Устройство для измерения параметров рассеяния свч четырехполюсника

СОЮЗ СОВЕТСНИ СОЦИАЛИСТИЧЕСН СПУБЛИН(53)5 С 01 К 27/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское9 951181, кл,АбубакировНечаев Э,В, Израдиотехнических ци связь, 1984, с. направленные ответвители 2, 3, 1 О,11, 13, 17, 18 и 23, делитель 4 мощности, вентили 5 и 15, нелинейныеэл-ты 6, 22 и 29, управляемые аттенюаторы 7, 14 и 25, управляемые фазовращатели 8, 24 и 28, перестраиваемые полосовые фильтры 9, 19 и 30,измеряемый СВЧ-четырехполюсник 12,сумматоры 16, 32 и 33, переключатели 20, 26, 34 и 35, согласованныенагрузки 21 и 27, 3-дБ гибридныймост 31, ваттметры 36 и 37 и частотомер 38. В данном устр-ве реализуется задача измерения параметроврассеяния как линейных, так и нелинейных параметров рассеяния как наосновной частоте, так и на высшихгармониках. Причем при измеренияхпараметров рассеяния нелинейныхобъектов по высшим гармоникам сохраняется режим возбуждения исследуемого четырехполюсника 12 по первойгармонике. 1 ил,Бюл.й пол ехнически в и С88,8) свидС 01 Б.А.,мерен огано С 0 етельствоК 27/04, 1Гудков К,ие парамет 1пей, - М,:18,АНИ- .(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯМЕТРОВ РАССЕЯНИЯ СВЧ-ЧЕТЬРЕХПКА 7 И е относи зобретен меряемых тся к радио ия - расши- СВЧ-четыре е измерения рете Цель ехник рение класса иполюсников и она гармониках спе и частоты. Длят СВЧ-г-р 1,ов оде этого ус ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИзобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к измерениямна СВЧ, и может использоваться дляизмерения параметров рассеяния ли 5нейных и нелинейных СВЧ-четырехполюсников на основной частоте и по высшим гармоникам.Целью изобретения является расширение класса измеряемых СВЧ-четырехполюсников и обеспечение измерения на гармониках основной частоты,На чертеже представлена структурная электрическая схема устройствадля измерения .параметров рассеянияСВЧ-четырехполюсника.Устройство для измерения параметров рассеяния СВЧ-четырехполюсникасодержит СВЧ-генератор 1, первый 2и четвертый 3 направленные ответвители, делитель 4 мощнбсти, первыйвентиль 5, первый нелинейный элементб, первый управляемый аттенюатор 7,первый управляемый фазовращатель 8,первый перестраиваемый полосовой 25фйльтр 9, третий 10 и пятый 11 направленные ответвители, измеряемыйСВЧ-четырехполюсник 12, шестой наиправленный ответвитель 13, второи управляемый аттенюатор 14, второй вентиль 15, первый сумматор 16, седьмой17 и второй 18 направленные ответвители, второй перестраиваемый полосовой Фильтр 19, первый. переключатель20, первую согласованную нагрузку21, второй нелинейный элемент 22,восьмой направленный ответвитель 23,второй управляемый фазовращатель 24,третий управляемый аттенюатор 25,второй переключатель 26, вторую согласованную нагрузку 27,третий уп-равляемый фазовращатель 28, третийнелинейный элемент 29 и третий перестраиваемый полосовой Фильтр 30,3-дБ гибридный мост 31, второй 32 итретий 33 сумматоры, третий 34 и четвертый 35 переключатели, первый 36 ивторой 37 ваттметры и частотомер 338Устройство для измерения параметов рассеяния СВЧ-четырехполюсникаработает следующим образом,Гармоническое колебание СВЧ-генератора 1 через первый 2 и четвертьй3 направленные ответвители поступаетна делитель 4, где разделяется надва сигнала, один из которых черезпервый. вентиль 5, первый нелинейныйэлемент (умножительный диод) б, первый управляемый аттенюатор 7, первый управляемый фаэовращатель 8, первый перестраиваемый полосовой фильтр 9 и третий 10 и пятый 11 направленные ответвители подается на вход измеряемого СВЧ-четырехполюсника 12, а другой через шестой направленный ответвитель 13, второй управляемый аттенюатор 14, второй вентиль 15, первый сумматор 16 и седьмой 17 и второй 18 направленные ответвители - на измеряемый СВЧ-четырехполюсник 12.Колебание, ответвленное шестым направленным ответвителем 13 и прошедшее через второй нелинейный элемент 22, первый переключатель 20, второй перестраиваемый полосовой фильтр 19, седьмой 17 и второй 18 направленные ответвители, поступает на измеряемый СВЧ-четырехполюсник 12, Колебание, ответвленное первым направленным ответвителем 2, поступает на частотомер 38 для индикации частоты основной (первой) гармоники. Колебание, ответвленное четвертым направленным ответвителем 3, делится восьмым направленным ответвителем 23 на два сигнала, поступающие соответственно через .управляемые второй фазовращатель 24 и третий аттенюатор 25, через второй переключатель 26, третий управляемый фазовращатель 28, третий нелинейный элемент (умножительный диод) 29 и третий перестраиваемый поло- совой фильтр 30 на первый и второй входы 3-дБ гибридного моста 31, с выходов которого сигналы поступают на первые входы второго 32 и третьего 33 сумматоров, на вторые входы которых подаются сигналы с ответвляющих выходов седьмого 17 и второго 18 на-, правленных ответвителей, третьего О и пятого 11 направленных ответвителей, в зависимости от того, в каком состоянии находятся третий 34 и четвертый 35 переключатели соответственно, Колебания с выходов второго 32 и третьего 33 сумматоров подаются на первый Зб и второй 37 ваттметры.Колебания, подаваемые на ваттметры 36 и 37, при условии, что перестраиваемые полосовые фильтры 9, 19 и 30 выделяют первую гармонику сигналов и переключатели 34 и 35 находятся в таком состоянии, что ни один из сигналов от направленных ответвителей 10, 11, 17 и 18 не проходит на вторые входы сумматоров 32 и 33 при включенных на максимальное ослаб(2) гдеСиРН -СЮ; и9;, ц; -их амплитуды и фазы. 5ление управляемых аттенюаторах 7 и14, можно записать соответственно ввиде где А, р А - нормированные амплитудыколебаний (А=У/2 К)3р - коэффициент, учитывающий 10различия амплитудно-частотных характеристик(АЧХ) трактов для колебаний Х, и Х (С)у - фазовый сдвиг, учитывающий различия фазочастотных характеристик (ФЧХ)трактов для колебанийХ(г.) и Х .Далее переключатель 26 переводится в состояние иПодключена согласованная нагрузка 27", а переключатели 34 и 35 - в положение, при котором на вторые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы с выходов направленных ответвителей 17 и 11, Сигналы, поступающие в этом случае на ваттметры 36 и 37, имеют соответственно вид К У (1)=0 совЬ+у)+ .0,соя(дый+,); 30(4) 35 амплитуды первых гармоник колебаний;их фазы по отношению к.колебанию Х(Т);число высших гармоник; Затем переключатели 34 и 35 переводят в состояние, при котором на вторые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы с выходов направленных ответвителей 18 и 10, При этом сигналы, поступающие на ваттметры 36 и 37, можно записать в виде50 2,(С)=С сов(ы+ф)+ , С.соя(дсд 1+ ;)1=2 (5)КЕ, (й)=Н соя(ЮЕ+й)+ 2 Н,соя(злое+Я,), 55(6) б и Я - фазы колебаний первых гармоник относительноС.,Н ., 1амплитуды и фазы высших гармоник.Показания ваттметров 36 и 37 пропорциональны мощностям сигналов (1)-(6) и равны 1 х ф(12) где Р, Р, Рг, Р г т- суммарные мощ -Г 1 У Гту Г 1 Х Г 22ности высших гармоник,Далее переключатель 26 переводится в состояние Включен на проход В этом режиме показания ваттметров 36 и 37 соответственно равныР =Р +Р +Р С соя 1, (13)27 Ртх+ 2+ 2 Х Н соя Щ-Д, (14)После этого переключатели 34 и 35 переводятся в состояние, при котором на вторые входы сумматоров 32 и 33 подаются сигналы (3) и (4), В этом режиме показания ваттметров 36 и 37 соответственно равныР, =Р +Р, 1 0 со ; (15)+Р +Р хс совИ-Й, 6)ту 2 х тУЗатем управляемый фазовращатель 28 переключают во второе состояние, при котором он вносит фазовый сдвигопримерно равный 90 , при измерении на частоте первой гармоники (заранее известный с точностью 15-20 ). В этом режиме показания ваттметров 36 и 37 соответственно равныР;=7 Р%. 0 "(Ч-ц) (1 где 6, - коэффициент, учитывающий изменение амплитуды сигналовгде С и Н - амплитуды первых гармоник; д - номер гармоники, на которой проводятся измерения,(37) Затем переключатели 34 и 35 переключаются в состояние, когда на вторые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы (5)-(б),В этом режиме показания ваттметров36 и 37 соответственно равныР=Ь;Р+Р +Р,О соя(-Ь); (19)где Ч-Ч Так как направленные ответвители 1 О, 11, 7 и 18 не являются идеальными и СВЧ-тракт не является идеально -согласованным, колебания на выходах направленных ответвителей не про-ЗО порциональны только падающим а а 2 или только отраженным Ъ , Ь 2 волнам. Поэтому колебания (3)-(6) представляются в комплексном виде как линейные комбинации падающих и отраженных волн1 н=,а +Ф 1 Ь,;Ь=р, а + Ь (32)где О 2 а Вду 2 Ф- комплексныеконстанты.45Величины Й, с, Ь, я вычисляютсяследующим образом:Й (Р/А соз+3 Р/А зт.п 4) Р, (33)с (С/А созе+С/А ат.пЮ) Р,; (34)ф (С/А сов 1+С/А ят.п) Р,; (35)Ь (Н/А сов Ц+3 Н/А з 1 п С) 1/Рд, (36)где 1 -1,Из уравнений (29)-(30) вычисляют 55следующие отношения волн: Поделим выражения (13)-(20) на 2 А и преобразуем их к следующему виду 6/А соя= ------- 1 (21)(с-КЬ) К 2-КК(1-КК/Кя) (КФ 10 КА 1) где, К,=ф /7,1К 2= Д,/ 711К= д/ У 11й,=Ы 2/УКЮ=,62/ У 2К = 4/T21к,=./ ДУмножив (37) и (39) наа 1, т. е. положив фазу равной нулю, получают величину отраженных волн Ь и Ь Величина падающей волны а 2 вычисляется из (38) по известной Ь 2, Параметры рассеяния измеряемого СВЧ-четырехполюсника 12 Для вычисления Б-параметров измерение падающих и отраженных волн производится для второго состояния управляемого аттенюатора 7 и (или) управляемого фазовращателя 8, что позволяет получить четыре уравнения с четырьмя неизвестнымн ББ Б 21 Б 22(47) а,(48) (49) Для определения параметров рассеяния измеряемого СВЧ-четырехполюсника на второй гармонике перестраиваемые полосовые фильтры 9, 19, 30 настраиваются на частоту второй гармоники. Далее подбирают такое по ложение управляемого аттенюатора 25 и управляемого фаэовращателя 24, чтобы показание одного из ваттметров Зб и 37 было минимально, при таком состоянии переключателей 34 и 35, при 25 котором на вторые входы сумматоров 32 и 33 поступают сигналы с первых выходов направленных ответвителей 17 и 11 (падающие волны). Минимальному показанию одного иэ ваттметров 36 и 37 соответствует максимальная компенсация первой гармоники на входе ватт- метра, что снижает требования к динамическому диапазону используемых ватт- метров 36 и 37. Колебания, поступающие на входы ваттметров 36 и 37, записываются в виде Х (1) =А юсов 2 ые; Х г=НА гюов (2 ы+ ); И У,(й)=П сов(2 М+)+Э соя(Ыс+Ц)=(53) где Ф 2;А Я ирАгы- амплитуды вторых гармоник.Показания ваттметров 36 и 37 соответствуют амплитудам колебаний(48)- (53)Рх А 2 ф (54) Аналогично формулам (13)-(39) вычисляются падающие и отраженные вол- ны по второй гармонике а , аЬг Ьгыг причем фазовый сдвиг ь, вносимый управляемым фазовращателем 23 должен быть равным приблизительно 45Параметры рассеяния нелинейного четырехполюсника по второп гармонике можно вычислить из уравнений Ьгю Яг агы+Ягаг(60)Ь го ЯаогР "ы,+Ягы а г (61)Я г - параметрыгм, ы а григарассеянйя по второй гармонике;Ь , Ь- свободные члены, учитываю ь гь.щие влияние первой гармоники на вторую,Чтобы вычислить Я-параметры повторой гармонике иэ уравнений (60) и(61) необходимо иметь по три такихуравнейия. Эти уравнения получают изменением падающих и отраженных волнпо второй гармонике с помощью переключателя 20, управляемого аттенюатора 7 и управляемого фазовращателя 8и последующим их измерением,Таким образом, получают системуиэ шести уравнений с шестью неизвестными Ягы Ягм Ягы Яыг Ьц11 г гг 1 оЬ, . Решив эту систему, ойределяютА гьискомые параметры рассеяния по второй гармонике.Параметры рассеяния по третьей идругим гармоникам вычисляют аналогично параметрам рассеяния по второйгармонике с той лишь разницей, чтоперестраиваемые полосовые фильтры 9,19 и 30 настраиваются на частоту соответствующей гармоники, а фазовыйсдвиг, вносимый управляемым фаэовращателем 28, должен быть примерно равоным 90 /и где п - номер гармоники,на которой производятся измерения,Для определения констант р 6 ,К-Ка также величины фазовогосдвигавносимого управляемым фазовращателем 28, по первой и высшимгармоникам производится калибровка.11 1569743 С этой целью вместо измеряемого СВЧ 6-у= четырехполюсника 12 поочередно подключаются к каждому полюсу по три отражающие образцовые меры с извест 5 ными комплексными коэффициентами отражения Г Гг, гТак как образцовые меры являются линейными, то в выражениях (3)-(6) . отсутствуют колебания высших гармоннк (при калибровке по первой гармОнике /9 поэтому выражения (9)-(12) (74) мОжно переписать в виденияР, =Р.; (62) (81)г, 15 бл(81) Из выражений (78)-(81) с учетомв (77) вычисляются четыре значеу (для каждого из выражений (78)- по его заранее известному прииженному значению). Для увеличенияности измерений полученные из выений (78) в (81) значения ) усредтся . Аналогичные измерения производятся для (=45 , 30 229 9Для вычисления величины производятеще одно измерение мощности для каждого положения управляемого фазовращателя 28 при таком положении переключателей 34 и 35, при котором на входысумматоров 32 и 33 не поступает ниодин из сигналов с направленных ответвителей 10, 11, 17, 18 при включении управляемого фазовращателя 28 всостояние, когда он вносит дополнительный фазовый сдвиг 9. Показанияваттметров 36 и 37 в этом случае соответствуют(83) Поделив выражение (82) на (7), получают коэффициент Ь.9 учитывающий не- идеальность широкополосного фазовращателя 28:6; =Р,;/Р,Из выражений (66)-(69) вычисляют с точностью до знака величины 919 9 9 4"9 9 9 а из выражений (70)-(3) с точностью до знака - величины (-)9 (О-ч), (1-у), й-м)(Ргх-Ргх-Рг8 + агссоя( ----- -) 9 (77)РттРтгР 4-6 Р -Ру ц-уагссоя( -- -г --- -); (78)6;Р,( Произведя измерения Й 9 д 9 с, 1 длякаждой образцовой меры и подставиввместо Ь /а, Ьг /аг коэффициенты отражения Г 9 Гг 9 г отражающих нагрузокиз выражений (37) и (38), получают потри уравнения с тремя неизвестными1 т 19 1 т 29 1(3 и 1(49 1 т 5 1 т(, соответственно, Величину константы К 7 вычисляютиз выражения (39) по измеренным значениям ЙР я 9 с, Ь при соединениивыходов направленных ответвителей 11и 18 встык. Для этого случая отношение Ь 2/а=1. Для определения уровня 55нпадающей волны 1 ак выходу первичного канала направленного ответвителя вместо измеряемого СВЧ-четырехполюсника 12 подключается образцовый а выражения (13)- (20) принимают, соответственно видизмеритель СВЧ-мощности, что позволяет вычислить его коэффициент отражения Г и рассчитать по его показанию Р. уровень и аю олны ад щеи в(84) Гр вычисляется из м 3 и я при подклюо ваттметра. В этом ние ваттметра 36 Р 1 квадрату падающей где Кр=50 Ом, а(37) по измереннчении образцовогже режиме показа пропорциональноволны а , поэто1а =КР,(85)15 коэффиц ности,ыраженияют коэффи ент пропорциональгд 85) с учетом (84иент пропорционал Из ычис(1- 1 -р 86) позволяющий определять уровень падающей волны а,1 по показанию ваттметра 36 - Р 1 из (85). При калибровке по высшим .гармоникам вычисляются только константы 6., К-К по1формулам (37)-(39), (86),Таким образом, реализуется задачаизмерения параметров рассеяния каклинейных, так и нелинейных четырехполюсников как на основной частоте,так и на высших гармониках, Причемпри измерениях параметров рассеяниянелинейных объектов по высшим гармоникам сохраняется режим возбужденияисследуемого чеырехполюсника по первой гармонике,Формула изобр етения 5 Устройство для измерения параметров рассеяния СВЧ-четырехполюсника, содержащее СВЧ-генератор с подключенным к его выходу-первым ,направленным ответвителем, второй и третий направленные ответвители, ориентированные соответственно на отраженную и падающую волну, между первичными каналами которых включается измеряемый СВЧ-четырехполюсник, первый .и (второй переключатели, к первым выходам которых подсоединены первая и вторая согласованные нагрузки, и третий и четвертый переключатели, ,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса измеряемыхъ СВЧ-четырехполюсников и обеспечения. измерения на гармониках основной частоты, в него введен четвертый направленный ответвитель, вход Которо- го соединен с выходом первичного канала первого направленного ответвителя, а выход первичного канала - с входом введенного делителя, пеРвый выход которого через последовательно соединенные введенные первый вентиль, первый нелинейный элемент, первый управляемый аттенюатор, первый управляемый фазовращатель, первый перестраиваемый полосовой фильтр и пятый направленный ответвитель, ориентированный на падающую волну, соединен с входом третьего направленного ответвителя, второй выход делителя мощности через введенные шестой направленный ответвитель, второй аттенюатор и второй вентиль подсоединен к первому входу введенного первого сумматора, выход вторичного канала шестого направленного отьетвнтеля через введенный второй нелинейный элемент соединен с входом первого переключателя, второй выход которого через введенный второй перестраиваемый фильтр подсоединен к второму входу первого сумматора, вы"ход,которого соединен с входом введенного седьмого направленного ответ вителя, ориентированного на падающую волну и подсоединенного выходом первичного. канала к входу второго направленного ответвителя, выход вториного канала четвертого направленного ответвителя через последовательно соединенные введенный восьмой направленный ответвитель, второй переключатель, введенные второй управляемый фазовращатель, третий нелинейный элемент и,.третий перестраиваемый поло- совой фильтр подключен к первому входу введенного 3-дБ гибридного моста, к второму входу которого через введенные последовательно соединенные третий управляемый фазовращатель и третий управляемый аттенюатор подсоединен выход вторичного канала восьмого направленного ответвителя, выходы вторичных каналов седьмого и второго направленных ответвителей и третьего и пятого направленных ответвителейподключены соответственно к входам третьего и четвертого переключателей, выходы которых соединены соответственно с первыми входами введенных второго и третьего сумматоров, при этом второй вход второго сумматораЗаказ 1446 Тираж 556 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 15подсоединен к первому выходу, а вто- рой вход третьего сумматора - к второму выходу 3-дБ гибридного моста, выходы второго и третьего сумматоров нагружены на введенные первый и второй ваттметры, а выход вторичногоканала первого направленного ответвителя нагружен на введенный частотомер.