Измеритель S-параметров линейного четырехполюсника Советский патент 1992 года по МПК G01R27/32 

Измеритель S-параметров линейного четырехполюсника работает следующим образом.

Выходной СВЧ-сигнал СВЧ-генераторз 1 делится с помощью тройника 2 на две части, одна из которых является опорным сигналом, а вторая поступает через первый синфазный делитель 3 в кольцевой измерительный тракт. Опорный сигнал модулируется сначала по фазе с помощью двоичного фазовращателя 21 (начальная фаза сигнала принимает на выходе фазовращателя два значения: 0° при отсутствии управляющего сигнала и 90° при его наличии). Далее этот сигнал модулируется по амплитуде напряжением частоты QJ с помощью третьего ам- плитудйого модулятора 7, управляемого от третьего генератора 10, и поступает через второй синфазный делитель 4 на первые входы первого и второго направленных от- ветвителей 11, 12 и далее - на первую и вторую измерительные головки 22, 23.

В свою очередь измерительные сигналы, поступившие через первый синфазный делитель 3 в плечи кольцевого измерительного тракта, модулируются по амплитуде напряжениями частот QI (с помощью первого амплитудного модулятора 5) и С& (с помощью второго амплитудного модулятора 6). Они распространяются через измеряемый четырехполюсник 19 в противоположных направяениях. Третий и четвертый направленныеответвителя 13, Сориентированы одновременно на волны, отраженные от входов измеряемого четырехполюсника 19 и прошедшие через него с противоположных направлений. Ответвленные во вторичные тракты направленных ответвителей 13 и 14 измерительные сигналы несут в себе таким образом информацию о значениях всех измеряемых S-параметров и поступают на вторые входы направленных ответвителей 11 и 12 и далее-на измерительные головки 22 и 23. При этом на каждую измерительную головку 22, 23 поступает фактически по два измерительных сигнала. Пусть, например, первый сигнал, поступающий на измерительную головку 22, содержит информацию о значении 5ц. Тогда второй сигнал на входе этой же измерительной головки 22 будет содержать информацию о значении Si2. Аналогично измерительные сигналы на входе измерительной головки 23 содержат информацию о значениях $22 и S21. Каждый из этих сигналов имеет свою частоту амплитудной модуляции:либо QI либо Ј&.Проанализируем спектральный состав выходных напряжений измерительных головок с учетом того, что опорный сигнал также промодулировэн по амплитуде напряжением частоты Оз.

При отсутствии амплитудных модуляторов 5.6,7 выходные напряжения, например. измерительной головки 22, описывались бы для первого и второго положений двоичного фазовращателя 21 следующими выражениями:

Ui 2Ki KsfSikjcos (pik +рн K32ISikl2, „

U2 -a-EoW+2K2-K3 S,k|sin (pik + pn) +

кз2 iSik i2,

где а- коэффициент передачи измерительной головки 2;

ЕО- амплитуда поля в месте разветвления опорного и измерительного каналов;

Ki, К2 - модули суммарных коэффициентов передачи (потери) опорного канала при первом и втором положениях двоичного фа- зовращателя 21;

Кз - потери измерительного канала; (рн фазовый сдвиг, учитывающий неидентичность фазочастотных характеристик опорного и измерительного каналов; ISikl.k - модуль и фаза измеряемого S-параметра.

Пусть, например, Ui и U2 соответствует измерению Sn. Анализ спектрального состава их при квадратичной характеристике детектора головки 22 свидетельствует на примере Ui о наличии:

- напряжения постоянного тока

+2 KrKslSnl

ISnl2 ;

COS (9911 ) +

-напряжения частоты QI D I a- Mi Ki KslSnl

cos (pii + K§ ISnl2 cos QI t;

-напряжения частоты Оз

Ut а Мз ЕЈ $ +2 Ki «3lSnl cos(pii + рн) cos Јb т;

где Mi и Мз - коэффициенты амплитудной 45 модуляции измерительного и опорного сигналов;

- напряжения

U а ISnl2 E2, cos2 Qi т |аМ2Кз 51112Ео +

+ а М Кз iSnlES cos 2 Qi t;

- напряжения U aM§K2E cos2 t а М§ K El +

- aM§K2E cos2Q3f,

- напряжения

U 2«Mi M3Ki KslSnl El

cos (p 1 + рн) cos QI t cos Оз t

aMi МзКт Кз15ц Eocos(pn )

cos(Qi + Оз)г+«М1 M3Ki KalSnl E2, cos ( + PH) cos (Qi - Оз) t.

Из приведенных выражений видно, что, если в качестве сигнала измерительной информации выбрать напряжение частоты (Qi + Оз) определяемое первым слагаемым в выражении для Uivl, то оно будет свободно от нелинейных членов, пропорциональных ISnl2 и Ki2, аналогично выходному сигналу в измерителях S-параметров с переносом частоты. Это и означает расширение пределов измерения модулей S-параметров. Напряжения Ui и Da частоты (Qi + QB) легко селектируются в блоке 24, образуя первый автономный канал обработки измерительной информации. Второй канал имеет рабочую частоту (Qi + Оз) и соответствует выходным напряжениям измерительной головки 22, содержащим информацию о значении Sia. Эти же частоты имеют каналы обработки измерительной информации о значениях $22 и $21, содержащейся в выходных напряжениях измерительной головки 23. Это могут быть либо автономные каналы, либо в блоке 24 может быть организовано поочередное измерение выходных напряжений измерительных головок 22 и 23 с помощью, например, электронного коммутатора.

С другой стороны, переменная составляющая напряжения Uiv может быть использована в качестве входного сигнала системы автоматической регулировки выходной мощности СВЧ-генератора 1, так как она содержит информацию об изменении Ео при качании его частоты. Поэтому она также выделяется селективным усилителем управляюще-вычислительного блока, настроенным на частоту 2Оз. Можно было бы использовать также в качестве измерительных сигналов напряжения частот (Qi - Оз) и (Q - Оз), определяемые вторыми слагаемыми в выражениях для Ui и других выходных напряжений измерительных головок 22 и 23. Однако это ухудшило бы динамические характеристики (быстродействие).

Частотная селекция каналов осуществляется в блоке 24 общеизвестными способами (например, с помощью полосовых фильтров). Собственно управляюще-вычис- лигельная часть блока 24 также является

типовой и базируется либо на встроенном микропроцессоре, либо на персональной ЭВМ, сопрягаемой с аналого-цифровой частью блока.

Частотная селекция каналов обработки

измерительной информации позволяет также автоматизировать процесс измерения невзаимных параметров четырехполюсников. Для этого достаточно над выходными

сигналами каналов, содержащими информацию о значениях $21 и Si2, осуществить дополнительные вычислительные операции по алгоритмам, следующим из определений соответствующих невзаимных параметров.

В частности, невзаимный фазовых сдвиг определится на основании информации о начальных фазах выходных сигналов каналов как Д arg S2i-argSi2, а вентильное отношение - на основании информации об амплитудах этих сигналбв как В ISi2 I /1821.

Введение в плечи кольцевого тракта амплитудных модуляторов 5,6 разных частот От и Оз не только обеспечивает автономность каналов обработки измерительной

информации, но и минимизирует число источников погрешностей для каждого канала. Например, паразитные сигналы за счет конечной направленности третьего и четвертого направленных ответвителей 13, 14

уже не будут влиять на результаты измерений Si2 и S21. Паразитные сигналы за счет конечной развязки плеч первого синфазного делителя 3 дополнительно модулируются в соответствующих модуляторах, что эквивалентно частотному сдвигу модулирующих напряжений после детектирования в измерительных головках 22 и 23 и выносу их за пределы полос пропускания соответствующих каналов. Аналогично обстоит дело с

большинством паразитных сигналов, возникающих за счет многократных отражений. В результате этих мер точность измерения всех S-параметров достигает своих предельных значений.

При переходе от измерения параметров передачи к измерению параметров отражения четырехполюсников, имеющих большую электрическую длину, решается с помощью дополнительного СВЧ-переключателя, вводимого в опорный канал. Необхо- димость в этом вызвана тем, что электрическая длина опорного канала при измерении Sn и S22 должна учитывать в подобных случаях не длину измерительного

канала до сечения 1-1 (фиг,1),з только длину до сечения 2-2 (при измерении Sn) или 3-3 (при измерении 822). Конкретно изменение длины опорного канала необходимо, если четырехполюсник имеет длину, равную расстоянию от сечения 2-2 до сечения 3-3 (базовое расстояние) или близкую к нему.

Для обеспечения этого в опорный канал включается СВЧ-переключатель 25, как показано на фиг. 2. В первом положении переключателя реализуется исходная схема - фиг.1 с включенным в опорный канал волно- водным компенсатором 20, длина которого равна базовому расстоянию. Это соответствует рзжиму измерения 821 и Si2, а также Sn и S22, если четырехполюсник имеет малую электрическую длину (например, транзистор или СВЧ-микросхема), и плоскостью отсчета при измерении Sn и $22 нужно считать сечение 1-1. Если же четырехполюсник имеет большую электрическую длину, СВЧ- переключатель 25 при измерении 5ц и $22 переводится во второе положение, и сигнал с выхода тройника 2 (фиг.2) поступает на вход двоичного фазовращателя 21 через канал 1-2 СВЧ переключателя, минуя волно- водный компенсатор 20.

Преимущества измерителя S-парамет- ров линейного четырехполюсника заключаются в следующем:

Существенное расширение пределов измерения модулей S-параметров за счет амплитудной модуляции СВЧ-сигнала в опорном и измерительном каналах при разных частотах модулирующих напряжений, что эквивалентно к линейному фазовому СВЧ-детектору.

Расширение диапазона рабочих частот измерителя в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн.

Обеспечение автоматизации измерения всей совокупности S-параметров взаимных и невзаимных СВЧ-четырехполюснйков. .

Обеспечение высокой точности измерения S-параметров, что позволяет создавать не только рабочие, но и образцовые приборы.

Формула изобретения 1. Измеритель S-параметров линейного четырехполюсника, содержащий СВЧ-гене- ратор, соединенный с входом тройника, первый выход которого соединен с входом первого синфазного делителя, второй синфазный делитель, выходы которого подсоединены к входам первичных каналов первого и второго направленных ответвите- лей, выходы их вторичных каналов нагружены на первую и вторую измерительные головки, соединенные с измерительными

входами блока управления и вычисления, первый управляющий выход которого под- ключей к управляющему входу СВЧ-генера- тора, третий и четвертый направленные

ответвители, к выходам вторичных каналов которых подсоединены первая и вторая согласованные нагрузки, а между выходами первичных каналов включается измеряемый линейный четырехполюсник, отличающ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот и пределов измерения, введены первый и второй амплитудные модуляторы, модулирующие входы которых соединены с выходами введенных

первого и второго генераторов модулирующего напряжения, различных частот, входы первого и второго амплитудных модуляторов соединены с выходами первого синфазного делителя, а выходы - с входами

первичных каналов третьего и четвертого ,направленных ответвителей, второй выход тройника через введенные последовательно соединенные волноводный компенсатор фазы, двоичный фазовращатель и третий

амплитудный модулятор подключен к входу второго синфазного делителя, модулирующий вход третьего амплитудного модулятора соединен с выходом третьего генератора модулирующего напряжения, частота которого отлична от частот первого и второго генераторов модулирующего напряжения, выходы первичных каналов первого и второго направленных ответвителей нагружены на введенные третью и четвертую согласованные нагрузки, а выходы вторичных каналов первого и второго направленных ответвителей соединены с входами вторичных каналов третьего и четвертого направленных ответвителей, причем управляющий

вход двоичного фазовращателя подключен к второму управляющему выходу блока управления и вычисления, информационные входы которого соединены с информационными выходами первого, второго и третьего

генераторов модулирующего напряжения.

2. Измеритель поп.1,отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности изм ерения коэффициента отражения протяженного линейного четырехполюсника, введен СВЧ-переключатель, первый вход которого соединен с вторым выходом тройника, первый выходи второй вход-соответственно, с входом и выходом волноводного компенсатора фазы, а второй выход - с входом двоичного фазовращателя.

. zw

со второго выход А

БЛОК. А Ј

Ы &Х0ДУ ЈЛСЖА 2. I

га

Фиг. 2