автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы компьютерной обработки при измерении параметров резистивных СВЧ структур

ООЗОУаь^<

На правах рукописи

/

/ /

Л

Беднов Антон Владимирович

МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТИВНЫХ СВЧ СТРУКТУР

05 11 13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2007

003069627

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Никулин Сергей Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

Андриянов Александр Владимирович

кандидат технических наук, Пугин Михаил Викторович

Ведущая организация ФГУП «Нижегородский научно-

исследовательский институт

радиотехники» (ФГУП ННИИРТ)

Защита состоится 23 мая 2007 г в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212 165 01 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу 603600, г Нижний Новгород, ул Минина, 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан «Ш апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета ЧСалмык В А

Актуальность темы

Современные методы и средства измерений в области СВЧ обладают значительной точностью и обширными функциональными возможностями За счет применения в анализаторах цепей, особенно за рубежом, новых технологий, существенно расширена область измерений Интеграция аппаратных реализаций и методов цифровой обработки позволила увеличить гибкость процесса измерения и улучшить результаты измерений с помощью фильтрации

Миниатюрные элементы используются практически в любом изделии В области СВЧ малые размеры обладают значительным преимуществом малыми паразитными параметрами и способностью работать на очень высоких частотах Широкополосные миниатюрные изделия выпускаются серийно как в России, так и за рубежом, и предназначены для использования в основном в микрополосковых трактах

Современные анализаторы СВЧ цепей, наоборот рассчитаны на измерение параметров в стандартных коаксиальных или волноводных каналах Такие анализаторы могут быть использованы для измерения параметров резистивных структур в нестандартном канале, но при условии, что чип-элемент установлен в контактное устройство, позволяющее подключить объект измерения к анализатору Использование контактного устройства приводит к возникновению ошибки, заключающейся в том, что анализатор измеряет параметры всего контактного устройства, а не самого миниатюрного элемента Следовательно, кроме средства измерения — анализатора цепей, необходим набор соответствующих методов обработки, позволяющих отделить окружающие цепи в измеренных анализатором параметрах и получить, таким образом, необходимые параметры миниатюрного элемента

Существующие анализаторы цепей способны измерять параметры объекта с очень высокой точностью Это справедливо как для высокоточных анализаторов на направленных ответвителях, выпускаемых западными производителями Anritsu-Wiltron, Hewlett-Packard (США), R&S и другими,

так и для приборов, построенных на двенадцатиполюсных рефлектометрах Однако до сих пор не было выработано единой методологии повышения точности измерений в микроволновом диапазоне, и не была сформулирована задача оптимизации измерительной системы на СВЧ, где в качестве критерия оптимальности выступала бы достигаемая точность измерений Как следствие этого, анализ точностных характеристик проектируемой измерительной системы становится возможным только после изготовления ее макета, что существенно тормозит скорость проектирования и увеличивает его стоимость

Разработка новых методов обработки измеренной информации ведутся в основном в области цифровой фильтрации В области СВЧ также широкое применение нашли матричные методы обработки Однако каждый метод работает только в рамках узкой специализированной задачи, поскольку для его применения принимается множество условий и допущений В частности, для измерений параметров объекта, закрепленного в регулярных линиях, в диапазоне частот, как правило, применяют метод временного окна, трудно поддающийся автоматизации и работающий с быстро меняющимся сигналом во временной области В то же самое время для восстановления параметров объекта по измерениям, полученным на одной частотной точке, применяют матричные методы обработки Единого алгоритма восстановления параметров не существует, следовательно, задача разработки и реализации методов и средств измерений интегральных резистивных элементов, позволяющих максимально автоматизировать процессы измерения и последующей обработки информации, не теряет своей актуальности

Цель работы состоит в разработке методов и средств компьютерной обработки измерений резистивных структур, полученных с помощью анализаторов цепей в стандартных каналах, их интеграции с современными средствами математического моделирования и пакетами анализа, реализации виртуального измерительного комплекса на базе одного из пакетов

математического моделирования и технологии управляемого программного обеспечения

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1 исследовать существующие методы обработки данных и средства измерений в области СВЧ, выбрать тип анализатора, наиболее подходящий для измерения волновых параметров резистивных интегральных структур в контактном устройстве,

2 провести моделирование электрической структуры анализатора цепей с 12-полюсными рефлектометрами, реализовать алгоритм калибровки и измерения с помощью современных компьютерных технологий, оценить погрешность разработанных алгоритмов,

3 разработать метод компьютерной обработки для восстановления коэффициента передачи и отражения микрополоскового аттенюатора, сравнить его с традиционными методами, оценить погрешность,

4 разработать виртуальный прибор ЬаЬУю\у для восстановления волновых параметров микрополосковых аттенюаторов, провести модельные и натурные испытания образцов микрополосковых аттенюаторов

Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования Результаты теоретических исследований базируются на теории СВЧ цепей, теории функций комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, методах компьютерного моделирования (включая имитационное моделирование и идентификацию параметров моделей) Выводы, полученные с помощью экспериментальных методов, основываются на статистических оценках

Научная новизна

1 Предложен, исследован и реализован метод компьютерной обработки данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния, работающий в частотной области Алгоритм способен восстанавливать элементы волновой матрицы рассеяния неизвестного

четырехполюсника по результатам измерений контактного устройства, включающего в себя помимо объекта измерения четырехполюсники погрешностей, состоящие из переходов различного типа и соединительных линий передачи для подключения объекта к анализатору цепей Концепция алгоритма заключается в применении алгоритма спектрального анализа к результатам измерений в частотной области и анализе «виртуального спектра» коэффициента отражения от контактного устройства, представляющего собой распределение всей совокупности отраженных волн по запаздыванию Для получения результата необходимо провести измерения коэффициента отражения от контактного устройства с установленным в него объектом измерения и эталонным объектом Метод разработан как альтернатива методу «временное окно», использует простой фильтр гладких функций и позволяет оценить результат еще до проведения основной фильтрации

2 Предложена и реализована технология построения виртуального измерительного комплекса на базе двенадцатиполюсных рефлектометров как средства измерения параметров контактного устройства с установленным резистивным элементом

3 Реализованы алгоритмы калибровки и измерения в рамках виртуального измерительного комплекса на базе концепции идентификации параметров моделей Пакет прикладного моделирования использовался не только как среда создания схемотехнических моделей, но и как среда выполнения для таких операций как калибровка рефлектометра и измерение коэффициента отражения подключенного объекта При этом разработанные алгоритмы могут работать как на модельном уровне, так и в связке с векторными и двенадцатиполюсными анализаторами цепей

4 Разработан виртуальный прибор ЬаЬ\Ле\у, предназначенный для восстановления коэффициента отражения и передачи микрополосковых аттенюаторов

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки программного обеспечения для автоматизированного анализатора СВЧ цепей в стандартном коаксиальном канале, а также позволяют измерить параметры чип-резисторов и аттенюаторов для гибридных интегральных СВЧ устройств с поверхностным монтажом элементов

Практическое использование

Работа выполнялась в соответствии с планом кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве" Полученные в диссертации результаты использованы при выполнении проекта РФФИ № 05-02 08075 «Исследование возможности создания интеллектуальных систем измерения и обработки сигналов», ОАО НПО «ЭРКОН» в ОКР «Поглотитель» и «Микрочип» при испытаниях характеристик чип-резисторов и аттенюаторов, а также в учебном процессе НГТУ в лабораторном практикуме по дисциплине «Интеллектуальный анализ СВЧ цепей и антенн»

Обоснованность и достоверность результатов работы Все положения, выносимые на защиту, прошли проверку на соответствие с теорией на модельном уровне Адекватность предлагаемых в работе моделей подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований Основные результаты работы реализованы в виртуальном макете анализатора СВЧ цепей на базе комплекса программ математического моделирования Программный комплекс использовался в связке с компьютерной моделью анализатора и анализатором цепей ZVK фирмы R&S

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на

• VIII Нижегородской сессии молодых ученых, Н Новгород, 2003,

• Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород - Арзамас, 2003,

• VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004, Новосибирск, 2004,

• ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, 2004,

• НТК «Информационные системы Средства, технологии, безопасность», Нижний Новгород, 2005,

• III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004,

• Международной НТК информационные системы и технологии ИСТ-2006, Нижний Новгород, 2006,

• Международной НТК «Информационные системы и технологии (ИСТ-2007)», Нижний Новгород, 2007

Публикации По теме диссертации опубликовано 12 работ Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 65 наименований и 4 приложений Общий объем работы — 95 страниц На защиту выносятся:

• управляемая модель анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами в пакете прикладного моделирования Microwave Office,

• реализация алгоритма калибровки 12-полюсного рефлектометра методом идентификации параметров моделей в среде Microwave Office,

• метод восстановления волновых параметров четырехполюсников по результатам измерений в стандартном канале «спектральное окно»,

• виртуальный прибор LabView для восстановления коэффициента отражения и передачи микрополосковых аттенюаторов

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая ценность результатов работы

Первая глава посвящена обзору и критическому анализу существующих методов автоматизированного измерения волновых параметров рассеяния СВЧ материалов и устройств В главе рассмотрены различные подходы к измерительному процессу и последующей обработке

получаемых данных в области СВЧ Измерения проводятся в частотной или во временной области с использованием соответствующего типа рефлектометров, данные обрабатываются с помощью матричных методов и алгоритмах, основанных на преобразовании Фурье Проведена параллель между измерительным процессом и математическим моделированием при использовании автоматизированных анализаторов цепей, рассмотрены вопросы интеграции процессов моделирования и измерения на базе современных программных пакетов Рассмотрены критерии выбора типа анализатора цепей, необходимые для измерения параметров резистивных структур Основываясь на результатах проведенного анализа, поставлены задачи, решаемые в последующих главах работы

Во второй главе реализован механизм обработки измерительной информации в рамках современного пакета прикладного моделирования Программы, предназначенные для моделирования в области СВЧ, обладают богатыми функциональными возможностями, позволяющими автоматизировать процесс создания и настройки схемотехнических моделей Одной из наиболее перспективной особенностью пакетов прикладного моделирования является встроенный алгоритм параметрической оптимизации в пространстве параметров разрабатываемой модели В работе представлена модель двенадцатиполюсного рефлектометра (рисунок 1) Модель использует

Рисунок 1 Модель рефлектометра встроенный в программный пакет метод гармонического анализа в совокупности со специальными схемотехническими элементами виртуального измерения напряжений на информационных каналах рефлектометра Это дает возможность параметрам модели более точно соответствовать характеристикам реального измерителя и избавляет от необходимости принятия множества допущений, характерных для классического

моделирования На базе полученной модели рефлектометра построен виртуальный измерительный комплекс, управляемый как вручную, так и автоматически с помощью разработанной внешней процедуры В рамках пакета моделирования реализован алгоритм калибровки рефлектометра с использованием встроенного в пакет метода оптимизации Калибровка с помощью оптимизационной процедуры основана на определении констант а, и ц, по известным Уц (отношениям мощностей в информационных каналах к мощности в опорном канале рефлектометра) минимизацией целевой функции

1=1 ¡-г »=1

1 +

(1)

где V — измеренное значение, а и ^ - калибровочные параметры рефлектометра, Г - коэффициенты отражения от калибровочных мер, индекс I определяет информационный канал рефлектометра,у - калибровочную меру, к - частотную точку окна калибровки

Пакеты прикладного моделирования в области СВЧ предполагают работу с электрическими схемами, что выгодно отличает их от традиционных программ математического моделирования Преимущества

схемотехнического представления в том, что появляется возможность включения параметров схем в целевую функцию и комбинирования схемотехнического и традиционного математического способов представления функции оптимизации В работе рассмотрены принципы формирования целевой функции схемотехническим и комбинированным (с помощью формул и параметров схем) способами

Оценка достоверности получаемого результата калибровки выполнена посредством реализации процедуры измерения в рамках того же программного пакета и определении среднеарифметической и среднегеометрической погрешностей калибровки и измерения В третьей главе предложен алгоритм обработки измеренной информации с помощью преобразования Фурье Как правило, характеристики, измеренные

>

е-»

I,

т

У

'7

->

Рисунок 2 Схема контактного устройства

анализатором цепей, относятся не к измеряемому объекту, а к системе, включающей сам объект измерения и контактное устройство для подсоединения к анализатору цепей (Рисунок 2)

Элементы подключения образуют «четырехполюсники погрешностей» с волновыми матрицами рассеяния ^ и Контактное устройство

описывается волновой матрицей рассеяния 5™ Необходимость такого контактного устройства вызвана тем, что подавляющее большинство приборов СВЧ разрабатываются и поставляются в миниатюрном исполнении, а измерительные приборы имеют стандартные коаксиальные разъемы Аналитически измеряемый коэффициент отражения может быть представлен следующим образом

А ■А ■ (х* ■ ^ - Я„ ■ ¡Л'1! ■ )

__«з п У 11_11 | I_/_

" ~ " 1 -ля ■^-е4** е-2"1 + Аг1-В11 •)5":|(2)

где А и В — ¿"-параметры коаксиально-полосковых переходов, — 5'-

параметры анализируемого устройства, |5*| — определитель матрицы, со — частота, х1, г_, — постоянные запаздывания

В работе предложен и реализован метод восстановления волновых параметров рассеяния неизвестного объекта по результатам измерений, проведенных в контактном устройстве с объектом измерения и эталонным объектом

с* — С*

где ?п=Лп Ап Ал Х,",^-2-"'

Метод рассматривается как альтернатива алгоритму фильтрации «временное окно» Суть метода заключается в обработке спектра данных, измеренных в частотной области Согласно формуле (2), все члены геометрической прогрессии являются функциями частоты и

Рисунок 3 Виртуальный спектр

позволяют восстановить всю совокупность волн, отраженных от составных элементов четырехполюсников погрешностей и измеряемого объекта Первое слагаемое ряда (2) — это медленно меняющаяся гладкая функция частоты, второе — имеет определяющую (основную) частоту колебаний 2ть третий член — 2(т1+т2) и так далее Следовательно, если рассматривать спектр математической функции (2), выделение нужного слагаемого сводится к фильтрации соответствующей ему составляющей амплитудного спектра (Рисунок 3) Используя прямоугольное окно, можно исключить из рассмотрения спектральные максимумы, отличные от второго, и получить, тем самым, искомые величины Бц В главе рассмотрен алгоритм восстановления коэффициента отражения (параметр Бц матрицы рассеяния) и коэффициента передачи (параметр Бц) Алгоритм фильтрации «спектральное окно» можно использовать при проведении измерений диаграммы направленности антенн в условиях мешающих отражений

Метод «спектрального окна» — альтернатива алгоритму фильтрации «временное окно», поэтому для оценки достоверности полученного результата в работе проведена оценка погрешности восстановления при фильтрации обоими методами (Рисунок 4) Возникшие погрешности восстановления измеряемой величины связаны, прежде всего, с тем, что исходные данные заданы на ограниченном интервале частот На границах

зоч 502

\ \ Л 7*

N ч

10 12 14 16 18 20 22 24 26 2,6 30 32 34 36 38 40

V]

N

V /

\ 1

к ч А

а) б)

Рисунок 4 Распределение погрешности восстановления при использовании фильтров «спектральное окно» а) и «временное окно» б)

этого интервала анализируемая функция имеет разрывы, которых не существует в случае теоретических идеальных измерений в бесконечном диапазоне частот Использование преобразования Фурье в случае

ограниченного частотного диапазона приводит к появлению краевых эффектов вблизи границ. Уменьшение краевых эффектов возможно путем экстраполяции исходных данных за пределы рабочего диапазона частот с последующей обработкой данных а расширенном диапазоне.

Четвертая ¡лапа посвящена анализу характеристик микрополоейёвых аттенюаторов Методом спектрального окна. Модель контактного устройства содержит коаксийльно-[голосковЫЙ переход, две полосковые линии длиной 21 и I и аттенюатора или эталонного объекта (Рисунок 5).

>-

т 21 А li 1

LJ "xV s. ж X

а)

б)

Рисунок 5 Модель измерительной системы для определения параметров аттенюатора: а) измерение с эталоном, б) измерение с аттенюатором.

Волна, прошедшая через коаксиапыто-полосковый переход и линию передачи, частично отражается от измеряемого аттенюатора, проходит через вторую линик) передачи, отражается и. еще раз пройдя через вторую линий, аттенюатор и переход возвращается в анализатор цепей. Плоскость отражения от аттенюатора пространственно отделена от плоскости измерения анализатора и от короткого замыкания линиями передачи, что позволяет использовать метод спектрального окна.

а) 6)

Рисунок 6 11анель управления: выбор источника данных а) и виртуальный спекф б) для измерений с аттенюатором и эталоном.

Виртуальный прибор ЬаЬУШ\У можно разделить на две части: виртуальной панель управления прибором и блок-диаграмма, обеспечивающая функциональные возможности прибора. Панель управления прибором построена с помощью двух вкладок: для выбора входных файлов с данными (Рисунок 6,а) и для установки параметров фильтра и просмотра результата обработки (Рисунок 6,6).

Панель управления виртуальным прибором сочетает в себе как традиционный интерфейс передних панелей, так и пользовательский интерфейс, позволяющий «связывать» виртуальный прибор с входными данными, выбирать файлы и режимы работы прибора. Программа представляет собой набор вложенных виртуальных приборов 1.аЬ\/1ел|, каждый из которых выполняет определенную функцию и может использоваться повторно. Каждый виртуальный прибор, входящий в схему, полностью автономен. Как и традиционные приборы, он получает входные данные, выполняет необходимые действия и выдаст результат своей работы. Этот результат, в свою очередь, используется другим виртуальным прибором, при условии совпадения входного и выходного типов данных (Рисунок 7).

Й40-Я 1

гЩ

Л ГШ- *

Я. а

идЛ-

=3 и-

Г

щ

..а -г

-в-«

Е>

■ ¡И 1

в* В- .В

'в-

г_

ш

Рисунок 7. Блок-диаграмма «спектральное окно».

Виртуальный прибор предназначен для обработки коэффициентов отражений, полученных с помощью векторного анализатора Я&§ 7,\'К или модели анализатора цепей с двенадцати полюсными рефлектометрами, рассмотренной выше. Обмен данными между анализатором и виртуальным

прибором осуществляется через файловую структуру операционной системы Входные файлы преобразуются во внутреннюю структуру с помощью разработанных виртуальных приборов (Рисунок 8)

Рисунок 8 Преобразование файлов АвС анализатора 7УК

Оценка работы рассмотренного выше виртуального прибора получена с помощью моделирования В качестве объекта измерения выбран микрополосковый аттенюатор с ослаблением 2 децибела и фазовой задержкой 5 градусов Аттенюатор подключается к анализатору СВЧ цепей с помощью контактного устройства (Рисунок 9,а) Для выяснения возможности использования метода спектрального окна в реальных условиях, в схему введены элементы, моделирующие паразитные параметры коаксиально-полоскового перехода, потери в линии передачи В стандартном канале в диапазоне частот 0,1-20 ГГц такой аттенюатор (Рисунок 9,6) имеет коэффициент передачи 2±0,1 дБ, а коэффициент отражения на уровне 0,1

а) б)

Рисунок 9 Схема контактного устройства а) и аттенюатора б)

Виртуальный спектр контактного устройства с установленным аттенюатором (Рисунок 10, сплошная линия) и отражающей эталонной мерой (Рисунок 10, пунктирная линяя) графически показывает распределение амплитуды сигнала по задержкам. Первый спектральный максимум имеет одинаковую амплитуду в обоих измерениях и показывает, какая часть волны отразилась в точке подключения конденсатора, моделирующего не идеальность коаксиал ьно-полосково го перехода. Амплитуда второго спектрального максимума различна: в случае подключения аттенюатора она мала, характеризуя его коэффициент отражения, а в случае эталонного короткого замыкания велика, характеризуя полное отражение. Третий спектральный максимум присутствует только в измерении с аттенюатором н характеризует отражение волны от короткого замыкания с учетом прохождения через аттенюатор в прямом и обратном направлении.

110М-коо,«-

я 500,0-

I Í00.Q-= ;оо,о-

I «0,0-I <00,05 '00,0-I ¡00,0-г 200.0 -юо.о-0,0-

о 2

Рисунок 10. Виртуальный спектр контактного устройства с установленным аттенюатором (сплошная) и короткозамкнутым эталоном (пунктирная)

Уже на данной! этапе можно оценить коэффициент передачи и отражения аттенюатора. Поскольку второй Спектральный максимум характеризуют отражение в точке подключения аттенюатора (или эталонного коротко замы кате л я), соотношение этих амплитуд является оценкой коэффициента отражения от аттенюатора. Амплитуда спектрального максимума при установленном коротко замыкателе составляет 1010, при установленном аттенюаторе — 150. Оценка коэффициента отражения от

аттенюатора примерно 0 15 Это среднее значение модуля коэффициента отражения от аттенюатора во всем диапазоне частот

Аналогичную оценку можно получить и для коэффициента передачи Для этого необходимо проанализировать амплитуду второго спектрального максимума при подключении проходной эталонной меры и третьего спектрального максимума при подключении аттенюатора

40 60 ВО

12 0 МО 10,0 10 0 20 0

Рисунок 11 Модуль и фаза восстановленного коэффициента отражения

аттенюатора

Результат восстановления модуля и фазы коэффициента отражения аттенюатора в диапазоне частот соответствуют их оценкам и моделируемым значениям (Рисунок 11) Погрешность восстановления модуля не превышает О 1, а фазы -02 радиан без учета эффекта Гиббса

Аналогично для коэффициента передачи (Рисунок 12) погрешность восстановления модуля не превышает 0 1, а фазы - 0 2 радиан также без учета эффекта Гиббса

./1 - Рч

л J

Рисунок 12 Модуль и фаза восстановленного коэффициента передачи

аттенюатора

Измерение на модельном уровне показывает достаточно неплохие результаты Для натурных испытаний микрополосковых аттенюаторов было изготовлено контактное устройство, для измерений микрополосковых

аттенюаторов в стандартном коаксиальном канале 3,5/1,5 используя векторный анализатор К&5 7,УК Измерению подвергался аттенюатор ПР1-1-2 с вносимым ослаблением 2 дБ и рабочим диапазоном частот до 20 ГГц В процессе испытаний на частотах от 2 до 2 5 ГГц в анализаторе цепей

0 0 2000000000 0

о моооооооо о юооооооойо о :■>■>.>«> «:

оо юнооооооо

происходил сбой, поэтому результат восстановления получился несколько искаженным

Рисунок 13 Модуль восстановленного коэффициента передачи и отражения

аттенюатора

Восстановленный модуль коэффициента отражения аттенюатора (Рисунок 13) менее 0 1 На частотах близких к 2 5 ГГц проявляется резкий скачек, вызванный сбоем в анализаторе при измерениях Восстановленное ослабление соответствовало заявленной величине 2 <1В Погрешность восстановления ±0 5 дБ

Одним из наиболее важных преимуществ метода «спектрального окна» является работа с гладкими функциями При использовании «временного окна» фильтрации подвергается СВЧ сигнал во временной области, а он, как известно, представляет собой функцию с достаточно крутыми фронтами и спадами В противовес этому применение метода «спектрального окна» позволяет проводить фильтрацию амплитудного спектра, который является гладкой медленно меняющейся функцией Очевидно, что фильтрация во втором случае является более простой задачей, особенно при использовании автоматизированных систем обработки данных Кроме того, спектральное окно позволяет проводить оценку среднего значения восстанавливаемого параметра по амплитудному виртуальному спектру

Основные результаты и выводы по работе

В результате выполнения диссертационной работы решены задачи, связанные с моделированием анализатора цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами и созданием программного обеспечения для восстановления коэффициента отражения и передачи пассивных взаимных устройств в микрополосковом канале по результатам измерений в стандартном коаксиальном канале

1 Предложена технология использования системы математического моделирования Microwave Office для создания виртуального анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами

а проведено моделирование анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами в ППМ Microwave Office, которое позволило проводить измерения на модельном уровне, b реализована калибровка анализатора СВЧ цепей методом идентификации параметров моделей с погрешностью алгоритма калибровки на модельном уровне не более 0 2%, с разработано программное обеспечение для управления виртуальным анализатором, позволяющее эффективно проводить калибровку и измерения S-параметров на модельном уровне

2 Предложен новый метод компьютерной обработки измеренных данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников в частотной области

а. разработан метод восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников на базе преобразования Фурье как альтернатива методу временного окна Алгоритм позволяет работать с гладкими медленно меняющимися функциями амплитудного спектра, что выгодно отличает его от метода временного окна Кроме того, возможна предварительная оценка среднего значения восстанавливаемого параметра по амплитудному виртуальному спектру

Ь Проведено сравнение фильтрации данных методами «спектральное окно» и «временное окно», подтвердившее достоверность результатов нового метода Метод спектрального окна дает несколько иное распределение погрешности, однако он меньше подвержен эффекту Гиббса, а средняя погрешность двух сравниваемых методов одинакова 3 Предложен алгоритм восстановления коэффициента отражения и передачи интегрального микрополоскового аттенюатора по результатам измерений, полученным в стандартном коаксиальном канале

а разработана модель контактного устройства для проведения измерений на модельном уровне с помощью виртуального анализатора, которая позволила без изготовления макета получить результат измерения в стандартном коаксиальном канале с учетом не идеальности коаксиально-полоскового перехода, линий передачи и паразитных параметров в точках крепления чип-элемента, Ь разработан виртуальный прибор ЬаЬУю\у, позволяющий провести восстановление коэффициента передачи и отражения аттенюатора по измерениям коэффициента отражения контактного устройства с погрешностью не более 0 1 по модулю и 0 2 радиан по фазе, с проведена серия испытаний и восстановлений волновых параметров аттенюаторов по результатам измерений коэффициентов отражений контактных устройств векторным анализатором Я&в 2УК Результаты восстановления показали хорошую согласованность аттенюаторов (модуль не более 0 1) в диапазоне частот от 0 1 до 12 ГГц

Основные публикации по теме диссертации

Беднов А В , Никулин С М Восстановление результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна" Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород -Арзамас, 2003

Беднов А В , Никулин С М, Кудрявцев А М, Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна", Материалы VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004 в 7 томах, т 3 с 58-64, Новосибирск, 2004 Никулин С М , Беднов А В , Кудрявцев А М , Хилов В П , Методы и средства восстановления параметров СВЧ антенн по результатам измерений на фоне мешающих отражений, ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, 2004

Беднов А В , Кудрявцев А М , Никулин С М Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна", Датчики и системы, №6, Москва, 2004, с 30 — 35

Беднов А В , Кудрявцев А М , Никулин С М , Хилов В П , Измерение параметров антенн с использованием интеллектуального анализатора СВЧ цепей, тезисы докл и сообщений III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004, с 184 Беднов А В, Кудрявцев А М, Малышев И Н, Никулин С М, Моделирование интеллектуально-измерительной системы в Microwave Office / Информационные системы и технологии ИСТ-2006, тезисы докладов Международной НТК, 2006, с 52-53

Беднов А В Проектирование программного обеспечения измерительного комплекса, Труды НГТУ Сер Информационные технологии Н Новгород НГТУ, 2006 Вып 3 С 105-109

Беднов А В Измерение параметров микрополосковых аттенюаторов методом спектрального окна, Труды НГТУ Сер Радиоэлектронные и

телекоммуникационные системы и устройства Н Новгород НГГУ, 2006 Вып 11 С 83-89

• Беднов А В Восстановлене коэффициента передачи микрополоскового аттенюатора методом спектрального окна // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007) Материалы междунар науч техн конф -Н Новгород НГТУ, 2007 С 79

• Беднов А В Графический интерфейс пользователя измерительной системы окна // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007) Материалы междунар науч техн конф-Н Новгород НГТУ, 2007 С 143

• Беднов А В Калибровка двенадцатиполюсного рефлектометра методом идентификации параметров модели // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007) Материалы междунар науч техн конф -Н Новгород НГТУ, 2007 С 80

Подписано в печать 17 04 2007 Формат 60*84 х/6 Бумага офсетная Печать офсетная Псч Л 10 ТиражЮОэа Заказ 34 Типография ОАО ГЖФ «Кварц» 603078 г Нижний Новгород ул Московское шоссе 213а

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность.

Цель работы.

Методы исследования.

Научная новизна.

Практическая ценность.

Практическое использование.

Обоснованность и достоверность результатов работы.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем.

На защиту выносятся:.

ГЛАВА 1 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ НА СВЧ, ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ.

Введение.

1.1 Измерения во временной и частотной областях.

1.2 Использование матричных операций и преобразования Фурье. выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ. ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРИБОР.

Введение.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Разработка моделей многоканальных рефлектометров с помощью Microwave Office.

2.3 Виртуальный прибор в среде Microwave Office.

2.4 Идентификация параметров моделей в ППМ.

2.5 Калибровка рефлектометра методом идентификации параметров модели.

2.6 Оценка достоверности результатов калибровки двенадцатиполюсного рефлектометра методом идентификации параметров модели. выводы.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ПАРАМЕТРОВ НА СВЧ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ.

Введение.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Фильтр «спектральное окно».

3.3 Фильтр «временное окно».

3.4 Анализ основных преимуществ и недостатков фильтра «спектральное окно» по сравнению с «временным окном».

3.5 Исследование погрешностей фильтра «спектральное окно». Разработка методов уменьшения погрешностей.

Выводы.

ГЛАВА 4 ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ АТТЕНЮАТОРОВ МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО ОКНА.

4.1 Схема и порядок проведения измерений.

4.2 Виртуальный прибор Lab View, реализующий метод спектрального окна.

4.3 Схемотехническое моделирование измерительного стенда.

4.4 Восстановление коэффициентов отражения и передачи аттенюатора по измерениям анализатора R&S ZVK.

Выводы.

Развитие техники связи, военной и космической техники, решение многих прикладных задач биологии опираются на точные измерения электромагнитных величин[4]. В настоящее время точность существующих измерителей СВЧ диапазона во многом достигается за счет использования прецизионных дорогостоящих аппаратуры и СВЧ компонент, которые за последнее время практически достигли своего совершенства[5]. Особенно отчетливо эта тенденция проявилась при дальнейшем стремлении разработчиков СВЧ систем «уйти» в коротковолновый диапазон (миллиметровый и субмиллиметровый). Здесь создатели автоматических измерителей на СВЧ сталкиваются с существенными трудностями[6], связанными с отсутствием высокоточных компонентов (например, направленных ответвителей), работающих на частотах выше 30 ГГц. Однако, еще более важна проблема измерений в нестандартных каналах, например, микрополосковых. Большинство компонентов современной СВЧ аппаратуры реализуются в виде миниатюрных блоков, требующих измерения собственных параметров. Сделать это не просто, поскольку анализаторы цепей проектируются в расчете на стандартные коаксиальные или волноводные каналы. Современные анализаторы комплектуются, как правило, специальным программно-аппаратным модулем, позволяющим восстанавливать параметры в нестандартных каналах с помощью метода временного окна. Этот метод хорошо зарекомендовал себя, реализован практически во всех зарубежных анализаторах самых разных типов, но дополнительные элементы для измерений в микрополосковых каналах и соответствующие методы измерений, — все это значительно повышает стоимость средств измерения.

Следует заметить, что проблеме снижения стоимости автоматических измерителей на СВЧ без потери в их точности уделяется самое пристальное внимание в последние три десятилетия с момента выхода в свет пионерских публикаций Г. Энгена, К. Хоера и Р. Калдекотга в 1972-1973 гг. Данные авторы выдвинули идею замены дорогостоящих анализаторов СВЧ цепей, основанных на методе измерения с помощью векторного вольтметра (ВВ), предельно простыми измерительными цепями, содержащими многополюсный рефлектометр (MP), к выходным портам которого подсоединяются обыкновенные измерители мощности. Впоследствии метод многополюсника подвергся самым серьезным исследованиям как за рубежом (Д. Вудс, С. Ли, Дж. Хантер, П. Шомло, У. Штумпер, П. Проберт, Дж. Карролл, Г. Риблет, Е. Хансон, Р. Босисио, Н. Эль-Дееб), так и в СССР, а впоследствии в СНГ (С.Ю. Латников, С.М. Никулин, А.Н. Салов, Ю.В. Рясный, С.А. Колотыгин, В.З. Маневич, И.И. Чупров, В.А. Яцкевич, Э.М. Шейнин, И.К. Бондаренко, Ю.Б. Гимпилевич, Ю.И. Царик). Однако, не смотря на достигнутые значительные успехи и разработку большого числа самых разнообразных методов измерения с помощью MP и его разновидности — многозондовой измерительной линий (МИЛ), никто из исследователей не смог до конца преодолеть всех трудностей, связанных, прежде всего, с точной калибровкой датчиков многополюсника.

Актуальность

Миниатюрные элементы используются практически в любом изделии. В области СВЧ малые размеры обладают значительным преимуществом: малыми паразитными параметрами и способностью работать на очень высоких частотах. Широкополосные миниатюрные изделия выпускаются серийно как в России, так и за рубежом. Размеры корпусов таких изделий не превышают нескольких десятков миллиметров, и предназначены они для использования в основном в микрополосковых трактах. Например, аттенюаторы серии ПР-1, выпускаемые ЗАО «РЕОМ» г. Санкт-Петербург имеют размеры (2х2)±0,1 мм, а резисторы серии С6-6-1 имеют ширину 1-6 мм и длину 4-20 мм. Причем, разъемы для подключения анализатора к такому изделию отсутствуют. Монтаж осуществляется пайкой монтажных площадок к элементам полосковых линий, которые в процессе эксплуатации обеспечивают теплоотвод.

Современные анализаторы СВЧ цепей, наоборот рассчитаны на измерение параметров в стандартных коаксиальных или волноводных каналах. Такие анализаторы могут быть использованы для измерения параметров резистивных структур в нестандартном канале, но при условии, что чип-элемент установлен в контактное устройство, позволяющее подключить объект измерения к анализатору. Использование контактного устройства приводит к возникновению ошибки, заключающейся в том, что анализатор измеряет параметр всего контактного устройства, а не самого миниатюрного элемента. Следовательно, кроме средства измерения — анализатора цепей, необходим набор соответствующих методов обработки, позволяющих отделить окружающие цепи в измеренном анализатором параметре и получить, таким образом, необходимый параметр миниатюрного элемента.

Существующие анализаторы цепей способны измерять параметры объекта с очень высокой точностью. Это справедливо как для высокоточных анализаторов на направленных ответвителях, выпускаемые западными производителями Anritsu-Wiltron, Hewlett-Packard (США), R&S и другими, так и для приборов, построенных на двенадцатиполюсных рефлектометрах. Однако, стремясь достичь высокой точности измерении путем совершенствования конструкций измерителей и выбора прецизионных компонентов у используемых соединительных СВЧ трактов, производители недооценивают роль компьютерной обработки измерительной информации. В частности до сих пор не было выработано единой методологии повышения точности измерений в микроволновом диапазоне, и не была сформулирована задача оптимизации измерительной системы на СВЧ, где в качестве критерия оптимальности выступала бы достигаемая точность измерений. Как следствие этого, анализ точностных характеристик проектируемой измерительной системы становится возможным только после изготовления ее макета, что существенно тормозит скорость проектирования и увеличивает его стоимость.

Применение высокопроизводительной вычислительной техники позволяет коренным образом изменить характер проведения эксперимента, перенеся обработку большого количества измерительной информации на ЭВМ. Для эффективной реализации возможностей компьютера, данные должны претерпевать как можно меньше этапов предварительной обработки [2, 3]. В противном случае, компьютер имеет возможность лишь управлять процессом измерений, выполняя рутинные операции, а погрешность, внесенная в первичную измерительную информацию цепями аналоговой обработки, остается практически не скомпенсированной и по-прежнему определяется качеством СВЧ узлов. Для удешевления прибора целесообразно ориентироваться на персональные компьютеры, стоимость которых в условиях массового производства существенно ниже, чем стоимость специализированной вычислительной системы такого же уровня вычислительной мощности.

Разработка новых методов обработки измеренной информации [35, 36, 37, 38, 39] ведутся в основном в области цифровой фильтрации. В области СВЧ также широкое применение нашли матричные методы обработки [27, 40, 41, 42, 43]. Однако, каждый метод работает только в рамках узкой специализированной задачи, поскольку для его применения принимается множество условий и допущений. В частности, для измерений параметров объекта, закрепленного в регулярных линиях, в диапазоне частот, как правило, применяют метод временного окна, трудно поддающийся автоматизации и работающий с данными во временной области [1, 6, 8, 20, 22, 23, 25, 44, 45, 46, 47]. В то же самое время для восстановления параметров объекта по измерениям, полученным на одной частотной точке, применяют матричные методы обработки [27]. Единого алгоритма восстановления параметров, обладающего высокой точностью, быстродействием и способного работать с данными, как в частотной, так и во временной области, не существует.

Таким образом, подтверждается актуальность задачи разработки и реализации методов и средств измерений интегральных резистивных элементов, позволяющих максимально автоматизировать процессы измерения и последующей обработки информации.

Цель работы

Цель работы состоит в разработке методов компьютерной обработки при измерении волновых параметров резистивных структур и их интеграции с современными средствами математического моделирования и пакетами анализа, реализации виртуального измерительного комплекса на базе одного из пакетов математического моделирования и технологии управляемого программного обеспечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. исследовать существующие методы обработки данных и средства измерений в области СВЧ, выбрать тип анализатора, наиболее подходящий для измерения волновых параметров резистивных интегральных структур в контактном устройстве;

2. провести моделирование электрической структуры анализатора цепей с 12-полюсными рефлектометрами, реализовать алгоритм калибровки и измерения с помощью современных компьютерных технологий, оценить погрешность разработанных алгоритмов;

3. разработать метод компьютерной обработки для восстановления коэффициента передачи и отражения микрополоскового аттенюатора, сравнить его с традиционными методами, оценить погрешность;

4. разработать виртуальный прибор LabView для восстановления волновых параметров микрополосковых аттенюаторов, провести модельные и натурные испытания образцов микрополосковых аттенюаторов.

Методы исследования

При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории СВЧ цепей, теории функций комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, методах компьютерного моделирования (включая имитационное моделирование и идентификацию параметров моделей). Выводы, полученные с помощью экспериментальных методов, основываются на статистических оценках.

Научная новизна

1. Предложен, исследован и реализован метод компьютерной обработки данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния, работающий в частотной области. Алгоритм способен восстанавливать элементы волновой матрицы рассеяния неизвестного четырехполюсника по результатам измерений контактного устройства, включающего в себя помимо объекта измерения четырехполюсники погрешностей, состоящие из переходов различного типа и соединительных линий передачи для подключения объекта к анализатору цепей. Концепция алгоритма основана на спектральном анализе результатов измерений в частотной области и фильтрации «виртуального спектра» коэффициента отражения от контактного устройства, представляющего собой распределение всей совокупности отраженных волн по запаздыванию. Для получения результата необходимо провести измерения коэффициента отражения от контактного устройства с установленным в него объектом измерения и эталонным объектом. Метод разработан как альтернатива методу «временное окно», использует простой фильтр гладких функций и позволяет оценить результат еще до проведения основной фильтрации.

2. Предложена и реализована технология построения виртуального измерительного комплекса на базе двенадцатиполюсных рефлектометров как средства измерения параметров контактного устройства с установленным резистивным элементом.

3. Реализованы алгоритмы калибровки и измерения в рамках виртуального измерительного комплекса на базе концепции идентификации параметров моделей. Пакет прикладного моделирования использовался не только как среда создания схемотехнических моделей, но и как среда выполнения для таких операций как калибровка рефлектометра и измерение коэффициента отражения подключенного объекта. При этом разработанные алгоритмы могут работать как на модельном уровне, так и в связке с векторными и двенадцатиполюсными анализаторами цепей.

4. Разработан виртуальный прибор Lab View, предназначенный для восстановления коэффициента отражения и передачи микрополосковых аттенюаторов.

Практическая ценность

Результаты проведенных исследований легли в основу разработки программного обеспечения для автоматизированного анализатора СВЧ цепей в стандартном коаксиальном канале, а также использованы при испытаниях характеристик чип-резисторов и аттенюаторов для гибридных интегральных СВЧ устройств с поверхностным монтажом элементов.

Практическое использование

Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве". Результаты работы использованы при выполнении проекта РФФИ № 05-02 08075 «Исследование возможности создания интеллектуальных систем измерения и обработки сигналов». Результаты работы внедрены в ОАО НПО «ЭРКОН» для разработки, проектирования и испытаний СВЧ резисторов и аттенюаторов. Акт внедрения содержится в Приложении Г.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Все положения, выносимые на защиту, прошли проверку на соответствие с теорией на модельном уровне. Адекватность предлагаемых в работе моделей подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований. Основные результаты работы реализованы в виртуальном макете анализатора СВЧ цепей на базе комплекса программ математического моделирования. Для восстановления параметров чип-элементов разработан виртуальный прибор LabView, используемый в связке с компьютерной моделью анализатора и векторным анализатором цепей ZVK фирмы R&S.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• VIII Нижегородской сессии молодых ученых, Н. Новгород, 2003;

• Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород - Арзамас, 2003;

• VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004, Новосибирск, 2004;

• ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, 2004;

• III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004;

• НТК «Информационные системы. Средства, технологии, безопасность», Нижний Новгород, 2005;

• Международной НТК информационные системы и технологии ИСТ-2006, Нижний Новгород, 2006;

• Международной НТК «Информационные системы и технологии (ИСТ-2007)», Нижний Новгород, 2007.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ:

• Беднов А.В., Никулин С.М. Восстановление результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна" Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород - Арзамас, 2003

• Беднов А.В., Никулин С.М., Кудрявцев A.M., Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна", Материалы VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004 в 7 томах, т.З с. 58-64, Новосибирск, 2004

• Никулин С.М., Беднов А.В., Кудрявцев А.М., Хилов В.П., Методы и средства восстановления параметров СВЧ антенн по результатам измерений на фоне мешающих отражений, ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, 2004

• Беднов А.В., Кудрявцев A.M., Никулин С.М. Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна", Датчики и системы, №6, Москва, 2004, с. 30-35

• Беднов А.В., Кудрявцев A.M., Никулин С.М., Хилов В.П., Измерение параметров антенн с использованием интеллектуального анализатора СВЧ цепей, тезисы докл. и сообщений III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004 С. 184.

• Беднов А.В., Кудрявцев A.M., Малышев И.Н., Никулин С.М., Моделирование интеллектуально-измерительной системы в Microwave Office / Информационные системы и технологии ИСТ-2006, тезисы докладов Международной НТК, 2006, с. 52-53

• Беднов А.В. Проектирование программного обеспечения измерительного комплекса, Труды НГТУ. Сер. Информационные технологии. Н.Новгород: НГТУ,

2006. Вып.З. С.105-109.

• Беднов А.В. Измерение параметров микрополосковых аттенюаторов методом спектрального окна, Труды НГТУ. Сер. Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. Н.Новгород: НГТУ, 2006. Вып. 11. С.83-89.

• Беднов А.В. Восстановлене коэффициента передачи микрополоскового аттенюатора методом спектрального окна // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007): Материалы междунар. науч. техн. конф.-Н.Новгород: НГТУ, 2007.С.79

• Беднов А.В. Графический интерфейс пользователя измерительной системы окна // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007): Материалы междунар. науч. техн. конф.-Н.Новгород: НГТУ, 2007.С.143.

• Беднов А.В. Калибровка двенадцатиполюсного рефлектометра методом идентификации параметров модели // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007): Материалы междунар. науч. техн. конф.-Н.Новгород: НГТУ,

2007.С.80.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,

Выводы

Восстановление коэффициента отражения и передачи интегрального аттенюатора по известным значениям коэффициента отражения от контактного устройства возможно с помощью метода спектрального окна. Для проведения процедуры восстановления необходимы эталонные объекты: короткозамкнутая мера для восстановления коэффициента отражения и проходная мера для восстановления коэффициента передачи.

Не идеальность контактного устройства и аттенюатора приводит к ошибкам восстановления. Проведенное моделирование показало, что погрешность восстановления модуля не превышает 0.1, а фазы — 0.2 радиана без учета эффекта Гиббса.

Проведено восстановление коэффициента отражения и передачи аттенюатора ПР1-1-2 с ослаблением 2дБ в диапазоне частот от 0.1 до 12 ГГц, которое показало, что в условиях шумов коэффициент отражения аттенюатора не превышает 0.1, а коэффициент передачи равен 2±0.25дБ.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы решены задачи, связанные с моделированием анализатора цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами и созданием программного обеспечения для восстановления коэффициента отражения и передачи пассивных взаимных устройств в микрополосковом канале по результатам измерений в стандартном коаксиальном канале:

1. Предложена технология использования системы математического моделирования Microwave Office для создания виртуального анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами: a. проведено моделирование анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами в ППМ Microwave Office, которое позволило проводить измерения на модельном уровне; b. разработана процедура калибровки анализатора СВЧ цепей методом идентификации параметров моделей с погрешностью алгоритма калибровки на модельном уровне не более 0.2 %; c. разработано программное обеспечение для управления виртуальным анализатором, позволяющее эффективно проводить калибровку и измерения S-параметров на модельном уровне.

2. предложен новый метод компьютерной обработки измеренных данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников в частотной области: a. разработан метод восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников на базе преобразования Фурье как альтернатива методу временного окна. Алгоритм позволяет работать с гладкими медленно меняющимися функциями амплитудного спектра, что выгодно отличает его от метода временного окна. Кроме того, возможна предварительная оценка среднего значения восстанавливаемого параметра по амплитудному виртуальному спектру. b. проведено сравнение фильтрации данных методами «спектральное окно» и «временное окно», подтвердившее достоверность результатов нового метода. Метод спектрального окна дает несколько иное распределение погрешности, однако он меньше подвержен эффекту Гиббса, а средняя погрешность двух сравниваемых методов одинакова.

3. предложен алгоритм восстановления коэффициента отражения и передачи интегрального микрополоскового аттенюатора по результатам измерений, полученным в стандартном коаксиальном канале: a. разработана модель контактного устройства для проведения измерений на модельном уровне с помощью виртуального анализатора, которая позволила без изготовления макета получить результат измерения в стандартном коаксиальном канале с учетом не идеальности коаксиально-полоскового перехода, линий передачи и паразитных параметров в точках крепления чип-элемента; b. разработан виртуальный прибор LabView, позволяющий провести восстановление коэффициента передачи и отражения аттенюатора по измерениям коэффициента отражения контактного устройства с погрешностью не более 0.1 по модулю и 0.2 радиана по фазе; c. проведена серия восстановлений волновых параметров аттенюаторов по результатам измерений коэффициентов отражений контактных устройств векторным анализатором R&S ZVK. Результаты восстановления показали хорошую согласованность аттенюаторов (не более 0.1) в диапазоне частот от 0.1 до 12 ГГц. Погрешность восстановленного коэффициента передачи не превышала 0.5 в диапазоне частот 0.1-12 ГГц;

4. Результаты диссертации внедрены в ОАО «НПО ЭРКОН» и в учебном процессе в НГТУ.

1.В. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов / Г.В. Глебович и др..; под ред. Г.В. Глебовича.-М.: Радио и связь. 1984.256 с.

2. СОМ+. Энциклопедия программиста: пер. с англ./Ричард Лейнекер СПб.: ООО "ДиаСофтЮП", 2002.- 656 с.

3. Программирование в среде Turbo Pascal 7.0. 3-е изд., стер. - М.: «ДИАЛОГ-МИФИ», 1995.-288 с.

4. Джудиш P.M. Контроль качества измерений, как средство обеспечения достоверности измерений // ТИИЭР, Т. 74, 1986. № 1. - С. 27-29.

5. Энген Г.Ф. Успехи в области СВЧ измерений // ТИИЭР, Т. 66, 1978. № 4. -С. 8-20.

6. Феллерс Р.Г. Измерения на миллиметровых и микрометровых волнах // ТИИЭР, Т. 74, 1986. -№ 1. С. 42-44.

7. Рейзенкинд Я.А., Следков В.А. Состояние и перспективы развития методов измерения параметров двухполюсников и четырехполюсников на СВЧ // Зарубежная радиоэлектроника, № 8,1988. С. 30-60.

8. Адам С.Ф. Автоматические измерения в СВЧ цепях // ТИИЭР, т. 66, № 4, 1978.-С. 20-28.

9. Горлов Н.И. Современное состояние и область применения импульсной (временной) рефлектометрии // Зарубежная радиоэлектроника, 1986, №4 С. 57-67.

10. Байер X., Уорнер Ф.Л., Йелл Р.У. Национальные эталоны в области измерений ослабления и отношения уровней сигналов // ТИИЭР, 1986. -№ 1. С. 53-68.

11. R.F. Clark. Absolute Calibration of Microwave Attenuation Measurement System // IEEE Transactions of Instrumentation and Measurement. Vol. IM-25, June 1976. -pp. 126-128

12. Ю.Гупта К., Гардж P., Чадха P. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.

13. G.R Engen. A (Historical) Review of the Six-Port Measurement Technique // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. Vol. MTT-45, pp. 2414-2417, Dec. 1997

14. Кабанов Д.А., Никулин C.M., Петров B.B., Салов А.Н. Опыт разработки автоматических анализаторов СВЧ цепей с 12-полюсными рефлектометрами // Измерительная техника, № 10,1985.-С. 38-40.

15. Никулин СМ., Салов А.Н. Применение двенадцатиполюсных рефлектометров в технике СВЧ измерений // Радиотехника, № 7, 1987. С. 70-72.

16. Блохин С.В., Никулин С.М., Петров В.В., Салов А.Н., Чеботарев B.C. Автоматизация измерений волновых параметров элементов интегральных схем СВЧ диапазона//Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, вып. 9(357), 1983. -С. 42-45.

17. Никулин С.М., Салов А.Н. Метод калибровки автоматических анализаторов СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами // Измерительная техника, 1988.-№8.-С. 43-45

18. Лопаткин А.В., Никулин С.М. Особенности измерения S-параметров невзаимных СВЧ устройств анализаторами цепей с калибруемыми многополюсниками // Измерительная техника, 1989. -№ 8. С. 47- 48.

19. G. Madonna, A. Ferrero and М. Pirola. Design of a Broadband Multiprobe Reflec-tometer // IEEE Trans. Instrum. Meas. Vol. IM-48, pp. 622-625, Apr. 1999.

20. Крылов B.B., Пономарев Д.М. Автоматизированная система проведения экспериментов с помощью субнаносекундных импульсов. — Приборы и техника эксперимента, 1977, № 2 С. 74.

21. Эндрюс Дж. Р. Автоматическое определение параметров электрических цепей посредством измерений во временной области. ТИИЭР, 1978, т. 66. № 4, -С. 56.

22. Andrews J.R., Gans W.L. Time-domain automatic network analyzer. — L'Onde Electrique, 1975, v. 55, № 10, p. 569.

23. Gans W.L., Andrews J.R. Time-domain network analyzer for measurement of R.F. and microwave components. —NBS Tech. Note, 1975, № 672, p. 3.

24. Mike Т., Yamaguchi H., Nagaki Y. An accurate Wide-band automatic waveform analyzer. — IEEE Trans., 1977, v. IM-26, №4, p. 279.

25. Крылов B.B., Марамчина Е.Б., Пономарев Д.М. Автоматизированная система проведения экспериментов по идентификации объектов импульсами субнаносекундной длительности. В кн.: Автоматика и вычислительная техника, АНЛатв. ССР, 1976,-С. 56.

26. Speciale R.A. A generalization of the TSD network-analyzer calibration procedure, affected by leakage errors // IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, 1977, V. 25, №12, P.l 100-1115.

27. Вайткус Р.Л. Широкополосный метод вынесения с использованием короткозамкнутой цепи, разомкнутой цепи и промежуточной линии // ТИИЭР, 1986, Т.74, №1, С.81-84.

28. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

29. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990.

30. Bengt Ulriksson, Преобразование данных из частотной области во временную, ТИИЭР, 1986, т.74, №1, с.84-87

31. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. Справочник - М.: Радио и Связь, 1985 г.

32. Чувыкин Б.В. Финитные функции. Теория и инженерные приложения, Пенза, 1999.

33. Кудрявцев, А.М. Интеллектуальные информационно-измерительные системы ВЧ и СВЧ диапазона: монография / A.M. Кудрявцев, С.М. Никулин. -Н.Новгород: Нижегород. Гос. техн. ун-т, 2006. 198с.

34. Кудрявцев, А.М. Интеллектуальный анализ СВЧ цепей и антенн: учеб. пособие / A.M. Кудрявцев, С.М. Никулин. Н.Новгород: Нижегород. гос. техн. унт, 2005.121 с.

35. Зеневич А.Ф. Дискретные сигналы и цепи. Учебное пособие. Издание НЭИС, 1992 г

36. Зверев В.А., Стромков А.А. Выделение сигналов из помех численными методами. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2001.188с.

37. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования, ВУС, 1999. С.1-204.

38. Белодедов М.В. Методы проектирования цифровых фильтров: Учебное пособие. Волгоград: Издательство Волгоградского государ-ственного университета, 2004. - 64 с.

39. Колос М.В., Колос И.В. Методы оптимальной линейной фильтрации / Под ред. В .А. Морозова. М.: Изд-во МГУ. 2000. - 102с.

40. Айзенберг, Э.В. Метод измерения нормализованной ^-матрицы СВЧ транзисторов в режиме большого сигнала // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1984. № 2. С.51-56.

41. Кац, В.А. Применение микроЭВМ для коррекции результотов измерений нагрузочных импедансов СВЧ транзисторов // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1988. № 5. С.42-48.

42. Налькин, М.Е. Анализатор СВЧ цепей с амплитудным и гомодинным детектированием сигналов / М.Е. Налькин №7, // Датчики и системы. 2003. № 7(50). С.13-16.

43. Никулин, С.М. Калибровка контактных устройств при измерении элементов СВЧ ИС / С.М. Никулин, В.В. Петров, А.Н. Салов // Радиотехника. 1983.№ 11.С.88-90.

44. Макс, Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях / Ж. Макс: пер. с англ.- М.: Мир, 1983.

45. Корнилов, С.А. Спектрально-корреляционные методы измерения флуктуационной нестабильности непрерывных СВЧ-колебаний / СЛ.Корнилов // Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ / ЦНИИ «Электроника».-М.: 1977. Вып. 8

46. Ульриксон, Б. Преобразование данных из частотной области во временную // ТИИЭР. 1986. Т.74. №1.С.84-87

47. Кудрявцев, A.M. Радиоизмерительная техника и высокие технологии в XXI веке / A.M. Кудрявцев, Ю.А. Рябинин // Вестник АТН РФ. Сер Высокие технологии в радиоэлектронике, информатике и связи. 2002. №1 (8).

48. Гончаров, Г.А. Метрологические характеристики автоматизированных анализаторов спектра последовательного действия/ Г.А.Гончаров, А.М.Кудрявцев // Измерительная техника. М. №9,1990

49. Рябинин, Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование / Ю.А.Рябинин.-М.: Сов.радио. 1972.

50. Хемминг, Р.В. Цифровые фильтры сигналов / Р.В. Хемминг; под ред. А.М.Трахтмана: пер. с англ.- М.: Сов. радио, 1980.224 с.

51. Никулин С.М. Автоматизация измерения многополюсников на СВЧ // Радиотехника, 1983.-№9, С. 72

52. Кабанов Д.А., Никулин С.М., Петров В.В., Салов А.Н. Автоматический анализатор СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами // Научные труды вузов Лит. ССР, Радиоэлектроника, 1981, т. 17, вып. 1. С. 165-168.

53. Букуева Р.Я. Автоматизированный измеритель параметров резонансных двухполюсников на основе трехзондового анализатора цепей // Электронная техника, Сер. Электроника СВЧ. Вып.6(400), 1987. - С. 33-37.

54. Бондаренко И.К., Гимпилевич Ю.Б., Царик Ю.И. Автоматический анализатор цепей многоэлементного типа и методы его калибровки // Измерительная техника. 1985. - №10. - С. 33-34.

55. Львов А.А. Статистический подход к задаче повышения точности автоматических измерителей параметров СВЧ цепей // Тезисы докл. Международн. научн.-тех. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 1996 г., Саратов, Ч. 2, с. 85-86.

56. Андриянов А.В., Захтаренко B.C., Чепурнов А.В. Методы автоматизированных измерений параметров цепей и трактов во временной области. Техника средства связи. Сер. РИТ, 1983, вып. 1, с. 1, вып. 2, с. 1.

57. Введенский Ю.В., Глебович Г.В., Горячев Л.В., Ковалев И.П., Николаев

58. Ю.И. Применение импульсного рефлектометрического способа для измерения СВЧ линий передачи. Измерительная техника, 1979, №1, с. 63

59. Введенский Ю.В., Горячев Л.В., Крылов В.В. Импульсный рефлектометр пикосекундного диапазона. В кн.: Современные методы и аппаратура для измерения параметров радиоцепей: Докл. Всесоюзн. Симпозиума. - Новосибирск: 1974, с. 129.

60. Робинсон А., Вейр. Н. Установление местоположения и распознавание неоднородностей в диэлектрических средах с помощью синтезированных высокочастотных импульсов. ТИИЭР, 1974, т. 62, №1, с. 32

61. Парте, Я.С. Методы определения спектральных составляющих полигармонического сигнала по его дискретному спектру // Электронное приборостроение: научно-практ. сб. КГТУ (КАИ). Казань. 2002. Вып.З (24).С. 4159.

62. Беднов, А.В. Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом «спектрального окна» / А.В. Беднов и др. // Датчики и системы. 2004. № 6.С.30-59.

63. Харкевич, А.А. Спектры и анализ / А.А.Харкевич.- М.: Физматгиз, 1962.

64. Тревис Дж. Lab VIEW для всех / Джеффри Тревис : Пер. с англ. Клушин Н.А. М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. - 544 с.: ил.