Содержание к диссертации
Введение
Многополюсные измерители параметров отражения на СВЧ 10
Тенденция развития техники измерений параметров отражения и передачи устройств радиотехники и связи и постановка задачи
Объекты измерения и их измеряемые параметры 19
Обобщенная математическая модель многополюсного измерителя параметров отражения
Разработка и исследование структуры многополюсных измерительных преобразователей
Выводы 55
Разработка, анализ и исследование методов повышения точности измерения параметров отражения
Постановка задачи 57
Метод повышения точности измерения параметров отражения с восьмиполюсным измерительным преобразователем
Метод измерения параметров отражения с десятиполюсным измерительным преобразователем
Разработка методов калибровки и измерения параметров отражения с двенадцатиполюсным измерительным преобразователем
Метод калибровки детекторов мощности п-полюсного измерителя
Методы исключения контактного устройства при измерении импедансов транзисторов
Выводы 97
Анализ основных погрешностей измерения параметров отражения
Методы анализа погрешностей измерителей параметров отражения
Анализ погрешностей калибровочных устройств 107
Анализ погрешностей измерения параметров двухполюсников при использовании алгоритмических методов
Выводы 122
Разработка и исследование методов и аппаратуры для высокоточного измерения параметров отражения
Система ФАПЧ для стабилизации частоты СВЧ генераторов 125
Автоматизированные установки для измерения СВЧ параметров отражения
Экспериментальное исследование метода исключения контактного устройства при измерении импедансов транзисторов
Результаты экспериментальных исследований высокоточных методов и средств измерения параметров отражения
Выводы 146
Заключение 147
Список используемых источников 148
Приложения 156
- Объекты измерения и их измеряемые параметры
- Метод повышения точности измерения параметров отражения с восьмиполюсным измерительным преобразователем
- Анализ погрешностей калибровочных устройств
- Автоматизированные установки для измерения СВЧ параметров отражения
Объекты измерения и их измеряемые параметры
Из всей совокупности СВЧ устройств, в данной работе, рассматриваются такие, которые имеют линейные характеристики. Прежде всего, это весь класс пассивных устройств, а так же активные устройства, работающие в линейном режиме. Следует отметить, что, теоретические и практические изыскания данной работы не ограничиваются их применимостью в линейном параметрическом пространстве, но, в связи с ограниченностью данной работы, не рассматриваются.
Измерительные преобразователи, разработанные на основе излагаемой в данной работе теории, применимы для всех СВЧ устройств. Это обусловлено возможностью: гальванического соединения или развязки измерительных СВЧ каналов с возможностью реализации необходимого ослабления сигнала между каналами; применением высокочувствительных детекторов мощности в измерительных каналах; использованием переходных элементов СВЧ трактов для преобразования сопротивлений; возможностью подачи питающих напряжений на активные элементы объектов измерений с последующим алгоритмическим исключением параметров переходного устройства.
Исходя из этого, объектами измерения, к определению параметров которых может применяться теория и практика описываемая в данной работе, является вся совокупность устройств радиотехники, связи.
Разработка измерительных преобразователей и установок на их основе производилась в рамках НИР определяемых заказчиками. При этом производились необходимые теоретические и практические исследования конкретных СВЧ трактов и СВЧ элементов (калибровочные и исследуемые элементы, аттенюаторы, оконечные нагрузки, отрезки микрополосковых, коаксиальных и волноводных линий, кабели, переходы, фазовращатели, вентили, фильтры, резонаторы, усилители, преобразователи, переключатели, и др.). Также исследовались активные и пассивные элементы СВЧ устройств (транзисторы с возможностью исключения параметров устройств подключения в измерительный тракт и подачи питания, штыри, шайбы, диафрагмы, согласующие устройства СВЧ транзисторов и микросхем, резонансные окна, нерегулярности и т. д.).
Для определения S-параметров необходимо и достаточно определить падающую, прошедшую или отраженную волны, амплитуды которых не изменяются при движении вдоль линии без потерь; S-параметры в линиях без потерь зависят от расстояния плоскости присоединения до физического местоположения исследуемого объекта или неоднородности в волноводе через фазовые приращения. Отрезок линии без потерь можно учитывать изменением фазы, что эквивалентно сдвигу плоскости отсчета. Параметры Z-, Y-, А-матриц изменяются при движении вдоль линии не только по фазе, но и по амплитуде; S-матрица симметричных устройств обладает свойством унитарности, что позволяет легко и просто проверить условие баланса мощности для устройств без потерь. При не полном измерении параметров S-матрицы, вычислить остальные параметры;
Наиболее просто в технике СВЧ можно измерить коэффициенты отражения (передачи) и мощность, что является достаточным для определения параметров S-матрицы. К недостаткам S-матрицы следует отнести определение внешних свойств многополюсника как некоторого «черного ящика», не раскрывая его внутренних свойств. Это: скачки внутреннего сопротивления, наличие реактивностей в виде штырей, диафрагм и т.д. Следует отметить, что, существуют способы исследования внутренней структура СВЧ-трактов и многополюсников измерителями на основе многополюсных измерительных преобразователей с измерением S-параметров (локация).
Для преобразования S-матрицы в Z, Y, Т (А) необходимо и достаточно воспользоваться известными в теории СВЧ цепей методами преобразования. Система S-параметров является нормированной относительно волнового сопротивления СВЧ цепи, в которую включено испытуемое устройство и полностью отображает характеристики СВЧ устройства, отнесенные к плоскости подключения. Характеристики СВЧ устройств являются комплексными величинами и могут принимать значения модуля от 0 до оо , (для коэффициента передачи) и фазы соответственно (0- 1) 27гп.
Данная модель определяет ясность физической интерпретации параметров S-матрицы, и характеризует согласованность объекта измерения с измерительной цепью, описываемой также S-матрицей. S-матрица называется матрицей рассеяния, а S-параметры - параметрами рассеяния. Матрицы рассеяния устанавливают связь между входящими (падающими) а; и выходящими (отраженными) Ь; волнами.
Метод повышения точности измерения параметров отражения с восьмиполюсным измерительным преобразователем
При измерении параметров отражения в качестве измерительных преобразователей применяются направленные ответвители. Точность зависит от качественных показателями направленных ответвителей и в ряде случаев является неудовлетворительной.
Измерительный преобразователь функционально определен. К измерительным выходам подключены векторные индикаторы. Амплитуда волны на измерительных выходах определяется выражением (1.38) при: i=3,4; п=4.
Рассмотрим возможные пути уменьшения погрешности измерения [17], обусловленной рассогласованием и ненаправленностью направленных ответвителей для векторного индикатора (ДК1-12). Применяя правило Мезона [37, 41], найдем обобщенные уравнения измерения коэффициентов отражения четырехполюсника Su , S22 из графа схемы измерителя .
Погрешность определения комплексного коэффициента отражения оконечной нагрузки обусловлена погрешностями индикатора и аттестации калибровочных устройств (калибровочные устройства изготавливаются с допуском 3-5 мкм и аттестовываются по геометрическим размерам), а так же нестабильностью частоты и мощности генератора.
Для уменьшения составляющей погрешности из-за нестабильности мощности и частоты источников сигналов произведем дополнительно калибровку по короткозамкнутой нагрузке с постоянной и известной фазой (по короткозамыкателю). Измерительный преобразователь функционально не определен. К измерительным выходам подключены скалярные индикаторы. Амплитуда волны на каждом измерительном выходе определяется выражением (1.20) при: 1=3- -5; п=5. Уровень сигнала на измерительных выходах определяется выражением (1.40). Метод измерения называется методом десятиполюсника. 1 Десятиполюсный измеритель параметров отражения на основе измерительной линии Анализ произведем для одного измерительного выхода. Результаты анализа справедливы и для любого другого измерительного выхода. Если в уравнении (1.20) пренебречь отражением от зонда, и предположить, что связь зонда с полем в измерительной линии не менее 15 дБ (рис. 1.4), тогда процедура определения коэффициентов А], К, L, Q уравнения (1.31) состоит в следующем. [17-19, 49, 50]. При подключении короткозамкнутой нагрузки с постоянной фазой расстояние / по шкале измерительной линии изменяется таким образом, чтобы показание измерителя мощности Р было равным нулю. При этом имеем arg / -л K-L 1 + 6 = (2.7) Расстояние /1кз всегда будет определять начало отсчета фазы, соответствующее ±180. При подключении короткозамкнутой нагрузки с переменной фазой устанавливаем минимум поля в место, где располагался зонд. Затем изменяем фазу короткозамкнутой нагрузки на величину ± фх. Поле относительно зонда переместится на величину ± щ , в общем случае не равную ±ф\ из-за эффекта Вайсфлоха.
Изменяя фазу короткозамкнутой нагрузки на величину (р2 относительно первоначального ее значения и передвигая плоскость КЗ, как и в первом случае, на величину Л р, и L\(p2, получим две системы уравнений, аналогичных по виду системе уравнений (2.9). Решение этих систем позволяет получить уравнения подобные (2.9), (2.10).
Метод измерения, реализованный на основе обобщенного неидеального трехзондового измерительного преобразователя Значения напряжений Ut (і = 3- 5), поступающих на входы измерителей мощности определим по формуле (1.31). Анализ выражения для Д, Вг показывает, что они отличаются от единицы, поэтому уравнение (1.31) практически нельзя свести к уравнению вида (2.11), (2.12). Если даже предположить, что все три зонда идеальны и нет отражений от измерителей мощности, то и в этом случае выражение для остается громоздким. Решить уравнение (1.31) относительно Р„ возможно только для предварительного определения Д, Д, С , D, Fh , F2l Кг. Из приведенного анализа можно сделать следующий вывод. Если измеритель с тремя зондами (аналогично с четырьмя и более зондами) выполнен неидеально, и нельзя пренебречь рассогласованием, то целесообразно к такому измерительному преобразователю подходить с позиции многополюсного измерительного преобразователя, предъявив к его внутренним параметрам только требования физической реализуемости.
Уравнения (2.8) нелинейны относительно внутренних комплексных параметров измерителя и измеряемого комплексного коэффициента отражения. При анализе такого рода уравнений в настоящее время существуют два подхода: при первом подходе уравнения (2.8) линеаризуют относительно неизвестных внутренних параметров, при втором подходе уравнения анализируются как нелинейные, относительно неизвестных параметров. К неизвестным параметрам относятся как внутренние параметры измерителя Ах, Д, А2, В2 Аъ, J53, D, так и коэффициент отражения Г измеряемой нагрузки.
Определение внутренних параметров измерителя, описанных уравнениями (2.8), может производиться любым из известных в литературе способов [16, 24-26]. Но при этом следует отметить, что п - полюсные измерители обладают тем недостатком, что всегда необходимо поддерживать уровень падающей волны в процессе измерения. В целях исключения данного недостатка систему уравнений (2.8) нормируют относительно показания индикатора мощности, подключенного к одному из дополнительных зондов (например, з ) При этом имеем систему уравнений вида 1 = N.
Система нелинейных уравнений (2.16) может быть решена относительно Гн и (рн. При таком подходе можно определить только малые и средние значения комплексных коэффициентов отражения. Линеаризация системы уравнений (2.16) недопустима, так как приводит к системе двух уравнений, содержащих три неизвестных величины, введение дополнительного зонда позволяет получить дополнительное уравнение, аналогичное уравнениям (2.16), однако полученная при этом система измерительных уравнений вырождена. Решение нелинейной системы (2.16) для трех и четырехзондовой линии не дает дополнительной информации о коэффициенте отражения по сравнению с трехзондовой линией. Информация, снимаемая с дополнительного зонда, может быть использована для уменьшения случайной погрешности измерения.
Определение внутренних параметров трех - и четырехзондовых измерительных преобразователей осуществляется по известным в теории многополюсных измерений методам. При этом следует заметить, что метод, описанный в работе [51, 52] и использующий минимальное количество образцовых нагрузок не приемлем для многозондовых линий. Для этих целей наиболее перспективным является метод, описанный в [53-55].
Метод измерения, использующий три зонда, можно значительно улучшить, если уравнение (1.20) нормировать относительно напряжения падающей на нагрузку волны. При этом система уравнений, состоящая из трех уравнений вида (1.31), имеет в диапазоне частот мало изменяющийся коэффициент Bit что позволяет применить один из эффективных методов определения внутренних параметров измерителя [55] и существенно уменьшить погрешности измерения.
Анализ погрешностей калибровочных устройств
На основе разработанной математической модели СВЧ тракта с многополюсным измерительным преобразователем разработана автоматизированная установка для измерения СВЧ параметров отражения, в основу которой положена установка для поверки аттенюаторов ДК1-12.
Функциональная схема устройства сопряжения Устройство сопряжения состоит из счетчика команд 1, формирователя команд 2, устройство управления 3, предназначенного для формирования команд управления и команд ввода десятичных цифр в память ЭВМ с измерителя. За один цикл обмена производится ввод и выполнение только одной команды.
Алгоритм работает следующим образом. Вырабатывается синхроимпульс СИМ, происходит подготовка к выдаче информации. Сигнал ВВ устанавливается в 1. Если принята команда "Пуск", происходит передача управления основной программе I, если нет - производится выполнение этой команды П.
Исходными величинами являются ГК1, ТК2, Тк2, Т - номинальные значения коэффициентов отражений калибровочных устройств и мер волнового сопротивления проходного типа.
Работа программы состоит в следующем. Производится четырехкратный автоматический ввод модуля и фазы. Между циклами ввода производится остановка для замены калибровочных устройств. Все числа вводятся без десятичной запятой, поэтому сразу после ввода изменяется их порядок.
Перед вводом очередных модуля и фазы происходит преобразование «Пр». предыдущего числа в алгебраическую форму с помощью подпрограммы перевода в алгебраическую форму 1 и подпрограмм расчета sin(x) и cos(x) и запись его в специальные ячейки памяти. Подпрограмма arctg (х) предназначена для обратного перевода. Арифметические операции над комплексными числами реализуются подпрограммами сложения, умножения и вычитания. В целях экономии памяти программа построена таким образом, что одни и те же ячейки используются многократно. По окончании расчета происходит обратное преобразование «ОП» из алгебраической формы в показательную. В качестве калибровочных устройств в установке используются мера волнового сопротивления и короткозамкнутые нагрузки с постоянной и переменной фазами. Для уменьшения погрешности из-за соединителей, последние были изготовлены по высшему классу точности.
Установка позволяет измерять коэффициенты отражения и коэффициенты передачи устройств с соединителями типа III и IV (ГОСТ 13317-73) в диапазоне частот 1-12 ГГц. Экспериментальные исследования показали, что погрешности измерения коэффициента отражения не превышает 0,01 по модулю и 3 по фазе при калибровке по короткозамкнутой нагрузке с переменной фазой. Разрешающая способность измерения коэффициента передачи не превышает 0,017 дБ по модулю и Г по фазе при калибровке по двум мерам волнового сопротивления проходного типа с коэффициентами передачи Т — eJ , Т — eJ
Сигнал от генератора СВЧ 1 через вентиль 2, переменный аттенюатор 3, используемый для калибровки детекторов и вентиль 4, , поступает на 12-полюсный измерительный преобразователь 5, к измерительному выходу, которого подключаются калибровочные нагрузки и измеряемый двухполюсник 6. Сигналы от измерителей мощности 8, 9, 10, 11 с помощью коммутатора 15 подаются через интерфейс 14 в ЭВМ 13, и результаты калибровки печатаются цифропечатающим устройством 12. Напряжение смещения на диоды детекторов подается с источника 7.
При создании автоматизированного двенадцатиполюсного рефлектометра были разработаны программы калибровки детекторных головок, калибровки 12-полюсного измерительного преобразователя промежуточной обработки результатов измерения и программа расчета обобщенных калибровочных параметров 12-полюсного измерительного преобразователя и расчета модуля и фазы ККО измеряемой нагрузки.
Программа калибровки детекторных головок предназначена для автоматизации процесса снятия характеристик детекторов. Программа обеспечивает автоматический ввод данных с вольтметра в ОЗУ ЭВМ (с помощью внешней подпрограммы), усреднение каждой точки по N отсчетам и вывод массива данных с характеристиками диодных головок на магнитную ленту.
Программа автоматизации процесса калибровки 12-полюсного измерительного преобразователя также обеспечивает автоматический ввод данных с вольтметра в ОЗУ ЭВМ, усреднение каждой точки по N отсчетам и iV, подключениям и вывод массива калибровочных данных на магнитную ленту.
Программа промежуточной обработки результатов измерений предназначена для представления данных в форме, необходимой для дальнейших расчетов. Исходными данными для работы программы служат массивы, полученные в процессе выполнения программ калибровки детекторных головок и 12-полюсного измерительного преобразователя.
Для нахождения данных, полученных в результате выполнения программы, разработана программа расчета обобщенных параметров Al, Bt Д, С измерителя, модуля и фазы ККО исследуемой нагрузки.
Автоматизированные установки для измерения СВЧ параметров отражения
Программа калибровки детекторных головок предназначена для автоматизации процесса снятия характеристик детекторов. Программа обеспечивает автоматический ввод данных с вольтметра в ОЗУ ЭВМ (с помощью внешней подпрограммы), усреднение каждой точки по N отсчетам и вывод массива данных с характеристиками диодных головок на магнитную ленту.
Программа автоматизации процесса калибровки 12-полюсного измерительного преобразователя также обеспечивает автоматический ввод данных с вольтметра в ОЗУ ЭВМ, усреднение каждой точки по N отсчетам и iV, подключениям и вывод массива калибровочных данных на магнитную ленту.
Программа промежуточной обработки результатов измерений предназначена для представления данных в форме, необходимой для дальнейших расчетов. Исходными данными для работы программы служат массивы, полученные в процессе выполнения программ калибровки детекторных головок и 12-полюсного измерительного преобразователя.
Для нахождения данных, полученных в результате выполнения программы, разработана программа расчета обобщенных параметров Al, Bt Д, С измерителя, модуля и фазы ККО исследуемой нагрузки. Результаты расчета выводятся на терминал или печатающее устройство.
Установка позволяет измерять комплексные коэффициенты отражения нагрузок в диапазоне частот 3-4 ГГц. Экспериментальные исследования показали, что погрешности измерения ККО не превышают 0,015 и 3 по фазе.
Установка для измерения параметров отражения на основе 12полюсного измерительного преобразователя с переменными параметрами
Отличие данной структурной схемы от предыдущей заключается в том, что, измерительный преобразователь с переменными структурными параметрами.
Двенадцатиполюсный рефлектометр состоит из первого и второго СВЧ-генераторов 1 и 2, первого и второго делителей мощности 3 и 4, первого и второго вентилей 5 6, сумматора 7, измерительного преобразователя 8, выход которого является выходом для подключения исследуемого СВЧ-двухполюсника 9, четырех измерительных каналов 10, каждый из которых содержит аттенюатор 11, СВЧ-детектор 12 и буферный усилитель 13, переключателя 14, усилителя 15 постоянного тока, цифрового вольтметра 16, блока 17 управления и вычисления, калибратора 18 фазы и блока 19 фазовой автоподстройки частоты.
Четыре выхода измерительного преобразователя 8 связаны четырьмя входами переключателя 14 идентичными измерительными каналами 10. Переключатель 14 производит поочередное подключение измерительных каналов 10 к усилителю 15 постоянного тока, с выхода которого сигнал через цифровой вольтметр 16 поступает на блок 17, который с помощью калибратора 18 фазы изменяет фазовые соотношения сигналов СВЧ генераторов 1 и 2.
При подключении к выходу измерительного преобразователя 8 вместо исследуемого СВЧ двухполюсника 9 согласованной нагрузки переключатель 14 устанавливают в такое положение, чтобы на вход усилителя 15 постоянного тока поступал сигнал из измерительного канала 10, подключенного к выходу падающей волны измерительного преобразователя 8. Калибратором фазы 18 изменяют разность фаз между сигналами СВЧ генераторов 1 и 2 до тех пор, пока сигнал на выходе измерительного канала 10 не станет равным нулю. Затем, изменяя разность фаз сигналов СВЧ генераторов 1 и 2 с помощью калибратора 18 фазы, устанавливают максимальное значение сигнала на выходе измерительного канала 10 Uмакс, после этого устанавливают разность фаз, при котором значение сигнала равно 0,2UMaKC. После этого, подключая поочередно переключателем 14 измерительные каналы 10 к входу усилителя 15 постоянного тока, аналогично устанавливают амплитуды сигналов на выходах каждого измерительного канала 10. Эти амплитуды измеряют цифровым вольтметром 16 и запоминают в блоке 17, Они в дальнейшем используются в качестве опорных. При подключении к нагрузочному выходу вместо согласованной нагрузки калибровочных нагрузок (или короткозамкнутой нагрузки с переменной фазой) амплитуды сигналов на выходах измерительных каналов 10 изменяются. Если они отличаются от амплитуд опорных сигналов, то блок вырабатывает управляющие сигналы для калибратора 18 фазы, восстанавливающие амплитуды опорных сигналов.
Экспериментально определялись параметры матрицы рассеяния левой и правой половины контактного устройства, а так же левой половины вместе с отрезком регулярной микрополосковой линии, включенным в контактное устройство в соответствие с графом изображенным на рис. 2.5. К выходу контактного устройства подключали последовательно различные аттестованные нагрузки ГЯ1 =0,12 expyl 37,3, Гя2 = 0,333 ехру 36,5",
Гяз = 1,0 ехр 7180, и анализатором цепей, включенным на входе
контактного устройства, измеряли комплексные коэффициенты отражения на фиксированных частотах в диапазоне 3-7 ГГц через 500МГц. Из результатов измерения аналитически исключались параметры контактного устройства и определялись коэффициенты отражения аттестованных нагрузок. Многократные измерения с переподключениями нагрузок, а так же с поворотом контактного устройства позволили определить пределы допустимых погрешностей измерения модуля и фазы коэффициентов отражения нагрузок, равными соответственно ±0,04 и ±8. После пересчета указанных погрешностей на параметры матрицы рассеяния контактного устройства были получены значения погрешностей, не превышающие 0,025 по модулю и 5 по фазе для параметров Su, S2], Sn.
