способ измерения параметров свч четырехполюсников и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров СВЧ четырехполюсников путем создания различных режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра, включающий режим двух односторонних возбуждений измеряемого объекта амплитудно-модулированным сигналом и измерения рефлектометрами отношений ¹₁, ¹₂ комплексных амплитуд отраженных и падающих волн на входах измеряемого устройства, связанных с определяемыми S-параметрами соотношениями

и

отличающийся тем, что проводят возбуждение измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра немодулированным сигналом и наоборот, определяют ²₂, связанное с определяемыми S-параметрами соотношением

а при возбуждении измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра немодулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом определяют ²₁, связанное с определяемыми S-параметрами соотношением

где S₁₁, S₂₂, S₁₂, S₂₁ - комплексные элементы волновой матрицы рассеяния исследуемого СВЧ четырехполюсника;

Г_р1, Г_р2 - комплексные коэффициенты отражения от рефлектометров в плоскости подключения исследуемого СВЧ четырехполюсника;

₁₀, ₂₀ - комплексные амплитуды первичных падающих волн на исследуемый СВЧ четырехполюсник.

2. Устройство по способу п.1, содержащее генератор СВЧ с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, один из которых подключен к первому выходу делителя мощности, а другой ко второму выходу делителя мощности, два двенадцатиполюсных рефлектометра, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего амплитудного модулятора, а выход является входом для подключения исследуемого СВЧ четырехполюсника, отличающийся тем, что амплитудные модуляторы имеют одну частоту и дополнительно введены два СВЧ вентиля, каждый из которых включен между выходом модулятора напряжения и входом соответствующего рефлектометра.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в него введены два СВЧ вентиля, каждый из которых включен между одним из выходов делителя мощности и входом соответствующего амплитудного модулятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано при создании приборов и систем для определения параметров СВЧ-устройств в стандартных каналах и для антенных измерений.

Известен способ измерения волновых параметров рассеяния четырехполюсных устройств анализатором цепей с двумя рефлектометрами (Ноеr С.A., A. Network Analyser Incorporating two six-port Reflectometer-IEEE Trauson Microwave theory and techniques, 1977, vol. Мtt-25, №12, p. 1070-1074).

Измеряемое устройство по этому способу возбуждается с обоих входов одновременно СВЧ сигналами с разными фазовыми сдвигами. В каждом из трех режимов возбуждения (k=1, 2, 3) рефлектометры фиксируют отношения (комплексных амплитуд отраженных и падающих волн на входах (i=l, 2) измеряемого устройства ^k_i=b^k_i/а^k_i. Система уравнений ^k₂S₁₁+ ^k₁S₂₂- =^k₁^k₂; k=1, 2, 3, позволяет определить S-параметры взаимных четырехполюсных устройств, у которых S₁₂=S₂₁.

Известен способ измерения S-параметров элементов СВЧ-тракта по которому вычисленные в трех режимах измерения (с подключением разных нагрузок) значения коэффициентов отражения на входе и выходе СВЧ-четырехполюсника позволяют определить его S-параметры (авторское свидетельство SU №1677669, кл. G 01 R 27/28, 15.09.91), принятый в качестве прототипа.

Недостатком таких способов является ограниченный динамический диапазон измерений коэффициента передачи S₂₁ в силу того, что через ^k₁ определяется не S₂₁, а произведение S₁₂S₂₁, кроме того, для определения коэффициентов передачи S₂₁ и S₁₂S₂₁ невзаимных СВЧ-четырехполюсников требуются специальные меры, усложняющие процесс измерений и снижающие точность измерений.

Технической задачей предлагаемого способа измерения параметров СВЧ-четырехполюсников является увеличение динамического диапазона измерений и расширение его функциональных возможностей.

Сущность предлагаемого способа измерения параметров СВЧ-четырехполюсников заключается в создании различных режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра, включающих режим двух односторонних возбуждений измеряемого объекта амплитудно-модулированным сигналом и измерения рефлектометрами отношений комплексных амплитуд отраженных b и падающих а волн на входах измеряемого устройства ¹₁, ¹₂, связанных с определяемыми S-параметрами соотношениями:

затем возбуждения измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра немодулированным сигналом и наоборот, определения ²₂, связанного с определяемыми S-параметрами соотношением:

а при возбуждении измеряемого объекта со стороны первого рефлектометра немодулированным сигналом и со стороны второго рефлектометра амплитудно-модулированным сигналом определения ²₁, связанное с определяемыми S-параметрами соотношением:

и решением полученной системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными S₁₁ S₂₂ S₁₂ S₂₁.

Известен измеритель S-параметров элементов СВЧ-тракта, который содержит генератор СВЧ, четырехзондовые датчики, исследуемый четырехполюсник СВЧ, направленный ответвитель падающей волны, исследуемый двухполюсник СВЧ, трехканальный СВЧ-коммутатор, нагрузки с различными коэффициентами отражения, блок обработки информации и управления СВЧ-коммутатором (авторское свидетельство SU №1677669, кл. G 01 R 27/28, 15.09.91). Процесс измерения параметров элементов СВЧ-тракта состоит в определении коэффициентов отражения на входе устройства при подключении трех нагрузок. Полученные коэффициенты отражения на входе и выходе СВЧ-четырехполюсника позволяют определить его S-параметры.

Известно устройство для измерения параметров СВЧ-четырехполюсников, содержащее СВЧ-генератор с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два двухпозиционных СВЧ-переключателя, управляемые блоком управления и обработки информации, два вентиля и два двенадцатиполюсных рефлектометра, между выходами которых включаются исследуемые СВЧ-четырехполюсники (Woods D. Explicite, Solution of calibration Equation for a Dual G-point Network Analyser. - Elektron Lett, 1979, vol. 15, 22, p. 718-720).

В качестве ближайшего аналога предлагаемого устройства для измерения параметров СВЧ-четырехполюсников принято устройство для измерения волновых параметров рассеяния СВЧ-устройств анализатором цепей с двумя рефлектометрами (IEEE Transactions on Microwave theory and techniques, vol. 38, 3, march 1990), содержащее СВЧ-генератор с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два pin-модулятора напряжения, работающих на разных частотах, 3-dB квадратурный направленный ответвитель и два двенадцатиполюсных рефлектометра, между выходами которых включаются исследуемые СВЧ-четырехполюсники.

Недостатком вышеуказанных устройств является ограниченный динамический диапазон измерений, расширение которого возможно только за счет усложнения устройств, снижения их надежности и значительного повышения стоимости.

Технической задачей предлагаемого устройства, осуществляющее заявляемый способ измерения параметров СВЧ-четырехполюсников, является увеличение динамического диапазона измерения и расширение его функциональных возможностей.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройство, содержащее генератор СВЧ с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, один из которых подключен к первому выходу делителя мощности, а другой - ко второму выходу делителя мощности, два двенадцатиполюсных рефлектометра, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего амплитудного модулятора, а выход является входом для подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника, амплитудные модуляторы имеют одну частоту модуляции и дополнительно введены два СВЧ-вентиля, каждый из которых включен между выходом модулятора напряжения и входом соответствующего рефлектометра.

В варианте выполнения устройства в него введены два СВЧ-вентиля, каждый из которых включен между одним из выходов делителя мощности и входом соответствующего амплитудного модулятора. Это обеспечивает межканальную развязку в гомодинном режиме детектирования для исключения проникновения амплитудно-модулированного сигнала минуя объект измерения.

На фиг.1 и фиг.2 изображены структурные электрические схемы измерителя параметров СВЧ-четырехполюсников.

Измеритель параметров СВЧ-четырехполюсников, реализующий предложенный способ, содержит генератор СВЧ 1 с подсоединенным к его выходу делителем мощности 2, два амплитудных модулятора 3 и 4, один из которых 3 подключен к первому выходу делителя мощности 2, а другой 4 ко второму выходу делителя мощности 2, два двенадцатиполюсных рефлектометра 5 и 6, вход рефлектометра 5 соединен с выходом амплитудного модулятора 3 через вентиль 7, а вход рефлектометра 6 соединен с выходом амплитудного модулятора 4 через вентиль 8. Выходы рефлектометров 5 и 6 являются входами для подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника 9. Амплитудные модуляторы 5 и 6 имеют одну одинаковую частоту модуляции, они позволяют подавать на рефлектометры через вентили амплитудно-модулированный, немодулированный синусоидальный сигнал и переводить рефлектометры в режим пассивной нагрузки для измеряемого устройства. В последнем случае вход вентиля модулятор подключает к согласованной нагрузке. Вентили СВЧ 10 и 11 включены на каждом из выходов делителя мощности 2 перед входом соответствующего модулятора 3 и 4.

Схемная реализация устройства. В качестве СВЧ-генератора может быть использован генератор типа Г4-79 или встроенный синтезатор частоты. Делитель мощности выполнен в виде кольцевого делителя с развязкой порядка 20 дБ. СВЧ-вентили построены на основе У-циркуляторов. Рефлектометры могут быть выполнены аналогично прототипу (см. приложение) или по схеме свидетельства на полезную модель №23336. Модуляторы построены на транзисторных электронных ключах типа SW-439 и согласованных нагрузках (резисторы).

Способ на измерителе параметров СВЧ-четырехполюсников реализуется следующим образом.

При возбуждении исследуемого СВЧ-четырехполюсника 9 через рефлектометры 5 и 6 амплитудно-модулированным и немодулированным синусоидальными СВЧ-сигналами на выходах датчиков рефлектометров появляются напряжения, связанные с отношениями _i=b_i/а_i комплексных амплитуд падающих и отраженных волн на соответствующих входах измеряемого устройства (i=1, 2). Измеренные при разных режимах возбуждения коэффициенты ^k₁, ^k₂ позволяют определить комплексные элементы волновой матрицы рассеяния S₁₁, S₂₂, S₁₂, S₂₁ устройства.

Процесс измерения параметров элементов СВЧ-тракта состоит из следующих режимов возбуждения измеряемого объекта через два двенадцатиполюсных рефлектометра 5 и 6.

Проводят режим двух поочередных односторонних возбуждений измеряемого объекта 9 амплитудно-модулированным сигналом с первого (i=1), а потом со второго (i=2) входа и измерения рефлектометром 5, а потом рефлектометром 6 отношений _i комплексных амплитуд отраженных b_i и падающих а_i волн на соответствующих входах измеряемого устройства, связанных с определяемыми S -параметрами соотношениями:

где Г_p1, Г_p2 - комплексные коэффициенты отражения от рефлектометров 5 и 6 в плоскости подключения исследуемого СВЧ-четырехполюсника.

При каждом одностороннем возбуждении один рефлектометр активен и работает в режиме амплитудного детектирования, другой выполняет функцию пассивной нагрузки. Затем возбуждают измеряемый объект 9 со стороны первого рефлектометра 5 амплитудно-модулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра 6 немодулированным сигналом и в режиме гомодинного детектирования определяют ²₂, связанное с S-параметрами соотношением:

²₂=S₂₁a₁₀/(1-S₁₁Г_p2)a₁₀.

При возбуждении измеряемого объекта 9 со стороны первого рефлектометра 5 немодулированным сигналом, а со стороны второго рефлектометра 6 амплитудно-модулированным сигналом с модулятора 4 в режиме гомодинного детектирования определяют ²₁, связанное с S-параметрами соотношением:

²₁=S₁₂a₂₀/(1-S₂₂Г_p2)a₁₀.

Здесь а₁₀/a₂₀ - отношение комплексных амплитуд первичных падающих волн на измеряемое устройство.

Таким образом, S-параметры измеряемого устройства можно определить из системы уравнений (1), (2), (3), (4).

Существенно, что рефлектометры, возбужденные немодулированным синусоидальным сигналом, работают в режиме гомодинного детектирования, обладая повышенной чувствительностью к модулированному сигналу, прошедшему через объект измерения, и, следовательно, позволяют определить весьма малые значения коэффициентов передачи в диапазоне -40- -60 дБ.

Постоянство отношений комплексных амплитуд первичных падающих волн а₂₀/а₁₀ и комплексных коэффициентов отражения Г_p1, Г_р2 от рефлектометров обеспечивается при калибровке и измерениях развязывающими устройствами (СВЧ-вентилями 7, 8, 10, 11).

При измерении S-параметров устройств с коэффициентом передачи менее -40 дБ режим двухстороннего возбуждения амплитудно-модулированным сигналом позволяет определить ³₁ ³₂, связанные с определяемыми S-параметрами соотношениями:

Эти соотношения вместе с уравнениями (1) (2) позволяют определить S-параметры устройств с КП от +10 до -40 дБ. Кроме того, каждый из рефлектометров с гомодинным детектированием информационных сигналов по существу является измерителем разности фаз и отношений уровней, что существенно расширяет функциональные возможности прибора. Так, например, для измерения амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в ближней зоне антенны или диаграммы направленности следует возбудить ее через рефлектометр амплитудно-модулированным сигналом, а приемную антенну подключить к другому рефлектометру с гомодинным детектированием сигналов. В устройстве отсутствуют дорогостоящие направленные ответвители, балансные смесители и ступенчатые фазовращатели, используемые в гомодинных анализаторах СВЧ-цепей. Таким образом, достоинство предлагаемого анализатора цепей с амплитудным и гомодинным детектированием информационных сигналов состоит в простоте СВЧ-тракта и прибора в целом, обладающего расширенным динамическим диапазоном и широкими функциональными возможностями.