Измеритель s-параметров линейного четырехполюсника

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 17816 П 9) й 27/32 НИЕМУ СВИД ОБРЕТ СПИ ЕЛЬСТВУ АВТОРСд ий ампли, второй и ирующих и четвер, 12, 13, ертую со, измеряноводный азовращаительные я и вычиссхема подклю переключател ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(72) А.С.Елизаров, М.Ю.Дерябина, В.Й,Путилин, Т.Т.Анбиндерис, С.Д.Шулика; В,Д.Тупикин, В.Т.Васильев и О.Г.Олейник (56) Авторское свидетельство СССР В 1329387, кл, 6 01 й 27/30, 1985.Авторское свидетельство СССР М 1322199, кл. 0 01 В 27/32, 1985.(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ 3-ПАРАМЕТРОВ ЛИН ЕЙНОГО Ч ЕТЫ РЕХПОЛ ЮСНИКА (57) Изобретение относится к технике измерений. Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот и пределов измерения, а также повышение точности измерения коэф, отражения протяженного линейного четырехполюсника. Измеритель содержит СВЧ г-р 1, тройник 2, синфазные делители 3 и 4 мощности, амплитудные модуляторы 5,6 и 7,г-ры 8,9 и 10 модулирующих. Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано при измерении комплексных параметров (Я-параметров) линейных СВЧ-четырехполюсников (СВЧ- устройств проходного типа).Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот и пределов измерения, повышение точности,На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема измерителя Я-параметров линейного четырехполюсника, который содержит СВЧ- генератор 1, тройник 2, первый и второй синфазные делители 3, 4 сигналов, направленные ответвители 11, 12, 13 и 14,согласованные нагрузки 15, 16, 17 и 18, измеряемый четырехполюсник 19, волноводный компенсатор 20 фаз, двоичный фазовращатель 21,измерительные головки 22 и 23 и блок управления и вычисления 24. Расширение пределов измерения модулей Я-параметров достигается за счет амплитудной модуляции СВЧ-сигнала в опорном и измерительном каналах при разных частотах модулирующих напряжений, что эквивалентно линейному фазовому СВЧ-детектору. При этом расширение диапазона рабочих частот измерителя производится в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн. Задачи перехода от измерения параметров передачи к измерению параметров отражения четырехполюсников, имеющих большую электрическую длину; решаютсяс помощью дополнительного СВЧ- переключателя, вводимого в опорный канал, 1 з.п,ф-лы, 2 ил. мощности, первый, второй и трет тудные модуляторы 5, 6, 7, первый третий генераторы 8, 9, 10 модул сигналов, первый, второй, третий тый направленные ответвители 1 14, первую, вторую, третью и четв гласованные нагрузки 15, 16, 17, 1 емый четырехполюсник 19, вол компенсатор 20 фаз, двоичный ф тель 21, первую и вторую измер , головки 22, 23, блок 24 управлени лен ия.На фиг,2 приведенадополнительного СВЧ5 10 15 20 30 35 40 45 50 Измеритель Я-параметров линейного четырехполюсника работает следующим образом,Выходной СВЧ-сигнал СВЧ-генератора 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 Р с помощью третьего амплитудного модулятора. 7, управляемого от третьего генератора 10, и поступает через второй синфазный делитель 4 на первые входы первого и второго направленных ответвителей 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 И 1 (с помощью первого амплитудного модулятора 5) и Ъ (с помощью второго амплитудного модулятора 6). Они распространяются через измеряемый четырехполюсник 19 в противоположных направлениях. Третий и четвертый направленные ответвителя 13, 14 ориентировэнь 1 одновременно на водны, отраженные от входовизмеряемого четырехполюсника 19 и прошедшие через него с противоположных направлений. Ответвленные во вторичные тракты направленньх ответвителей 13 и 14 измерительные сигналы несут в себе таким образом информацию о значениях всех измеряемых Я-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 Я 11, Тогда второй сигнал на входе этой же измерительной головки 22 будет содержать информацию о значении Я 12. Аналогично измечительные сигналы на входе измерительной головки 23 содержат информацию о значенйях Я 22 и Я 21, Каждый из этих сигналов имеет свою частоту амплитудной модуляции: либо й 1 либо йЛроанализируем спектральный состав выходных напряжений измерительных головок с учетом того, что опорный сигнал также промодулирован по амплитуде напряжением частоты Й.При отсутствии амплитудных модуляторов 5, б, 7 выходные напряжения, например,измерительной головки 22, описывались быдля первого и второго положений двоичногофазовращателя 21 следующими выражениями:01- а Ео 2(К 1 + 2 К 1 КзЯасоз (ра + фн)+Кз Яд 1; "02 = аЕо К 2 +2 К 2 КЭВис 1 зи (щ +фн)+Кз 21 Яис),где,а- коэффициент передачи измеритель- .ной головки 2;Ео - амплитуда поля в месте разветвления опорного и измерительного каналов;К 1, К 2 - модули суммарных коэффициентов передачи (потери) опорного канала припервом и втором положениях двоичного фазовращателя 21;Кз - потери измерительного канала;грн- фазовый сдвиг, учитывающий неидентичность фазочастотных характеристикопорного и измерительного каналов;1 Як,ул 1; - модуль и фаза измеряемогоЯ-па раметра.Пусть, например, О 1 и 02 соответствуетизмерению 311, Анализ спектрального со-.става их при квадратичной характеристикедетектора головки 22 свидетельствует напримере 1.1 о наличии:- напряжения постоянного тока11.11 = а Е, К 1 + 2 К 1 Кз 1 Я 11соз (р 11+ рн) + б 1 Я 111 1:- напряжения частоты ЙО 1 =а М 1 Е 2 О Р К Кз 1 Я 1сов (р 11 + рн) + 6 1 Я 111) сов Й 1 т:- напряжения частоты Йз1 Н11 =аМз Е 3.1 К 1+2 К 1 Кз 1 Я 11соз (ф 11 + н) с 03 Я 3 т; где М 1 и Мз - коэффициенты амплитудной модуляции измерительного и опорного сигналов;- напряжения О = а М КЭ 1 Я 11 Р Е 2 соз 2 й т ==а М 1 Мз К 1 Кз Я 11 Ео соз(р 11+уЪ)сов (Й 1 + й) 1 + а М 1 Мз К 1 Кз Я 11 Еосоз (у 11 + р) сов (Й 1 - Ъ). Из приведенных выражений видно, что, если в качестве сигнала измерительной информации выбрать напряжение частоты ,Й 1 + Й) определяемое первым слагаемым в выражении для О 1, то оно будет свободно от нелинейных членов, пропорциональных Я 11 и К 1, аналогично выходному сигналу в измерителях Я-параметров с переносом частоты, Это и означает расширение пределов измерения моулей Я-параметров. Напряжения О 1 и Ог частоты (Й + Й) легко селектируются в блоке 24, образуя первый автономный канал обработки измерительной информации. Второй канал имеет рабочую частоту (й + й) и соответствует выходным напряжениям измерительной головки 22, содержащим информацию о значении Я 1 г, Эти же частоты имеют каналы обработки измерительной информации о значениях Ягг и Яг, содержа.щейся 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, электронногоо коммутатора,С другой стороны, переменная составляющая напряжения О 1 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 2 ьз. Можно было бы использовать также в качестве измерительных сигналов напряжения частот (Й - ьз) и (й - Й 1), определяемые вторьгми слагаемыми в выражениях для О 1 и других выходных напрякений 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-вычислительная 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 Яг 1 и Я 1 г, осуществить дополнительные вычислительные операции по алгоритмам, следующим из определений соответствуюцих невзаимных параметров. В частности, невзаимный фазовых сдвиг определится на основании информации о начальных фазах выходных сигналов каналов как Ьр= агд Яг 1 - агцЯ 1 г, а вентильное отношение - на основании информации об амплитудах этих сигналбв как В = Я 1 г/Яг 1.Введение в плечи кольцевого тракта амплитудных модуляторов 5,6 разных частот Й 1 и Ъ 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 Я 1 г и Яг 1. Паразитные сигналы за счет конечной развязки плеч первого синфазного делителя 3 дополнительно модулируются в соответствующих модуляторах, что эквивалентно частотному сдвигу модулирующих напрякений 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 Я-параметров достигает своих предельныхых значений. При переходе от измерения параметров передачи к измерению параметров отражения четырехпол,осников, имеющих большую электрическую длину, решается с помощью дополнительного СВЧ-переключателя, вводимо о в опорный канал. Необходимость в этом вызвана тем, что электрическая длина опорного канала при измерении Я 11 и Ягг должна учитывать в подобных случаях не длину измерительного канала до сеченйя 1-1 (фиг,1), а только длйну до сечения 2 - 2 (при измерении Я 11) или 3 - 3 (прл измерении Ягг), Конкретно изменение длины опорного канала необходимо, если четырехполюсник имеет длину, равную рас10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 стоянию от сечения 2-2 до сечения 3-3 (базовое расстояние) или близкую к нему.Для обеспечения этого в опорный каналвключается СВЧ-переключатель 25, как показано на фиг. 2, В первом положении переключателя реализуется исходная схема -фиг.1 с включенным в опорный какал волноводным компенсаторам 20, длина которогоравна базовому расстоянию, Это соответствует режиму измерения 321 и Яа, а также 311и 322, если четырехполюсник имеет малуюэлектрическую длину (например, транзистор или СВЧ-микросхема, и плоскостьюотсчета при измерении 811 и й 2 нужно считать сечение 1 - 1. Если же четырехполюсникимеет большую электрическую длину, СВЧпереключатель 25 при измерении Зц и 322переводится во второе положение, и сигналс выхода тройника 2 (фиг,2) поступает навход двоичного фазовращателя 21 через ка нал 1 - 2 СВЧ переключателя, минуя волноводный компенсатор 20.Преимущества измерителя -параметров линейного четырехполюсника заключаются в следующем:Существенное расширение пределовизмерения модулей Я-параметров за счетамплитудной модуляции СВЧ-сигнала вопорном и измерительном каналах при разных частотах модулирующих напряжений,что эквивалентно к линейному фазовомуС ВЧ-детектору.Расширение диапазона рабочих частотизмерителя в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн,Обеспечение автоматизации измерениявсей совокупности Я-параметров взаимных иневзаимных СВЧ-четырехполюсниковОбеспечение высокой точности измерения Я-параметров, что позволяет. создаватьне только рабочие, но и образцовые приборы. Формула изобретения 1, Измеритель Я-параметров линейного четырехполюсника, содержащий СВЧ-генератор; 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 нагруже- нМ на первую и вторую измерительные головки, соединенные с измерительными входами блока управления и вычисления, первый управляющий выход которого под- ключеН к управляющему входу СВЧ-генератора, 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, о т л и ча ющ и й 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 выхбдами первого, второго и третьего генераторов модулирующего напрякения.2. Измеритель поп,1, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности измерения коэффициента отражения протяженного линейного четырехполюсника, введен СВЧ-переключатель, первый вход которого соединен с вторым выходом тройника, первый выход и второй вход - соответственно, с входом и выходом волноводного компенсатора фазы, а второй выход - с входом двоичного фазовращателя.1781638 о Выа гкОЯ оставитель М.Кроминхред М,Моргентал Корректор И.Ш Редактор В.Трубч о Производственно-издательские комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 4272 Тираж ПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5