Способ определения s-параметров свч-четырехполюсника и устройство для его осуществления

/ -- РЕСПУБЛИК Д 1) С О 1 К 27/04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Горьковский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССР У 1149183, кл. С 01 К 27/06, 1983.ТИИЭР, 1986, т.74, Р 1, с. 61. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Я-ПАРАМЕТРОВ СВЧ-ЧЕТЫРЕХПОЛ 10 СНИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к технике СВЧ-измерений. Цель изобретения ЯО 1601589 А 1 2об еспеч ение измерений пар амет ров рас сеяния нелинейных СВЧ-четырехполюсников. Способ определения Б-параметров СВЧ-четырехполюсника заключается в измерении мощностей Р, Р двух линейных комбинаций с, 0 падающей1 а и отраженной Ь, волн со стороны входа СВЧ-четырехполюсника, измерении мощностей Р, Р двух линейных комбинаций С, Ы падающей а и отраженной Ьволн со стороны выхода СВЧ-четырехполюсника и вычисления искомых параметров путем решения системы уравнений. Поставленная цель достигается тем, что сдвигают фазу1601589 сигнала с, до выполнения условия соэ у ; 0,9, полученный сигнал суммируют с сигналом с и измеряют соотгветствующую мощность Р , попарно суммируют сигналы с 1 Й с сигналом с, измеряют соответствующие мощности Р, Р 1 попарно суммируют сигналы Й , Й с сигналом с , измеряют :соответствующие мощности Р 8, Р,сме:щают фазу сигнала с на угол Д(1;о1025 , суммируют полученный сигнал с сигналом с, и измеряют мощность Р , а вычисление падающейЧа а и отраженной Ь 1, Ь волн про" изводят по формулам, в которые вхоИзобретение относится к радио.технике СВЧ, в частности к измерениям на СВЧ, и может использоватьсядля определения параметров рассеяниялинейных и нелинейных СВЧ-четы,рехполюсников.Дель изобретения - обеспечениеизмерений параметров рассеяния нелинейных СВЧ-четырехполюсников,На чертеже представлена структурная электрическая схема устройствадля определения Б-параметров СВЧ-четырехполюсника.Устройство содержит генератор 1СВЧ, импульсный модулятор 2,генера,тор 3 импульсов, делитель 4 мощности,;первый управляемый аттенюатор 5,первый вентиль 6, первый гибрид,ный мост 7, измеряемый СВЧ-четырехполюсник 8, первый управляемый фазовращатель 9, второй управляемый аттенюатор 10,второй вентиль 11, второй гибридный мост 12,третий вентиль 13, первый отключатель 14, четвертый вентиль 15,третийгибридный мост 16, первую согласованную нагрузку 17, пятый вентиль 18,второй отключатель 19, шестой вентиль20, четвертый гибридный мост 21,ваттметр 22, седьмой вентиль 23, второйуправляемый фазовращатель 24, третийотключатель 25, восьмой вентиль 26,пятый гибридный мост 27,вторую согласованную нагрузку 28, девятый вентиль 29, четвертый отключатель 30,десятый вентиль 31 и третью согласованную нагрузку 32.Сущность способа определения Бпараметров СВЧ-четырехполюсника закдят измеренные мощности, Устройстводля определения Б-параметров СВЧ-четырехполюсника содержит СВЧ-генератор 1, делитель мощности 4, первыйуправляемый фаэовращатель 9,гибрид-,ные мосты 7, 12, 16, 21 и 27,измеряемый СВЧ-четырехполюсник 8,ваттметр 22, согласованные нагрузки 17,28 и 32. Поставленная цель достигается за счет введения импульсногомодулятора 2, генератора импульсов3, управляемых. аттенюаторов 5, 10,вентилей б, 11, 13, 15, 18, 20, 23,26 и 29, отключателей 14, 19, 25 и30. 2 с,п, ф-лы, 1 ил,20лючается в следующем. Все известныеметодики измерения параметров рассеяния СВЧ-четырехполюсников,связывающих падающие (а, и а ) и отраженные 25(Ь и Ь) волны в первом и второмплечах (отсчетных плоскостях) СВЧчетырехполюсника соотношениямиЪ, = Бца 1 + Багаэ30Ь Б,а + Баг (1)основываются на измерении комплексных амплитуд волн аи Ь. Для нелинейных СВЧ-четырехполюсников формулы (1) связывают первые гармоники 35,волн, причем большесигнальные параметры рассеяния зависят от мощностивходной падающей волны (а), т.е.волны, поступающей на базу или эмиттер транзистора, вход усилителя и 40Для измерения комплексных амплитуд а и Ь 1 формируются по двеих линейных комбинации в каждом плече: Фс Ка+ДЬй, = , а, + , Ъ,1 1с = аа + лЬг 1 (2)150 Д = а + 1 ЬгВ отличие от волн аи Ь,колебания си Й,доступны дляизмерения,При известных частотно-зависимых 55 константах Ы6,и 321по измерениям с, и Й, из (2) вы 1числяются искомые волны аи Ъ ,Для формирования колебаний (2) необ(3) и высшие гармоники, порожденные в отраженных волнах Ь 12 исследуемым нелинейным СВЧ-четырехполюсником, присутствуют только в колебаниях й г, тогда как их влиянием в колебаниях с ,г можно пренебречь.Измеряют мощности колебаний с и дгв 10 15(4)Р е я счит оник ко мощноспоп ебанием Ф г,/2 + с /2 + 16 Р:Ргют мощности колебаний с 1) и по пронумерованных с колеба- с эмеря парно2 У е ю/ /Р /; /3/я) /,/; /М 2//Р 2/р /02/ Р = с,/2;г2Рг = с/2;гР й,/2Р й /2 здесь колебаниными (Р, и Рти высших гармИзмеряютс, Йи с 12рованных с колР = с,/2+ аются нормирован уммарные мощпослебаний д2 ) и колебаний . рно просуммисл .)лексных амплитУД с,г и 012, 1 атематическая обработка состоит в следующем,Иэ (4) и (5) вычисляют соз у (Р Р, Р )/21 РР а иэ (4) и (7) (8)Еслисоз(с -ьсозт"тоО, иначе ) с О, с учетом этого выбирают знак в формуле для вычисления 8 хп 11,зп ) п ,) щ -аэовращателяф 0,0л соз (1) и в лам .(8) и Рмулам (11 улам (12),дстановка итуд си Рмулам (1 3(7) Данных десяти из- Рвыраженны ), достаточно для щностии(4)ия комперений м формулам е лек считанных мулы поз определ Р 8 с 2/ /2 + с 2 Й, соз (,- -(11) + Р,;Р, = с 2/2 + й /2 + с 2 Й соз(г.- +Ргде Ч, и Ц)2 - фазы первых гармоник колебаний й Р и Й 2,- фаза колебания сВсе фазы отсчитываются относительно колебания С 1,В волну с с помощью фазовращатегя 9 вводят небольшой (10-25 ) Фазовый сдвиг 41 (запаздывание) и измеря ют.мощность суммы колебаний с Р и с2Р, = с, /2 +с /2 + с, с со я ( )- г(18) ноляет при известных калиброночньх константах с.г, (,г 1 1 г и1,г рассчитать комплексиые амплитуды волн а г и Ь г н отсчетной плосМости СВЧ-.четырехпотосника, а через нх - параметры рассеяния Б, Б,г,и Б гг путем повторения измерейий при новых значениях амплитуд падающих нолн аи а, сдвига фаз О 111 ежду ними 1) , частоты испытательного сигнала ИДля линейных четырехполюсникон параметры рассеяния получают на основе формул (1) при двух измерениях нсех15Ролн, отличающихся вариацией а ,амплитуды или фазы), при этом(01)Ь, Б 1 а + Бга 3И)ЮБ П а 1 + Б цг аг в:где надстрочный индекс в обозначе,нии волн Ь,г и аг обозначает их(г)единственное решение при а Ф аоткуда и находятся параметры рассеяния,Для нелинейных СВЧ-четырехполюсников параметры рассеяния зависятот амплитуды входной падающей волны(а), поэтому рассмотренные операций повторяют при изменении амплитуды волны а , что позволяет снять 40амплитудную зависимость параметроврассеяния,Учет более тонких нелинейных эффектов приводит к необходимости измерения комплексных амплитуд волн а, г 453и Ь,г при изменении амплитудволн аи фазового сдвига (1) вкаждой частотной точке. Параметрырассечения при этом определяются методом аппроксимации измеренного массива комплексных амплитуд волн аги Ьг., Определение констант Ыг, г,и 3, в формулах (2) является задачей калибровки, которая предшествует измерениям и может быть выполнена ло стандартной методике.Ме- тодика калибровки включает следующиеоперации. В отсчетной плоскостинместо исследуемого объекта включают поочеред-, но три образцовые нагрузки с известными коэффициентами отражения Г Ф Г Ф Г и образцовый ваттметр с известным коэффициентом отражения Г . Для каждой образцовой меры измеряют волны с, и д, где 1 - номерС)1112 фмеры ( = 1,2,3,4).Поделив в (2) 1на с, и 1 г на с , имеем для х-й образцовой нагруз- ки г(15)ргЫг11С 1т- д 123д ас ф1 ) Э211где 1 г и с г рассчитывают поФформулам (13) по 10 измерениям мощности,Система уравнений (15) имеет единственное решение относительно констант: 1/Мю 3(фю ,/01 г /Оге Ог/г ф гЫгПри подключении к первой опорной плоскости образцового ваттметра с коэффициентом отражения Г его поФ казание Ро равно:Р = - (1 -1 Г 1)о 2е ф (16/ откуда находится волна а Фаза которой может быть принята эа О.Преобразуя первое уравнение (2) к видус а,ь(1 + - Г ), (17)ФР1при известных а , (К Г и измеренном с), найдемн)еа 1-- Г)о,Ф что по полученным раннее 1/М 31 (Ы 1 3,/ К, позволяет найти константыи о,10 30 35 Первая калибровочная операция - измерение при подключении образцовой нагрузки с коэффициентом отражения Г,(Ь /а" Г, Ь/аг ,Г, ),позволяет вычислить константы / ф/ и3 / Кг на основе (21) по измереннымВторая калибровочная операция - измерение при подключении к первой отсчетной плоскости образцового ватт- метра, показание которого Р определяет падающую волну а в соответствии с формулой (16), дает константу, = .с,/а . (22) Эта формула - частныйслучай формулы (18) . 40 45 50 Последняя калибровочная операция - 55соединение встык даетИ)В сг(23)ф. 2 г з)Отсчетные плоскости соединяютвстык, при этом э, = Ь, Ъ= а, ииз отношения первого и третьегоуравнений (2) следует5МС 2(- / 2где Г 5 = Ь,/а находится по формуле,вытекающей из отношения первого ивторого уравнений (2)ф(5), (6)1/с, - 1/Ф--- -- т -- , - ., -- (20) 55/ ( / ) (Д 5 Усй) эгде индекс (5) означает пятую калибровочную операцию.Величина О найденная по (10),позволяет из известных Я/Жг 1 Й /Мгю, 2032/с 2 найти калибровочные константыигТаким образом, все калибровочныеконстанты, входящие в (2), найдены.Если условия (3) выполняются с 25большим запасом, то процедура, калибровки может быть упрощена ( Д 0,.О,.д О, у аО), таккакиз(2) следуетЬй /с,о, а- (2/(г)(Ь/а) 1 (21).с 2/с = (0(/0) (а/а). Г = И,/с)/(8/о,).(24)найденные О /ы, 3/О, 0, и В 2определяют все иенулевы константыв (2),Иогут быть использованы и другиеизвестные методы калибровки.Устройство для определения Б-параметров СВЧ-четырехполюсника работает следующим образом.Испытательный сигнал генератора 1модулируется по амплитуде импульсныммодулятором 2 и управляемым генератором 3. С выхода импульсного модулятора 2 радиоимпульсы с прямоугольной огибающей делятся делителем 4на два сигнала. Первый сигнал проходит через управляемый аттенюатор 5,вентиль 6 и гибридный мост 7 в первую отсчетную плоскость измеряемогоСВЧ-четырехполюсника 8, присоединяемого через разъемы. Второй сигналчерез управляемый фазовращатель 9,управляемый аттенюатор 10; вентиль11 и гибридный мост 12 поступает вовторую опорную плоскость исследуемого СВЧ-четырехполюсника 8.Часть энергии первой падающей волны поступает во второй выход гибридного моста 7 и через венгиль 13,отключатель 14 и вентиль 15 поступает на первый вход сумматора, реализованного на гибридном мосте 16 и согласованной нагрузке 17, где суммируется с ответвленным сигналом первой , .отраженной вонищ, проходящим с первого выхода гибридного моста 7 на его второй вход и через вентиль 18, отключатель 19 и вентиль 20 на вто. рой вход гибридного моста 16.Часть энергии второй отраженной волны поступает с первого выхода гибридного моста 12 на его второй вход и через вентиль 13, управляемый фазовращатель 24, отключатель 25 и вентиль 26 на первый вход сумматора, . созданного на гибридном мосте 27 и согласованной нагрузке 28, где суммируется с ответвленным сигналом второй падающей волны, проходящей с второго выхода гибридного моста 12 черезвентиль 29, отключатель 30 и вентиль31 на второй вход гибридного моста27.Выходные сигналы гибридных мостов16 и 27 суммируются сумматором на основе гибридного моста 21 и согласованной нагрузки 32, причем суммарноеколебание поступает на вход ваттметра 22, регистрирующего среднюю мощность радиоимпульсов.Сигналы отраженных волн в силунелинейности СВЧ-четырехполюсника 8содержат высшие гармоники несущейчастоты радиоимпульсов.ФЛинейные комбинации си 1существуют на входе ваттметра 22,который снимает десять отсчетов мощносТИ радиоимпульсов при различных положениях отключателей 14, 19, 25 и 30;овключатель 14 включен иа проход,остальные отключены - Р (далее указваются только включенные на проходОЫключатели); отключатель 25 - включн - Р ; отключатель 19 включен -Р; отключатель 30 включен - Роткр Фл 1 очатели 14 и 25 включены - Р, откл 1 очатели 14 и 19 включены - Р; откл 1 очатели 14 и 30 включены - Рт, отключатели 19 и 25 включены - Р, откл 1 о чатели 25 и 30 включены - Р отк 9 ф.л 1 очатели 14 и 25 включены, управляемаям фазовращателем 24 введен фазовыйсвиг -11= -1 О-25 - Р о,По десяти отсчетам мощности издфрмул (13), (8), (0), (11) и 12)вчисляются комплексные амплитудыс:,1, и 1 д, которые на основе (2) через калибровочные константы позволяют вычислить первые гармоники падаю 1щих а и отраженных Ьволн в отсветных плоскостях СВЧ-четырехполюснйка 8, через которые определяют ис 35комые параметры рассеяния, При этомдшжкно быть выполнено условие/соя 11/ ( 0,9, что обеспечивается выбором начального положения фазовраща 40теля 24, и условие соэ(соэ- (11), что обеспечивается выборомвеличины фазового сдвига -Ь, вводимого фазовращателем 24 при измерениимощности РО45Управляемые аттенюаторы 5 и 10 иуправляемый фаэовращатель 9 поэволяют снять зависимость параметров рассеяния исследуемого нелинейного четырехполюсника от амплитуд и фазового сдвига падающих волн. Применение импульсного модулято ра 2 позволяет провести измерения в сильнонелинейном режиме при больших амплитудах падающих волн беэ перегре 55 ва исследуемого СВЧ-четырехполюсника, так как средняя мощность,выделяемая в нем, остается малой. Эта величйна зависит от скважности радиоимпульсов и может управляться,Аналогичные раСсмотренным десять измерений мощности ваттметром 22 выполняют при калибровочных операци-. ях, когда вместо СВЧ-четырехполюсника включаются образцовые нагрузки, образцовый ваттметр, производится соединение разъемов встык. Калибровочные константы находятся иэ решения системы линейных алгебраических уравнений (15); по формулам (18) и (19). Формула изобретения1. Способ определения Б-параметров СВЧ-четырехполюсника, основанный на измерении мощностей Р Р.з двух. линейных комбинаций с = о,й + Ь11 = ,а, + 3, Ьпадающей а, иотраженной Ь волн со стороны входа СВЧ-четырехполюсника, измерении мощностей Р, Р двух линейных комбинаций с =1 а + /5 аЬте = уа+ Ь падающей ае и отражен ной Ь 2 волн со стороны выхода СВЧ- четырехполюсника и вычислении иско" мых параметров путем решения системы уравнений5Ь Ба, + Ба, Ь БЬ, + БЬ отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерений параметров рассеяния нелинейных СВЧ-четырехполюсников, сдвигают фазу сигналас до .выполнения условия соя 0,9, полученный сигнал суммируют с сигналом с 9 и измеряют соответствующую мощность Рз, попарно суммируют сигналы Й, Й с сигналом с измеряют соответствующие мощности Р Р6 тф попарно суммируют сигналы Й Й с сигналом с, измеряют соответствующие мощности Р , Р , смещают фазу 4 ,В,Ф ЯФосигнала с на угол Ь = 1025 суммируют полученный сигнал с сигналом с и измеряют мощность Р,о, а вычисление падающей а , а и отражен уной Ь Ьволн производят по формуламРо- Р - Ра сов( - Й 1) )42 Р, Р,