Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Проблема повышения качества и количества передаваемой информации по телекоммуникационным системам, как несоответствие между желаемым и действительным, существует и будет существовать в дельнейшем. Ее решение требует затраты больших сил и средств на создание новых и улучшение существующих систем связи. Известно, что пропускная способность рабочих стволов зависит не только от основных показателей - полосы пропускания и эквивалентной мощности, но и от линейности амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик, группового времени прохождения сигналов в полосе высокой частоты ствола, отношения сигнал /эхо, зависящих от степени согласования волновых сопротивлений устройств СВЧ трактов. Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами, на достоверность приема сигналов и, тем самым, на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт. Одним из параметров, влияющих на неидеальность тракта, является коэффициент отражения в полосе пропускания канала. Интенсивное освоение спутниковых систем связи в конце семидесятых и начале восьмидесятых годов привело к освоению новых частотных диапазонов, не имеющих метрологического обеспечения измерений. В связи с этим особую роль приобретает задача по разработке методов, позволяющих создавать средства измерения S-параметров не только для рабочих мест, но и способных обеспечить высшее поверочное звено на уровне рабочего эталона. Решение поставленных метрологических проблем путем разработки измерителей полных сопротивлений традиционными методами, с применением образцовых измерительных датчиков СВЧ и векторных измерителей, ограничивается технологией изготовления датчиков, погрешностью измерения амплитудно-фазовых соотношений сигналов, стоимостью измерительной аппаратуры. Решение поставленной выше задачи возможно с использованием многополюсного метода построения анализаторов цепей, основанного на измерении нескольких скалярных величин, представляющих собой комбинацию падающих и отраженных волн специальными датчиками. Однако при этом производится измерение трех или четырех скалярных величин в различных нелинейных измерительных каналах, что существенно увеличивает погрешность измерения. Известные методы не позволяют измерять малые коэффициенты отражения, так как погрешность измерения становится соизмеримой с измеряемой величиной.
Широкое применение фазозадающих и фазоизмерительных средств в технике связи, при недостаточном метрологическом обеспечении измерений в диапазоне СВЧ, требует комплексного решения проблемы разработки образцовых фазозадающих средств измерений и методов их калибровки, воспроизведения или передачи единицы величины фазового сдвига от эталонных низкочастотных фазозадающих средств измерений.
Наиболее перспективным решением указанных выше задач является двухсигнальный метод измерения S-параметров с применением фазозадаюгцих средств.
С учетом вышеизложенного научно-техническая проблема диссертации формулируется как проблема разработки и исследования двухсигнального метода и фазозадаюгцих устройств для измерения комплексных параметров устройств СВЧ трактов телекоммуникационных систем.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью данной работы является разработка и исследование измерителей полного сопротивления и фазозадаю-щих средств для обеспечения потребностей техники связи в получении достоверной измерительной информации.
Поставленная проблема требует решения следующих задач:
разработки основных теоретических положений для проектирования высокоточных двухсигнальных измерителей, обеспечивающих метрологические характеристики на уровне образцовых средств измерения;
разработки и исследования методов построения двухфазных генераторов, обеспечивающих метрологические характеристики на уровне рабочих эталонов;
разработки и исследования математических моделей фазовращателей, получение аналитических соотношений, определяющих влияние параметров измерительных устройств на коэффициент передачи;
разработки и исследования способов калибровок фазовращающих устройств и мер фазы без применения образцовых фазовых средств;
исследования методов минимизации погрешностей измерения, обусловленных несовершенством измерительных каналов и методов калибровок.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач использованы теория СВЧ цепей, теория измерений, методы моделирования процессов измерений и обработки измерительной информации с применением теории вероятности и математической статистики. В расчетах применялась современная вычислительная техника.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем.
1. Разработана математическая модель двухсигнального измерителя комплексного коэффициента отражения. В основу модели положены относительные фазовые изменения сигналов, с помощью которых моделируется многополюсный измеритель. Такое математически обоснованное решение позволяет алгоритмизировать измерительный процесс, создает возможность измерения малых коэффициентов отражения, определения группового времени прохождения сигналов и повышает точность измерения. Внедрение разработанной теории в инженерную практику позволяет решать задачи по метрологическому обеспечению существующих и разрабатываемых устройств СВЧ и трактов телекоммуникационных систем.
-
В рамках существующих моделей частотных преобразований разработаны методы передачи размера единицы фазового сдвига от высокочастотных калибраторов в область СВЧ и воспроизведения фазового сдвига преобразованием разности частот в ограниченном интервале времени. Использование этих методов позволяет создавать фа-зозадающие измерительные системы, способные задавать значения фазовых сдвигов близких по точности к высокочастотным калибраторам фазы.
-
Разработаны модели измерителей с различными калибровочными системами. Применение двухфазных СВЧ генераторов дало возможность упростить алгоритмы расчета измеряемых параметров в ряде случаев приближенными методами. Высокая точность измерения коэффициента отражения позволила разработать алгоритмы расчета коэффициентов передачи. Установлены критерии зависимости погрешностей измерения и их минимизации от алгоритмов калибровок и обработки результатов измерения.
-
Предложены способы получения калиброванных фазовых сдвигов на СВЧ через амплитудные соотношения сигналов, позволившие разработать ряд новых моделей средств измерения фазы. Разработаны алгоритмы определения коэффициентов передачи пассивных фазовращателей, устанавливающие их аналитическую зависимость от функций поправок.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ работы заключается в развитии методов измерения, проектирования, разработки, создания и внедрения рабочих эталонов, методик калибровки, обладающих повышенным быстродействием и эффективностью:
-рабочие эталоны в диапазоне [1-18 ГГц] для метрологического обеспечения мер полного сопротивления, коэффициента передачи, измерения группового времени прохождения сигналов с коррекцией погрешностей измерения и управления работой от ПЭВМ, реализующие технические характеристики на уровне зарубежных образцов аналогичного типа;
двухфазные генераторы предназначены для поверки фазоизмери-тельной аппаратуры, для рабочих эталонов полного сопротивления и имеют технические характеристики на уровне лучших зарубежных образцов аналогичного назначения, управляемые ПЭВМ;
способы построения измерителей S-параметров на основе предложенного двухснгнального метода с применением двух квазикогерентных сигналов, имеющих простые методы калибровки и реализации, высокую точность измерения управляемые ПЭВМ;
внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований, методов калибровки анализаторов цепей в разработанные рабочие эталоны, методики экспериментального определения погрешностей без применения образцовых средств измерения, реализующие технические ха-
рактеристики, достаточные для обеспечения верхнего поверочного звена и не уступающие лучшим зарубежным аналогам.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Теоретические положения и аналитические зависимости, программы для моделирования, калибровок и измерений на ЭВМ использовались при разработке рабочих эталонов. При непосредственном участии соискателя созданы и внедрены на предприятиях Госстандарта, министерства связи и других ведомств следующие приборы:
двухфазный генератор с использованием смещенных частот используется для контроля воспроизведения угла сдвига фаз во вторичном эталоне У ВТ 6-80, г. Новосибирск;
калибратор фазового сдвига используется в рабочем эталоне, разработанном по теме "Радий-4"; для НИИР г. Москва;
рабочий эталон для аттестации коаксиальных мер полного сопротивления разработан по теме "Радий-3"; для НИИР г. Москва;
рабочий эталон для аттестации мер полного сопротивления разработан по теме "Радий-5"; для НИИР г. Москва;
рабочий эталон для аттестации мер полного сопротивления и передачи по теме "Радий-6"; для НИИР г. Москва;
установка 1-го класса для измерения параметров фильтров разработана по теме "Радон"; для министерства связи;
полуавтоматический измеритель параметров активного модуля преобразования частоты М45121, разработанный по теме "ГОЛ"; для НЭВЗ г. Новосибирск;
метод калибровки круговых фазовращателей используется для самопроверки встроенных в аппаратуру фазовращателей;
квадратурный фазовращатель используется для контроля воспроизведения угла фазы во вторичном эталоне УВТ 6-80. СНИИМ г. Новосибирск.
АПРОБАЦИЯ РАБОТ. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3 Международных, 17 Всесоюзных или Республиканских научно-технических конференциях и семинарах.
Результаты работы обсуждались на научных семинарах Новосибирского электротехнического института связи, Сибирского государственного научно-исследовательского института метрологии, Краснодарского НИИ радиоизмерительных приборов, ОКБ НЭВЗ г. Новосибирск, НИИ радио г. Москва.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ и получено 11 авторских свидетельств. Результаты исследований и разработок изложены в отчетах о научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и описаниях на разработанные образцовые измерительные установки.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы. Основной материал из
ложен на 284 страницах машинописного текста, включает в себя 67 страниц иллюстраций и таблиц. Библиография содержит 184 наименования. В приложениях приведены документы о внедрении и использовании результатов исследования.
