способ повышения точности калибровки уровня выходного сигнала генераторов свч- и квч-диапазонов
Классы МПК: | H03B21/00 Генерирование электрических колебаний путем комбинирования немодулированных сигналов различной частоты |
Автор(ы): | Павловский Олег Петрович (RU), Моисеев Павел Дмитриевич (RU), Никифоров Лев Борисович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт "Кварц" имени А.П. Горшкова" (ОАО "ФНПЦ "ННИПИ "Кварц" имени А.П. Горшкова") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-01-17 публикация патента:
20.02.2014 |
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке, серийном выпуске и эксплуатации источников сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Достигаемый технический результат - повышение точности калибровки во всем диапазоне СВЧ и миллиметровом диапазоне длин волн. Способ калибровки уровня мощности генератора СВЧ или КВЧ-диапазона характеризуется тем, что при калибровке используют два отрезка измерительного тракта, отличающиеся по длине на /4·(2n+1), при n = 0,1,2, , где /4 - длина волны электромагнитных колебаний в измерительном тракте, которые подключают поочередно к выходу генератора, измеряют мощность сигнала на их выходах и вычисляют полусумму двух измерений уровней мощности выходного сигнала генератора. 2 ил., 1 табл.
Формула изобретения
Способ калибровки уровня мощности генератора СВЧ- или КВЧ-диапазона, отличающийся тем, что для измерения мощности сигнала генератора используют два отрезка измерительного тракта с разностью длин при n=0, 1, 2 , где длина волны электромагнитных колебаний в измерительном тракте, которые подключают поочередно к выходу генератора и измеряют первоначально мощность на выходе одного отрезка тракта, а затем мощность на выходе другого отрезка тракта, и вычисляют полусумму двух измерений уровней мощности выходного сигнала генератора.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при калибровке выходной мощности сигнала измерительных генераторов СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Под КВЧ-диапазоном понимается миллиметровый диапазон длин волн (частоты выше 30 ГГц).
Наиболее близким к предлагаемому является способ описанный в статье [1], в котором измерение полусуммы мощностей проводится по схеме, приведенной на фиг.1, где обозначено:
1 - генератор
2 - фазовращатель
3 - измеритель мощности
В тракте между генератором и измерителем мощности включается фазовращатель, имеющий переменный фазовый сдвиг не менее 180°. Фазовращателем, добиваются максимальных показаний измерителя мощности Рмах и затем минимальных показаний Рмин. Мощность генератора вычисляется по формуле
Указанный способ взят за прототип и имеет следующие недостатки:
- неприменим на верхних частотах СВЧ и в миллиметровом диапазоне длин волн из-за невозможности создания такого фазовращателя;
- уже на нижних частотах СВЧ-диапазона, где он экспериментально проверялся (частота 10 ГГц), должны учитываться потери в фазовращателе, о чем в работе не говорится;
- на каждой частоте, если измерение мощности генератора проводится в диапазоне частот, фазовращатель должен механически настраиваться на два положения, что не позволяет автоматизировать процесс измерений.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности калибровки генераторов во всем диапазоне СВЧ и миллиметровом диапазоне длин волн.
Это достигается тем, что измерение мощности сигнала генератора проводят с использованием двух отрезков измерительного тракта с разностью длин при n=0, 1, 2 , где - длина волны электромагнитных колебаний в измерительном тракте, которые подключают поочередно к выходу генератора и измеряют первоначально мощность на выходе одного отрезка тракта, а затем мощность на выходе другого отрезка тракта, и вычисляют полусумму двух измерений уровней мощности выходного сигнала генератора. Эквивалентная схема измерения мощности генератора приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - эквивалентная ЭДС генератора;
2 - Zг комплексное сопротивление выхода генератора;
3 - Z0 волновое сопротивление тракта длиной l.,
4 - zн комплексное сопротивление нагрузки;
Теоретическое обоснование способа заключается в следующем. Измерение уровня мощности выходного сигнала осуществляется ваттметром поглощаемой мощности. Наиболее широко распространенным методом построения преобразователей ваттметров, т.е. устройства с помощью которого энергия электромагнитного поля преобразуется в энергию постоянного тока, является тепловой метод (термоэлектрический и калориметрический методы). В этом случае преобразователь ваттметра можно считать нагрузкой, подключенной к источнику сигнала (генератору).
В ряде источников [2, 3] приведены математические выражения для уровня мощности сигнала на преобразователе ваттметра
где ГГ, ГН - комплексные коэффициенты отражения генератора и нагрузки (преобразователя ваттметра).
, и - модули соответствующих комплексных величин.
Величина P0 носит название располагаемой мощности генератора, выражение для которой имеет вид
где UГ - напряжение сигнала генератора, a RГ - активная часть его выходного сопротивления, в общем случае комплексного. Выражение для Р0 получается в случае когда сопротивление нагрузки преобразователя комплексно сопряжено с выходным сопротивлением генератора.
В (2) как обычно , , где
ZГ, ZH - комплексные значения выходных сопротивлений генератора и нагрузки, Z 0 - волновое сопротивление линии передачи, на которой выполнены выход генератора и вход преобразователя ваттметра.
Выражение (2) получено при условии, когда преобразователь ваттметра подключен непосредственно к генератору [2]. Однако это условие не может быть выполнено точно, поскольку в каждом генераторе имеется отрезок линии от элемента, определяющего величину Г Г, до выходного разъема генератора, а в преобразователе ваттметра имеется отрезок линии от разъема до термопары или до согласованной нагрузки. В [1, 4] приведено выражение для Р Н с учетом длины отрезка, включенного между генератором и ваттметром, однако вывод его отсутствует.
Выражение для уровня мощности в преобразователе ваттметра может быть получено при рассмотрении эквивалентной схемы, приведенной на фиг.2.
Для комплексных амплитуд напряжения и тока в нагрузке справедливы выражения [5]
где - комплексная амплитуда ЭДС, =i , где - фазовая постоянная линии (рассматривается линия без потерь).
Мощность сигнала в нагрузке может быть определена как половина произведения комплексной амплитуды напряжения (4) на комплексно сопряженную величину тока (5). В этом случае получим
Заметим, что , где введено в (3).
Здесь и далее , , - модули соответствующих величин.
Числитель выражения (6) равен (в знаменателе мнимости нет). Наличие в числителе мнимой части говорит о наличии в нагрузке (преобразователе ваттметра) реактивной мощности. Эта составляющая мощности не вызывает теплового эффекта в термопаре при использовании термоэлектрического преобразователя или в нагрузке при использовании калориметрического преобразователя. Поэтому вместо (6) имеем
н
Для дальнейших преобразований воспользуемся соотношениями
тогда вместо (7) получим
Здесь .
В полученном выражении числитель при заданных значениях величин и является постоянной величиной, а знаменатель изменяет свое значение при изменении длины отрезка . Подставим значения ГГ и ГН в виде: , . Обозначим . Тогда модуль знаменателя в (8) представится в виде
Рассмотрим случай, когда sin =0, что справедливо в случае, когда аргумент =-2 n или =-(2 n+ ). В первом случае имеем
Если провести измерение мощности P H1 и PH2 при этих двух значениях аргумента, то для полусуммы (РH1+РH2)/2 получим
Условия (9) и (10) в [2] получают при изменении частоты сигнала калибруемого генератора и измерении мощности при настройке на максимум и минимум. Однако такой способ не позволяет повышать точность калибровки генераторов, не имеющих перестройки по частоте.
Рассмотрим этот вопрос для случая, когда генератор не имеет перестройки по частоте, и проведем измерение полусуммы мощностей при произвольных значениях аргумента
Выражение для значения РH=(P H1+РH2)/2 имеет вид:
Опуская громоздкие промежуточные выкладки, приведем полученный результат
где = 1.
При , равном - 2 n или - (2 n+ ), получаем выражение, совпадающее с (11).
Чтобы оценить выигрыш в точности калибровки по формулам (8) и (12), введем аналогично [4] выражение для погрешности измерений:
где Рсогл - мощность, отдаваемая источником сигнала в согласованную нагрузку, для которой Г H=0. Из (8) имеем
из(8)получим
а из (12) имеем
Вторые члены в (15) и (16) по аналогии с [3] целесообразно назвать погрешностями рассогласования. Проведем оценку этих погрешностей. Полагая КСВн входа преобразователя ваттметра равным 1,5 и КСВн выхода генератора равным также 1,5, получим, что значение погрешности изменяется от +8,5% до - 7,6%. Когда измерение проводится путем определения полусуммы мощностей, погрешность изменяется от +0,48% до - 0,16%.
Таким образом, измерение мощности выходного сигнала генератора путем измерения полусуммы мощностей позволяет существенно снизить погрешность рассогласования.
Пример использования указанного способа повышения точности измерений в диапазоне миллиметровых длин волн приведен ниже.
Традиционно измерительная аппаратура выполняется на волноводах прямоугольного сечения. Разбивка КВЧ-диапазона регламентируется стандартом [6], в котором определены поперечные размеры сечений прямоугольных волноводов. В таблице 1 приведены технические характеристики прямоугольных волноводов в осваиваемом в настоящее время участке КВЧ-диапазона.
Таблица 1 | ||||||||
Технические характеристики прямоугольных волноводов сечением 2,4×1.2 и 1,6×0,8 мм | ||||||||
Сечение волновода, мм. Диапазон частот, ГГц | Длина волны минимально в воздухе, мм | Днина волны минимально в волноводе, мм | Длина отрезкат вволноводе, мм | Потери в стенках волновода, дБ/м | Потери сигнала в четвертьволновом отрезке | Потери сигнала в отрезке t=5 мм, % | КСВн фланцевого соединения | |
дБ | % | |||||||
2,4×1,2 78,33-118,1 | 2,54 | 2,99 | 0,75 | 3,5 | 0,0026 | 0,073 | 0,5 | 1,033 |
1,6×0,8 118,1-178,4 | 1,68 | 1,966 | 0,49 | 6,4 | 0,0032 | 0,09 | 0,9 | 1,070 |
Рассмотрим применение описываемого метода в диапазоне частотах 118,1-178,4 ГГц, где длина четвертьволнового отрезка составляет 0,49 мм и потери сигнала близки к 0,1%, при этом размеры фланцевых соединителей (в начале и конце отрезка) составляют 4 мм. Это означает, что реальная длина отрезка не может быть меньше (4,5-5) мм. Поэтому при использовании данного метода необходимо использовать два отрезка с увеличенной длиной. Длина первого должна быть увеличена до 4,5 мм, а второго до 4,99 мм. При проведении измерений для нахождения полусуммы мощностей первоначально производится измерение мощности сигнала с первым отрезком, затем измеряется мощность сигнала со вторым отрезком. Порядок проведения измерений может быть произвольным.
Использование дополнительных отрезков тракта с длиной, приближенно равной 5 мм, вносит дополнительную погрешность из-за потерь сигнала в самом отрезке. На частоте 178,4 ГГц дополнительная погрешность составляет до 0,9% (см. таблицу). Однако этой погрешностью можно пренебречь или исключить ее путем экспериментального измерения на указанной частоте.
Необходимо отметить, что измерение мощности с использованием двух отрезков можно провести на любой частоте рассматриваемого диапазона, что позволяет существенно повысить точность калибровки генераторов КВЧ-диапазона.
Аналогичный результат может быть получен при длине второго отрезка, отличающейся от длины первого отрезка на величину, кратную нечетному числу четвертей длины волны, т.е. при , где n=0, 1, 2 Однако величина n не должна быть значительной, так как увеличение длины отрезка приведет к необходимости учета в нем потерь сигнала.
Библиографические данные
1. М.Е.Герценштейн, А.Н.Брянский. Погрешность измерения мощности генератора СВЧ. Измерительная техника, № 6, 1956.
2. Измерения в электронике. Справочник. Под ред. доктора технических наук, профессора В.А.Кузнецова, М., Энергоатом, 1987, 512 с.
3. Справочник по радиотехническим приборам. Под ред. В.С.Насонова, Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы, М., «Сов. Радио», 1977, 272 с.
4. Патент Российской Федерации 2081424, кл. G01R 21/07, Способ калибровки генераторов СВЧ-сигнала. Моисеев П.Д., Холодилов Н.Н., опубл. 10.06.97, бюл. № 16.
5. И.С.Гоноровский. Основы радиотехники. Издание второе, М., Гос. издательство литературы по вопросам связи и радио, 1957, 728 с.
6. ОСТ4.206.000, ред. 1-77. Устройства СВЧ, каналы волноводные прямоугольные. Сечения.
Класс H03B21/00 Генерирование электрических колебаний путем комбинирования немодулированных сигналов различной частоты