1 1, 2, 3- номер калибровочной опера- величина ifa с той лишь разницей, что дллции, индексы 1, 2-номера плеч измерителя) ее определения используются формулывыражения (22) и (24) образуют систему из Ц1) - (15), а приближенным значениемшести линейных уравнений с шестью неиз- t/Ј является значение р . После этого для5 вестными Ki - Кб. данных нагрузок вычисляются величины Ci

С« rd) CaQ/CiCO-Ki

Далее к обоим плечам измерителя S-na-И TJV;тл

раметров четырехполюсника СВЧ пооче-Кз-К2С2 /Ci

редно подключаются еще по двеЮ„ ,,

отражающих образцовых нагрузки, для ко-г(2)„ Сз vvC {- - «4 i i 9 3

торых по измерениям мощности определя- Кб - Кг

ются свои значения величин Ci - Ci. При

известных комплексных коэффициентах которая имеет решение

подключаемых образцовых нагрузок Гг;,15

(С21® - С21 0))(Г30)-Г1 (0)-(C2i (3)-С21 (1))(Г20)-П 0) (С21 ((-С21ТТг7()-(С21 (2)Г20)-С21 (0Г1 0)) (Гз 0) П (0)

Кз - ИС21® - C21(,V Кг(С21(2) Г2Ю -К, - С21(1) - Кз гЯ + Кг С21(1) Г Д

-с21™Г1 %(Г2(1)

W2) - С34 0)) (ГЗ 2) - П (2)) - (С34 (3) - С34 0) (Г2 ) - Г1 (2

К5(C34Wr3(2))t1(2))(r2(2)-r7)- (С34 ® га®- С34 П W) (Гз С2)- П С2))

Кб ГС24(2) - Сз4(1) - К5(Сз4(2)Г2(2) -где Wi - Bi/Ai. W2 - В2/А2, А Sn 822 C rMW$-rh-S12S21.

К4 С34(1) - К6Г112) + К5С 34(1) Г1(2) ,20

где С21 С2 /С/ , Сзл Сз VC4 .При трехкратном изменении режима

Для определения константы К в качест-возбуждения (отношение волн Аг/Ач)

ве исследуемого объекта подключают отре-соотношение (34) образует систему из трех

зок линии передачи. Из выражений (25) илинейных уравнений стремя неизвестными

(26) следует25Sn, S22- Д, решение которой имеет вид

W2 -S11+ WiS22- Д Wi W2, (34)

Wi2 0) - w ty (w2 0) - w2 (3)) - (Wi20) - Wi2 ®) (w2(1) - wi (2)) (w2 0) - w2 (2V(w2 (1) - w2 3)) - (w2 (1) - w2 (3)) (Wi 0) - Wi ())

S22 W12(1) - Wi9(2) - Sl1 ( W2(1) -K7 -K4/K6 +

W2(2V(Wl(1) - Wi), C4/C1 (1 + K2 Wi)- K5/K6 C2/C3 (KI - K3 Wi) Д511 W2( } bS22 W/1)-W12(1),A2/A1

где Wi2 W/ 5 W2, I 1, 2, 3 - номер 30 Для определения IctilK первому плечу

режима возбуждения. С учетом того, чтоизмерителя S-параметровчетырехполюсниSi2 621, определяемка СВЧ подключается образцовый ваттметр,

показание Ро которого связано с уровнем

с19 Sn я - Ападающей волны Аю соотношением

35|Aiol- 2PoZo/(1-|r0l2)°5,

Для одного из режимов возбуждениягде Z - нормировочное сопротивление (для

вычисляется величина A2/Ai по формулев{ лн мощности Z - 1),

A2/Ai (Wi - Sii)/Si2. - комплексный коэффициент отражеПоставив полученное отношение A2/Ai вния образцового ваттметра, вычяисляемый

(23), вычислим константу Ку.40из (22).

Подставив в (31) вместо lAi| - |Аю и вместо Bi/Ai - Г0, определим величину:

Ictil

VpT

lAiol И +К2Г0|

Найденные во всех четырех точках калибровочные константы являются необходимыми и достаточными для проведения измерений S-параметров нелинейных четы- рехполюсников. Они интегрально учитывают неидеальн ость СВЧ-узлов. входящих в измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ, и позволяют обеспечить высокую точность измерений.

Формула изобретения Измеритель S-параметров четырехполюсника СВЧ, содержащий последовательно соединенные генератор-СВЧ и делитель мощности, к одному выходу которого подключены последовательно соединенные первый вентиль, управляемый аттенюатор, управляемый фазовращатель и первый направленный ответвитель, а к второму выхо- ду - последовательно соединенные второй вентиль и второй направленный ответвитель, первые выходы которых являются выходами для подсоединения исследуемого четырехполюсника СВЧ, второй выход вто рого направленного ответвителя через первый, согласованный отключатель соединен с вторым входом первого гибридного моста, к первому выходу которого подсоединена первая согласованная нагрузка, второй вход первого направленного ответвителя соединен с вторым согласованным отклю- чателем, третий согласованный отключатель, второй и третий гибридные мосты, причем первый выход последнего соединен с входом первого ваттметра, а второй - с второй согласованной нагрузкой, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени измерений и повышения точности, второй вход второго направленного ответвителя соединен с третьим согласованным отключателем через введенный фильтр нижних частот, выход третьего согласованного отключателя соединен с входом введенного первого переключателя, выходы которого подключены к входам второго гибридного моста, первый его выход соединен с вторым входом третьего гибридного моста, а второй выход - с первым входом первого гибридного моста, к второму выходу которого подсоединен введенный второй ваттметр, второй выход первого направленного ответвителя и выход второго согласованного отключателя соединены с входами введенного второго переключателя, выход которого подключен к первому входу третьего гибридного моста.

HZH3-C