Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения Советский патент 1993 года по МПК G01R27/06 

JL

хг

О

Ы

СО

О

ю

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения и полного сопротивления СВЧ устройств различного целевого назначения.

Известны измерители коэффициента отражения, содержащие последовательно соединенные свипирующий СВЧ-генера- тор, четырехзондовый датчик полных сопротивлений и измеряемый двухполюсник. Каждый из зондов датчика полных сопротивлений нагружен на соответствующий квадратичный детектор. Выходы квадратичных детекторов соединены со входами ос- циллографического индикатора, в котором осуществляется обработка результатов. Кроме того, в таких измерителях имеется цепь стабилизации уровня мощности СВЧ- генератора, содержащая дополнительно од- нодетекторную либо двухдетекторную секцию,

. Недостатком этих- измерителей является существенная погрешность измерения, которая вызывается неидентичностью характеристик СВЧ-детекторов, а также остаточной неравномерностью мощности СВЧ-генератора. Кроме того, индикаторный блок таких измерителей имеет большие габариты и массу, а принцип действия не позволяет осуществлять раздельное измерение модуля и фазы комплексного коэффициента отражения.

Эти недостатки устранены в автоматических измерителях полных сопротивлений, реализующих коммутационный способ измерения. В -таких устройствах зонды датчика полных сопротивлений подсоединены через СВЧ-коммутатор к одному СВЧ-детек- тору. Обработка результатов ведется путем фильтрации составляющих спектра проде- тектированного сигнала, что обеспечивает малые габариты и массу, исключает необходимость цепи стабилизации мощности и позволяет осуществить раздельное измерение модуля и-фазы.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в 4. Это устройство и выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор, отрезок линии передачи и четырехзондовый датчик, выход которого является входом для подсоединения исследуемого двухполюсника.

Зонды связи датчика через СВЧ-коммутатор соединенььсо входом квадратичного СВЧ-детектбра, виход которого через после- доватёльно соединенные полосовой фил ьтр, линейный амплитудный детектор и перзый управляемый делитель напряжения

подключай к первому входу измерителя отношения, выход которого соединен с индикатором модуля. Выход полосового фильтра через последовательно соединенные фазометр, тангенсный преобразователь, второй управляемый делитель напряжения и арк- тангенсный преобразователь соединен, с индикатором фазы. Выход арктангенсного преобразователя через усилитель, первый

0 косинусный преобразователь, перемножитель, вычитающее устройство и корнеизвле- кагощее устройство подключен ко второму входу измерителя отношения. Управляющий выход СВЧ-генератора подключен ко

5 вторым входам первого и второго управляемых делителей напряжения, а через второй косинусный преобразователь - ко второму входу перемножителя. Блок управления соединен с управляющим входом СВЧ-комму0 татора и опорным входом фазометра.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточно высокая точность измерения и малый динамический диапазон изменения мощности в линии передачи. Эти

5 недостатки вызваны тем, что в прототипе осуществляется анализ амплитудного распределения поля в линии передачи. Прототипу свойственны следующие погрешности:

1) погрешность из-за неквадратичности 0 характеристики СВЧ-детектора. Эта погрешность резко возрастает при измерении больших значений коэффициентов отражения, когда динамический диапазон сигналов на выходах элементов связи датчика 5 возрастает;

2) погрешность из-за неидентичности зондов датчика. Даже небольшие отличия в глубине погружения элементов связи в линию передачи приводят к заметному изме- 0 нению ответвляемой мощности (квадратичная зависимость от глубины погружения);

3) погрешность из-за нридентичности потерь пропускания каналов СВЧ-коммута- 5 тора;

4) погрешность из-за нестабильности потерь пропускания СВЧ-коммутатора, которая особенно существенна при эксплуатации измерителя в жестких условиях.

0 Динамический диапазон изменения мощности в линии передачи, в пределах которого возможны измерения, определяется динамическим диапазоном измеряемого модуля коэффициента отражения (КСВ) и

5 диапазоном приемлемого квадратичного детектирования. Если задаться максимальным значением КСВ .10, то мощность в максимуме амплитудного распределения будет превышать мощность в минимуме в 100 раз (20 дБ). Широко известно, что диа(за г

пазсн приемлемого квадратичного детекти- ровг

ния СВЧ-диодов не превышает 35 дБ ределами этого диапазона результаты

становятся недостоверными). Поэтому воз- можный динамический диапазон измене- ния мощности в основной линии передачи составит (35-20) 15 дБ. В ряде случаев этот) недостаточно. Например, в случае, когд э встроенный измеритель используется как для настройки СВЧ-тракта, так и для контэоля его в режиме функционирования радиотехнической системы. Настройка проводится на малых уровнях мощности при использовании стандартных генераторов мощности в несколько милливатт, а реальная работа осуществляется на больших уров нях мощности (ватты, десятки ватт, сотни BJITT). Кроме того, мощность в реальной ради технической системе может из-за аварийных ситуаций резко изменяться в больших пределах. Система контроля должна функционировать в таких случаях, так как она г озволяет выявить причину аварии.

1елью изобретения является повышение точности измерения и расширение динамического диапазона изменения мощности в линии передачи. ,-Указанная цель достигается тем, что в измеритель модуля и фазы коэффициента отрахения, содержащий последовательно coeД пенные генератор СВЧ и четырехзон- довыи датчик, выход которого является вхо

дом

для подсоединения исследуемого

е первый фазометр и первый танген- преобразователь, последовательно

двухг олюсника, последовательно соединенж

сный

соединенные первый блок деления, арктан- ,1й преобразователь и индикатор фа- слёдовательно соединенные первый

генсн зы, п блок i

звлечения квадратного корня, второй

блок леления и индикатор модуля, послёдо- вател но соединенные источник опорного- напряжения и блок вычитания, введены по- следозательно соединенные второй фазометр, первь

второй тангенсный преобразователь, 45 и квадратор, первый сумматор, вточен к перво Динен через

рой с/мматор и второй блок извлечения квадратного корня, выход которого подклю- торому входу блока вычитания, выход

Q тангенсного преобразователя сое- с вторым входом первого сумматора

зведенный второй квадратор, выходы первого и второго тангенсных преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока деления, выход (первого сумматора соединен с входом пб|рвого блока извлечения квадратного корня,1 выхед блока вычитания соединен с вторым -входом второго блока деления, а

о v/i п 1ллтг иим1/а rmnnunrn -uan нам/Риме ЛЛвыход источника опорного напряжения со-

5

0

5

0

5

0

0

5

0

5

и

единен с вторым входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехзондо- вого датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов - с входами второго фазометра.

Таким образом, в заявляемом устройстве в отличие от прототипа осуществляется анализ фазового распределения поля линии передачи, а не амплитудного. Это достигается введением заявленных отличительных признаков, которые являются новыми, как отсутствуют в прототипе. Эти признаки обеспечивают получение новых технических свойств, а именно, повышают точность и расширяют динамический диапазон изменения мощности в линий передачи. Это подтверждает существенность заявленных признаков.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор 1, четырехзон- довый датчик 2 и измеряемый двухполюсник 3. Выходы зондов 4, 5, 6, 7 датчика 2 подключены к входам фазометров 8, 9. Причем зонды 4 и 6 подключены к входам фазометра 8, а зонды 5 и 7 к входам фазометра 9. Выходы фазометров 8 и 9 через соответствующие тангенсные преобразователи 10 и 11 подключены к входам соответствующих квадраторов 12 и 13 и к входам первого блока деления 14, выход которого через ар- ктангенсный преобразователь 15 соединен с индикатором фазы 16. Выходы квадраторов 12 и 13 подключены к входам первого сумматора 17, выход которого через первый блок извлечения квадратного корня 18 подключен к входу второго блока деления 19 и непосредственно к входу второго сумматора 21, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 24, а выход через второй блок извлечения квадратного корня 22 подключен ко входу блока вычитания 23, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 24, Выход блока вычитания 23 соединен со вторым входом второго блока деления 19, выход которого соединен с индикатором модуля 20.

СВЧ-генератор 1 предназначен для формирования гармонических колебаний определенной частоты. В качестве СВЧ-ге- нёрзтора 1 может быть использован любой генератор соответствующего диапазона волн из группы приборов Г4 (генераторы измерительные высокочастотные). Для панорамных измерений следует применять генераторы качающейся частоты, например, из комплекса приборов Р2 (измерители КСВ

и ослабления). При встроенном контроле используется генератор радиотехнической системы.

Четырехзондовый датчик 2 предназначен для анализа фазового распределения поля в линии передачи. Для ответвления сигналов из отрезка линии передачи могут использоваться ненаправленные емкостные, индуктивные и индуктивно-емкостные зонды 4,5, 6, 7. Наиболее просто реализуется датчик на основе четырех емкостных штырей, размещенных на расстоянии Я /8 (Я - длина волны в линии передачи). Конкретные конструкции датчиков приведены, например, в 1, 2.

Фазометры 8 и 9 предназначены для измерения фазовых сдвигов между сигналами, ответвленными зондами 4, 6 и 5, 7 соот- ветственно. Для этой цели можно применить серийно выпускаемые нашей промышленностью приборы групп Ф2 и ФК2. В частности, могут быть использованы приборы ФК2-12, Ф.К2-18, ФК2-29 ФК2- 33, ФК2-39 и другие.

Тангёнсные преобразователи 10, 11, квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19, арктангенсный преобразователь 15, сумматоры 17, 21, блоки извлечения квадратного корня 18, 22 и блок вычитания 23 предназначены для осуществления соответствующих функциональных преобразований. Схемные реализации этих блоков широко известны, весьма разнообразны и приведены, например, в 5. При использовании цифровых выходов фазометров 8 и 9 перечисленные блоки следует реализовать в цифровом виде с использованием цифровых интегральных схем и микропроцессоров.

Источник опорного -напряжения 24 предназначен для выработки напряжений, условно принятых за единицу в конкретных схемах. Реализовать его можно с помощью стабилизаторов постоянного напряжения и делителей напрях ения на прецизионных резисторах. Схемы этих устройств широко известны и не требуют пояснений и ссылок,

Индикаторы фазы 16 и модуля 20 предназначены для индикации результатов измерения. Для этих целей могут быть использованы стрелочные, цифровые, графические к другие типы индикаторов.

Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения работает следующим образом. Рассмотрим линию передачи без по.терь. Отсчет расстояния I будем проводить от плоскости подключения исследуемого двухполюсника 3, т.е. справа-налево. В отрезке линии передачи с ч етырехзондовым

и

датчиком 2 в общем случае будет существовать падающая волна с комплексной амплитудой Опад.О), которая распространяется в направлении от генератора СВЧ 1 к двухполюснику 3, и отраженная волна с комплексной амплитудой Оотр-О), которая распространяется в обратном направлении. В результате интерференции этих волн получаем суммарную волну с комплексной амплитудой

и(1)0пад.(1) + 0отр.(1).(1) Обозначим значение комплексных амплитуд падающей и отраженной волн в плоскости подключения двухполюсника 3 через Оо пад. и

Оо отр. соответственно. Тогда комплексные амплитуды этих волн на расстоянии I от нагрузки будут равны

Опад.О) U0 пад е /3 ; Оотр(0 Ос

JQ отрс

20

25

где уЗ 2л /Я - волновое число;

Я - длина волны в линии передачи. Подставив эти значения в формулу (1), получим

ОШ-Оопад. +UooTP. (2) Вынесем за скобки член Оопад.е /

. i + e-J2/

иопад

(3)

30 По определению величина и0отр./и0пад. является комплексным коэффициентом отражения двухполюсника 3 в плоскости подключения к датчику 2, т.е.

35Й Г , (4) 00 иопад.

где 1Г|, / - модуль и фаза комплексного коэффициента отражения двухполюсника 3.

Подставим (4) в(3) 4П 0(1)0опад. 1+ I Г| e-j().

° (5)

используя формулу Эйлера, представим (5) следующим образом

ОонХпзде1 1 1 + I Г I cos ( -$}

-П rlsjn(2/3l-p)(6) Сигналы, которые ответвляются зондами 4, 5, 6, 7, будут иметь вид

Ui(lKW.eJ Kj 1+ir| cos( )-

-j |rlsin(2Јl-p)(7) где i - номер зонда ( 4, 5, 6, 7);

К - комплексный коэффициент передачи i-ro зонда.

Из (7) определим начальные фазы ответвляемых сигналов, полагая начальную фазу падающей волны в плоскости подключения двухполюсника З..нулевой

. , Ј Г I sin ( - tf) . ,,. , Jt . f. h , , -/, +Ј, -arctg , + , г , со,, %) ДЧ (3 +& -&) +

I Г I cos(2/9l7-y)

(f)

где Јi - аргумент комплексного коэффици-+arctq

ента передачи 1-го зонда KI,5 --

Учтем, что расстояния между зондами 4,1 + I Г I sin (2/И7 - у) j, 6, 7 выбираются равными А/8, т.е. le

+ A /8;l5 l7+A /4;U I7 + 3A /8,+ arctg r cos () тогда начальные фазы ответвляемых сигна- „ i r- i

с«л 1-f SID ( 2 р 7 V )

л эв будутш v у

10

A(-f+|7-|5)4b / l7+S7-««fl t n.ln(2ffl7-y)

1 -| Г I cos ((p) Чб /517+/ + 6|r|sin(2/ t7+2/ - -y5)

апд--г- --; 8 v; -(10)

1+1Г lcos(2/ l7+2/ - -V) 45 /3l7+ +& I Г1.in (2/817+2 -|-)

attg------------- ---- .(n)Ф

1 +| П cos (2/31 +2/3- -) / 17+/3- -+|4.- о

arctgзА

|r|Sin(2/ l7+2/ - -y)

зА

1+ I Г I cos ( +2/9 - -y)

Показания фазометров 8 и 9 при соответс вующем подключении входов будут равны

П уч

д% ч/4-Ч б, (13) , (14)

дставляя в (13) и (14) формулы (9)-(12) тывая, что /3 2 л/А .получим

ft « +1;4 - Јб

|Г| sin(2/8l7+- -) arctg ---г------ ----- + рЗлг

1 + rrlcos(2/3l7+-4Ј--y)

л:

a -ctg

I Г I sin(2/Sl7+f-y)

05)

Путем введения компенсирующих фазовых сдвигов с помощью фазовращателей, которые имеются в любом фазометре, можно

а л- - добиться нулевых показаний фазометров 8 1 + I Г I cos (2p l7 + ) 50 и 9. С учетом этого соотношения (20) и (21)

могут быть записаны в виде

I Г I cos () а

Tlsln() + 1 + I Г I cos()

|Г|51п(2/ 17+лг-у) (16)

1 + I Г I cos(2/3l7-f;7r-)

I Г I cos(2/9l7-y) +

--

.(17)

1-f SID ( 2 р 7 V )

v у

A(-f+|7-|5)-arctglrisin(2/3l7-f)

1 - I Г I cos(2/3l7 -y)

.arctgirisln(2/.7-y) (18)

1 + I Г I cos ( -у)

Свернем (17) и (18), используя известную формулу

arctg a + arctg у arctg Jy (19) В результате преобразований получим

A4fe(J+Ј,-&) +

+ arctg

2 | Г I cos(2/ l7-y7)

,(20)

-arctg 35

30

1 - I Г

AW(-f+ )2 I Г I sin(2/JI7-y)

,(21)

В выражениях (20) и (21) первые члены в круглых скобках являются постоянными величинами и не зависят от измеряемых параметров: IГ | и (р. Эти члены могут быть исключены при калибровке измерителя по согласованной нагрузки, для которой IГI 0. Подставляя в (20) и (21) значение J Г| 0, видим, что показания фазометров 8 и 9 будут соответственно равны:

5 A4fo(-f+&-&)ДЧЬ)(-|+&-&)

Путем введения компенсирующих фазовых сдвигов с помощью фазовращателей, которые имеются в любом фазометре, можно

2 I Г I cos () а

A4fe arctg. 2 55 1 - I Г I

,а(22)

ДЧ arctg 2lrlsin -2 17). (23) .

1 - I Г I

Эти соотношения представляют собой систему из двух уравнений с двумя неизвестными: IГI и р. Для определения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения напряжения с выходов фазометра по- ступают на тангенсные преобразователи 10 и 11, с выходов которых снимают сигналы

единичное напряжение от источника опорного напряжения 24. На выходе второго сумматора имеем

2

I 1 , I I ... Л Т | I | .

V зобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для измерения комплексного коэффициента отражения .и полного сопротивления различных двухполюсников. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона изменения мощности. Измеритель содержит СВЧ-генератор 1, четырехзондовый датчик 2, фазометры 8, 9, тангенсные преобразователи 10, 11. квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19, арктангенсный преобразователь 15, индикатор фазы 16, сумматоры 17. 21, блоки извлечения квадратного корня 18. 22, блок вычитания 23 и источник опорного напряжения 24 Цель изобретения достигается за Счёт введения фазометра 9, преобразователя 11, квадраторов 12, 13, сумматоров 17, 21 и блока 22. 1 ил.

. (24).

1 -|Г|

U11 - tg Аг 2|Г|51п()

(25)

U13 U LI

(28)

2 2

O-iri )

Этот сигнал поступает на вход первого блока извлечения квадратного корня 18, на вы- ходе которого

20

25

30

-. . 1-IM :;-:;:

Сигналы с выходов тангенсных преобразо- 15 вателей 10 и 1.1 поступают на входы делителя и делимого первого блока деления 14. При этом на выходе этого блока формируется сигнал ; ::: - ,

№$ - fa-v

Этот сигнал поступает на вход арктангенсно- го.преобразователя 15. на выходе которого получаем сигнал, пропорциональный фазе комплексного коэффициента отражения Ui5 arctgUi4 I (27) Этот сигнал поступает на индикатор фазы 16. Исключение постоянной величины -2 ft I из результата осуществляется путем начальной установки показаний индикатора при калибровке по образцовой мере с нулевой фазой, либо с любым другим заранее известным значением фазы. Для этих целей удобно использовать короткозамыкатель. - ;

Сигналы Uio и U tt С выходов тангенсных преобразователей 10 и 11 поступают также на квадраторы 12 и 13, на выходах которых

получаем

I Г I cos2(yT-2ffl7) 22

O-iri ) ;

4 | Г I sin2 (1-201)

2 2

(1-1П)

Эти сигналы поступают на входы первого сумматора 17, на выходе которого получим

.... - : ..... 2

+ U13 --4 Г. «.; (30)

(29)

50

55

35

40

45

U.18ЛЕГ-Л4Й(3D

1 - I Г Г

Одновременно сигнал с выхода первого сумматора 17 поступает на вход второго сумматора 21, ьа второй вход которого подано

22(32)

(1-1П )

Этот сигнал поступает на вход второго блока извлечения квадратного корня 22, на выходе которого

; : .. - 2

и22 :А/ПГ +| Г 2(зз)

. ;;. v 1 - I Г I Этот сигнал поступает на вход уменьшаемого блока вычитания 23, на вход которого подано единичное напряжение от источника опорного напряжения 24. На выходе блока вычитания 23 будем иметь

1 + I Г I

U23 U22-1

-1

1 - I Г

30

2 I Г I

.......(34)

- г Г :

Таким образом на вход делимого второго блока деления 19 подан сигнал 1)23, а на вход делителя сигнал Uie. Тогда на выходе второго блока деления 19 будет сигнал

35

и„-ЙI г|

(35).

50

55

40

45

Это сигнал поступает на индикатор модуля 20.

Докажем получение заявленного положительного эффекта.

Повышение точности в заявленном устройстве обусловлено следующими причинами:

1) исключается погрешность из-за не- квадратичности детектора, так как в заявленном устройстве измеряется не мощность ответвленного сигнала, а фаза. СВЧ-детек- тор при этом из схемы исключен;

2) исключается погрешность из-за неидентичности глубины погружения зондов, так как изменение глубины погружения приводит к изменению коэффициента передачи и, как следствие, к изменению ответвляемой мощности, а на фазу ответвляемого сигнала практически не влияет;

3) исключается погрешность из-за неидентичности потерь пропускания каналов СВЧ-коммутатора и из-за нестабильности этих потерь, так как СВЧ-коммутатор исключен из схемы.

Динамический диапазон изменения мощности в линии передачи в заявляемом у( тройстве будет шире, поскольку фазометр обладает существенно большим динамиче- диапазоном входных сигналов, чем С ЗЧ-детектор. Этот диапазон определяется кс эффициентом усиления усилителя-ограничителя, который может быть очень больФормула изобретения Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ и четырехзондовый датчик, выход которого является входом для подсоединения исследуемого двухполюсника, последовательно соединенные первый фазометр и первый тангенсный преобразователь, последова- тетьно соединенные первый блок деления, арктангенсный преобразователь и индика- то з фазы, последовательно соединенные пе эвый блок извлечения квадратного корня, второй блок деления и индикатор модуля, последовательно соединенные источник опорного напряжения и блок вычитания, о т- л I/ чающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона изменения мощности, введены по:ледовательно соединенные второй фа- зо иетр, второй тангенсный преобразовашим. Типовое значение динамического диапазона входных сигналов 60-100 дБ (смотри, например фазометры ФК2-29, ФК2-33, и другие). Таким образом, динамический диапазон мощности в линии передачи при прочих равных, оговоренных ранее, условиях составит не менее () 40 дБ, т.е. на 25 дБ шире, чем в прототипе.

тель, первый квадратор, первый сумматор, второй сумматор и второй блок извлечения квадратного корня, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, выход первого тангенсного преобразователя соединен с вторым входом первого сумматора через введенный второй квадратор, выходы первого и второго тангенсных преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока деления, выход первого сумматора соединен с входом первого блока извлечения квадратного корня, выход блока вычитания соединен с вторым входом второго блока деления, а выход источника опорного напряжения соединен с вторым-входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехзондо- вого датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов - с входами второго фазометра.