автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Многополюсные измерители параметров устройств радиотехники и связи на СВЧ

.. На правах рукописи

^ ^ Рясный Юрий Васильевич

МНОГОПОЛЮСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ НА СВЧ

Специальности: 05.12.13-Системы и устройства радиотехники

и связи.

05.12.21-Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Рясный Юрий Васильевич

МНОГОПОЛЮСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ НА СВЧ

Специальности: 05.12.13-Системы и устройства радиотехники

и связи.

05.12.21-Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики (г. Новосибирск).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Золотарев И.Д

Ведущая организация:

Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (г. Новосибирск).

Защита состоится 10 июня 1998 г. в 9.00 на заседании Регионального совета Д118.07.01 в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова 86.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики (630102, г. Новосибирск, ул. Кирова 86.)

Автореферат разослан 29 апреля 1998 г.

Ученый секретарь Регионального совета Д 118.07.01

доктор технических наук, профессор Миценко Й.Д.

доктор технических наук, профессор Ионов А.Д.

Член-корр. МАИ, профессор

Крук Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост информационных потоков, обусловленный развитием научно-технического ■ прогресса, остро поставил проблему повышения эффективности передачи информации. Решение этой важной для теории информации и передачи сигналов проблемы требует решения комплекса научно-технических задач, направленных на улучшение качества функционирования телекоммуникационных систем, что связано с освоением более высокого диапазона сверхвысоких частот и поиском способов повышения скорости передачи информации, которая зависит от многих факторов: полосы пропускания канала связи, переходных шумов, порождаемых нелинейными искажениями активных устройств, неравномерностью частотной и нелинейностью фазовой характеристик СВЧ тракта и тракта УГТЧ, переходных шумов, обусловленных запаздыванием сигнала и отражениями вследствие несогласованности сопротивлений. Поскольку переходные шумы существенно влияют на технические характеристики трактов СВЧ и линий связи, то использование диапазона сверхвысоких частот в направлении увеличения количества и качества передаваемой информации потребовало создания как средств контроля качества производства устройств радиотехники и связи, так и прецизионных средств измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения в трактах СВЧ. Поэтому для повышения эффективности передачи информации и обеспечения качества функционирования систем связи в ряд первоочередных выдвигаются задачи измерения амплитудных и фазовых -характеристик устройств и параметров трактов с высокой точностью, так как существующие средства контроля и измерения не удовлетворяли выдвинутым практикой требованиям точности. Анализ состояния и сложившихся тенденций развития техники измерений параметров и характеристик устройств радиотехники и связи, основанных на принципах создания первичных и вторичных измерительных преобразователей с параметрами, близкими к идеальным, либо на разработке алгоритмов исключения источников доминирующих погрешностей, показал, что, в силу возросших на более высоких частотах трудностей конструкторско-технологического характера, они стали не эффективны и нецелесообразны с технической и экономической точек зрения. Поэтому возникла необходимость поиска новых путей разработки прецизионных средств для оценки

параметров радиотехнических устройств. В работе предложена концепция разработки прецизионных средств контроля и измерения на основе многополюсных устройств СВЧ с функционально-неопределенной структурой. В связи с этим встала актуальная задача создания обобщенной теории многополюсных измерителей комплексных параметров радиотехнических устройств и средств контроля отражений в каналах связи, включающей в себя разработку методов и способов повышения точности, разработку принципов построения измерителей, разработку методов оценивания точности параметров устройств и трактов СВЧ.

Научно-техническая проблема диссертации формулируется как проблема разработки и исследования методов и средств измерения параметров устройств радиотехники и связи и оценки параметров каналов и трактов телекоммуникационных систем. Необходимость её решения определяет актуальность диссертации. Решение этой проблемы было осуществлено созданием комплекса средств контроля, прецизионных измерительных установок и эталонов для предприятий Министерства связи и Госстандарта в результате выполнения ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Цель и задачи исследований. Цель настоящей диссертационной работы заключается в создании прецизионных средств контроля и измерения отражений в линиях передач и параметров цепей СВЧ для обеспечения разработки высококачественных узлов, устройств и трактов телекоммуникационных систем, что предусматривает решение следующих задач:

-создание обобщенной математической модели многополюсного измерителя комплексных параметров устройств и трактов СВЧ;

-разработку методики оценивания погрешностей измерения параметров и характеристик устройств радиотехники и связи;

-разработку и исследование методов измерений параметров пассивных и активных устройств и методов калибровки многополюсных измерителей;

-разработку основ проектирования многополюсных анализаторов цепей СВЧ, включающих в себя принципы построения измерителей, алгоритмы синтеза и оптимизации;

-создание прецизионных средств контроля и измерения, Государственных эталонов единицы волнового сопротивления и

поверочных схем для обеспечения качества разработок устройств радиотехники и связи.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался математический аппарат теории цепей, высшей алгебры, статистической радиотехники, сигнальных графов, теории вероятностей, математической статистики, а также методы вычислительной техники и математического моделирования. Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена моделированием на ЭВМ и экспериментальными исследованиями на макетах и промышленных образцах, аттестованных в органах Госстандарта. Научная новизна работы определяется развитием теории многополюсных измерителей параметров устройств-радиотехники и связи в направлении создания системы обеспечения качества функционирования телекоммуникационных систем, имеющей важное народнохозяйственное значение. В частности:

-разработана теория многополюсных измерителей параметров цепей СВЧ, включающая в себя математическую модель, принципы построения, алгоритмы структурного и параметрического синтеза измерителей;

-предложены и исследованы методы измерения, способы повышения точности методов и средств измерений на основе разработанных алгоритмов калибровок и оптимизации первичных и вторичных преобразователей;

-разработана методика оценивания погрешностей . измерения параметров устройств радиотехники и связи, позволившая повысить точность и достоверность оценок параметров;

- исследованы методы передачи единицы волнового сопротивления от Государственного специального эталона единицы волнового сопротивления к средствам измерений параметров устройств и трактов СВЧ, предложен и разработан метод построения поверочной схемы.

Практическая ценность и значимость работы заключается в том, что результаты теоретических исследований легли в основу принципов технического проектирования автоматизированных измерителей параметров устройств радиотехники и связи и эталонных средств измерений параметров цепей СВЧ, что позволило:

-расширить диапазон частот средств контроля и измерения параметров устройств и трактов телекоммуникационных систем;

-повысить точность измерений параметров цепей СВЧ: пределы допускаемых погрешностей измерения модуля и фазы коэффициента отражения имеют значения ± (0.005 -г 0.01) и ± (1°+ 3°) для эталонных средств измерений в диапазоне частот 0.01+18 ГТц;

-создать и ввести в действие государственную систему метрологического обеспечения измерений параметров устройств радиотехники и связи на основе Государственных специальных эталонов и общесоюзных поверочных схем.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут ■быть полезны широкому кругу специалистов при разработке средств контроля и измерения параметров устройств и трактов СВЧ, а также в научно-исследовательских учреждениях, разрабатывающих и эксплуатирующих сверхвысокочастотные системы, устройства и элементы.

Реализация в промышленности результатов работы осуществлена в разработанных и внедренных:

-в НИИР (г.Москва) эталонных установок для измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи в коаксиальных трактах в диапазоне частот 2-4-12 ГГц ("Радий-3"), 12+18 ГГц ("Радий-4") и 17.44+ 37.5 ГГц ("Ракета-3/1") и прецизионной установки для измерения импедансов транзисторов в диапазоне частот 3.2+6.6 ГГц ("Ракета");

-на предприятии "НЭВЗ" (г.Новосибирск) прецизионного 12-полюсного анализатора цепей СВЧ для контроля параметров преобразователя СВЧ ("Гол");

-вСибирском НИИ метрологии двух Государственных специальных эталонов единицы волнового сопротивления, обеспечивающих уровень точности в стране в коаксиальных волноводах поперечного сечения 16/6,65 мм в диапазоне частот 0.3+7 ГГц и поперечного сечения 7/3.04 мм в диапазоне частот 1+12 ГТц;

- в Сибирском НИИ метрологии эталонных средств измерений, в частности, коаксиальных измерительных линий первого класса Р1-23 и Р1-26 (поперечное сечение 16/6.95 мм, диапазон частот 0.3+7 ГГц);

- в НИИР (г.Москва) и в Западно-Сибирском центре метрологии и стандартизации образцовой установки типа Р1-25М для измерения коэффициентов отражений и передачи в коаксиальных волноводах поперечного сечения 10/2.9 мм и 14.6/2.5 мм в диапазоне частот

10 МГц + 1 ГТц, и образцовой установки типа Р1-34М для измерения коэффициентов отражений и передачи в коаксиальном волноводе поперечного сечения 3.5/1.52 мм в диапазоне частот 2+11 ГГц;

-6-

- двух государственных стандартов на общесоюзные поверочные схемы для средств измерений полного сопротивления -ГОСТ 8.172-75 и ГОСТ 8.173-75; -

-двух государственных стандартов: ГОСТ 8.351-79. ГСИ. Линии измерительные. Методы и средства поверки. ГОСТ 8.365-79 ГСИ. Нагрузки коаксиальные. Методы и средства поверки.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный процесс в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики на лекционных, практических и лабораторных занятиях по курсам "Измерение на СВЧ" и "Твёрдотельные устройства СВЧ". Практическое использование основных результатов диссертации подтверждено актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на одной Международной и одиннадцати Всесоюзных научно-технических конференциях, симпозиумах и совещаниях. Все результаты получены при выполнении плановых НИР и ОКР и одобрены государственными комиссиями.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 52 печатных работах, получен 1 патент и 5 авторских свидетельств, три из которых выданы на способы измерения и калибровки.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 234 наименования, и приложений. Основной материал работы изложен на 265 страницах, содержит иллюстрации и таблицы. Основные положения, выносимые на защиту:

-обобщенная математическая модель и принципы построения многополюсных измерителей параметров и характеристик устройств радиотехники и связи;

- методика оценивания погрешностей измерения параметров и характеристик устройств и трактов телекоммуникационных систем;

-алгоритмы и программы параметрического и структурного синтеза первичных и вторичных измерительных преобразователей, методы измерения и калибровки;

- прецизионные средства контроля и измерения параметров устройств и трактов СВЧ, Государственные эталоны единицы волнового сопротивления и система обеспечения качества разработки и функционирования устройств и трактов систем связи и радиотехнических систем СВЧ различного назначения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлена цель и' сформулированы задачи исследований, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, выделены положения, выносимые на защиту.

В первой главе в результате анализа состояния и тенденций развития техники измерения характеристик цепей СВЧ показано, что задача создания прецизионных средств контроля и измерения параметров устройств и трактов телекоммуникационных систем в широком диапазоне частот может быть успешно решена на основе многополюсных устройств СВЧ с функционально-неопределенной структурой. При этом трудности конструкторского и технологического характера, возникающие при разработке средств измерения с функционально-определенными и традиционно используемыми измерительными преобразователями (направленными ответвителями, мостами и др.) заменяются разработкой методов, алгоритмов и устройств калибровки. В главе получена обобщенная математическая модель многополюсного измерителя вида

^ <Ц2>]

а к

7-ЛГ, > (1)

где ¿/-выходящие волны, т, Ы и П- падающие, отраженные волны и коэффициент отражения эквивалентного генератора, [1>]-матрица нагруженного многополюсника, П- коэффициент отражения нагрузки. При одном генераторе и одном объекте измерения, подключенных к первому и второму полюсам, уравнение (1) преобразуется к виду

где ^ -детерминант матрицы Б, получаемый заменой ¿-го

столбца матрицы Б на 1-ый столбец матрицу 8 с последующим удалением 1-ой и 2-ой строки и 1-го и 2-го столбца;

мЩу*,К*,*,) .

детерминант матрицы Б, получаемый заменой]-го столбца

матрицы Б на 1-ый столбец матрицы Б и 2-го столбца матрицы Б на 2-ой столбец матрицы Б с последующим удалением 1-го столбца и 1-ой строки.

Уравнение (2) является обобщенной математической моделью многополюсного измерйтеля для одного источника сигнала и одного объекта измерения. На основе уравнений (1) и (2), налагая выполнимые требования на обобщенные параметры измерителя, на количество генераторных, индикаторных и нагрузочных полюсов, на типы индикаторных устройств, а также на граничные условия, были рассмотрены обобщенные методы измерения и принципы построения измерителей, при этом были получены как известные методы измерения (метод одиночного и двойного направленных ответвителей, методы щелевой и бесщелевой измерительных линий, методы уравновешенного и не уравновешенного мостов), так и новые методы измерения (методы шестиполюсника и восьмиполюсника с функционально-неопределенной структурой с постоянными и переменными параметрами, многосигнальные и другие методы измерения), часть из которых в обобщенном виде представлена ниже.

1. Параметры А^, В], С}, Б] не изменяются в процессе измерения. Граничные условия постоянны.. Индикаторы выходящих волн-скалярные вольтметры. Из уравнения (2) при 3=3,4 имеем

N1 =

а1

А!

Ь]

О,

С]+Г1>]

= &

1 + В/Т,

1+о/г;

(3)

где с> А' с> - неизвестные коэффициенты. Коэффициент

отражения объекта измерения Гг определяются через измеренные величины М]. Метод измерения называется методом 8-полюсника с функционально-неопределенным измерительным преобразователем с постоянными параметрами. При ]=3,4,5 имеем

И' _\Л1+ГЛ} 1'

1=4,5

(4)

В результате решения этой системы ( а при 3=3,4,5,6) получены методы измерения, которые называются методами 10-полюсника и 12-полюсника.

2. Параметры А], В], С], ЭД изменяются за счет изменения граничных условий. Индикаторы выходящих волн -скалярные вольтметры. Представим уравнение (2) в виде

а

вероятностей' ' ^представлены на рис.1., была выявлена

и

2,5 2

15 У

0,5

- 0£

-0,83

-1,5

-и

/

У Й 4,67

6 \-о/^ 0,82

\0

О 0,2 0,4 . 0,6 0,8 Р

Рис.1. Зависимость квантилей от значений вероятностей.

определенная закономерность: для одномодальных законов

распределения (эксцесс ^ =-1.2+ 3.0 ) графики функций * пересекаются и пересекают прямую, относящуюся к равновероятному

.0.9

закону в окрестности точки Р, равной 0.9, при этом значение ' =1.6. Кроме -того, значения функций ' при вероятности Р=0.95

.0.85

имеют 10%-ый разброс относительно значения « =1.8, что валено отметить, поскольку, как нетрудно показать, композиция только лишь двух вторых антимодальных законов дает закон распределения с эксцессом, большим, чем эксцесс равновероятного закона распределения, поэтому пределы допускаемых погрешностей (для вероятностей Р=0.9 и Р=0.95) могут быть определены по нижеприведенным формулам, имея в большинстве случаев погрешность приближения не хуже 10%.

б°:=1.8сгу

е г

(12)

Полученные оценки при неизвестном законе распределения суммарной погрешности обладают максимальной достоверностью среди всех других оценок. Кроме того, формулы (12) являются инвариантными по отношению к пределам допускаемых частных погрешностей

-11-

/=1

/ Л д¥ 1г

ч дхО V

Л/ 1.6

•Л

1=1

\2

(¿0

д¥

А_1_ 1.8

-I

/ \г

ы\

дхО

(А,)

(14)

Достоинством оценок (12) является независимость их от законов распределения суммарной и частных погрешностей. В некоторых случаях достоверность измерений при уровнях доверительных вероятностей Р=0.9 и Р=0.95 недостаточная и требуется знание предела допускаемой погрешности при Р=0.997. Предел допускаемой погрешности для вероятности Р=0.997 с погрешностью приближения ±9% может быть определен по формуле

(15)

Справедливость данной формулы подтверждена результатами исследований, приведенными на рис.2.

0,2 0,4 0,6 0,8 Р

Рис.2. Зависимость нормированных квантилей от значения вероятности.

-12-

Из рис.2, видно, что при Р=0.997 нормированные относительно эксцесса

значения коэффициентов ^ ^ У для законов распределения с эксцессом, равным ~2-У - отличаются от единице не более, чем на 9%. Полученные формулы позволяют значительно уменьшить трудности решения задачи оценивания погрешностей методов измерений, образцовых средств и средств измерений наивысшей точности, а также позволяют повысить достоверность оценок параметров устройств и трактов СВЧ телекоммуникационных систем на стадии их производства и эксплуатации.

Третья глава посвящена разработке и исследованию методов измерения и методов повышения точности измерений, разработке принципов построения 6-полюсных и 8-полюсных измерителей с постоянными и переменными параметрами. Для 6-полюсных и 8-полюсных измерителей с постоянными параметрами и векторными вольтметрами, используя уравнение (2) получено соотношение вида Гн1ГнЗ ( Гшм1—Ги!мЗ )(Гш»-Гш*1ГнзГнЗ^ГтмЗ— Гшм2 ^[Гшм— Гшм1] +

м2— Тшм! ^(/шл— ГшмЗ ) Гн;( Гшмг-ГюмЗ ^Ги>м~Гшм1 j+Гн2 {Гии*1-Гшм1 ^{Гшн—ГишЗ ) + ' 0^)

+ГиЗ |Гюм1—Гшм2 ^ГшлсГимЗ )

на основе которого исследованы следующие алгоритмы измерения и калибровок: алгоритм с тремя калибровками и одним измерением; алгоритм с двумя калибровками и двумя измерениями. Для алгоритма с тремя калибровками и одним измерением численным методом были определены пределы допускаемых погрешностей измерения модуля и фазы коэффициента отражения нагрузки в зависимости от модуля и фазы коэффициента отражения устройств калибровки. Результаты исследования, приведенные на рис.3.,

Г„=-

л

0.0 0.2 0.4 0.« 0.8 1.0 Гк 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Гк

а) б)

Рис.3. Зависимость погрешности измерения модуля а) и фазы б) от модуля коэффициента отражения устройств калибровки. -13-

показали, что погрешности измерения модуля и фазы коэффициента отражения минимальны, когда значение модуля коэффициента отражения калибровочных устройств равно единице. Это позволило обосновать требования к параметрам устройств калибровки и рекомендовать устройства калибровки 6- и 8-полюсных измерителей. На основе уравнения (5) были исследованы измерители с переменными параметрами и скалярными вольтметрами. При этом показано, что/преобразовав уравнение (5) к виду

N ..= хь + хьСоэ(рГ]+хи Бтрг .+Х1Л .Сой<рг .Ятсрг.

у = 1,2,3,4.5 / = 1,2,3 '

где

Л]{1 + В2) 2А2В1Со$<рБ. 2А\В$т<ря

XI,--XII =-:-, =--

1+В* 2+2)' 2+2),

хи =---Р^, х„ = —I-^

-:-« ли — ,--} , , _ „

7+2)] 1+В] 1 = 1,2,3

(18)

можно не только существенно упростить алгоритм калибровки, используя минимальное количество (равное пяти) устройств калибровки, но и повысить точность измерения параметров устройств и трактов СВЧ. Поскольку точность измерения зависит от параметров измерительного преобразователя, то, используя выражение чувствительности выходного сигнала к изменению параметров, полученное на основе уравнения (5), преобразованного к виду

№=\Ьз\2=\Ь2\2\С\2\А-Г2\2 , (19)

где

С =

А =

Ап— Г4А2г

<54)(а)(п)

Вк-ПВгг М2)](з51)(25а)(„)(«) "Г"Ч^э^К^М

поставлена и решена задача структурного синтеза коммутационных измерительных преобразователей. В результате синтеза получены оптимальные по критерию максимума чувствительности структуры измерительных преобразователей, одна из которых приведена на рис.4.

га

~4 з_

X

Рис.4. Структурная схема 8-полюсного измерительного преобразователя с переменными параметрами.

Численным методом были исследованы зависимости пределов допускаемых погрешностей измерения модуля и фазы коэффициентов отражения нагрузки. Результаты исследования, приведенные на рис.5., ДГн Дфн°

30 50 70 90 110 (<рк-<рк+1)° 30 50 70 90 110 (фк-фк+1)° а) б) - Гн=0.1 - Гн=0.333

Рис.5. Зависимость погрешности измерения модуля а) и

фазы б) коэффициента отражения нагрузки от разности фаз коэффициентов отражения устройств калибровки.

показали, что 6- и 8-полюсные измерители обеспечивают высокую точность измерений и могут быть использованы при разработке образцовых средств контроля и измерения комплексных коэффициентов отражений устройств и трактов СВЧ.

В четвертой главе на основе системы уравнений (2), представленной в виде системы нелинейных уравнений

Г«Г'-я]Г„- ®Г>(ад*гг)) = 0, /= 4,5,6

(20)

ф = -

Рз ' Л '

'г

«.ЧТ-^Ш-*4'

-1

%

(21)

"'ЛЛ "" ь

и системы линеаризованных уравнений, полученных из уравнений вида

V V 4 (22)

/ = 3,4,5,6

были исследованы методы измерения и методы калибровки 10- и 12-

полюсных измерителей параметров устройств и трактов СВЧ. На основе

уравнения (22) сформирована система калибровочных уравнений, в

результате решения которой не только определены обобщенные

параметры измерителя, но и разработан алгоритм контроля точности

калибровки и измерения. Поскольку при некоторых значениях

обобщенных параметров 10- и 12-полюсных измерительных

преобразователей комплексный коэффициент отражения измеряется

либо неоднозначно, либо измеряется с большой погрешностью, то были

исследованы различные структуры 12-полюсных устройств, используя

графический метод анализа, основанный на построении диаграмм

падающих и отраженных волн на комплексной плоскости, и

аналитический, основанный на анализе определителя системы

линеаризованных уравнений б

¡=1.2.3.4.5.6 . (23)

где

И2=\АЩ2-\А5В3\2,

Лз =\АзВв^-\АвВ^, К< =\А5В^ -\Л4В\2, Л: =\АбВ<\2-\A4Bef, Яб =\А5Вв^-\AiBsf,

]=1,2,3,4,5,6 <

Т1 = Ли (^¡'ВзАбВб'}, Тг = 1т(А4В/Аб'Вб}, Тз = М{А4'В4А5В!'У Т4 = ^г{АзВз*Ае Вб^, Тз = 1т(Аз' ВЗАзВЗ'), Тб = ]т{Аз' В3А4В4'}

В результате исследования широкого класса 12-полюсных устройств установлено, что линеаризация системы измерительных уравнений существенно сужает класс 12-полюсных устройств как измерительных преобразователей. Численным методом были исследованы пределы допускаемой погрешности измерения модуля коэффициента отражения нагрузки от значения определителя. Результаты исследования приведены на рис.6.

ДГн/

0.025

0.1

0.2

0.3

0.4

|£г.А|

Рис.6. Зависимость погрешности измерения коэффициента отражения от параметров измерителя.

Из рис.6, следует, что для исключения плохо обусловленных уравнений структурные параметры должны удовлетворять условию

I Д'Я > 0.1 (25)

В главе, используя модуль разности измеренного и действительного комплексных коэффициентов отражений как показатель качества измерителя, решена задача оптимизации и параметрического синтеза 12-полюсных измерительных преобразователей. Результаты синтеза, полученные в виде значений модулей (я1, ц2, qЗ) и фаз ((ря1, щ2, ч^З) центров окружностей показали, что для оптимальных параметров преобразователя радиусы центров окружностей находятся в интервале 0.5-И .5, центры имеют разность фаз 120°. Кроме того, установлено, что при измерении параметров пассивных устройств (|Гн[<1) один из радиусов должен иметь значение модуля больше единицы, а один-меньше единицы; при измерении параметров активных устройств все радиусы должны быть больше или равны единице, при этом оптимальные значения разностей фаз находятся в интервалах 90°-^120°-=-и 210°ч-240°, что также подтверждено результатами исследований зависимостей пределов допускаемых погрешностей измерения Ксти и фазы коэффициентов отражения от и Дсрць приведенными на рис.7.

зк(%)д<г>°

ак(%) д<р°

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.:

а)

-Г„=0.1

80

. Ги=0.9

Рис.7. Зависимость погрешности измерения Ксти и фазы коэффициента отражения от параметров измерителя.

Результаты исследований позволили создать теоретическую основу для разработки и проектирования широкополосных прецизионных измерителей параметров устройств СВЧ телекоммуникационных систем. Пятая глава посвящена методам измерения Б-параметров, принципам построения 12-полюсных измерителей Б-параметров и методам калибровки измерителей. В основу анализа методов измерения и калибровки положено уравнение вида

= Гфк ._

Г-1 1~

1г..,п к-1г..,п

(26)

где Г&, ^к -комплексный коэффициент отражения и относительное возбуждение на ¿-ом выходе при к-ом возбуждении.

Для'случая измерения Б-параметров четырехполюсников, представляя двойной 12-полюсный измеритель в виде некоторого эквивалентного 6-потосника, как это показано на рис.8.,

аз ±

з

Ьг 2

1, Ь1 Ьз

Г

.6-полюсник

- м

а1 1 г аг

Рис.8. Обобщенный 6-полюсник двойного 12-полюсного измерителя, и используя соотношения между падающими Ы,Ь2, ЬЗ и отраженными

(28)

(29)

al,a2, аЗ волнами

ai = dubi + clnb2 + dnbi

(12 = dnbl + (¡2202 + disbi •

ai = dnbi + d32b2 + î/jjAj

получено выражение для относительного возбуждения _ d«(i - d„ri) _ v:{l - di,n)

^ du(l - d2iTг) 1 - АгГг на основе которого разработан алгоритм калибровки двойного 12-полюсного измерителя. На основе уравнений (26) и (28) получены формулы для определения S-параметров четырехполюсников.

S12 = (Г 12 - ril)(g22 ~ g21)"1

Su = Г и . g2l(ri2 - ril)(g22 - g2*y:

521 = Г2Щ21 — g2l(Tl2 - Гlî^yg2i - g2j)

522 = (T22g22 - r21g2l){g22 - g21

где FIi и T2i -комплексные коэффициенты отражения измеряемые каждым 12-полюсным измерителем при различных возбуждениях. При исследовании метода измерения S-матрицы 6-полюсника тройным 12-полюсным измерителем было показано, что параметры измерителя П, Гг, Гз, G21 и G31 определяются в процессе калибровки при последовательном соединении выхода первого 12-полюсного измерителя с выходами второго и третьего 12-полюсных измерителей и S-параметры находятся из системы уравнений

(Su - Г]а)й1 + Sl2U2 + S 13(13 - О

S21 а2 + (522 - Г2о)а2 + S23(13 - О

S21(12 + (S22 - / 2а)«2 + S2303 = О

в которой al, а2, аЗ- выходящие волны. Разработан алгоритм определения выходящих волн по волнам генераторов al', а2', аЗ', используя принцип суперпозиции волн. Полученные в данной главе результаты явились теоретической основой для разработки измерителей S-параметров пассивных и активных устройств СВЧ и были использованы при создании образцовых средств измерения S-параметров.

Шестая глава посвящена разработке и исследованию прецизионных многополюсных измерителей параметров цепей на основе предложенных и рассмотренных ранее методов измерения и принципов построения. При этом особое внимание уделено оригинальным способам

(30)

реализации того или иного принципа построения измерителя,, либо способам уменьшения погрешностей измерения и калибровки, обусловленных вторичными преобразователями, контактными устройствами, источниками сигналов. Например, при построении 8-полюсного измерителя с переменными параметрами, представленного на рис.9., используя результаты главы 3, были реализованы оптимальные параметры первичного измерительного преобразователя

Рис. 9.8-полюсный измеритель коэффициентов отражений с переменными параметрами.

Реализации оптимальных параметров измерителя осуществляется переменным аттенюатором и коммутационным фазовращателем. При подключенном объекте исследования для различных параметров измерителя измеряются суммарные мощности Р1,Р2 и РЗ волн напряжения опорного и измерительного каналов на выходе сумматора, а также мощности Рп1, Рп2 и РпЗ падающей на нагрузку волны. По результатам измерения сформирована система уравнений вида

Я=Щ2\А1 + В1Г„\2 |

Ра,=\ь(\А,1+В«,Г*\г / = 1,2,3) ' ^

из которой определены модуль и фаза коэффициента отражения. Результаты экспериментальных исследований погрешностей измерения модуля и фазы коэффициента отражения мер полного сопротивления 1-го разряда в диапазоне частот 3-12ГТц, представленные на рис. 10.

Дфн° 4.5 3.0 1.5

Г 0.0

11 12 ГГц

Гн=0.1

3 5 7 9 II 12ГГц б)

-Гн=0.333

Рис.10. Пределы допускаемых погрешностей измерения

модуля а) и фазы б) коэффициента отражения.

в виде пределов допускаемых погрешностей измерения, показали, что при реализация оптимальных параметров коммутационные 8-полюсные измерители параметров цепей СВЧ по точности измерения находятся на уровне эталонных средств измерений в широком диапазоне частот. При разработке измерителей параметров активных устройств в главе предложен и разработан метод повышения точности, основанный на исключении из результатов измерений параметров контактного устройства (держателя) транзистора. При этом была предложена модель контактного устройства, представленная на рис.11.,

Ег

Б21п Б21Л 2

Бпг

Б22П

Б12п БИЛ 2

Рис. 11. Сигнальный граф схемы перехода и линии

в виде сигнального графа схемы, содержащей коасиально-полосковый переход с матрицей [Бп] и отрезок регулярной микрополосковой линии с матрицей [Бл]. Это позволило разработать алгоритм определения параметров контактного устройства, используя уравнения, полученные при режимах короткого замыкания и холостого хода.

Экспериментальные исследования погрешностей измерения импедансов транзисторов в режиме малого сигнала, результаты которых в виде пределов допускаемых погрешностей измерения модуля и фазы коэффициентов отражения на входе и выходе транзистора

(ЗП602В) в диапазоне частот 3-7 ГГц представлены на рис. 12.,

ДГт. 0.045

0.03

0.0

А

-- а)

->

Д(рт! 7.5

5.0

0.0

А

б)

->

ГГц

3 4 5 6 - ГвхТ

ГГц

3 4 5 6 7

Рис.12. Пределы допускаемых погрешностей измерения модуля а) и фазы б) коэффициентов отражения транзистора.

показали, что предложенный метод позволяет измерить параметры транзисторов СВЧ с точностью, достаточной для разработки высококачественных активных устройств.

В главе также исследованы методы повышения точности, основанные на поиске оптимальных параметров вторичных измерительных преобразователей по критерию минимума погрешности измерения параметров устройств СВЧ. Кроме того, разработаны методы уменьшения погрешности измерения из-за нелинейности коэффициента передачи преобразователей, при этом предложен и исследован способ калибровки диодных преобразователей, используя систему уравнений в плоскости выхода преобразователей вида

.Р|= г/.-'~=\В,Ь \\1 + АГ\2

иЧ-Соз<р, 1 М 1 , (32)

= 1,...,4; ) = 2,...,5

где Рьмощности на выходах диодных преобразователей.

Результаты экспериментальных исследований погрешностей измерения аттестованных в органах Госстандарта мер КСВ и проходных устройств показали, что разработанные многополюсные анализаторы цепей СВЧ по метрологическим характеристикам находятся на уровне эталонных средств измерения 1 и 2 разрядов.

Седьмая глава посвящена созданию системы обеспечения качества разработки устройств радиотехники и связи на основе разработанных Государственных эталонов единицы волнового сопротивления, предназначенных для воспроизведения, хранения и передачи единицы волнового сопротивления, эталонных средств измерений и поверочных схем для средств измерений полных сопротивлений. Структурная схема Государственного эталона единицы волнового сопротивления представлена

на рис.13.

г-5>

генератор стандартных сигналов

Г

частотомер

перекл ь ючател

> >

нагрузка

эталон волнового сопротивления

-> компаратор

*

измеритель отношения

Рис. 13. Структурная схема Государственного специального эталона единицы волнового сопротивления.

Воспроизведение единицы волнового сопротивления производится мерами волнового сопротивления и реализуется в виде относительных параметров отражений ( КстГГ и фазы коэффициента отражения). При этом исследованы источники погрешности и определены среднеквадратическое отклонение и предел допускаемой суммарной погрешности воспроизведения единицы волнового сопротивления. В основу метода передачи единицы волнового сопротивления положен метод сравнения (сличения) волнового сопротивления мер с входными сопротивлениями объектов измерения. В качестве устройства сравнения используются измерительные линии, работающие в режиме компарирования.

В главе предложен и исследован метод построения поверочной схемы, основанный на критерии минимума стоимости поверочной схемы с учетом потерь, обусловленных браком поверки. При этом задача проектирования поверочной схемы поставлена следующим образом: исходя из минимума функции стоимости поверочной схемы, необходимо найти соотношение между среднеквадратическими отклонениями погрешностей поверяемых сп и эталонных стм средств измерений, количество средств измерений в каждом разряде т и число разрядов ш при условии, что известны:

1) зависимость стоимости разработки Фр средств измерений (эталонов и образцовых СИ) от среднеквадратического отклонения а!;

2) зависимость стоимости эксплуатации С1эг годных средств от от;

3) зависимость стоимости эксплуатации С1эн негодных средств от си;

4) стоимость потерь, причиненных эксплуатацией негодного средства измерения Ст;

5) законы распределения погрешностей средств измерений;

6) среднеквадратические отклонения погрешностей рабочих средств измерений ср и эталона сто;

7) количество рабочих средств измерений Кр ;

8) зависимость времени поверки средств измерений ¡-го разряда от средств измерений (¡-1)-го разряда;

9) межповерочный интервал 1.

При этом зависимость стоимости О от среднеквадратического отклонения сп определяется на основе анализа статистических данных и имеет вид

Г, (33)

I

где Со и а - некоторые коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов. ;

Время поверки образцовой меры (1+1)-го разряда принято равным

'(«Г > (34)

" I

где ь> и р - коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов.

В качестве целевой функции предложена функция стоимости поверочной схемы

т т+1

С = ^П1С^,+ ^\Сы(Рп + Р21) + Сьн(Рн1 + Ри) + СшРЛт , (35)

1-0 1=1

где Рн, Рн, Р21, Рш - значения вероятностей, которые зависят от отношения 01/0(1-1).

В результате синтеза была получена двухразрядная поверочная схема. Были исследованы и разработаны методы передачи единицы волнового сопротивления по разрядам поверочной схемы. На основе разработанных Государственных эталонах, образцовых средств измерения и поверочных схем создана система метрологического обеспечения измерений параметров устройств радиотехники и связи на СВЧ с высокой точностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Рассмотрены проблемы повышения качества функционирования телекоммуникационных систем и предложена концепция разработки прецизионных средств контроля и измерения параметров устройств и

трактов систем связи на основе многополюсных устройств СВЧ с функционально-неопределенной структурой, что позволило трудно решаемые задачи конструкторского и технологического характера при создании измерителей с известными параметрами заменить задачами разработки методов, алгоритмов и устройств калибровки. В рамках предложенной концепции получена обобщенная математическая модель многополюсного измерителя как теоретическая основа для исследования принципов построения аппаратурных средств и поиска путей повышения точности измерений комплексных параметров устройств радиотехники и связи. Показано, что, налагая определенные требования на граничные условия и обобщенные параметры измерителя, можно получить не только известные, но и новые методы измерения, отличающиеся количеством используемых источников сигнала и нагрузок, количеством и типом индикаторных устройств.

2. В результате исследования широкого класса стандартных законов распределения получены формулы для определения интервальных границ погрешностей для вероятностей 0.90, 0.95, 0.997. Показано, что оценки предела допускаемой суммарной погрешности для вероятностей 0.9 и 0.95 имеют большую достоверность среди всех других известных приближенных оценок, являются инвариантными по отношению к пределам допускаемых частных погрешностей, что исключает необходимость определения закона распределения суммарной погрешности. Предложенные формулы позволили получить сопоставимые и достоверные оценки погрешностей методов и средств измерений комплексных параметров устройств и трактов систем связи.

3. Исследованы и разработаны принципы построения и проектирования многополюсных измерительных преобразователей с постоянными и переменными параметрами. Для изменения параметров преобразователя предложено изменять граничные условия на одном из полюсов преобразователя, при этом показано, что использование короткозамкнутой нагрузки с переменной фазой для изменения граничных условие позволяет реализовать значения параметров, близкие к оптимальным, в широком диапазоне частот. В результате исследования широкого класса многополюсных устройств СВЧ, установлены ограничения на структуры многополюсных устройств как измерительных преобразователей и предложены критерии проектирования преобразователей. Установлено, что линеаризация измерительных уравнений существенно сужает класс многополюсных устройств как измерительных преобразователей.

4. Исследованы и разработаны методы измерения и калибровки многополюсных измерителей с постоянными и переменными параметрами,

разработаны алгоритмы и составлена рабочая программа вычисления параметров измерителя и коэффициентов отражения. В результате исследования зависимости погрешностей ; измерения комплексных коэффициентов отражений от параметров устройств калибровки показано, что минимальные значения погрешностей реализуются при использовании в качестве устройства калибровки короткозамкнутой нагрузки с переменной фазой, при этом установлены требования к реальным и мнимым значениям коэффициента отражения устройства калибровки во избежание вырожденности системы уравнений калибровки.

5. Разработаны алгоритмы параметрического и структурного синтеза многополюсных измерительных преобразователей с переменными и постоянными параметрами. Предложена концепция повышения точности средств контроля и измерения параметров устройств и трактов СВЧ систем связи, основанная на реализации оптимальных параметров первичных и вторичных измерительных преобразователей, при этом разработаны алгоритмы и программы оптимизации на основе показателя качества в виде модуля разности ■ действительного и измеренного комплексных коэффициентов отражений. В результате теоретических и экспериментальных исследований погрешностей измерения параметров пассивных и активных устройств показано, что оптимальные параметры можно реализовать в широком диапазоне частот на основе делителей мощности, мостов, многозондовых отрезков линий.

6. Предложена математическая модель двойного 12-полюсного измерителя Б параметров активных и пассивных устройств СВЧ в виде обобщенного шестиполюсника, на основе которой разработаны методы измерения Б параметров и методы калибровки измерителя, используя принцип суперпозиции волн и измеряя комплексные коэффициенты отражения каждым 12-полюсным измерителем при включенной мере волнового сопротивления и при непосредственным соединением выходов 12-полюсных измерителей. Показано, что рассмотренные методы позволяют измерять Б-матрицу четырехполюсника в случае, когда выходы 12-полюсных измерителей, в силу конструктивных особенностей, не могут быть соединены непосредственно. Для повышения точности измерения 8 параметров СВЧ транзисторов, предложен метод исключения параметров держателя (контактного устройства) транзистора, при этом исследованы и разработаны методы и алгоритмы измерения параметров и показано, что параметры держателя определяются с высокой точностью из системы уравнение, полученной из режимов короткого замыкания и холостого хода на нагрузочных полюсах держателя.

7; Исследованы методы передачи размера единицы волнового

сопротивления к средствам контроля и измерения параметров устройств радиотехники и связи на СВЧ, рассмотрены основные принципы организации системы метрологического обеспечения измерений с высокой точностью. Предложен и разработан метод построения поверочной схемы для средств измерений полных сопротивлений на основе критерия минимума стоимости всей поверочной схемы с учетом браков поверки, что позволило обосновать соотношение погрешностей средств контроля и измерения параметров устройств СВЧ и эталонных средств измерений при передаче единицы волнового сопротивления.

8. Разработанные принципы построения измерителей, методы измерения и алгоритмы калибровки, результаты структурного и параметрического синтеза и оптимизации были использованы при создании комплекса прецизионных средств контроля и измерения параметров устройств радиотехники и связи, при создании Государственных эталонов единицы волнового сопротивления, которые внедрены на предприятиях страны и которые составили основу метрологического обеспечения измерений параметров устройств радиотехники и связи на СВЧ и способствовали повышению уровня точности измерений в стране и, тем самым, повышению качества функционирования телекоммуникационных систем и радиотехнических СВЧ систем различного назначения.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A.C. №1478151 (СССР). 12-полюсный рефлектометр / Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Опубликовано в БИ -№17.- 1989.

2. A.C. №1677666 (СССР). Способ определения комплексного коэффициента отражения /Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Опубликовано в БИ - №34.- 1991.

3. A.C. №1760475 (СССР). Способ калибровки двойного 12-полюсного анализатора цепей / Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Опубликовано в БИ- №12.-1992.

4. A.C. №702436 (СССР). Короткозамыкающий поршень / Рясный Ю.В. Опубликовано в БИ- №45,- 1979.

5. A.C. №1053119 (СССР). Способ измерения коэффициента передачи сверхвысокочастотных четырехполюсников /Петров В.П., Рясный Ю.В. Опубликовано в БИ- №6.- 1983.

6.Автоматизированная установка для измерения параметров оконечных и проходных устройств СВЧ / Борисов A.B., Журавлева О.Б., Мульдевиц М.К., Пологрудов В.П., Петров В.П., Рясный Ю.В. // Тр. НИИ Радио. -1983. -№3. - с. 83-88.

7. Вопросы конструирования измерительных линий первого класса / Гутина Э.М., Мирская Л.И., Лагутин А.Я., Музолевский Б.А., Рясный Ю.В. // Современные методы и аппаратуры для измерения параметров радиоцепей.: Докл. на Всесоюз. Симп. - Новосибирск, 1974. -с. 61-62.

8. Петров В.П., Рясный Ю.В. Анализ погрешности измерения КСВ и фазы

нагрузки коаксиальными линиями // Метрология. -1976. -№5. - с. 57-63.

9. Петров В.П., Рясный Ю.В. Вопросы построения оптимальных поверочных схем // Исследования в области радиотехнических измерений: Сб. науч. трудов ВНИИМ.-Л.-1976.- Вып. 202 (264).

-с. 5-10.

10. Петров В.П., Рясный Ю.В. Закон распределения погрешности измерения коэффициента отражения направленными ответвителями. Метрология.-1976.-№4. - с. 59-64.

11. Петров В.П., Рясный Ю.В. Измерение Б-матрицы транзистора в режиме большого сигнала // Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ и СВЧ: Докл. Всесоюз. НТК.- Новосибирск. -1980. - с. 36-37.

12. . Петров В.П., Рясный Ю.В. Оценка общей погрешности средств измерений при априорной информации о частных составляющих // Современные методы и аппаратура для измерения параметров радиоцепей: Докл.Всесоюз.симпоз.-Новосибирск.-1974. -с.240-245.

13. Петров В.П., Рясный Ю.В. Оценка точности выборочного среднего некоторых законов распределения погрешностей // Проблемы разработки современных методов и аппаратуры для измерения параметров радиоцепей: Докл. Всевоюз. науч.-техн. совещ. - Новосибирск.-1976. -с. 17-19.

14. Петров В.П., Рясный Ю.В. Оценка суммарной погрешности средств измерений // Измер. техн.-1977. - с. 19.

15. Моделирование методов измерений коэффициентов отражений на

• ненаправленном датчике при воздействии ЛЧМ сигналов / Петров В.П., Рясный Ю.В., Николаев Ю.И., Чесноков Ю.Г. // Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии: Докл. 3 Всесоюз. симпоз.-Новосибирск.-1982. -с. 94-95.

16. Методы обработки сигналов при измерении коэффициентов отражений на ненаправленном датчике / Петров В.П., Чесноков Ю.Г., Николаев Ю.И., Рясный Ю.В. // Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии: Докл. 3 Всесоюз. симпоз. -Новосибирск.-1982.-с. 96-97.

17. Работы СНИИМ в области измерения характеристик сверхвысокочастотных линейных радиоцепей /Петров В.П., Гутина Э.М.,

Кондаков Ю.В., Калмыков А.И., Костюченко К.К., Рясный Ю.В. //Измер. техн.-1974.-№10. - с. 35-39.

18. Петров В.П., Калмыков А.И., Рясный Ю.В. Информационно-измерительная система для измерения комплексного коэффициента отражения //Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации: Докл. пятой Всесоюз. науч.-техн.конф. -M.-1984.-c.386.

19. Анализ методов калибровки 12-полюсного рефлектометра /Петров В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б.. Пологрудов В.П. // Измер. техн.-1985.

- №10.-с. 4041.

20.Петров В.П., Рясный Ю.В. Коммутационные многополюсные измерители // Актуальные проблемы электронного приборостроения:

(АПЭП-96): Тр. третьей международной науч.-техн. конф. -Новосибирск -1996.-т.5.-с.8-9.

21. Петров В.П., Рясный Ю.В. О некоторых статистических свойствах и их применение к оценке точности функционирования радиоустройств и систем // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-96): Тр. третьей международной науч.-техн. конф.- Новосибирск.-1996.-т.9.-с. 17-20.

22. Петров В.П., Пальчун Ю.А., Рясный Ю.В. Принципы построения многополюсных анализаторов цепей СВЧ //Актуальные проблемы

электронного приборостроения (АПЭП-96): Тр. третьей международной науч.-техн.конф.- Новосибирск.-1996.-т.5.-с.4-7.

23. Патент № 2058631 (РФ). Короткозамыкающий поршень для волновода прямоугольного сечения /Рясный Ю.В., Журавлева О.Б.

- Опуб. в БИ.-№ 11.- 1995.

24. Калмыков А.И., Косулин В.В., Рясный Ю.В. Стенд для разработки СВЧ преобразовательных систем в интегральном исполнении // Современные методы радиоизмерений в диапазонах ВЧ и СВЧ: Тез. докл. Региональной науч.-техн. конф.- Новосибирск.- 1991. - с.16-17.

25. Калмыков А.И., Рясный Ю.В., Косулин В.В. Метод измерения Б-параметров держателя микросхемы преобразователя // Современные методы радиоизмерений в диапазонах ВЧ и СВЧ: Тез. докл. Региональной науч.-техн.конф. - Новосибирск.- 1991.- с. 15-18

26. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод калибровки 12-полюсного измерителя комплексных коэффициентов отражения // Радиотехнические измерения в диапазоне ВЧ и СВЧ: Докл. Всесоюз. науч. -техн.конф,-Новосибирск,- 1984.-е. 137-138.

27. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Параметрический синтез многополюсных измерительных преобразователей анализаторов цепей СВЧ /Метрология в

-29-

радиоэлектронике: тез. докл. седьмой Всесоюз. науч.-техн. конф. - М.:- 1988. - с.123-124.

28. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Оптимизация структуры 12-полюсных измерительных преобразователей //Измер. техн.-1991,-№3. -с.37-38.

29. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Анализ методов калибровки измерителя Б-параметров и коэффициентов передачи проходных устройств СВЧ // Электронные устройства систем связи.: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи.- Л.:-1988. -с. 7-11.

30. Рясный Ю.В. Распределение погрешности рассогласования при измерении ослабления // Современные методы и аппаратура для измерения параметров радиоцепей.: Докл. Всесоюз. Симпоз. -Новосибирск.- 1974. - с. 245-247.

31. Рясный Ю.В., Хворостов Б.А. Анализ некоторых погрешностей метода аттестации нагрузок // Исследование в области радиотехнических измерений: Сб. науч. тр. ВНИИМ,- Л.:-1976.-Вып. 202 (264).- с.41-44.

32. Рясный Ю.В., Чеиоданова О.Б. Метод измерения коэффициентов отражений оконечных устройств с произвольным типом соединителя // Теория передачи информации по каналам связи.: тр. учеб. ин-тов связи.- Л.:- 1980.- с. 80-85.

33. Рясный Ю.В., Чемоданова О.Б., Чесноков Ю.Г. Установка для поверки коаксиальных нагрузок с нестандартным соединителем // Радиотехнические системы и устройства.: тр. учеб. ин-тов связи. -Л.:-1980.-с. 106-108.

34. Рясный Ю.В., Чемоданова О.Б. Анализ способов калибровки измерителей коэффициентов отражений //Радиотехнические измерения в диапазоне высоких частот и сверхвысоких частот: Докл. Всесоюз. науч.-техн.конф.-Новосибирск.-1980. - с. 245.

35. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Анализ приближенных алгоритмов измерения коэффициентов отражений //Техникасредств связи.:

' Сер. Радиоизмер. техника. -1982.- Вып. 7. - с. 32-37.

36.Рясный Ю.В, и др. Автоматизированный 12-полюсный рефлектометр // Техника средств связи.: Сер. Радиоизмер. техника. -1985.- Вып. 7,- с. 117-122.

37. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Анализ 12-полюсного измерителя комплексного коэффициента отражения // Современные методы анализа и синтеза систем и устройств связи.: Сб. научн. тр. учеб. ин-тов связи.- Л.: -1986,- с. 82-86.

38. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Многополюсные измерительные

преобразователи анализаторов цепей СВЧ // Измер. техн. -1987. -№3. -с. 41-43.

39. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Многополюсные измерители комплексных коэффициентов отражений // Метрология в радиоэлектронике.: 7 Всесоюз. науч.-техн. конф.-М.:-1988.-25-27 октября. - с. 63.

40. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод измерения комплексных коэффициентов отражения // Анализ и моделирование сигналов и систем связи.:Сб.науч.тр.учеб. завед. связи.-Л.:-1993.-№157.- с. 64-68.

41.Рясный Ю.В. Закон распределения погрешности измерения КСВН из-за нестабильности частоты генератора // Современные методы и аппаратура для измерения параметров радиоцепей.: Докл. Всесоюз. Симп,- Новосибирск. -1974.- с. 260-262.

42. Рясный Ю.В., Чемоданова О.Б. Установка для измерения КСВН в коаксиальном волноводе сечением 3.5/1.52 мм //Измер. техн.- 1981. - № 9. - с. 52-54.

43. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Реховский A.A. Математическая модель 12-полюсного измерителя комплексных коэффициентов отражений // Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии.: Докл. 3 Всесоюз. Симпоз. -Новосибирск,- 1982. - с. 98-100.

44. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Принципы построения 12-полюсных измерителей параметров материалов на СВЧ //Методы характеристик материалов на ВЧ и СВЧ.: Докл. 10 Всесоюз. науч.-техн. конф.- Новосибирск.-1983.-с. 111-112.

45. Рясный Ю.В., Хворостов Б.А. Метод измерения КСВН с исключением влияния детекторной характеристики // Проблемы разработки современных методов и аппаратуры для измерения параметров радиоцепей.: Докл. Всесоюз. науч.-техн. Совещания. -Новосибирск,- 1976,-с. 56-57.

46. Рясный Ю.В., Чемоданова О.Б. Исследования методов повышения точности измерения коэффициентов отражения в коаксиальных

линиях связи // Системы и средства передачи информации по каналам связи.: Сб. науч. тр.учеб.ин-тов связи.- Л.:- 1983,- с. 152-156.

47. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Метод исключения структурных параметров контактного устройства при измерении импедансов транзисторов // Техника средств связи. Сер. Радиоизмер. техн. -1989.- Вып. 2,- с. 55-60.

48. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Анализ методов измерения комплексных коэффициентов отражений на основе

зондовых измерительных преобразователей // Радиотехнические системы связи.: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи,- Л.:- 1989.-с. 95-102.

49. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод калибровки диодных детекторов 12-полюсногорефлектометра// Системы и средства передачи информации по каналам связи.: Сб. науч. тр. учеб. завед. связи,- Л.:- 1990.-Вып. 150.- с. 72-76.

50. Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Пологрудов В.П. Анализ модели 12-полюсного измерителя S-матрицы транзисторов // Методы теории

• идентификации в задачах измерительной техники и метрологии.: Докл. ФВсесоюз. Симпоз.- Новосибирск.- 1985.- с.131-132.

51. Рясный Ю.В. Сравнительный анализ погрешностей измерений собственного КСВ измерительных линий методом "подвижной" и

. "связанной" нагрузок //Метрология. -1978. -№10.- с. 48-53.

52. Рясный Ю.В. О методах поверки средств измерений параметров СВЧ радиоцепей // Исследование в области радиотехнических измерений.: Сб. науч. тр. ВНИИМ.- Л.: 1976.- Вып. 202 (264). -с. 10-15.

53. Рясный Ю.В. Анализ метода измерения волновых сопротивлений линий Т-волн в произвольном сечении // Оптические системы передачи, распределения и обработки информации.: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи. -Л.: 1990.-Вып. 151.-е. 190-196.

54. Рясный Ю.В., Савелькаев С.В. Особенности измерения входных и выходных импедансов полевого транзистора с барьером Шоттки.

// Современные методы радиоизмерений в диапазонах ВЧ и СВЧ: тез.докл. Региональной науч.-техн. конф. Секц. Радиоизмерение. Новосибирск.-1986.- с.4.

55. Рясный Ю.В., Пологрудов В.П. Математическая модель метода калибровки детекторов мощности 12-полюсного измерителя // Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии: Докл. 4 Всесоюз.симпоз.-Новосибирск.-1985.-е. 129-130.

56. Рясный Ю.В. Аппроксимация законов распределения погрешности ортогональными полиномами Чебышева, Лежандра и Эрмита //Проблемы разработки современных методов и аппаратуры для измерения параметров радиоцепей.: Докл. Всесоюз. науч.-техн. совещания,- Новосибирск. -1976.- с. 19-21.

57. Пальчун Ю.А., Рясный Ю.В. Параметрический синтез диодных преобразователей многополюсных измерителей параметров цепей СВЧ //Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-96): Тр. третьей международной науч.-техн. конф. - Новосибирск.-1996.-т.9.-с,33-35.

¿©. (Об

Сибирская государственная академия телекоммуникаций и информатики.

На правах рукописи

Рясный Юрий Васильевич

МНОГОПОЛЮСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ НАСВЧ

Специальности: 05.12.13-Системы и устройства радиотехники

и связи.

05.12.21-Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства.

Диссертации на соискание ученой степени

Новосибирск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МНОГОПОЛЮСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ НА СВЧ.

1.1. Тенденции развития техники измерений параметров радиоцепей и состояние метрологического обеспечения измерений параметров устройств радиотехники и связи......................................15

1.2. Объекты измерения и их свойства. Измеряемые параметры и характеристики.....................................................................................22

1.3. Измерители параметров устройств и трактов СВЧ с позиции общей теории систем........................................................29

1.4. Обобщенная математическая модель многополюсного измерителя комплексных параметров радиоцепей....................................31

1.5. Методы измерения параметров цепей СВЧ и принципы построения

многополюсных измерителей......................................................40

1.6 Выводы..................................................................................................46

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ И ТРАКТОВ СВЧ СИСТЕМ СВЯЗИ.

2.1. Погрешности измерения свойств объекта и погрешности средств измерения. Задачи оценки погрешностей...................................48

2.2. Оценивание свойств объектов измерения. Качество оценок. Показатели точности.............................................................................52

2.3. Модели законов распределения погрешностей. Оценка погрешностей средств измерений...................................................................57

2.4. Оценка суммарной погрешности.......................................................66

2.5. Выводы....................................................................................................70

ГЛАВА 3. 6-ПОЛЮСНЫЕ И 8-ПОЛЮСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ОКОНЕЧНЫХ И ПРОХОДНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ.

3.1. Математические модели измерителей. Общие принципы разделения гармонических сигналов............................................. 72

3.2. 6-полюсные и 8-полюсные измерители с функционально-определенной структурой. Повышение точности измерения. ...74

3.3. Методы точных измерений комплексных коэффициентов отражения. Оптимальные параметры устройств калибровки... 78

3.4. 6-полюсные и 8-полюсные измерители комплексных коэффициентов передачи. Анализ методов и погрешностей

измерения.............................................................................................81

3.5. Коммутационные 6-полюсные и 8-полюсные измерители

с функционально- неопределенной структурой...............................85

3.6. Структурный и параметрический синтез коммутационных измерительных преобразователей......................................................88

3.7. Методы калибровки коммутационных 6-полюсных и 8-полюс-ных измерителей параметров цепей СВЧ с неопределенной переменной структурой................................................................92

3.8. 8-полюсные двухсигнальные измерители. Методы измерения и калибровки..........................................................................................97

3.9. Выводы...................................................................................................98

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ 10-ПОЛЮСНЫХ И 12-ПОЛЮСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ СВЧ.

4.1. Анализ методов измерения комплексных коэффициентов отражений 10-полюсными и 12-полюсными измерителями.............100

4.2. Принципы проектирования 10-полюсных и 12-полюсных измерителей параметров цепей СВЧ ................................................108

4.3. Оптимизация параметров 12-полюсных измерительных преобразователей. Структурный синтез преобразователей........121

4.4. Структуры 10-полюсных и 12-полюсных измерительных преобразователей и измерителей.............................................127

4.5. Методы калибровки 10-полюсных и 12-полюсных измерителей комплексных коэффициентов отражения....................................134

4.6. Выводы................................................................................................143

ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ S-ПАРАМЕТРОВ СВЧ УСТРОЙСТВ 12- ПОЛЮСНЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЯМИ.

5.1. Математическая модель двойного 12-полюсного измерителя S-параметров в режиме измерения четырехполюсников и калибровки.......................................................................................146

5.2.Методы калибровки двойного 12-полюсного измерителя S-параметров четырехполюсников.................................................149

5.3. Методы калибровки и методы измерения S-параметров четырехполюсников двойными 12-полюсными измерителями, представленными двойными четырехполюсными измерителями......................................................................................153

5.4. Измерение S-параметров 2п-полюсников тройными 12-полюсными измерителями.................................................................157

5.5. Методы калибровки и методы измерения S-параметров 2п 12-по-люсным измерителем....................................................................164

5.6. Измерение S-параметров одним 12-полюсным измерителем

коэффициентов отражений..............................................................166

5.7. Измерение Б-матрицы активных 4-полюсников и импедансов транзисторов СВЧ.........................................................................168

5.8. Выводы...........................................................................................173

ГЛАВА 6. МНОГОПОЛЮСНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ ЦЕПЕЙ СВЧ

6.1. Автоматизация измерений параметров цепей СВЧ.....................175

6.2.8-полюсный автоматизированный измеритель комплексных коэффициентов отражения и передачи. Методы калибровки. Анализ погрешностей. Результаты экспериментальных исследований.......................................................................................176

6.3.12-полюсный автоматизированный измеритель комплексных коэффициентов отражения. Анализ погрешностей. Результаты эксперимента.................................................................183

6.4.12-полюсный измеритель импедансов транзисторов СВЧ.

Результаты эксперимента................................................................189

6.5. 12-полюсный измеритель диаграммы направленности антенн..................................................................................................194

6.6. Двойной 12-полюсный измеритель 8-параметров. Анализ

погрешностей..................................................................................201

6.7. Параметрический синтез диодных преобразователей СВЧ многополюсных измерителей........................................................205

6.8. Автоматическое оценивание погрешности измерения комплексных коэффициентов отражения...................................218

6.9. Выводы................................................................................................221

ГЛАВА 7. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ НА СВЧ.

7.1. Разработка Государственных специальных эталонов единицы волнового сопротивления.........................................................224

7.2. Синтез поверочной схемы средств измерений параметров цепей СВЧ..........................................................................................232

7.3. Выбор метода поверки.....................................................................236

7.4. Анализ методов поверки мер КСВ и средств измерений полных сопротивлений....................................................................239

7.5 Выводы................................................................................................242

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................244

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................247

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................ 265

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................................................................................270

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.............................................................................................272

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. Необходимость передачи неуклонно растущих информационных потоков остро поставила проблему повышения эффективности передачи информации по каналам связи, которая требует решения комплекса научно-технических задач, одна из которых связана с освоением техникой связи более высокого диапазона сверхвысоких частот и поиском способов повышения скорости передачи информации по каналам связи. Поскольку скорость передачи информации зависит от многих факторов: полосы пропускания канала связи, переходных шумов, порождаемых нелинейными искажениями активных устройств, неравномерностью частотной и нелинейностью фазовой характеристики СВЧ тракта и тракта УПЧ, переходных шумов, обусловленных запаздыванием сигнала и отражениями вследствие несогласованности сопротивлений, то эффективное использование диапазона сверхвысоких частот в направлении увеличения количества и качества передаваемой информации потребовало создания как средств контроля качества производства устройств радиотехники и связи, так и средств контроля и измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения в трактах СВЧ с высокой точностью для создания согласующих и корректирующих устройств. Поэтому для обеспечения эффективности передачи информации и повышения качества функционирования систем связи в ряд первоочередных выдвигаются задачи измерения амплитудных и фазовых характеристик устройств и параметров трактов с высокой точностью, так как существующие средства контроля и измерения не удовлетворяли выдвинутым практикой требованиям точности.

Анализ состояния и сложившихся тенденций развития техники измерений параметров и характеристик устройств радиотехники и связи, основанных на принципах создания первичных и вторичных измерительных преобразователей с параметрами, близкими к идеальным, либо на разработке алгоритмов исключения источников доминирующих погрешностей, показал, что, в силу возросших на более высоких частотах трудностей конструкторско-технологического характера, они стали не эффективны и нецелесообразны с технической и экономической точек зрения. Поэтому возникла необходимость поиска новых путей разработки прецизионных средств для оценки параметров устройств

радиотехники и связи. В работе предложена концепция разработки прецизионных средств контроля и измерения, основанная на использовании многополюсников и свойств цепей СВЧ. В связи с этим встала актуальная задача создания обобщенной теории многополюсных измерителей комплексных параметров радиотехнических устройств и средств контроля отражений в каналах связи, включающей в себя разработку методов и способов повышения точности, разработку принципов построения измерителей, разработку методов оценивания точности параметров устройств СВЧ и средств измерений.

Научно-техническая проблема диссертации формулируется как проблема разработки и исследования методов и средств для оценки параметров устройств и качества каналов и трактов телекоммуникационных систем. Необходимость её решения определяет актуальность диссертации. Решение этой проблемы было осуществлено созданием комплекса средств контроля, прецизионных измерительных установок и эталонов для предприятий Министерства связи и Госстандарта в результате выполнения ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в которых автор диссертационной работы принимал непосредственное участие.

Цель и задачи исследований. Цель настоящей диссертационной работы заключается в создании прецизионных средств измерений для обеспечения разработок высококачественных узлов, устройств и трактов СВЧ телекоммуникационных систем и в создании средств контроля и измерения отражений в линиях передачи систем связи, что предусматривает решение следующих задач:

-разработку обобщенной математической модели многополюсного измерителя параметров устройств радиотехники и связи;

-разработку методов оценивания погрешностей и повышения достоверности оценок параметров и характеристик устройств и трактов телекоммуникационных систем;

-разработку и исследование методов точных измерений параметров оконечных и проходных устройств;

-разработку основ теории проектирования многополюсных

анализаторов цепей СВЧ, включающей в себя принципы построения измерителей, параметрический и структурный синтез измерительных преобразователей;

-создание прецизионных средств контроля и измерения, Государственных эталонов единицы волнового сопротивления и поверочных схем для обеспечения качества разработок устройств радиотехники и связи.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался математический аппарат теории цепей, высшей алгебры, статистической радиотехники, сигнальных графов, теории вероятностей, математической статистики, а также методы вычислительной техники и математического моделирования. Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена моделированием на ЭВМ и экспериментальными исследованиями на макетах и промышленных образцах, аттестованных в органах Госстандарта. Научная новизна работы определяется развитием теории многополюсных измерителей параметров устройств радиотехники и связи в направлении создания системы обеспечения качества функционирования телекоммуникационных систем, имеющей важное народнохозяйственное значение. В частности:

-разработана теория многополюсных измерителей параметров цепей СВЧ, включающая в себя математическую модель, принципы построения, методы измерения и калибровки многополюсных измерителей;

-предложены и исследованы способы повышения точности методов и средств измерений на основе разработанных алгоритмов структурного и параметрического синтеза измерительных преобразователей и алгоритмов калибровок;

-предложена и разработана методика оценивания погрешностей измерений параметров устройств СВЧ, позволившая повысить точность и достоверность оценок параметров;

-разработаны и исследованы методы передачи единицы волнового сопротивления от Государственного специального эталона единицы волнового сопротивления к средствам измерений параметров устройств и трактов СВЧ.

Практическая ценность и значимость работы заключается в том, что результаты теоретических исследований легли в основу принципов технического проектирования автоматизированных измерителей параметров устройств радиотехники и связи и эталонных средств измерений параметров цепей СВЧ, что позволило:

-расширить диапазон частот средств контроля и измерения параметров устройств и трактов телекоммуникационных систем ;

-повысить точность измерений параметров цепей СВЧ: пределы допускаемых погрешностей измерения модуля и фазы коэффициента отражения находятся в пределах ± (0.005 + 0.01) и ± (1°-г- 3°) для эталонных средств измерений в диапазоне частот 0.01-И 8 ГГц ;

-создать и ввести в действие государственную систему метрологического обеспечения измерений параметров устройств радиотехники и связи на основе Государственных специальных эталонов и общесоюзных поверочных схем.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезны широкому кругу специалистов при разработке средств контроля и измерения параметров устройств и трактов СВЧ, а также в научно-исследовательских учреждениях, разрабатывающих и эксплуатирующих сверхвысокочастотные системы, устройства и элементы.

Реализация в промышленности результатов работы осуществлена в разработанных и внедренных:

- в НИИР (г.Москва) эталонных установок для измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи в коаксиальных трактах в диапазоне частот 2+12 ГГц ("Радий-3"), 12+ 18 ГГц ("Радий-4") и 17.44ч- 37.5 ГГц ("Ракета-3/1") и прецизионной установки для измерения импедансов транзисторов в диапазоне частот 3.2+6.6 ГГц ("Ракета");

-на предприятии "НЭВЗ" (г.Новосибирск) прецизионного 12-полюсного анализатора цепей СВЧ для измерения параметров преобразователя СВЧ ("Гол");

- в Сибирском НИИ метрологии двух Государственных специальных эталонов единицы волнового сопротивления, обеспечивающих уровень точности в стране в коаксиальных волноводах поперечного сечения 16/6,65 мм в диапазоне частот 0.3+7 ГГц и поперечного сечения 7/3.04 мм в диапазоне частот 1+12 ГГц;

- в Сибирском НИИ метрологии эталонных средств измерений, в частности, коаксиальных измерительных линий первого класса Р1-23 и Р1-26 (поперечное сечение 16/6.95 мм, диапазон частот 0.3+7 ГГц);

- в НИИР (г.Москва) и в Западно-Сибирском центре метрологии и стандартизации образцовой установки типа Р1-25М для измерения коэффициентов отражений и передачи в коаксиальных волноводах поперечного сечения 10/2.9 мм и 14.6/2.5 мм в диапазоне частот

-910 МГц -ь 1 ГГц, и образцовой установки типа Р1-34М для измерения коэффициентов отражений и передачи в коаксиальном волноводе поперечного сечения 3.5/1.52 мм в диапазоне частот 2+ 11 ГГц; - двух государственных стандартов на общесоюзные поверочные схемы для средств измерений полного сопротивления - ГОСТ 8.172-75 и ГОСТ 8.173-75;

-двух государственных стандартов: ГОСТ8.351-79.ГСИ. Линии измерительные. Методы и средства поверки. ГОСТ 8.365-79 ГСИ. Нагрузки коаксиальные. Методы и средства поверки.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный процесс в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики на лекционных, практических и лабораторных занятиях по курсам "Измерение на СВЧ" и "Твёрдотельные устройства СВЧ" Практическое использование основных результатов диссертаци�