Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения

.Б,Гимпилевичвторское свидетельство СССР2432, кл. 0 01 Б 27/06, 1982;вторское свидетельство СССР9238, кл. 6 01 й 27/06, 1989;ЗМЕРИТЕЛЬ МОДУЛЯ И ФАЗЫИ ЦИ Е НТА ОТРАЖЕ Н ИЯзобретение относится к технике ина СВЧ и может использоватьсяения комплексного коэффициента ражения и полного сопротивления различных двухполюсников. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона изменения мощности, Измеритель содержит СВЧ-генератор 1, четырехзондовый датчик 2, фазометры 8, 9, тангенсные преобразователи 10, 11, квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19, арктангенснь 1 й преобразователь 15, индикатор фазы 16, сумматоры 17, 21, блоки извлечения квадратного корня 18, 22, блок вычитания 23 и источник опорного напряжения 24, Цель изобретения достигается за счет введения фазометра 9, преобразователя 11, квадраторов 12, 13, сумматоров 17, 21 и блока 22. 1 ил.Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и можетбыть использовано для измерения комплексного коэффициента отражения и полногосопротивления СВЧ устройств различногоцелевого назначения,Известны измерители коэффициентаотражения, содеркащие последовательносоединенные свипирующий СВЧ-генератор, четырехзондовый датчик полных сопротивлений и измеряемый двухполюсник,Каждый из зондов датчика полных сопротивлений нагружен на соответствующийквадратичный детектор. Выходы квадратичных детекторов соединены со входами осциллографического индикатора, в которомосуществляется обработка результатов.Кроме того, в таких измерителях имеетсяцепь стабилизации уровня мощности СВЧгенератора, содержащая дополнительно однодетекторную либо двухдетекторнуюсекцию,. Недостатком этих измерителей является существенная погрешность измерения,которая вызывается неидентичностью хаРактеристик СВЧ-детекторов, а такке остаточной неравномерностью мощностиСВЧ-генератора. Кроме того, индикаторныйблок таких измерителей имеет большие га-.бариты и массу, а принцип действия не позволяет осуществлять раздельноеизмерение модуля и фазы комплексного коэффициента отражения.Эти недостатки устранены в автоматических и,"мерителях полных сопротивлений,реализующих коммутационный способ измерения, В таких устройствах зонды датчика полных сопротивлений подсоединенычерез СВЧ-коммутатор к одному СВЧ-детектору. Обработка результатов ведется путемфильтрации составляющих спектра продетектированного сигнала, что обеспечиваетмалые габариты и массу, исключает необходимость цепи стабилизации мощности и позволяет осуществить раздельноеизмерение модуля и фазы.Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в 4).Это устройство и выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор, отрезоклинии передачи и четырехзондовый датчик,выход которого является входом для подсоединения исследуемого двухполюсника.Зонды связи датчика через СВЧ-коммутатор соединеньь со входом квадратичногоСВЧ-детектора, вйход которого через последовательно соединенные полосовойфильтр, линейный амплитудный детектор ипервый управляемый делитель напряжения405055 нению ответвляемой мощности (квадратичная зависимость от глубины погружения);3) погрешность из-за нидентичности потерь пропускания каналов СВЧ-коммутатора;4) погрешность иэ-за нестабильности потерь пропускания СВЧ-коммутатора, которая особенно существенна при эксплуатации измерителя в жестких условиях.Динамический диапазон изменения мощности в линии передачи, в пределах которого возможны измерения, определяется динамическим диапазоном измеряемого модуля коэффициента отражения (КСВ) идиапазоном приемлемого квадратичного детектирования, Если задаться максимальным значением КСВ = 10, то мощность в максимуме амплитудного распределения будетпревышать мощность в минимуме в 100 раз (20 дБ), Широко известно, что диаподключен к первому входу измерителя отношения, выход которого соединен с индикатором модуля. Выход полосового фильтра через последовательно соединенные фазо метр, тангенсный преобразователь, второйуправляемый делитель напряжения и арктангенсный преобразователь соединен. с индикатором фазы, Выход арктангенсного преобразователя через усилитель, первый "0 косинусный преобразователь, перемножитель, вычитающее устройство и корнеизвлекающее устройство подключен ко второму входу измерителя отношения. Управляющий выход СВЧ-генератора подключен ко 15 вторым входам первого и второго управляемых делителей напряжения, а через второй косинусный преобразователь - ко второму входу перемножителя. Блок управления соединен с управляющим входом СВЧ-комму татора и опорным входом фазометра,Недостатком устройства-прототипа является недостаточно высокая точность измерения и малый динамический диапазон изменения мощности в линии передачи, Эти 25 недостатки вызваны тем, что в прототипеосуществляется анализ амплитудного распределения поля в линии передачи. Прототипу свойственны следующие погрешности:1) погрешность из-за неквадратичности 30 характеристики СВЧ-детектора. Эта погрешность резко возрастает при измерении больших значений коэффициентов отражения, когда динамический диапазон сигналов на выходах элементов связи датчика 35 возрастает;2) погрешность из-за неидентичностизондов датчика, Даже небольшие отличия в глубине погружения элементов связи в линию передачи приводят к заметному измен приемлемого квадратичного детектиния СВЧ-диодов не превышает 35 дБ ределами этого диапазона результаты вятся недостоверными), Поэтому возый динамический диапазон измене ощности в основной линии передачи вит (35 - 20) = 15 дБ. В ряде случаевнедостаточно, Например, в случае, встроенный измеритель используется ля настройки СВЧ-тракта, так и для 10 оля его в режиме функционирования технической системы. Настройка пропаз ров (за ст.а 1 иож ния сост это когд как кон рад ся на малых уровнях мощности при ьзовании стандартных генераторов ости в несколько милливатт, а реаль работа осуществляется на больших ях мощности (ватты, десятки ватт, соттт). Кроме того, мощность в реальной технической системе может из-за авах ситуаций резко изменяться в боль пределах, Система контроля должна ионировать в таких случаях, так как вод исп мощ ни рад рий ших фун оз вол яет выя вить и ричи ну аварии.елью изобретения является повыше- очности измерения и расширение ди ческого диапазона изменения ости в линии передачи,казанная цель достигается тем, что в итель модуля и фазы коэффициента ения, содеркащий последовательно 30 ненные генератор СВЧ и четырехзондатчик, выход которого является вхоля подсоединения исследуемого олюсника, последовательно соедие первый фазометр и первый танген преобразователь, последовательно ненные первый блок деления, арктанй преобразователь и индикатор фаследовательно соединенные первый звлечения квадратного корня, второй 40 еления и индикатор модуля, последоно соединенные источник опорного жения и блок вычитания, введены поательно соединенные второй фазоторой тангенсный преобразователь, 45квадратор, первый сумматор, втомматор и второй блок извлечения тного корня, выход которого подклюорому входу блока вычитания, выходтангенсного преобразователя сое вторым входом первого сумматора веденный второй квадратор, выходы о и второго тангенсных преобразова 5 на ниенаммощ изме отра саед довь дом двух сный соед генсн зы, и блок блок вател напря следо через перво елей т соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока деления, 5 выходпервого сумматора соединен с входом первого блока извлечения квадратного корня,выхад блока вычитания соединен с вторым входом второго блока деления, авыход источника опорного напряжения со 1единен с вторым входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехзондового датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов - с входами второго фазометра,Таким образом, в заявляемом устройстве в отличие от прототипа осуществляется анализ фазового распределения поля линии передачи, а не амплитудного. Это достигается введением заявленных отличительных признаков, которые являются новйми, так как отсутствуют в прототипе. Эти признаки обеспечивают получение новых технических свойств, а именно, повышают точность и расширяют динамический дйапазой изменения мощности в линии передачи. Это подтверждает существенность заявленных признаков.На чертеже иэобоажена структурная схема устройства.Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор 1, четырехзондовый датчик 2 и измеряемый двухполюсник 3, Выходы зондов 4, 5, б, 7 датчика 2 подключены к входам фазометров 8, 9, Причем зонды 4 и б подключены к входам фазометра 8, а зонды 5 и 7 к входам фазометра 9. Выходы фазометров 8 и 9 через соответствующие тангенсные преобразователи 10 и 11 подключены к входам соответствуют,их квадраторов 12 и 13 и к входам первого блока деления 14, выход которого через арктангенсный преобразователь 15 соединен с индикатором фазы 16. Выходы квадраторов 12 и 13 подключены к входам первого сумматора 17, выход которого через первый блок извлечения квадратного корня 18 подключен к входу второго блока деления 19 и непосредственно к входу второго сумматора 21, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 24, а выход через второй блок извлечения квадратного корня 22 подключен ко входу блока вычитания 23, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 24, Выход блока вычитания 23 соединен со вторым входом второго блока деления 19, выход которого соединен с индикатором модуля 20.СВЧ-генератор 1 предназначен для формирования гармонических колебаний определенной частоты. В качестве СВЧ-генератора 1 может быть использован любой генератор соответствующего диапазона волн из. группы приборов Г 4 (генераторы измерительные высокочастотные). Для панорамных измерений следует применять генераторы кЭчаюфейся частоты, например, из комплекса приборов Р 2 (измерители КСВ10 15 20 25 30 35 40 50 55 и ослабления). При встроенном контроле используется генератор радиотехнической системы.Четырехзондовый датчик 2 предназначен для анализа фазового распределения поля в линии передачи. Для ответвления сигналов из отрезка линии передачи могут использоваться ненаправленные емкостные, индуктивные и индуктивно-емкостные зонды 4, 5, 6, 7, Наиболее просто реализуется датчик на основе четырех емкостных штырей, размещенных на расстоянии Л /8 (Л - длина волны в линии передачи). Конкретные конструкции датчиков приведены, например, в1, 2,Фазометры 8 и 9 предназначены для измерения фазовых сдвигов между сигналами, ответвленными зондами 4, 6 и 5, 7 соответственно. Для этой цели можно применить серийно выпускаемые нашей промышленностью приборы групп Ф 2 и ФК 2. В частности, могут быть использованы приборы ФК 2 - 12, ФК 2 - 18, ФК 2-29 ФК 2 - 33, ФК 2-39 и другие.Тангенсные преобразователи 10, 11,квадраторы 12, 13, блоки деления 14, 19; арктангенсный преобразователь 15, сумматоры 17, 21, блоки извлечения квадратного корня 18, 22 и блок вычитания 23 предназначены для осуществления соответствующих функциональных преобразований, Схемные реализации этих блоков широко известны, весьма разнообразны и приведены, например, в(5. При использовании цифровых выходов фазометров 8 и 9 перечисленные блоки следует реализовать в цифровом виде с использованием цифровых интегральных схем и микропроцессоров.Источник опорного напряжения 24 предназначен для выработки напряжений, условно принятых за единицу в конкретных схемах. Реализовать его можно с помощью стабилизаторов постоянного напряжения и делителей напряжения на прецизионных резисторах, Схемы этих устройств широко известны и не требуют пояснений и ссылок.Индикаторы фазы 16 и модуля 20 предназначены для индикации результатов измерения. Для этих целей могут быть использованы стрелочные, цифровые, графические и другие типы индикаторов,Измеритель модуля и фазы коэффициента отражения работает следующим образом. Рассмотрим линию передачи без потерь. Отсчет расстояниябудем проводить от плоскости подключения исследуемого двухполюсника 3, т,е. справа-налево. В отрезке линии передачи с четырехзондовым датчиком 2 в общем случае будет существовать падающая волна с комплексной амплитудой Опад., которая распространяется в направлении от генератора СВЧ 1 к двухполюснику 3, и отраженная волна с комплексной амплитудой Оотр., которая распространяется в обратном направлении. В результате интерференции этих волн получаем суммарную волну с комплексной амплитудойО =О пад. + Оотр (1) Обозначим значение комплексных амплитуд падающей и отраженной волн в плоскости подключения двухполюсника 3 через 0 о пад. и Оо отр, соответственно. Тогда комплексные амплитуды этих волн на расстоянииот нагрузки будут равныОпад. = Оо пад. е ф; Ослр = Оо обереР,Л где /3=2 л /Л - волновоечисло;Л - длина волны в линии передачи,Подставив эти значения в формулу (1), получимО= Оопад.еР+ Ооо,р,е 4 Р)Вынесем за скобки член Оопад.е ф(3)По определению величина Ооотр./Оопад, является комплексным коэффициентом отражения двухполюсника 3 в плоскости подключения к датчику 2, т.е." = Г= ГеР, (4)Оопад.где 1 Г, р - модуль и фаза комплексного коэффициента отражения двухполюсника 3.Подставим (4) в (3)О= Оопад, е ( 1 +Г е( Р Р)(5)иплзуя формулу Эйлера, представим (5) следующим образомО=Оопадеф 1 +Гсоз (23 - у) --)Гвп(23 - р (6) Сигналы; которые ответвляются зондами 4, 5, 6, 7, будут иметь видО=Оопад е 4 К 1 (1+ Г сов (23- р) --)Г 3 й(23 -гр) (7) где - номер зонда( =4,5,6,7);К - комплексный коэффициент передачи -го зонда.Из(7) определим начальные фазы ответвляемых сигналов, полагая начальную фазу падающей волны в плоскости подключения двухполюсника З,.нулевой+ Гсоз (2,817 е ф - аргумент комплексного та передачи 1-го зонда К,Учтем, что расстояния между 6, 7 выбираются равными Л /8, Л /8; 15=17+ Л /4; 4= 17+ ЗЛ гда начальные фазы ответвляе в будут- ф 7 + Ь 7 - агс 1 о1 1.Г сов(2 - ф 17 +ф - +6 -8 ф 7 +В - + 5 -41 ви (237 + 2 Р-- р. зЛ1+Г 1 сов (2 ф 7+2/3- у 1 азания фазометров 8 и 9 при соо щем подключении входов будут р ЛЧЪ = Ч 4 - Чг 6, (13)Ь% =% - %, (14) ставляя в (13) и (14) формулы (9 ывая, что ф=2 лЛ, получим-вЧ 8 = ( - + 4 - 6 ) +2 1 - ГВ выражениях (20) и (21) первые члены в круглых скобках являются постоянными величинами и не зависят от измеряемых параметров:Ги р, Эти члены могут быть исключены при калибровке измерителя по согласованной нагрузки, для которойГ= О. Подставляя в(20) и (21) значение ) Г 1= О, видим, что показания фазометров 8 и 9 будут соответственно равны; А%0 =( 2 +ф 4 6)Л%0 =( .2 +7 ь 5)Л Л Путем введения компенсирующих фазовыхдвигов с помощью фазовращателей, котоые имеются в любом фазометре, можно обиться нулевых. показаний фазометров 8 9, С учетом этого соотношения (20) и (21) могут быть записаны в виде(1 Этот сиг ка извлеч ходе кото второго блоня 22, на выал поступает на вхения квадратного крого 1+1 Г 1 меньшаемоод которого от источнивыходе блоЭтот си го бло подано ка опор ка вычи гнал поступает ка вычитания 2 единичное нап ного напряжен тания 23 будем1022 1 -Г 1 имаго втонал Огз, агда на выет сигнал е 35). о полоом уст- ичинаДокажем получ жительного эффекта Повышение точ ройстве обусловлен(30) г 1) од первого бл корня 18, на в о- н(3:1)ода первого сумд второго суммаоторого подано Эти соотношения представляют собой систему из двух уравнений с двумя неизвестными; 1 Ги р, Для ог 1 ределения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения напряжения с выходов фаэометра поступают на тангенсные преобразователи 10 и 11, с выходов которых снимают сигналыЮ 011 Ч гмп - г 7 (г 5)г1 - 1 Г Сигналы с выходов тангенсных преобразо-ф 15 вателей 10 и 11 поступают на входы делителя и делимого первого блока деления 14. При этом на выходе этого блока формируется сигнал Этот сигнал поступает на вход арктангенсного.преобразователя 15, на выходе которого получаем сигнал, пропорциональный фазе комплексного коэффициента отражения 25018=агсЩ 014= ут-"2 ф 17 (27) Этот сигнал поступает на индикатор фазы 16. Исключение постоянной величины -2 Р 7 из результата осуществляется путем начальной установки показаний индикатора при калиб ровке по образцовой мере с нулевой фазой, либо с любым другим заранее известным значением фазы. Для этих целей удобно использовать короткозамыкатель.. Сигналы Оюи 011 с выходов тангенсных 35 преобразователей 10 и 11 поступают также на квадраторы 12 и 13, на выходах которых .получаем 2 12=01 о(1 - 1 г 1 ) ти сигналы поступают на мматора 17, на выходе ко 017 = 012+ 013 41(1 -Этот сигнал поступает на в ка извлечения квадратного ходе которого 018 1 Л 317 21 Г 1 - 1 Г Одновременно сигнал с вых матора 17 поступает на вхо тора 21, на второй вход кединичное напряжение от источника опорного напряжения 24. На выходе второго сумматора имеем 21 Г 1г1 - 1 Г 1Таким образом на вход делблока деления 19 подан сигвход делителя сигнал 018. Товторого блока деления 19 буд019= - =1 Г023018Это сигнал поступает на индикатор20. ми:1) исключается погрешность из-за неквадратичности детектора, так как в заявленном устройстве измеряется не мощность ответвленного сигнала, а фаза. СВЧ-детектор при этом из схемы исключен;2) исключается погрешность из-за неидентичности глубины погружения зондов, так как изменение глубины погружения приводит к изменению коэффициента передачи и, как следствие, к изменению ответвляемой мощности, а на фазу ответвляемого сигнала практически не влияет;3) исключается погрешность из-за неидентичности потерь пропускания каналов СВЧ-коммутатора и из-за нестабильности этих потерь, так как СВЧ-коммутатор исключен из схемы.13 1793392 14 шим, Типовое значение динамического диапазона входных сигналов 60-100 дБ (смотри, например фазометры ФК 2-29, ФК 2-33, и другие). Таким образом, динамический диапазон мощности в линии передачи при прочих равных, оговоренных ранее, условиях составит не менее (60-20) = 40 дБ, т,е, на 25 дБ шире, чем в прототипе,м У о с С к н 10 явл то пе вт и оп л ни ди по зо Составитель Ю.ГимпилевичТехред М,Моргентал Корректор Л.Филь РеДактор С. Кулакова За аз 503 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Динамический диапазон изменения щности в линии передачи в заявляемом тройстве будет шире, поскольку фазометр ладает существенно большим динамичеим диапазоном входных сигналов, чем 5 Ч-детектор, Этот диапазон определяется эффициентом усиления усилителя-ограчителя, который может быть очень больФормула изобретения Измеритель модуля и фазы коэффицита отражения. содержащий последовально соединенные генератор СВЧ и ырехзондовый датчик, выход которого яется входом для подсоединения исслемого двухполюсника, последовательно диненные первый фазометр и первый генсный преобразователь, последоваьно соединенные первый блок деления, тангенсный преобразователь и индикафазы, последовательно соединенные рвый блок извлечения квадратного корня, рой блок деления и индикатор модуля, следовательно соединенные источник рного напряжения и блок вычитания, о тч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыше- точности и расширения динамического пазона изменения мощности, введены ледовательно соединенные второй фаетр, второй тангенсный преобразователь, первый квадратор, первый сумматор, второй сумматор и второй блок извлечения квадратного корня, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, выход первого тангенсного преобразователя соединен с вторым входом первого сумматора через введенный второй квадратор, выходы первого и второго тангенсных преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока деления, выход первого сумматора соединен с входом первого блока извлечения квадратного корня, выход блока вычитания соединен с вторым входом второго блока деления, а выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом второго сумматора, причем выходы первого и третьего со стороны генератора СВЧ зондов четырехэондового датчика соединены с входами первого фазометра, а выходы второго и четвертого зондов - с входами второго фазометра,