Содержание к диссертации
Введение
1 Основные принципы разработки элементов государственной системы обеспечения единства измерений ККО 18
1.1 Общие положения 18
1.2 Состояние и проблемы разработки ГСИ ККО 19
1.3 Высокоточные измерители ККО 24
1.4 Высокоточные меры ВС и ККО 28
1.5 МВИ в системе ГСИ ККО 34
1.6 Принципы оценки погрешностей СИ и МВИ 38
1.7 Выводы 43
2 Воспроизведение единиц ККО и ВС в коаксиальных волноводах и передача их размеров с предельно достижимыми точностями
2.1 Общие положения 46
2.2 Воспроизведение единицы ККО нагрузками - мерами ККО ... 46
2.3 Погрешности воспроизведения единицы ККО и передачи ее размера нагрузками с расчетными параметрами 62
2.4 Воспроизведение единицы ВС и передача ее размера отрезком - мерой ВС 68
2.5 Погрешности воспроизведения единицы ВС отрезком 73
2.6 Погрешности передачи размера единицы ККО отрезком 82
2.7 Меры S-параметров 4-полюсников высшей точности 87
2.8 Выводы 93
3 Применение эталонных мер для повышения точности и поверки измерителей КО 96
3.1 Общие положения 96
3.2 Общий анализ уравнений, описывающих рабочие измерители КО 97
3.3 Применение одной меры КО для повышения точности рабочих измерителей КО 102
3.4 Применение одной меры ВС для повышения точности рабочих измерителей КО 114
3.5 Применение меры ККО и меры ВС для повышения точности рабочих измерителей ККО 118
3.6 Комплектные методы поверки измерителей ККО 123
3.7 Комплектные методы поверки измерителей модуля КО 130
3.8 Поэлементные методы поверки измерителей ККО и модуля КО 136
3.9 Выводы L39
4 Коаксиальные переходы как элементы ГСИ ККО 144
4.1 Общие положения 144
4.2 Состояние проблемы 144
4.3 Задачи и проблемы применения переходов при измерениях ККО 151
4.4 Взаимосвязи с другими поверочными схемами 163
4.5 Принципы конструирования и расчета переходов 164
4.6 Экспериментальные исследования и методы аттестации переходов 171
4.7 Выводы 179
5 Унификация методов и средств обеспечения единства измерений ККО в коаксиальных и прямоугольных волноводах 181
5.1 Общие положения 181
5.2 Общность и различие систем обеспечения единства измерений ККО в коаксиальных и прямоугольных волноводах 181
5.3 Общность и различие мер параметров радиоцепей в коаксиальных и прямоугольных волноводах 185
5.4 Общность и различие измерителей параметров радиоцепей в коаксиальных и прямоугольных волноводах 196
5.5 Выводы 199
6 Результаты исследований, практическая реализация и внедрение элементов ГСИ ККО 201
6.1 Общие положения 201
6.2 Меры ККО и ВС с расчетными параметрами 202
6.3 Резистивные нагрузки - меры ККО и отрезки волновода - меры ВС 208
6.4 Измерители модуля и комплексного КО на основе рабочих СИ КО 219
6.5 МВИ и нормативные документы на СИ ККО 228
6.6 Особенности серийного выпуска СИ ККО 231
6.7 Основные результаты разработок по созданию элементов ГСИ ККО 234
6.8 Международные сличения измерений ККО 237
6.9 Выводы 250
Заключение 252
Библиография 256
- Состояние и проблемы разработки ГСИ ККО
- Воспроизведение единицы ККО нагрузками - мерами ККО
- Общий анализ уравнений, описывающих рабочие измерители КО
- Задачи и проблемы применения переходов при измерениях ККО
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) - это государственная система управления деятельностью по обеспечению такого состояния измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Разработка элементов ГСИ включает в себя разработку элементов правовой подсистемы (методик выполнения измерений, поверки, калибровки, испытаний и т.д.) и технической подсистемы (Государственных эталонов, установок высшей точности, рабочих эталонов, образцовых средств измерений всех разрядов, испытательного оборудования и т.д.).
Актуальность диссертации по разработке элементов ГСИ комплексною коэффициента отражения в СВЧ диапазоне определяется потребностями развития радиоизмерительной техники, проблемами развития средств связи, радионавигации, радиолокации, повышения обороноспособности страны. Большой парк радиоизмерительных приборов, большое количество различных СВЧ устройств и элементов как отечественных, так и зарубежных требует тщательного подхода к задачам обеспечения единства измерений комплексного коэффициента отражения в СВЧ диапазоне.
Развитие международного научно-технического сотрудничества (например, в областях освоения космоса, мирового океана, медицины, экологии и др.), международной торговли, интеграции и кооперирования производства требует растущего взаимного доверия к измерениям. Измерения являются одним из основных объектов обмена при совместном решении научно-технических проблем, основой взаимных расчетов при торговых операциях, заключении контрактов на поставку материалов и оборудования. В последнее время возникла необходимость адаптирования СВЧ измерителей.
устройств и элементов с различными типами соединителей используемыми в России (СЖ0Е*) с аналогичными устройствами используемыми за рубежом, где этот вид измерений хорошо развит. Это подтверждается тем, что в последних международных сличениях комплексного коэффициента отражения приняли участие 11 стран, включая такие, ведущие в этой области страны, как Австралия, Англия, Германия, Россия, США.
Задачами разработки элементов ГСИ комплексного коэффициента отражения являются:
- разработка и создание высшего по соответствующей поверочной схеме
звена - Государственного эталона;
- разработка и создание измерителей комплексного коэффициента
отражения - образцовых средств измерения уровня рабочих эталонов и 1
разряда;
разработка и создание мер с точностями соответствующим уровням поверочной схемы - меры комплексного коэффициента отражения, волновою сопротивления, S-параметров 4-полюсников;
разработка и создание методов передачи размера единиц волновою сопротивления и комплексного коэффициента отражения.
Первичной задачей разработки элементов ГСИ комплексною коэффициента отражения является создание высшего по соответствующей поверочной схеме звена - Государственного эталона. При этом необходима разработка как физических элементов Государственного эталона (генераторов, индикаторов, компараторов, калибровочных мер), так и оценка погрешностей воспроизведения единицы волнового сопротивления, комплексного коэффициента отражения и передачи их размеров нижестоящим средствам измерения. Далее, для обеспечения единства измерений, необходима разработка измерителей комплексного коэффициента отражения - образцовых средств измерения уровня рабочих (вторичных) эталонов и 1 разряда (с соответствующей оценкой погрешностей), которые были бы привязаны к
Государственному эталону. Это доказывает актуальность диссертационной работы в плане создания высокоточных измерителей комплексного коэффициента отражения с заданными метрологическими характеристиками.
Так как воспроизведение единиц комплексного коэффициента отражения, волнового сопротивления, поверка измерителей комплексного коэффициента отражения проводится соответствующими мерами, то меры являются необходимой и, фактически, основной составной частью комплекса средств измерения в части обеспечения единства измерений комплексного коэффициента отражения. Это меры комплексного коэффициента отражения, волнового сопротивления, S-параметров 4-полюсников. Они применяются для калибровки, поверки и аттестации измерителей комплексного коэффициента отражения, включая измерители Государственного эталона. В этом случае, так же как и для измерителей, необходима оценка погрешностей мер. Уровень точности эталонных и образцовых мер определяет уровень точности средств измерения параметров СВЧ устройств. Это доказывает актуальность диссертационной работы в плане создания высокоточных мер комплексного коэффициента отражения, волнового сопротивления, S-параметров 4-полюсников с заданными метрологическими характеристиками.
Проблема повышения точности измерителей является центральной в измерительной технике. Пути повышения точности измерителей комплексного коэффициента отражения на СВЧ за счет совершенствования технологии изготовления СВЧ компараторов к настоящему времени практически исчерпали себя. На передний план вышли пути повышения точности измерителей за счет применения предварительной калибровки их. Это требует разработки кроме элементов измерителей (генераторов, индикаторов, компараторов, калибровочных мер) еще и высокоточных методик выполнения измерений. Традиционный метод поверки (аттестации) измерителен, основанный на прямом и независимом сравнении измеренных значений модуля и фазы коэффициента отражения (или только модуля) меры с данными
аттестации меры, также не соответствует современным требованиям к достоверности поверки измерителей коэффициента отражения. Это доказывает актуальность диссертационной работы в плане создания высокоточных и достоверных методик выполнения измерений в части повышения точности и поверки средств измерений.
Таким образом, актуальной является задача разработки и создания методов и средств измерений комплексного коэффициента отражения в СВЧ диапазоне, начиная с Государственного эталона и заканчивая рабочими средствами измерения, то есть разработка элементов ГСИ комплексного коэффициента отражения.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Основной целью диссертационной работы являлось развитие единого теоретического и практического подхода при создании методов и средств воспроизведения единиц волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения, передачи их размеров от Государственного эталона единицы волновою сопротивления до рабочих средств измерений, а именно при:
- разработке моделей мер и измерителей модуля и комплексного
коэффициента отражения;
- оценке погрешностей эталонных и образцовых средств измерений;
разработке методов повышения точности измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения;
разработке методов поверки измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения.
Целями отдельных работ (отчеты по НИР, ОКР, НИОКР, статьи, доклады и др.), результаты которых приведены в диссертации, являлись разработки методов и средств воспроизведения единиц волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения, передачи их размеров от Государственного эталона единицы волнового сопротивления вплоть по рабочих средств измерений, то есть решение задач по созданию конкретных
элементов ГСИ комплексного коэффициента отражения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА определяется разработкой и созданием на основе единого подхода элементов ГСИ комплексного коэффициента отражения:
мер комплексного коэффициента отражения, волнового сопротивления, S-параметров 4-полюсников;
измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения на основе рабочих средств измерения;
нормативных документов на методики выполнения измерений, методы и средства поверки и испытаний'
Единство подхода определяется:
единой математической моделью как мер, такУи измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения' /
единым принципом оценки погрешностей средств измерений от Государственного эталона до рабочих средств измерений/
единым принципом описания методов поверки и повышения точности измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения,
В диссертации:
- уточнены и развиты методики расчета мер воспроизведения единиц
волнового сопротивления, комплексного коэффициента отражения, S-
параметров 4-полюсников. Рекомендуемые методики отличаются от ранее
известных полнотой и строгостью учета влияющих на их параметры факторов,
включая влияния высших типов волн и полярных коаксиальных соединителей.
Обобщены и в явном виде получены функциональные зависимости параметров
мер от влияющих на них факторов. Даны рекомендации по учету и (или)
устранению влияющих факторов. Показано, что нагрузки с расчетными
параметрами могут выступать в качестве эталонных мер волнового
сопротивления и комплексного коэффициента отражения, причем погрешность
передачи размера единицы комплексного коэффициента отражения нагрузками
с расчетными параметрами является наименьшей по сравнению с другими
конструкциями.
уточнены и развиты математические модели рабочих измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения и методы анализа их характеристик, отличающиеся полнотой, строгостью и, в тоже время. простотой анализа погрешностей измерителей,
разработаны методы и созданы методики оценки погрешностей воспроизведения единиц волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения мерами высшей точности на уровне Государственного эталона и передачи их размеров по поверочной схеме от Государственного эталона до рабочих средств измерений^
разработаны и исследованы методы повышения точности измерителей модуля и комплексного коэффициентов отражения с помощью мер модуля коэффициента отражения, комплексного коэффициента отражения и волнового сопротивления. Методы повышения точности отличаются относительной простотой, позволяют в пределах от 4 до 10 раз уменьшить погрешности измерения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения, тем самым позволяют создавать высокоточные измерители на базе рабочих средств измерений.
разработаны и исследованы методы поверки измерителей модуля и комплексного коэффициентов отражения с помощью мер модуля коэффициента отражения, комплексного коэффициента отражения и волновою сопротивления. Методы поверки отличаются повышенной достоверностью определения погрешностей рабочих измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения^
- разработаны предложения по применению переходов для передами
размеров единиц волнового сопротивления и комплексного коэффициента
отражения в коаксиальных волноводах с различными типами соединителей.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Единство измерений комплексною коэффициента отражения в СВЧ диапазоне.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач использовался аппарат теории вероятности и математической статистики, теории длинных линий, теории сигнальных графов, методы математическою моделирования.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том. что разработанные диссертантом методы и устройства легли в основу создания в коаксиальных волноводах важнейших элементов ГСИ комплексного коэффициента отражения:
калибровочных мер высшей точности, являющихся неотъемлемой частью Государственного и военного эталонов единицы волновою сопротивления;
методики оценки погрешностей воспроизведения единиц волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения Государственного, военного, рабочих эталонов и передачи их размеров нижестоящим образцовым средствам измерения;
мер волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения на всех уровнях поверочных схем. от мер рабочих эталонов до 2 разряда с соединителями типов II, III, VIII и организовать их серийный выпуск;
измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения на уровне рабочих эталонов и 1 разряда с соединителями типов II, III, VIII и организовать серийный выпуск измерителей комплексного коэффициента отражения 1 разряда;
- государственных стандартов и других нормативных документов на
методы и средства поверки и испытаний коаксиальных мер и измерителей
модуля и комплексного коэффициента отражения.
АПРОБАЦИЯ. Материалы и основные положения диссертации обсуждались и были одобрены на:
- Всесоюзном научно-техническом совещании по проблемам разработки
современных методов и аппаратуры для измерения параметров радиоцепей в г.
Новосибирске, 1976 г.;
- Всесоюзных конференциях по радиотехническим измерениям в
диапазоне ВЧ и СВЧ в г. Новосибирске, 1980 и 1984 гг.;
V Всесоюзной конференции по метрологии в радиоэлектронике в г. Москве, 1981 г.;
IX Республиканской НТК по автоматизации измерений частотных и импульсных характеристик радиоустройств в г. Каунасе, 1983 г.;
- Всесоюзном симпозиуме по проблемам радиоизмерительной техники в г.
Москве, 1989 г.;
- региональной НТК по современным методам радиоизмерений в
диапазонах ВЧ и СВЧ в г. Новосибирск, 1991 г.;
международных НТК "Актуальные проблемы электронною приборостроения" АПЭП 92, АПЭП 94, АПЭП 96, АПЭП 98, АПЭП 2000, г. Новосибирск, 1992, 1994,1996,1998, 2000 г. г., соответственно;
международной НТК "1997 микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение ИИП-МЭ - 97", г. Новосибирск 1997 г.;
Всероссийских НТК по метрологическому обеспечению обороны и безопасности в Российской федерации, г. Мытищи, 1998 и 2000 г. г.;
второй Сибирской региональной научно-практической конференции но актуальным проблемам метрологии, сертификации и стандартизации, Сибметрология-99, г. Новосибирск, 1999 г.;
межотраслевых согласительных совещаниях по нормативным документам: ГОСТ 13364-79 (г. Новосибирск, 1979, Москва, 1979 г.), ГОСТ 8.365-79 (г. Новосибирск, 1979 г.), ГОСТ 8.351-79 (г. Новосибирск 1979 г.), ГОСТ 13317-80 (г. Горький, 1980), ГОСТ 12264-81 (г. Вильнюс, 1981 г.), РД 50-272-81 (г. Нсвосибирск, 1981 г.), ГОСТ 8.493-83 (г. Новосибирск, 1982 г.), МИ 1766-87 (г. Новосибирск, 1987 г.),
- Государственных комиссиях по приемке опытных образцов приборов
Э9-155, Э9-156 (г. Новосибирск, 1980 г.), ЭК9-140 (г. Новосибирск, 1981 г.), ЭК9-145 (г. Новосибирск, 1982 г.), ЗК9-180 (г. Омск, 1983 г.), КЗ-4 (г. Новосибирск, 1984 г.);
- международных сличениях мер комплексного коэффициента отражения (1983 - 85 г. г. - страны СЭВ, 1984 - 93 г. г. сличения 75-А4).
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации отражены в 55 научных работах, включая 4 авторских свидетельства на изобретения и 8 научно-технических отчетов.
ВНЕДРЕНИЕ. Результаты работы диссертанта внедрены в Государстве}[ных, военном, рабочих эталонах волнового сопротивления (комплексного коэффициента отражения), в серийно выпускаемых средствах измерения комплексного коэффициента отражения, в Государственных стандартах и методиках, в отдельных разработках СНИИМ и других предприятий.
Личный вклад диссертанта заключается в следующемг V
Разработка метода измерения исключающего влияние детекторной характеристики и других систематических погрешностей индикаторного канала - в Государственных специальных эталонах единицы волнового сопротивления - ГЭТ 75-75, ГЭТ 76-75, в ГОСТ 13364-79. Нагрузки коаксиальные. Типы, основные параметры, технические требования и методы испытаний, в ГОСТ 8.365-79. ГСИ. Нагрузки коаксиальные. Методы и средства поверки"*
Разработка мер комплексного коэффициента отражения и волнового сопротивления - в Государственном эталоне ГЭТ 75-87, в военном эталоне ВЭ-25М, в рабочих эталонах единицы волнового сопротивления ВЭТ 75-1-80, ВЭТ 75-П- 80, рабочих эталонов на основе установки КЗ-4, в мерах для международных сличений (в рамках стран СЭВ) комплексного коэффициента отражения на СВЧ, в серийно выпускаемых средствах измерений - установках КЗ-4, наборах (комплектах) мер Э9-155, Э9-156, ЭК9-140, ЭК9-145, ЭК9-180,
ЭК9-181, в единичных экземплярах отдельных мер и их наборов Э9-130, Эс)-135, Э9-135/а, ЭК9-131, ЭК9-131А, аналоги наборов ЭК9-140 в тропическом исполнении, с соединителем типа N "вилка" и "розетка", переходы измерительные коаксиальные, меры эталонов переносчиков, в ГОСТ 13364-79. Нагрузки коаксиальные. Типы, основные параметры, технические требования и методы испытаний, в ГОСТ 8.365-79. ГСИ. Нагрузки коаксиальные. Методы и средства поверки, в РД 50-272-81. Методические указания. Нагрузки коаксиальные с расчетными параметрами. Методы и средства поверки'
3) Разработка методов оценки погрешностей воспроизведения и передачи размеров единиц волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения - в Государственном эталоне ГЭТ 75-87, в военном эталоне ВЭ-25М в Государственной установке высшей точности комплексного коэффициента отражения в прямоугольных волноводах, в рабочих эталонах единицы волнового сопротивления ВЭТ 75-1-80, ВЭТ 75-11- 80, в рабочих эталонах на основе установки КЗ-4, в серийно выпускаемых установках КЗ-4, в единичных экземплярах установок для поверки и испытаний коаксиальных нагрузок (Волго-Вятский и Краснодарский ЦСМ, Курская ЛГН, завод "Эталон" г. Омск, предприятия п/я В-2703, п/я М-5664), в ГОСТ 13364-79. Нагрузки коаксиальные. Типы, основные параметры, технические требования и методы испытаний, в ГОСТ 8.365-79. ГСИ. Нагрузки коаксиальные. Методы и средства поверки, в РД 50-272-81. Методические указания. Нагрузки коаксиальные с расчетными параметрами. Методы и средства поверки, в ГОСТ 8.351-79. ГСП. Линии измерительные. Методы и средства поверки, в ГОСТ 8.493-83. ГСП. Измерители полных сопротивлений. Методы и средства поверки, в МИ 1766-87. Методические указания. ГСИ. Измерители коэффициентов стоячей волны по напряжению и ослабления панорамные. Методики поверки, в других нормативных документах - разделы: методика поверки руководства по эксплуатации и методы испытаний технических условий, как для серийных, так и для единичных средств измерений волнового сопротивления и комплексного
коэффициента отражения:
Разработка методов повышения точности рабочих измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения - в рабочих эталонах на основе установки КЗ-4, в серийно выпускаемых установках КЗ-4, в единичных экземплярах установок для поверки и испытаний коаксиальных нагрузок (Волго-Вятский и Краснодарский ЦСМ, Курская ЛГН, завод "Эталон" г. Омск, предприятия п/я В-2703, п/я М-5664), в измерителях полного сопротивления типов РЗ-66 - РЗ-79 (предприятие п/я М-5566)*
Разработка методов поверки и испытаний мер и измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения - в ГОСТ 13364-79. Нагрузки коаксиальные. Типы, основные параметры, технические требования и методы испытаний, в ГОСТ 8.365-79. ГСИ. Нагрузки коаксиальные. Методы и средства поверки, в РД 50-272-81. Методические указания. Нагрузки коаксиальные с расчетными параметрами. Методы и средства поверки, в ГОСТ 8.351-79. ГСИ. Линии измерительные. Методы и средства поверки, в ГОСТ 8.493-83. ГСИ. Измерители полных сопротивлений. Методы и средства поверки, в МИ 1766-87. Методические указания. ГСИ. Измерители коэффициентов стоячей волны по напряжению и ослабления панорамные. Методики поверки, в других нормативных документах - разделы: методика поверки руководства по эксплуатации и методы испытаний технических условий, как для серийных, гак и для единичных средств измерений волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения. 6 разделов, заключения, библиографии из 152 наименований. Материал диссертации изложен на 273 страницах, включая 65 рисунков и 26 таблиц.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1) Методики воспроизведения единиц комплексного коэффициента отражения и волнового сопротивления в коаксиальных волноводах и передачи
их размеров с предельными точностями,' \
2) Наборы мер волнового сопротивления и комплексного коэффициента
отражения, включая эталонные, и результаты их исследований'
3) Методы повышения точности рабочих измерителей модуля и
комплексного коэффициента отражения, основанные на применении мер
волнового сопротивления и комплексного коэффициента отражения.1
Методы поверки измерителей модуля и комплексного коэффициента отражения.
Высокоточные измерители модуля и комплексного коэффициента отражения, созданные на базе рабочих измерителей, прецизионных мер и методов их применения.
Принципы расчета, конструирования и применения прецизионных коаксиальных переходов в системе обеспечения единства измерений комплексного коэффициента отражения.
Состояние и проблемы разработки ГСИ ККО
Состояние и проблемы разработки ГСИ ККО в СВЧ диапазоне в СОСР и России с 70-х годов до наших дней можно проследить, опираясь на работы многих специалистов-метрологов, включая работы диссертанта [1-27].
К середине 70-х годов Ъ jp$QP\ были разработаны и активно начали производить серийно рабочие СИ параметров радиоцепей СВЧ диапазона в коаксиальных волноводах групп Р1- (измерительные линии), Р2- (измерители КСВН и ослабления), РЗ- (измерители полных сопротивлений), Р4-(измерители комплексных коэффициентов передачи и отражения), Р5-(измерители параметров неоднородностей). В это время СНИИМ был определен как головной институт Госстандарта С&СР в области измерения параметров радио цепей на СВЧ в коаксиальных волноводах. В 1975 году в СНИИМ под руководством Петрова В.П. были разработаны и введены в действие Государственные специальные эталоны единицы волновою сопротивления в коаксиальных волноводах поперечных сечений 16/6,95 и 7/3,04 мм ГЭТ 75-75, ГЭТ 76-75 и соответствующие общесоюзные поверочные схемы [28, 29].
Так как в коаксиальных волноводах физические величины - волновое сопротивление (ВС), полное сопротивление (ПС) и комплексный коэффициент отражения (ККО) взаимно и однозначно связаны, то в дальнейшем будем пользоваться в основном термином ККО. При разработке поверочных схем использовались работы [30, 31]. Поверочная схема по [28] приведена на рисунке 1.1. Поверочная схема по [29] имеет аналогичный вид. ГЭТ были созданы на основе прецизионных измерительных линий. разработанных и изготовленных в СНИИМ [32, 33]. Для воспроизведения единицы ВС использовались воздушные отрезки однородного коаксиального волновода. Для исключения основных составляющих погрешности передачи ККО от ГЭТ применялись следующие методы. Для исключения собственною КСВН измерительной линии применялся так называемый "четвертьволновой" метод, с использованием меры воспроизведения единицы ВС [34]. Для исключения неквадратичности детекторной характеристики был применен оригинальный метод, разработанный с участием диссертанта [35, 36]. То есть, в первых ГЭТ еще не использовались методы калибровки измерителей. разработанные позднее и используемые в настоящее время. После создания ГЭТ перед СНИИМ была поставлена задача по наполнению поверочных схем [28, 29], т.е. задача по разработке РЭ, ОСИ 1 и 2 разрядов и методов передачи размера единицы ККО от вышестоящих по поверочной схеме СИ к нижестоящим. Следует отметить, что в это время ОСИ 2 разряда в виде мер КСВН уже серийно выпускались. Однако по требуемым характеристикам, качеству изготовления, номенклатуре и количеству их выпуск не соответствовал нуждам государственных и ведомственных метрологических служб. Вообще, до введения (первое время и после введения) в действие ГЭТ и соответствующих поверочных схем воспроизведение единицы ВС (ККО) и передача ее размера были децентрализованы, что приводило к нарушению единства и достоверности измерений.
Примерно такая же ситуация в середине 70-х годов была и в области измерения параметров радиоцепей на СВЧ в прямоугольных волноводах. Конец 70-х годов и 80-е годы - период наиболее бурного развития радиоизмерительной техники, включая СИ ККО. "ЁРГЛСР сложились мощные центры по разработке и производству СИ параметров радиоцепей на СВЧ. такие как ГНИЛИ (г. Горький), КНИИРИТ (г. Каунас), ВЗРИП (г. Вильнюе), РИП (г. Краснодар), СНИИМ (г. Новосибирск), ВНИИФТРИ (п. Менделеев Московской обл.), ООЗЭ (г. Омск) и др. В эти годы указанные центры активно разрабатывают и внедряют в производство новые РЭ, ВЭ, ОСИ 1 и 2 разрядов, рабочие СИ параметров радиоцепей на СВЧ, соответствующие МВИ и НД на них. Это относилось к СИ как в коаксиальных, так и в прямоугольных волноводах [14, 15, 19 - 23, 27, 32, 35 - 65]. Активное участие в этих разработках принимал и диссертант [19 - 23, 45, 49, 50, 52, 58, 66 - 70].
Важным этапом построения ГСИ ККО в коаксиальных волноводах явился 1980 год, когда в СНИИМ были разработаны и введены в действие РЭ единицы ВС в коаксиальных волноводах ВЭТ 75-1-80, ВЭТ 75-11-80 [14, 22, 23]. Это были первые в СССР СИ ККО, принцип построения которых основан на строгих алгоритмах калибровки измерителей по эталонным мерам [17, 22, 23, 37, 71, 72 -78]. Он (п шщй»- щзз оения) заложен во всех современных высокоточных СИ параметров радиоцепей на СВЧ. На этом принципе в 1987 году в СНИИМ был разработан и введен в действие новый ГЭТ единицы ВС в коаксиальных волноводах и новая Государственная поверочная схема для СИ ПС [79], которые официально функционируют до сегодняшнего времени.
Поверочная схема [79] приведена на рисунке 1.2. В 90-х годах разработка новых и производство ранее выпускавшихся СИ параметров радиоцепей на СВЧ оказались замороженными. Используя прежние заделы в теоретическом и материальном плане, кое-что еще разрабатывается и производится, но очень мало по сравнению с 80-ми годами.
К настоящему времени действующая поверочная схема требует существенной переработки, проект новой схемы существует. Действующий ГЭТ, несмотря на существенные доработки по сравнению с введенным в 1987 году, требует модернизации в части расширения его функциональных возможностей (расширение диапазона частот, введение новых коаксиальных волноводов и соединителей и т.д.).
Воспроизведение единицы ККО нагрузками - мерами ККО
Как известно из электродинамики и теории длинных линий, ВС коаксиальной линии Z является функцией от диаметров D наружного и d внутреннего проводников этой линии, проводимости рв, pd и шероховатости Кцт, КШс1 их покрытия и диэлектрической проницаемости среды е. заполняющей пространство между проводниками [121 -123].
Простейшая расчетная неоднородность - это ступенчатое изменение диаметров по одному из проводников, представляемая сосредоточенной емкостью [124, 125]. Технологически легче выполнить ступенчатый переход по внутреннему проводнику, поэтому в данном параграфе будет проведен расчет параметров именно такой меры ККО - нагрузки со ступенчатым переходом по внутреннему проводнику [20, 24, 58, 97 - 101]. В работах, посвященных таким нагрузкам, например [96], не учтены многие, влияющие на их параметры факторы. Приведенные в работах формулы неудобны при расчетах и в них не дана оценка приближения расчетных формул.
Нагрузка состоит из внешнего проводника, в виде трубы 1, диаметром D, внутреннего проводника в виде стержня 2 со ступенчатым переходом в плоскости В-В с диаметра dj на .диаметр d2 и подвижного поглотителя 3. Различные диаметры стержня создают в плоскости В-В перепад волновых сопротивлений Z, и Z2, который и определяет, в основном, модуль КО такой меры. Длина участка стержня между входной плоскостью А-А и плоскостью скачка диаметров В-В определяет, в основном, фазу КО такой меры. Подвижность поглотителя позволяет исключить влияние его собственного кко.
Номинальные значения диаметров, определяющие различные значения КСВН для коаксиальных волноводов поперечных сечений 16/6,95, 16/4,58, 7/3,04 и 3,5/1,52 мм приведены
В статье Моргана [127] приведены графики зависимости относительного рассеяния СВЧ мощности (равного коэффициенту шероховатости Кш) от отношения среднеквадратической величины шероховатости поверхности к толщине скин-слоя. Согласно [128] для 6-12 классов шероховатостей поверхности задается среднеквадратическое отклонение профиля. Учитывая, что значение Кш не критично к форме профиля шероховатости [127] и тип направлений неровностей обычно произвольный, примем закон распределения случайной величины (высоты профиля поверхности) 2Ra за равновероятный. ГОСТ 8.173-75 [29], МИ 1700-87 [79]. На уровне эталонов необходимо учитывать все поправки. На уровне ОСИ 1 и 2 разрядов поправку из-за скин-эффекта не следует учитывать, а из-за затухания учитывать в зависимости от разряда меры и длины ее однородного участка. Поскольку параметры мер ККО рассчитываются с учетом действительных размеров проводников, проводимостеи покрытий проводников, это позволяет ослабить допуски на проводники и применять разные покрытия.
Формулы расчета параметров мер ККО и ВС были получены в предположении неизменности параметров окружающей среды. Изменение атмосферного давления приводит лишь к изменению значения диэлектрической проницаемости воздуха. Однако это изменение незначительно при изменении атмосферного давления в рабочих условиях применения [48]. То же самое можно сказать и об изменении влажности. Поэтому параметры мер считаем независимыми от колебаний атмосферного давления и влажности. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению проводимости и геометрических размеров коаксиального волновода. Однако изменение проводимости от температуры незначительно [123, 126], поэтому в пределах рабочих температур изменением проводимости можно пренебречь. Изменение диаметров проводников при изменении температуры даже в пределах рабочих условий может быть сравнимо с допусками на их изготовление. Однако относительные изменения наружного и внутреннего проводников одинаковы и из формулы (2.13) видно, что изменение ВС равно нулю. Что касается изменения А длины однородного участка, то оно может быть учтено введением поправки в виде: T = t + At = (l + aTAT), . (2-23) где ат коэффициент линейного расширения материала; АТ =Т-Т0; Т -температура окружающей среды; То - температура, при которой измерялась длина однородного участка.
При расчете параметров мер ККО предполагалось, что мера может использоваться во всем рабочем диапазоне частот основного волновода, то есть однородного участка. Например, в коаксиальном волноводе сечением 7/3,04 мм до 18 ГГц. Однако на верхних частотах диапазона в участке диаметра d2 волновода с пониженным ВС может распространятся волна высшего типа Н, і, критическая длина волны которого определяется соотношением [123, 126]: КР n[D+d2)/2. В работах диссертанта [24, 98, 99] приведены значения критических частот и значения предельных рабочих частот, где волна Нп заведомо не распространяется. Значения предельных рабочих частот выбраны так, что затухание волны Ни на участке диаметра d2 на этих частотах было не менее значения затухания ее в основном волноводе на его верхней рабочей частоте. Возбуждение волны Ни происходит при наличии в коаксиальном волноводе осевой асимметрии. Асимметрия волновода вызвана, в основном, наличием скоса у подвижного поглотителя нагрузки. Скос делают для уменьшения КСВН поглотителя. Не останавливаясь на методах теоретических и экспериментальных исследований влияния волны Ни на расчетные параметры мер ККО, подробно описанных в работах диссертанта [24, 98, 99], приведем здесь лишь полученные результаты этих исследований.
Общий анализ уравнений, описывающих рабочие измерители КО
В области измерения параметров радиоцепей на СВЧ в проблеме повышения точности измерителей большое внимание уделяется исследованию методов калибровки измерителей по различным наборам мер. Этим исследованиям посвящены многие работы как у нас в стране, так и за рубежом, включая работы диссертанта, например [1, 17, 27, 37, 38, 53 - 56, 63, 66, 67, 71 -75,90,91,95,96,130,138].
В этих работах этом исследуются как частичные (приближенные), так и полные калибровки. Однако часто исследование ограничивается рассмотрением только методической погрешности калибровки. Кроме тою, большинство методов калибровки (особенно полной) трудно впрямую применить к рабочим измерителям из-за сложности алгоритмов обработки измерительной информации, получаемой как в процессе калибровки измерителя, так и в процессе измерения параметров исследуемого объекта.
При разработке элементов ГСИ ККО перед диссертантом стояла задача создания ОСИ - высокоточных . измерителей ККО на основе рабочих СИ, выпускаемых в то время серийно. Поэтому были исследованы приближенные (упрощенные) методы калибровки рабочих измерителей ККО и модуля КО. причем для обработки измерительной информации в этих методах достаточно простейшего программируемого калькулятора. Для разработки было выбрано третье, согласно классификации подраздела 2.3, комбинированное направление. То есть, проводилась разработка измерителя ККО с частично функционально-определенным СВЧ преобразователем. Предварительной информацией о наложении каких то условий на параметры преобразователя являлось значение предела допустимой погрешности серийного СИ ККО. Параллельно с разработкой ОСИ - высокоточных мер ВС и ККО, были разработаны МВИ при применении таких мер. В данном разделе исследуется проблема повышения достоверности поверки измерителей КО, которая тесно связанная с проблемой повышения точности измерителей КО. В частности рассмотрены новые, отличные от традиционных и более достоверные методы поверки измерителей ККО и модуля КО. Безусловно, все эти методы поверки применимы при испытаниях СИ для целей утверждения типа СИ и при выпуске их из производства [24, 109, ПО].
Правая часть уравнения (3.1) есть ни что иное, как методическая погрешность прямого измерения ККО, она же функция влияния параметров измерителя на погрешность измерения ККО. В период проведения данной работы для рабочих СИ погрешности измерения на уровне КСВН=2 не превосходили 0,05 по модулю и 10 по фа ;е КО. Это соответствует тому, что параметры а, В и С по величине не превосходят 0,13; 0,025 и 0,13 соответственно. Следует отметить, что когда один из параметров имеет максимальное значение, тогда остальные равны нулю. Однако в дальнейшем, при численных оценках погрешностей максимальные значения параметров используются одновременно, что дает завышенные оценки этих погрешностей.
Как отмечалось выше, уравнения (3.1) и (3.2) в рамках линейной модели измерителя можно считать точными. Вопросам исследования нелинейное индикаторного канала измерителей и методам исключения ее влияния посвящены многие работы, в том числе и работы диссертанта [35, 36]. В данной работе влияние нелинейностей будет представлено без раскрытия их характера в виде дополнительной погрешности измерения АГНЕЛ модуля, Афщ л фазы или АГНЕЛ комплексного КО, связанных между собой соотношением (3.3).
Как показала практика работы диссертанта с различными СИ ККО и публикации разработчиков таких СИ, на уровне рабочих СИ ККО основную погрешность вносят параметры измерительного преобразователя, а, В, С Ф 0. Кроме того, погрешностью аттестации калибровочных мер обычно можно пренебречь, случайная составляющая погрешности может быть сведена до пренебрежимо малой путем изготовления высококачественных измерительных соединителей преобразователя и калибровочных мер, а для уменьшения погрешности из-за нелинейности индикаторного канала существуют свои методы ее уменьшения, вплоть до замены индикатора из серийного СИ ККО на более точный, но так же рабочий, хотя и более дорогостоящий. Поэтому, в подразделе 3.3 проведен полный, с учетом всех составляющих погрешностей, анализ метода повышения точности рабочих СИ ККО, с выводом формул. Далее рассмотрена лишь составляющая погрешности из-за не идеальности измерительного преобразователя, а в подразделе 3.5 проведен, хотя и полный анализ метода, но без приведения вывода расчетных формул. Полный анализ всех, рассматриваемых здесь методов повышения точности рабочих измерителей КО, подробно изложен в работе [24] диссертанта.
Задачи и проблемы применения переходов при измерениях ККО
Рассмотрим вначале роль и место переходов в ГСИ ККО для коаксиальных волноводов. Разработка ГСИ СИ какой либо физической величины предусматривает разработку Государственной поверочной схемы для СИ данного вида, всех се элементов начиная с государственного эталона и взаимосвязей (МВИ но передаче размера единицы физической величины) между элементами поверочной схемы.
В данное время Государственная поверочная схема для СИ полною сопротивления (ККО) представлена рисунком 1.2 [79].
Она распространяется на СВЧ измерители, меры и элементы только с соединителями типов II, III, VIII, IX по [44, 47, 84]. Введение в структуру поверочной схемы прецизионных переходов позволит расширить действие Государственного эталона и поверочной схемы для СИ ККО на другие типы соединителей. При этом такое расширение можно будет проводить в зависимости от возникающих потребностей промышленности по мере востребования тех или иных типов соединителей.
Безусловно, увеличение верхней границы частотного диапазона эталона в данном случае не возможно без расширения состава основного ядра: Государственного эталона единицы ВС (новых калибровочных мер, генераторов, компараторов и т.д.). Введение в поверочную схему переходов должно существенно изменить ее структуру. Например, переходы позволят передавать размер единицы ККО между разными типами соединителей. Например, с типа III на тип II (до 7 ГГц) или с типа III на тип IX (до 18 ГГц).
Как отмечалось выше, из-за наличия двух проводников коаксиальные соединители вынуждены иметь диэлектрические опоры. Часть соединителей (типы I, II, III, VIII, IX, N, SMA, 3,5мм, 7-16) можно считать условно согласованными. Другие соединители (типы IV, V, VII, BNC, SC, SMB) является принципиально рассогласованными из-за формы опоры.
Различие в согласованных и рассогласованных соединителях можно сформулировать и другим образом. Согласованными соединителями являются те, с которыми можно создать эталон - воздушный отрезок коаксиального волновода или воздушную нагрузку с расчетными параметрами. Рассогласованными соединителями являются те, с которыми принципиально нельзя создать эталон - воздушный отрезок коаксиального волновода или воздушную нагрузку с расчетными параметрами. В принципе, оба подхода к такому разделению соединителей совпадают.
То есть, если для согласованных соединителей в высшем звене калибровочных мер можно говорить о том, что расчетные отрезки и нагру ;ки обеспечивают высшую точность воспроизведения единицы ВС (ККО) и передачи их размеров нижестоящим СИ по сравнению с переходами, то для рассогласованных соединителей это не имеет смысла.
Расчет переходов (для рассогласованных соединителей) по точности совпадает с расчетом отрезков и нагрузок. Остается договориться о расположении плоскости начала отсчета фазы КО для рассогласованных соединителей. Тогда, при наличии одного перехода не потребуются набор из трех калибровочных мер на данный тип соединителя, к тому же, переход является широкополосным устройством. Все это, включая широкополосноеть, обусловлено тем, что проводится измерение через переход, а не калибровка измерителя по переходу.
Расчетные формулы измерения ККО через переход (как меру S-параметров) известны. В СНИИМ есть и соответствующие программы для Г )Т 75-87, которые могут быть довольно просто адаптированы для анализаторов цепей с индикатором в виде компьютера. Большой сложности не представляет и проблема адаптации данной задачи для анализаторов цепей с индикаторами на встроенных процессорах.
Для нижестоящих по поверочной схеме СИ переход имеет еще большее значение. Здесь для расширения функциональных возможностей измерителей модуля и комплексного КО на уровне рабочих приборов необходимо знать параметры переходов для учета или не учета (пренебрежении) влияния их на результаты измерений. Этот вопрос более подробно рассмотрен далее.
Естественно, что введение в поверочную схему переходов потребует разработку принципиально новых, соответствующих МВИ по передаче размера единицы ККО от вышестоящих СИ - к нижестоящим. Рассмотрим проблему расширения функциональных возможностей измерителей модуля и комплексного КО с помощью переходов. Мало отражающий переход представляется в двух аспектах. С механической точки зрения - это устройство в виде отрезка коаксиальной линии, позволяющее жёстко соединять две другие коаксиальные линии. При этом требуется надёжность соединения, их повторяемость И воспроизводимость. В этом случае отрезок линии передач вынужден иметь внутри тракта неоднородности типа скачков диаметров проводников, проточек, продольных разрезов и участков с диэлектрическим наполнителем. С электродинамической точки зрения - это отрезок однородной коаксиальной линии, имеющий малые отражения СВЧ сигнала от вышеуказанных механических неоднородностей. Электродинамический расчёт параметров такого перехода является, не простой, но решаемой задачей, причём с достаточно высокой точностью. Более сложной задачей является выбор таких оптимальных соотношений геометрических параметров тракта перехода, чтобы он был механически стабильным устройством и, в тоже время, при электродинамических взаимодействиях неоднородностей в полосе частот как можно точнее соответствовал бы однородному отрезку коаксиальной линии. То есть, переход должен быть квазисогласованным в полосе частот.
Отложив пока задачу создания таких переходов, зададимся вопросом: при каких условиях измерения они нужны и какую погрешность они вносят. Рассмотрим это на примере использования перехода для измерения ККО. Наличие только вышеуказанных неоднородностей в переходе позволяет считать его взаимным и беспотерным 4-полюсником. То есть, переход можно описать тремя параметрами: модулем Гп и фазой фП КО и фазой /3/ (/3-фазовая постоянная, /-эффективная геометрическая длина перехода) коэффициента передачи. В рамках линейной модели реальный измеритель ККО можно
