Устройство для измерения коэффициента отражения двухполюсника СВЧ Советский патент 1993 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к измерительной технике СВЧ и может быть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения в СВЧ-трактах, а также может применяться в электронной промышленности для автоматизации процесса измерения модуля и фазы коэффициента отражения СВЧ- нагрузки.

Цель изобретения - повышение точности измерения и сокращение времени измерения.

Предлагаемое устройство для измерения модуля и фазы коэффициента отражения в СВЧ-трактах отличается от прототипа следующими конструктивными признаками:

1. Оптимальным расположением датчиков, при котором расстояния между соседними датчиками прямо пропорциональны длине волны в СВЧ-тракте и обратно пропорциональны числу датчиков.

2, Введением измерителя-преобразователя..

В измерительной линии устройства, используемого для измерений полных сопротивлений и коэффициента стоячей волны в широком диапазоне частот, имеется признак, сходный с первым признаком заявляемого устройства: часть датчиков измерительной линии расположена на произвольных одинаковых расстояниях друг от друга. Расширение динамического и частотного диапазона достигается за счетустанов- ления двух дополнительных датчиков в плоскостях присоединения измерительной линии к СВЧ-генератору и к исследуемой нагрузке, Однако данная измерительная линия не позволяет производить измерения с максимально возможной точностью в смысле минимума среднеквадратической ошибки ни на одной частоте из рабочего диапазона. По00

о ел N о VI

вышение точности достигается только в реднем по диапазону. Размещение в изерительной линии заявляемого устройства всех датчиков на указанных расстояниях позволяет производить измерения с минимально возможной среднаквадратической шибкой на заданной частоте.

Известно устройство, имеющее признак, сходный со вторым признаком, отличающим заявляемое устройство от прототипа. Устройство содержит последовательно соединенные аналоговый перемножитель и интегратор и применяется для оценки амплитуды сигнала известной формы. В заявляемом устройстве измеритель-преобразователь состоит из последовательно соединенных синхронного детектора, интегратора и АЦП, управляемых синхронизатором, причем синхронизатор одновременно осуществляет амплитудную модуляцию генератора. В качестве аналогового перемножителя здесь используется синхронныйдетектор. Применение в заявляемом устройстве измерителя-преобразователя состоит из последовательно соединенных синхронного детектора, интегратора и АЦП, управляемых синхронизатором, причем синхронизатор одновременно осуществляет амплитудную модуляцию генератора. В качестве аналогового перемножителя здесь используется синхронный детектор. Применение в заявляемом устройстве измерителя- преобразователя одновременно с оценкой амплитуды сигнала позволяет устранить переходные процессы при последовательном опросе датчиков, что сокращает время измерения.

Анализ свойств заявляемого и известных решений показывается, что у заявляемого устройства появляется ново.е свойство, не совпадающее со свойствами известных решений, - возможность проведения измерений с максимально возможной точностью на заданной частоте и одновременным сокращением времени измерения модуля и

фазы коэффициента отражения СВЧ нагрузки.

На чертеже представлена блок-схема

заявляемого устройства.

Устройство .содержит генератор СВЧ сигналов 1, соединенный с измерительным трактом 2, вдоль которого расположены измерительные датчики 3. К выходу измери- тельного тракта 2 подключена нагрузка 4, Выходы измерительных датчиков 3 через коммутатор 5 соединены с измерителем- преобразователем 6. Измеритель-преобразователь 6 состоит из Синхронного детектора 7, интегратора б/синхронизатора 9 и аналого-цифрового преобразрвателя (АЦП) 10, причем синхронный детектор 7,

интегратор 8 и АЦП 10 соединены последовательно, а к управляющим входам каждого из них подсоединены выходы синхронизатора 9. Измеритель-преобразователь 6 сое- динен также с блоком управления 11, выключателем 12 и генератором СВЧ сигналов 1. Блок управления 11 соединен с коммутатором 5, а АЦП 10 с вычислителем 12.

Устройство работает следующим образом.

Генератором СВЧ 1 и нагрузкой 4 создается стоячая волна в измерительном тракте 2. Синхронизатор 9 осуществляет амплитудную. модуляцию генератора 1. Сигналы с выходов датчиков, пропорциональные квадратам напряжений стоячей волны в местах их расположения, поступают через управляемый блоком управления 11 коммутатор

5 на измеритель-преобразователь 6, где преобразуется с помощью синхронного детектора 7, интегратора 8, синхронизатора 9 и АЦП 10 следующим образом. После команды начала преобразования, поступающей от бло«а управления 11 в течение времени Ti, производится сброс интегратора 8, затем в течение времени Та производится интегрирование сигнала с выхода синхронного детектора 7, после чего выход синхронного

детектора отключается от входа интегратора, и сигнал с выхода интегратора преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП 10. На вычислитель 12 передается результат измерения и уведомления об окончании

преобразования. Вычислитель производит обработку измерительной информации по формулам. Синхронизатор 9 формирует сигнал амплитудной модуляции СВЧ-генерато- ра, опорное напряжение синхронного

детектора и сигналы управления интегратором.

Макет установки выполнен на базе мик- роЭВМ Электроника-60, используемой в качестве блока управления 11 и вычислителя 12. В качестве генератора 1 используется генератор СВЧ Г4-79.

Измерительный тракт 2 выполнен на основе волновода сечением 45 х 90 с коакси- ально-волновым переходом для соединения

с генератором 1 и фланцем для присоединения нагрузки 4. Восемь датчиков 3 () размещены вдоль широкой стенки волновода на расстоянии 54,5 мм друг от друга (что соответствует , ,53 см) и содержат

элемент .связи - погруженный в волновод штырь, аттенюатор и детекторный диод М33402-7. Коммутатор 5 и измеритель-преобразователь 6 смонтированы на встраиваемой в микроЭВМ Электроника-60 унифицированной плате интерфейса И5.

Коммутатор 5 и синхронный детектор 7 выполнены на аналоговых ключах микросхем серии К590, в интеграторе 8 используется операционный усилитель серии К140 и аналоговые ключи серии К590, АЦП выполнен на микросхеме К572, синхронизатор 9 состоит из тактового генератора и таймеров, выполненных на микросхемах серии К155. Связь коммутатора 5 и измерителя-преобразователя 6 с интерфейсом Общая шина микроЭВМ осуществляется через унифицированный интерфейс И5 Электроника-60.

Устройство позволяет:

1. Обеспечить требуемую точность измерения модуля и фазы коэффициента отражения СВЧ-иагрузки на заданной частоте выбором необходимого числа N оптимально расположенных датчиков. При этом, за счет подбора параметра расположения датчиков К, можно провести удобный для технической реализации выбор расположения датчиков. Используемое расположение датчиков минимизирует детерминат матрицы (Z-Z)(Z-Z)T ошибок измерения амплитуды стоячей волны, модуля и фазы коэффициента отражения нагрузки, которая для предлагаемого устройства имеет вид:

матрицы R ошибок заявляемого устройства с соответствующими матрицами ошибок аналога и прототипа дает увеличение точности измерений модуля и фазы коэффициен- 5 та отражения в СВЧ трактах в N/3 раз относительно аналога и на 10-12% по сравнению с прототипом.

2. Увеличить скорость измерений в 4,5- 8 раз по сравнению с прототипом в зависи0 мости от требуемой точности измерения напряжения датчиков. Сокращение времени измерения достигается за счет исключения переходных процессов, имеющих место в применяемых в аналоге и прототипе пре5 образователях, Для одинаковых дисперсий ошибок, измеряемых напряжений датчиков постоянная времени Т должна равняться времени интегрирования. Т2 интегратора, при этом время переходного процесса Тп

0 составляет е , где Ј - относительная точность измерения. Для заявляемого устройства, содержащего измеритель-пре- образователь, время измерения сигнала датчика равно: Т Т1Н-Т2+Тдцп, где Тдцп 5 время аналого-цифрового преобразователя. Обычно Ti « Тдцп « Т2, при этом увеличение скорости опроса датчиков составляет e раз. Например, при 7-разрядном АЦП Е и ,5 при

0 12-разрядном АЦП е 3 х , . При отношении сигнал/шум в блоке обработки менее 10-14 дБ в прототипе применение измерителя-преобразователя позволяет получать несмещенные оценки амплитуд

5 сигналов с датчиков, что улучшает точность измерения модуля и фазы коэффициента отражения.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для измерения модуля и-фазы комплексного коэффициента отражения двухполюсников СВЧ. Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерений. Устройство содержит генератор СВЧ-сигнала, многофазовый датчик, коммутатор, синхронный детектор, интегратор, синхронизатор, аналого-цифро- вой преобразователь и блок обработки и управления. Повышение точности достигается благодаря выбору расстояния между зондами датчика, кратного 2М-части длины волны, где N-число зондов, а сокращение времени измерений - за счет введения синхронного детектора, интегратора и синхронизатора. 1 ил.

,/-г

Z(p, G,(p) -вектор рассчитанных значений параметров; Z(p, G, р)т - вектор их истинных значений; Р - квадрат амплитуды напряжения датчиков; G,-tp- модуль и фаза коэффициента отражения нагрузки; N - число датчиков; сг-дисперсия ошибок измерения амплитуд сигналов датчиков; Е .,. - оператор математического ожидания. Расположение, минимизирующее детерминат матрицы ошибок, пропорциональный квадрату эллипсоида ошибок измерения, представляет собой D - оптимальный план эксперимента в методе наименьших квадратов и обеспечивает независимость ошибок измерения модуля и фазы, что является важным достоинством предлагаемого расположения датчиков по сравнению с анало- .гом и прототипом. Сравнительный анализ

40,

Формула изобретения

Устройство для измерения коэффициента отражения двухполюсника СВЧ, содержащее последовательно соединённые генератор СВЧ-сигнала и многозондовый

датчик, выход которого является выходом для подсоединения исследуемого двухпо- л юсника, а выходы зондов соединены с входами коммутатора, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и управления, первый управляющий выход которого соединен с управляющим входом-коммутатора, о т л ич а ю щ е ее я тем,.что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения,

выход коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя через введенные последовательно соединенные синхронный детектор и интегратор, опорные входы синхронного детектора.

интегратора и аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами введенного синхронизатора, четвертый выход которого подсоединен к управляющему входу генератора СВЧ-сигнала, а вход - к второму допол- нительному выходу блока обработки и

управления, при этом расстояния UL между зондами многозондового датчика выбраны из соотношения K/2N, где N - число зондов, , A - длина волны в многозондовом датчике, К - целое число, не кратное N/2.