автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Измерение параметров рассеяния устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков

На правах рукописи

005006882

Куликов Александр Борисович

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАССЕЯНИЯ УСТРОЙСТВ КОАКСИАЛЬНОГО ТРАКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕНАПРАВЛЕННЫХ ДАТЧИКОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

,1 2 Я К В 1Ш

Нижний Новгород - 2011

005006882

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Никулин Сергей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зенькович Алексей Вячеславович

кандидат технических наук Налькин Максим Евгеньевич

Ведущая организация ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц»

имени А.П. Горшкова», г. Нижний Новгород

Защита состоится 09 февраля 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан «¿F_» декабря 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Назаров A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время для измерений параметров рассеяния используются векторные анализаторы цепей. Это современные автоматизированные приборы, способные решать практически любые измерительные задачи в области анализа СВЧ цепей.

Высокие технические характеристики анализаторов обеспечиваются тремя слагаемыми: применением прецизионных направленных ответвителей, высокочувствительных измерительных приёмников с преобразованием частоты и методикой калибровки, основанной на определении параметров виртуальных цепей погрешностей.

Векторные анализаторы цепей представляют собой лабораторные приборы, что затрудняет их использование в условиях, где требуется портативность, мобильность, независимость от сетевых источников питания. Данные условия возникают при проведении измерениях в полевых условиях.

Об актуальности темы свидетельствует и появление в последнее время портативных зарубежных и отечественных моделей Agilent FieldFox N9912A и «PLANAR» ОБЗОР-TRl 300/1, имеющих традиционную архитектуру.

В диссертационной работе изложены результаты исследования методов измерения, направленных на создание портативных анализаторов цепей на основе ненаправленных датчиков информационных СВЧ сигналов, как с измерительными приемниками, так и с амплитудными детекторами.

Предлагаемые решения приводят при допустимом снижении технических характеристик к заметному снижению масса-габаритных показателей портативного анализатора цепей.

Кроме того, направленные ответвители, используемые в анализаторах цепей, представляют собой дорогие, прецизионные СВЧ устройства. Ненаправленные датчики предлагается реализовать в виде малогабаритных СВЧ схем с использованием микроэлектронных резистивных компонентов,

имеющих низкую стоимость. Поэтому предлагаемый подход позволяет одновременно снизить и стоимостные показатели приборов.

На этой основе можно разрабатывать малогабаритные модули под стандарты CompactPCI/PXI и с помощью технологии виртуальных приборов создавать многофункциональную аппаратуру для решения измерительных задач с возможностью учета различных климатических, механических и иных воздействий на объект измерения.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов измерения параметров рассеяния устройств коаксиального тракта на основе ненаправленных датчиков с использованием современных микроэлектронных компонентов.

Для реализации цели диссертационной работы решались следующие задачи:

- разработка метода измерения S-параметров с использованием ненаправленных датчиков и измерительных приёмников;

- разработка структурной схемы анализатора цепей с ненаправленными датчиками и измерительными приемниками;

- создание и исследование в пакете Microwave Office схемной модели ненаправленного датчика на основе микроэлектронных компонентов;

- разработка метода измерения S - параметров с использованием ненаправленных датчиков и амплитудных детекторов;

- сопоставительный анализ методов измерения параметров рассеяния, основанных на применении измерительных приемников с ненаправленными датчиками и направленными ответвителями;

- разработка макета анализатора цепей с ненаправленными датчиками;

- создание комплекса программ в среде LabVIEW и в пакете проектирования СВЧ устройств Microwave Office для управления анализатором цепей, сбора, обработки и отображения измерительной информации и моделирования работы анализатора;

- оценка погрешности измерений предложенными методами.

4

Методы исследования. При выполнении работы использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основываются на теории функций комплексного переменного, аппроксимации и интерполяции функций, теории СВЧ цепей, методов компьютерного моделирования (идентификации параметров моделей). Экспериментальные исследования основаны на современной технологии виртуальных приборов.

Научная новизна:

- предложен метод измерения Б-параметров, основанный на использовании измерительных приёмников с ненаправленными датчиками;

- показано, что математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов;

- средствами сравнительного модельного анализа погрешностей анализаторов с измерительными приемниками показано, что в динамическом диапазоне 0...-70 дБ приборы обладают сопоставимыми характеристиками;

- предложен метод определения Б-параметров на основе скалярных измерений информационных сигналов 3-мя амплитудными детекторами, отличающийся более простой технической реализацией.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы, структурные схемы, алгоритмы и программы могут служить основой для создания анализаторов цепей, выполненных как в виде отдельного устройства, так и в виде модулей в промышленных стандартах Сотра^РСЛ и РХ1.

Практическое использование. Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве" по направлению "Методы и техника измерений параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и антенн". Методы измерений Б-параметров, макет анализатора, комплекс

программ, используются в лабораторном практикуме и проводимых на кафедре научных исследованиях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2008, г. Н.Новгород, 2008 г.,

- Восьмом международном симпозиуме "Интеллектуальные системы" (INTEL'2008) г. Н.Новгород, 2008 г.,

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2009, г. Н.Новгород, 2009 г.,

- международной научно-технической конференции "Диагностика -2009", г. Курск, 2009г.,

- всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", г. Самара, 2009г.,

- Девятом международном симпозиуме "Интеллектуальные системы" (INTEL'2008) г. Владимир, 2010 г.,

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2010, г. Н.Новгород, 2010 г.,

- международной научно-практической конференции "Наука и образование - промышленному производству, г. Н.Новгород, 2010 г.,

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2011, г. Н.Новгород, 2011 г.

Личный вклад. Автором предложены методы измерения S-параметров и схемы анализаторов цепей с ненаправленными датчиками. Проведен сравнительный анализ методов измерений и оценены погрешности, спланированы и выполнены экспериментальные исследования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения на 117 страницах. Содержит список литературы

б

из 87 наименований, пять приложений, 92 рисунка и 6 таблиц. Общий объем работы 156 страниц.

Положения, выносимые на защиту:

- метод измерения S-параметров устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков и измерительных приёмников;

- математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов;

результаты сопоставительного анализа методов измерений параметров рассеяния на основе измерительных приемников с ненаправленными датчиками и направленными ответвителями;

- метод измерения S - параметров устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков и амплитудных детекторов;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи исследования, определяются новизна полученных результатов и их практическая ценность, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы основные технические характеристики векторных анализаторов цепей, имеющих традиционную архитектуру. Обосновывается целесообразность исследования и разработки портативных анализаторов цепей, построенных на ненаправленных датчиках.

С точки зрения перспектив построения анализаторов цепей, измерительные преобразователи которых выполнены с использованием ненаправленных датчиков, анализируются промышленные стандарты Compact PCI/PXI.

Во второй главе предложен метод измерения S-параметров анализатором цепей с ненаправленными датчиками и измерительными приёмниками. Показано, что математическое описание анализаторов с

измерительными приёмниками в виде виртуальных цепей погрешностей, инвариантно к типам датчиков информационных сигналов. Приводятся результаты сопоставительного анализа погрешностей методов измерений.

Суть предлагаемого метода состоит в том, что измерение S-параметров можно проводить, не выделяя падающие и отраженные волны, а используя их интерференцию, которая возникает в ненаправленных датчиках.

Схема предложенного анализатора (рисунок 1, а), включает в себя: опорный датчик 6 и приемник R1, датчики 4,5 измерительных каналов с приемниками Al, А2, переключатели Kl, К2 и вентильные устройства VI,V2, V3. Традиционная схема (рисунок 1, б), содержит направленные ответвители HOI - Н04 (соединительные кабели на схемах не показаны).

Рисунок 1. Упрощенные схемы анализаторов цепей В подтверждении положения об инвариантности модели к типу датчика, любой из каналов измерителей представлен в виде линейного 4-портового устройства (рисунок 2):

4--1

Рисунок 2 Модель измерительного канала

Отношение комплексных амплитуд сигналов на выходах 4 и 3,

представляющих собой линейную комбинацию комплексных амплитуд

падающих а и отраженных Ь волн в месте подключения нагрузки 2,

трансформируется во входной коэффициент отражения 4-х полюсника с

анализируемой нагрузкой (Г- комплексный коэффициент отражения

нагрузки).

Г/, Л2а + В2Ь . ВГ _ из + 1+СГ 11 1-5иГ

Таким образом, отношение комплексных амплитуд информационных сигналов ЩИз, выделенное с помощью измерительных приёмников, позволяет определить коэффициент отражения на входе анализируемого устройства Г. А для восстановления коэффициента передачи анализируемого устройства необходимо использовать отношение комплексной амплитуды информационного сигнала, выделенного ненаправленным датчиком второго канала, к комплексной амплитуде опорного сигнала. Следовательно, каскадное соединение виртуальных цепей погрешностей с анализируемым устройством может быть использовано для восстановления Б-параметров средствами измерения с ненаправленными датчиками.

Специфика рассматриваемых моделей анализаторов проявляется в численных значениях в-параметров виртуальных цепей погрешности Бу (рисунок 3). Круговой характер частотной зависимости Б - параметров объясняется наличием соединительных кабелей, а большое значение 5ц. в случае ненаправленного датчика — его равноценной чувствительностью к

падающей и отраженной волне. Для калибровки используется стандартный набор отражающих мер волнового сопротивления и проходная мера.

анализатор ненаправленными анализатор с направленными

датчиками Ai»Bi,B2~A2 ответвителями A,» Bi, В2» А2 иА/~ В2

Рисунок 3. Частотные зависимости S-параметров виртуальных цепей погрешностей анализаторов

В подразделе 2.3 исследуется модель включенного в микрополосковый тракт ненаправленного датчика в виде Т-соединения СВЧ чип-резисторов, (рисунок 4).

Идея использовать ненаправленный датчик как источник информационного СВЧ сигнала связана с измерительной линией и с многозондовыми измерительными рефлектометрами.

Назначение датчика - передать часть сигнала в некоторой точке СВЧ тракта на измерительный приёмник, не нарушая условий согласования тракта, при малом вносимом ослаблении. В пакете программ Microwave Office выполнено исследование частотных характеристик датчика без учёта и с учётом паразитных параметров чип-резисторов. Показано, что датчики такого типа можно использовать в диапазоне частот до 15-20 ГГц.

S-парамитры аир|уальной исии погрешности

Коэффициенты отражения

,,,,/,///,,/А//////////////////////////м//г/////м

^яия Дичи! е№Я ДЛЧЖ1 ♦53* \ S

/¿///////////////Я?/ И.» GHz

0.1 5.1 10.1 «

Frequency (GHz}

Рисунок 4 Схемная модель и частотные характеристики датчика в микрополосковой конструкции

В подразделе 2.4 в пакете программ Microwave Office построены схемные модели сравниваемых анализаторов цепей и проведено моделирование процедур калибровки и измерения S-параметров полоснопропускающего СВЧ фильтра Чебышева. В предположении изоляции между каналами анализаторов -100 dB, приведены некоторые результаты сопоставительного анализа (рис. 5-6).

а) б)

Рисунок 5. Измерение модуля S21 фильтра анализатором цепей: а) с ненаправленными датчиками, б) с направленными ответвителями

С использованием модуля статистического анализа Microwave Office.

показано, что погрешности модуля и фазы коэффициентов передачи для

анализаторов в пределах в динамическом диапазоне от 0 до 70 dB имеют

близкие значения. В диапазоне 70...80 сШ погрешность анализатора на ненаправленных датчиках в 1.5-2 раза выше.

Фам£ 21

Ь||| -Я—- 1 ШН е АлвСГСЯ) (Оед) | 'ЦН : •ж -1 г- ¿00 " ! иш И 11 1 щ

0.1 5.1 10.1 Рпциепсу 15.1 ОН*) 20

а) б)

Рисунок 6. Измерение фазы 821 фильтра анализатором цепей: а) с ненаправленными датчиками, б) с направленными ответвителями

Погрешности модуля и фазы коэффициентов отражения для анализаторов в пределах 0.05-0.8 сравнимы, а в диапазоне 0.8-1, погрешность анализатора на ненаправленных датчиках в 1.5-2 раза выше.

Однако габаритные показатели анализатора с ненаправленными датчиками существенно меньше. Так, размер печатного узла измерительного преобразователя с ненаправленными датчиками составит (50...70)х(15...20)х6 мм, что сопоставимо с размерами 1-го направленного ответвителя в традиционной схеме анализатора цепей.

В третьей главе предложен метод измерения Б-параметров на основе измерений информационных сигналов 3-мя амплитудными детекторами в режимах одностороннего и встречного возбуждения анализируемого объекта.

Схема анализатора приведена на рисунке 7. Амплитудные детекторы в схеме анализатора представляет собой скалярные измерители. Однако при перестройке частоты источника сигнала и при наличии соединительных кабелей, в результате обработки данных, может быть извлечена информация, как об амплитуде, так и о фазе рассеянных волн, действующих на входе и выходе анализируемого устройства.

К устройству сбора данных

Соединительный кабель 2 Анмкшруемое устройство 3 Соахкшн тельяий каСш

К устройству сбора данных >—[<]

Рисунок 7. Схема анализатора цепей с амплитудными детекторами Математическая модель анализатора:

ЕАй-иМУ

¿ = 1,2

Здесь С,(/)- коэффициенты отражения в плоскости подключения кабелей, связанные в свою очередь с параметрами рассеяния соединительных кабелей и комплексным коэффициентом отражения анализируемого объекта Г, (/) соотношением:

Функции А,{/), В,{/), Ф) представляют собой Б-параметры виртуальных цепей . погрешностей каналов анализатора, определяемые в результате калибровки. Параметры рассеяния 5С1к(/) в дальнейшем считаются известными. Они могут быть определены по построенной модели, включающей кабель и соединительные разъёмы или по измерениям векторным анализатором. Присутствие кабелей делает чувствительными отношения информационных сигналов £//(/>Ш/) и */г(/У^о(/) как функций

частоты к модулю и фазе коэффициентов отражения анализируемого объекта.

Использование амплитудных детекторов не позволяет определить искомые величины Г] (/) на фиксированной частоте, имеем одно уравнение с двумя неизвестными для каждого канала анализатора. Поэтому при измерении и калибровке используется метод частотного окна, который предполагает определение совокупности численных параметров, присущих не отдельной частоте, а выбранному частотному поддиапазону.

Искомую величину Г, (/) в частотном окне можно представить фиксированной величиной Г, (/)=Яе Г, + у 1т Г, или например, степенным рядом:

где - начальная частота частотного окна

Неизвестные числовые параметры ЯеП и 1тГ,- или цгоь >••> ёгы /»••. находятся в частотном окне минимизацией целевых функции отдельно для каждого канала:

Новый метод измерения параметров рассеяния основан на сочетании одностороннего (с входа или выхода) и встречного (одновременно с входа и выхода) возбуждения анализируемого объекта. Параметры рассеяния определяются из соотношений по результатам измерения Г/:

еМ-Я-ГУ

=> 0 , / = 1,2

аг _ а\ 1-Г,Г,2

я, *,°1-Г2Г22

Верхний индекс к соответствует порядковому номеру режима возбуждения. Отношение комплексных амплитуд падающих волн аг!ах находятся через отношение первичных падающих волн и а\.

Калибровка и измерения реализуются в виде шести отдельных проектов Microwave Office, каждый из которых в конечном итоге представляет собой оптимизационную процедуру в частотном окне.

В проектах предложены схемные модели компонентов анализатора цепей: ненаправленных датчиков, делителя, ключей, развязывающих устройств, соединительных коаксиальных кабелей.

На основе результатов моделирования определены границы диапазона измерения модуля коэффициента передачи с помощью предлагаемого метода на уровне 0.. .(-35.. .-40) dB.

Погрешность модулей коэффициентов передачи в большей части частотных окнах не превышает 3-5%, модулей коэффициентов отражения-0.005.

Фазовые углы коэффициентов передачи и отражения измеряются (моделируются) с погрешностью не более 3-4 градусов.

Точность моделирования может быть повышена при использовании накопления и усреднение данных.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных с помощью макета анализатора цепей на ненаправленных датчиках с амплитудным детектированием и усилением, созданного на основе исследований и моделирования в главах 2-3. Для управления макетом анализатора цепей и обработки измерительной информации использована технология виртуальных приборов.

Прибор предназначен для измерения комплексного коэффициента отражения, его блок-схема приведена на рисунке 8.

Контактное устройство

I I

Устройство сбора данных PCI 6221

внешний генератор (синтезатор _чагтпты)_

Одноканальный измерительный преобразователь Анализируемый

объект

Рисунок 8. Блок-схема одноканального анализатора цепей с амплитудными

детекторами

Измерительный преобразователь реализован на микроэлектронных компонентах в виде отдельного СВЧ модуля (рисунок 9) и включает в себя: источник сигнала ГУН ROS - 2150 VW, схемы модуляции, два ненаправленных датчика, элементы развязки, детекторные диоды с усилителями, схемы питания. Предусмотрено подключение внешнего источника сигнала. Диапазон рабочих частот системы 1-2 ГГц.

Рисунок 9. Макет измерительного преобразователя

Показана эффективность использования технологии виртуальных приборов в сочетании с пакетом программ Microwave Office. На этой основе решены следующие задачи:

- управление частотой и режимами модуляции источника сигнала;

- сбор и оцифровка информационных сигналов с диодных детекторов;

- обработка данных, включая оптимизационные процедуры;

- визуализация результатов и хранение данных.

В частотных окнах выполнены измерения образцовых короткозамкнутых мер с различной длиной из Сибирского НИИ метрологии и нагрузок НБИПИ "Кварц" с известным значением КСВН(1.2, 1.4, 2.0).

Результат измерения модуля коэффициента отражения нагрузки с КСВН=2, приведен на рисунке 10:

0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.892 Частота. ГГц

Рисунок 10 Модуль нагрузки с КСВН=2 (Г= 0.33) в частотных окнах

Модуль коэффициента отражения

—Р(оЮоГ(1.2) Лодуль нагрузки

1

0.3181 гп2: 1.4638 0.34

Для косвенной оценки точности фазовых измерений определялись длины короткозамкнутых мер. На рисунке 11 показан результат восстановления длины 18.77 мм одной из мер в семи окнах диапазона 1.2-1.9 ГГц:

Длина меры 18.77

—Рк>Юо|<1,3) 18.77

--

! т1:1.3501

... -.......____________;------ ! 1 18.871 т2: 1.7419 17.768

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.892 Частота, ГГц

Рисунок 11. Короткозамкнутая мера с длиной 18.77 мм

Отклонения результатов измерений находятся в пределах 5-7% от номинальных значений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполнения диссертации решены задачи, связанные с разработкой новых схем измерителей параметров рассеяния.

• Предложены методы измерения S-параметров устройств коаксиального тракта на основе ненаправленных датчиков с использованием измерительных приёмников и амплитудных детекторов.

• Предложены схемы анализаторов на ненаправленных датчиках с измерительными приёмниками и амплитудными детекторами.

• Показано, что математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов.

• Предложена и исследована схема ненаправленного датчика в виде Т-соединения СВЧ чип-резисторов.

• Показано, что динамический диапазон анализатора на ненаправленных датчиках с использованием измерительных приёмников 70-80 dB, с использованием амплитудных детекторов: 35-40 dB.

• Оценены погрешности измерений S-параметров анализатором на ненаправленных датчиках с использованием измерительных приёмников.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Куликов, А.Б. Измерительный преобразователь на основе многофункциональных плат сбора данных фирмы National Instruments для информационно-измерительных систем ВЧ и СВЧ диапазона / А.Б. Куликов // Информационные системы и технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф., - Н.Новгород, 2008. - С.70-71.

2. Куликов, А.Б. Интеллектуальная информационно-измерительная система параметров рассеяния СВЧ устройств/ А.Б. Куликов, С.М. Никулин // Труды Восьмого междунар. симпозиума, - Москва, 2008. - С.288-289.

3. Куликов, А.Б. Измерение комплексного коэффициента отражения с использованием технологии виртуальных приборов / А.Б. Куликов // Информационные системы и технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф., - Н.Новгород, 2009. - С.81-82.

4. Куликов, А.Б. Создание программного комплекса в пакете AWR Design Environment для панорамного измерителя комплексного коэффициента отражения / А.Б. Куликов, И.Г. Белков // Информационные системы и технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф., - Н.Новгород, 2009. -С.82-83.

5. Куликов, А.Б. Информационно-измерительная система комплексного коэффициента отражения СВЧ устройств коаксиального тракта / А.Б. Куликов, С.М. Никулин // Диагностика-2009: сборник материалов междунар. науч.-техн. конф., - Курск, 2009. - С.52-54.

6. Куликов, А.Б. Панорамный измеритель комплексного коэффициента отражения на основе технологии виртуальных приборов / А.Б. Куликов И сборник тезисов всероссийской науч.-техн. конф., - Самара, 2009. - С.62-63.

7. Куликов, А.Б. Зондовые измерительные преобразователи для анализа элементов коаксиального тракта / Кудрявцев А.М., А.Б. Куликов, С.М. Никулин // Датчики и системы, 2009, №8. - С.ЗЗ-Зб.

8. Куликов, А.Б. Анализаторы цепей с зондовыми измерительными преобразователями / Кудрявцев А.М., А.Б. Куликов, С.М. Никулин // Измерительная техника, 2009, Л°9. - С.46-49.

9. Куликов, А.Б. Программа управления и сбора измерительной информации панорамного измерителя комплексного коэффициента отражения в среде LabView 7.1 /А.Б. Куликов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009616709 от 3.12.2009 г.

10. Куликов, А.Б. Программа восстановления калибровочных констант и комплексного коэффициента отражения в частотных интервалах / А.Б.

Куликов, И.Г. Белков // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009616710 от 3.12.2009 г.

11. Куликов, А.Б. Модель интеллектуальной измерительной системы параметров рассеяния с большим динамическим диапазоном / А.Б. Куликов, С.М. Никулин // Труды Девятого междунар. симпозиума, - Владимир, 2010. - С.266-268.

12. Куликов, А.Б. Моделирование в AWR Microwave Office оптимальной структуры панорамного измерителя параметров рассеяния/ А.Б. Куликов, С.М. Никулин// Информационные системы и технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф., - Н.Новгород, 2010. - С.77.

13. Куликов, А.Б. Построение малогабаритных векторных анализаторов цепей в СВЧ контрольно-измерительной технике на основе модульной архитектуры / А.Б. Куликов // Наука и образование - промышленному производству: материалы междунар. науч.-практ. конф., - Н.Новгород, 2010. - С.93-94.

14. Куликов, А.Б. Сравнительный анализ погрешностей измерения параметров рассеяния векторными анализаторами цепей различного типа / А.Б. Куликов, С.М. Никулин // Информационные системы и технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф., - Н.Новгород, 2011. - С. 124.

Подписано в печать 26.12.2011. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 840.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

-га

61 12-5/1611

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. P.E. АЛЕКСЕЕВА» (НГТУ)

На правах рукописи

Куликов Александр Борисович

Измерение параметров рассеяния устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Никулин С.М.

Нижний Новгород - 2011

Содержание

Введение..................................................................................... 4

Глава 1 Методы и средства для измерений параметров рассеяния

устройств коаксиального тракта............................................... Ю

Введение................................................................................ Ю

1.1 Векторные анализаторы цепей............................................... 11

1.2 Модульные измерительные системы на основе шины CompactPCI и

PXI.................................................................................. 17

1.3 Выводы и постановка задачи исследования................................ 22

Глава 2 Измерение S-параметров с использованием ненаправленных

датчиков и измерительных приёмников..........................................................................28

Введение................................................................................................................................................................28

2.1 Метод измерения..................................................................................................................................28

2.2 Калибровка..............................................................................................................................................37

2.3 Ненаправленные датчики информационного СВЧ сигнала..........................41

2.4 Сравнительный анализ методов..................................................................................................................49

2.5 Моделирование погрешности измерений.................................. 65

79

Выводы..................................................................................

Глава 3 Измерение S-параметров с использованием ненаправленных

датчиков и амплитудных детекторов........................................ 74

^ 74 Введение................................................................................

3.1 Метод измерения................................................................

3.2 Калибровка........................................................................ 80

3.3 Схемная модель анализатора цепей в пакете программ Microwave 83

Office

3.4 Моделирование процедур калибровки и измерения параметров

91

рассеяния..........................................................................

98

Выводы.................................................................................

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований..................... 100

Введение............................................................................... 100

4.1 Макет одноканального анализатора цепей с амплитудными

детекторами.......................................................................

4.2 Система управления анализатором и обработки результатов

103

измерении..........................................................................

4.3 Измерения элементов коаксиального тракта............................. • • 112

Выводы..................................................................................................................................................................116

Заключение................................................................................................................................................................117

Литература................................................................................................................................................................118

Приложение А Программа моделирующая калибровку анализаторов

цепей с измерительными приемниками и измерение 8-параметров.... 127 Приложение Б Интерфейс программы автоматизации процедур

моделирования калибровки и измерения.................. ............................................129

Приложение В Исходный код программы автоматизации..................................137

Приложение Г Результаты моделирования измерения 8-параметров

анализатора с амплитудными детекторами............................................................................148

Приложение Д Акт внедрения............................................................................................................156

Введение

Актуальность темы

В настоящее время для измерений параметров рассеяния используются векторные анализаторы цепей. Измерители данного типа представляют собой современные автоматизированные приборы, способные решать практически любые измерительные задачи в области анализа СВЧ цепей.

Высокие технические характеристики анализаторов обеспечиваются тремя слагаемыми: применением прецизионных направленных ответвителей, высокочувствительных измерительных приёмников с преобразованием частоты и методикой калибровки, основанной на определении параметров виртуальных цепей погрешностей.

Векторные анализаторы цепей представляют собой лабораторные приборы, характеризующиеся значительными габаритами и массой. Это затрудняет их использования в условиях, где от измерительных приборов требуется портативность, мобильность, независимость от сетевых источников питания. Данные условия возникают при измерениях в полевых условиях.

Об актуальности разработки портативных анализаторов и темы диссертационной работы свидетельствует появление в последнее время портативных зарубежных и отечественных моделей Agilent FieldFox N9912A и «PLANAR» ОБЗОР-TRl300/1.

В диссертационной работе изложены результаты исследования методов измерения, направленных на создание портативных приборов на основе ненаправленных датчиков информационных СВЧ сигналов, как с измерительными приемниками, так и с амплитудными детекторами.

Отказ от разделения волн в измерительном тракте - использование вместо направленных ответвителей ненаправленных датчиков, приводит при допустимом снижении технических характеристик к существенному снижению массо-габаритных показателей анализатора.

Кроме того, направленные ответвители, используемые в анализаторах цепей, представляют собой дорогие, прецизионные СВЧ устройства. Применённые вместо них ненаправленные датчики предлагается реализовать в виде малогабаритных СВЧ устройств с использованием микроэлектронных резистивных компонентов, имеющих низкую стоимость. Поэтому предлагаемый подход позволяет одновременно снизить и стоимостные показатели приборов.

На этой основе можно по новому подойти к решению другой актуальной задачи - построения анализаторов цепей модульной архитектуры на основе промышленных стандартов Сотрас1РС1 и РХ1. Используя готовые и разрабатывая собственные малогабаритные модули под указанные стандарты и применяя технологию программирования виртуальных приборов ЬаЬУ1Е\¥, можно строить перепрограммируемую, перенастраиваемую, многофункциональную аппаратуру для комплексного решения измерительных задач с возможностью учета различных климатических, механических и иных воздействий на объект измерения.

Цели и задачи диссертации

Целью работы является разработка и исследование методов измерения параметров рассеяния устройств коаксиального тракта на основе ненаправленных датчиков с использованием современных микроэлектронных компонентов.

Для реализации цели решались следующие задачи:

- разработка метода измерения 8-параметров с использованием ненаправленных датчиков и измерительных приёмников;

- разработка структурной схемы анализатора цепей с ненаправленными датчиками и измерительными приемниками;

- создание и исследование в пакете Microwave Office схемной модели ненаправленного датчика на основе микроэлектронных компонентов;

- разработка метода измерения S - параметров с использованием ненаправленных датчиков и амплитудных детекторов;

- сопоставительный анализ методов измерения параметров рассеяния, основанных на применении измерительных приемников с ненаправленными датчиками и направленными ответвителями;

- разработка макета анализатора цепей с ненаправленными датчиками;

- создание комплекса программ в среде LabVIEW и в пакете проектирования СВЧ устройств Microwave Office для управления анализатором цепей, сбора, обработки и отображения измерительной информации и моделирования работы анализатора;

- оценка погрешности измерений предложенными методами.

Объект исследования

Объектом исследования данной работы являются методы и средства измерений параметров рассеяния на основе ненаправленных датчиков.

Методы исследования

При выполнении работы использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основываются на теории функций комплексного переменного, аппроксимации и интерполяции функций, теории СВЧ цепей, методов компьютерного моделирования (идентификации параметров моделей). Экспериментальные исследования основаны на современной технологии виртуальных приборов.

Научная новизна

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие научные результаты:

- предложен метод измерения 8-параметров, основанный на использовании измерительных приёмников с ненаправленными датчиками;

- показано, что математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов;

- сравнительный модельный анализ погрешностей анализаторов с измерительными приемниками показал, что в динамическом диапазоне 0...-70 дБ приборы обладают сопоставимыми характеристиками;

- предложен метод определения 8-параметров на основе скалярных измерений информационных сигналов 3-мя амплитудными детекторами, отличающийся более простой технической реализацией.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы, схемы, алгоритмы, программы могут служить основой для создания портативных и мобильных анализаторов параметров рассеяния, выполненных как в виде отдельного устройства, так и в виде модулей в промышленных стандартах Сотра^РС1 и РХ1.

Практическое использование

Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве" по направлению "Методы и техника измерений параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и антенн". Макет панорамного анализатора, методики моделирования и измерения используются в лабораторном практикуме и проводимых на кафедре научных исследованиях.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Обоснованность и достоверность выносимых на защиту положений и выводов, сделанных в диссертации, подтверждается результатами сравнительного модельного анализа известного векторного анализатора и предлагаемого автором, а также результатами экспериментальных измерений устройств коаксиального тракта.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2008, г. Н.Новгород, 2008 г.;

- Восьмом международном симпозиуме "Интеллектуальные системы"

(ШТЕЬ'2008) г. Н.Новгород, 2008 г.;

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2009, г. Н.Новгород, 2009 г.;

- международной научно-технической конференции "Диагностика -

2009", г. Курск, 2009г.;

- всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", г. Самара, 2009г.;

- Девятом международном симпозиуме "Интеллектуальные системы"

(1ЖЕЬ'2008) г. Владимир, 2010 г.;

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2010, г. Н.Новгород, 2010 г.;

- международной научно-практической конференции "Наука и образование - промышленному производству, г. Н.Новгород, 2010 г.;

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2011, г. Н.Новгород, 2011 г.;

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в научно-технических журналах, включенных в список ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения на 117 страницах. Содержит список литературы из 87 наименований, пять приложений, 92 рисунка и 6 таблиц. Общий объем работы 156 страниц.

Положения, выносимые на защиту

- метод измерения 8-параметров устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков и измерительных приёмников;

- математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов;

результаты сопоставительного анализа методов измерения параметров рассеяния на основе измерительных приемников с ненаправленными датчиками и направленными ответвителями;

- метод измерения 8 - параметров устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков и амплитудных детекторов;

Глава 1 Методы и средства измерений параметров рассеяния устройств коаксиального тракта

Введение

В данной главе, которая является обзорной, рассмотрены средства для измерения параметров рассеяния: векторные анализаторы цепей и магистрально-модульные измерительные системы на основе стандартов СошрасгРС1/РХ1 [1-Ю]. Проанализированы основные технические характеристики данных средств измерений и показана необходимость исследования и разработки малогабаритных, мобильных анализаторов цепей.

Векторные анализаторы цепей предназначены для измерения модулей и фаз коэффициентов отражения и передачи в широком диапазоне частот. Они могут быть реализованы как традиционные приборы и как магистрально-модульные измерительные системы на основе стандартов Сошрас1РС1 / РХ1. В этом случае система состоит из базового блока (другое название - шасси, крейт) и набора модулей, вставляемых в базовый блок. Персональный компьютер для управления системой, сбора и обработки данных встраивается в систему в виде модуля или подключается как внешнее устройство через специальный модуль контроллера. Такой подход предполагает аппаратную и программную гибкость, снижение масса-габаритных показателей и стоимости измерительной системы [6].

В первом подразделе главы даётся обзор векторных анализаторов цепей. Их технические характеристики рассмотрены в первую очередь с точки зрения возможности использования данных средств в качестве портативных и мобильных контрольно-измерительных приборов.

Проанализированы масса-габаритные показатели, частотный и динамический диапазон, погрешности измерения, степень автоматизации процессов калибровки и измерения, удобство отображения результатов.

Во втором подразделе приведен анализ стандартов Compact PCI/PXI. Указанные стандарты анализируются с точки зрения перспектив построения малогабаритных, мобильных анализаторов цепей, измерительные преобразователи которых выполнены с использованием ненаправленных датчиков СВЧ сигнала, исследуемых в диссертационной работе.

Результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [11-12].

1.1 Векторные анализаторы цепей

Векторные анализаторы построены на принципе разделения падающих и отраженных от объекта измерения волн с использованием направленных ответвителей. Выделенные направленными ответвителями, информационные СВЧ сигналы переносятся измерительными приёмниками с преобразованием частоты в низкочастотный диапазон, где анализируются амплитудными и фазовыми детекторами. В качестве источников СВЧ сигнала используются

синтезаторы частоты.

В настоящее время мировыми лидерами в области разработки и производства векторных анализаторов цепей являются зарубежные компании Agilent, Anritsu и Rohde & Schwarz. Ими выпускается целый спектр измерителей с различной производительностью, функциональными возможностями и ценой. Так, например, приборы компании Agilent серий ENA и PNA оснащены высококачественными синтезаторами частоты и перекрывают в совокупности диапазон частот от 100 КГц до 110 ГГц. Приборы имеют динамический диапазон 100-136 дБ, поддерживают многопортовые измерения и электронную калибровку, а также дополнительные опции по измерению интермодуляционных искажений и коэффициента шума. Характеристики выпускаемых за рубежом лабораторных векторных анализаторов широко отражены в литературе [1-5].

В нашей стране разработки в области векторных анализаторов отставали от зарубежных аналогов. Сейчас положение начинает улучшаться, появились новые приборы с улучшенными характеристиками.

11

В последнее время прошли сертификацию и подготовлены к выпуску отечественные анализаторы цепей нового поколения. Это приборы компаний «Микран» г. Томск и «PLANAR» г. Челябинск.

Анализатор цепей «Микран» Р4М-18 (рисунок 1.1), предназначен для измерения S-параметров линейных однопортовых и двухпортовых цепей, а также ряда характеристик нелинейных цепей [2].

Рисунок 1.1 Векторный анализатор цепей Р4М-18

Прибор построен в соответствии с концепцией виртуальных приборов и состоит из двух частей: измерительного блока и персонального компьютера с предустановленным программным обеспечением.

Связь между компьютером и блоком осуществляется через шину USB или по интерфейсу Ethernet. Приборы могут подключаться непосредственно к компьютеру или, при использовании