автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и прецизионных средств измерения S-параметров активных СВЧ-цепей

уда 006:621317.744

На правах рукописи

Сявелькаев Сергей Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ПРЕЦИЗИОННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ^ПАРАМЕТРОВ АКТИВНЫХ СВЧ ЦЕПЕЙ

05.11.15 — «Метрология и метрологическое обеспечением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск • 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия».

Официальные оппоненты;

Научный консультант

- доктор технических наук, профессор, действительный член Метрологической академии РФ Петров Виктор Петрович.

- доктор технических наук, профессор Дяннлеввч Сергей Борисович;

- доктор технических наук, профессор Калмыков Анатолий Иванович;

- доктор технических наук, профессор Новицкий Станислав Поликарпова*!.

Ведущая организация - Федеральное унитарное предприятие «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследователь-скнй институт метрологии» (ФГУП СНИИМ).

Защита состоится «28» апреля 2006 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.0Í при Сибирской государственной геодезической академии (СГТА) по адресу: 630108, г. Новосибирск, 108, ул. Плахотного, д. 10, СГГА, ауд.403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан «15» марта 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Малинин В. В.

Лицензии ЛР №020461. Дет выдачи 04.03.97 г. Подпистщ к печ»та Í,02.06 г. Формат буиагн 60x84 1/16. Объем 2J леч.л. Уч. иэдл. 1,7.Э*№№14 Тираж 100 эм.

Отпечатано в К11Л СГГА. 630108. г. Новоснбцкк. Плахотного, 8

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Эффективность современных систем автоматизированного проектирования (САПР) усилительных и автогенераторных СВЧ-устройетв, которые повсеместно применяются в наземных и спутниковых системах телевидения и связи, системах радиолокации и радионавигации, определяется точностью и адекватностью измерения исходных для проектирования параметров активных компонентов этих устройств. Для точного и адекватного измерения 5-параметров активных компонентов необходимы методы и прецизионный средства, распространяющие действие Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ), неоценимый научный и практический вклад в создание которой внесли известные отечественные ученые Петров В,П., Гутина Э.М., Коспоченко К .К., Шейнин Э.М., Евграфов ВЛ., Хворостов Б.А., РясныЙ Ю.В., Пальчун Ю.А., Калмыков А.И. и др., на измерение ^-параметров активных СВЧ-цепей.

Решению проблемы точного измерения S-параметрое посвящены работы известных зарубежных ученых Bosisio R. G., Li S. Н., Mazumder S. R., Müller О. и др., в которых разработаны методы измерения S =Д,Г)-ггараметров активных компонентов, основанные на измерении их комплексных коэффициентов отражения (ККО) Г, В известных методах точность измерения S-параметров определяется точностью измерения ККО Г,

При измерении ККО Г классическими анализаторами СВЧ-цепей (АЦ> на основе 12-ти - полюсных измерительных датчиков (ИД), неоценимый научный и практический вклад в создание которых внесли известные во всем мире ученые Allred С., Berghoff G„ Bonte В., Engen G. F., Hoer С. H., Nemoto Т., Roe К. С., Stumper U„ Wait D. F., Woods D, и др., регистрируют три к = 1,2,3 значения мощности 1% стоячей волны с последующим определением измеренного ККО

Г\

Погрешность измерения ККО /"зависит как от динамического диапазона Д = 10 lgC-FJaax / ^nin ) стоячей волны с минимумом и максимумом , так

и от фазового сдвига в^,к = 2,3 ее регистрируемых мощностей Р^- Так, например, при амплитудном ограничении Amin £ Д 5 Дтах н фазовом условии 5 &Q погрешность измерения ККО Г не превышает заданного предела допуска, где A rain,max и &Q - предельно допустимые значения динамического

диапазона А и оптимальное значение фазового сдвига.

Недостатком известных АЦ является то, что они поддерживают их амплитудную адаптацию к измеряемому ККО Г в виде одностороннего амплитудного ограничения. Дтах , при котором погрешность измерения ККО Г с малым модулем IГ 03, превысив предел ее допуска, неограниченно возрастает. Кроме того, такие АЦ из-за узкополосностн их ИД не могут поддерживать их

фазовую адаптацию в виде фазового условия в широком частотном

диапазоне, что также увеличивает погрешность измерения ККО Г.

Для решения этой проблемы необходима разработка и исследование АЦ, альтернативных известным, работающих как в двухсигнальном, так и тамодин-иом режимах [17,18,21,34,37], которые могут измерять как ККО Г, так и комплексные коэффициенты передачи (ККП) Г активных компонентов. Кроме того, необходима разработка математических моделей таких АЦ, способов калибровки их детекторов и ИД, а также методов их амплитудной и фазовой адаптации [21,26, 34, 37] к измеряемым ККО/"и ККП Т в широком динамическом и частотном диапазонах их измерения в виде двухстороннего амплитудного ограничения Дтт < Д ^ Дща* и фазового условия ~ что повышает точность измерения этих параметров.

Проблема точного измерения 5-параметров активных компонентов усугубляется тем, что эти компоненты имеют разнообразные типы входных трактов и чаще всего полосковые, для которых нет стандартных мер. Это приводит К необходимости разработки контактных устройств (КУ) [2, 4,' 11, 14 - 16, 18, 20, 28, 29, 33, 35, 38], например, коаксиальных (ККУ), альтернативных полос-ковым (ПКУ), первые из которых обеспечивают подключение к АЦ как стандартных коаксиальных мер при калибровке АЦ, так и исследуемых полосковых компонентов при измерении их ^-параметров. Кроме того, необходима разработка способа калибровки ККУ [11, 20, 23, 35, 38] расчетными полосковыми калибраторами,'обеспечивающего перенос результатов калибровки АЦ стандартными коаксиальными мерами на измерение 5-параметроя полосковых компонентов.

Проблема адекватного измерения 5~параметрое связанна с тем, что 5 --8(0) — параметры активных компонентов зависят от режима работы этих компонентов, который определяется их Q - эксплуатационными характеристиками, например, такими как напряжения питания, частота усиления пли генерации, входная мощность и ККО нагрузок (нагрузочные ККО <Г) этих компонентов, задающие их режим усиления или генерации как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом. Множеству возможных значений {)-эксп-луатационных характеристик активного компонента соответствует множество значений его 5-параметров в режиме усиления или генерации. Это требует введения в рассмотрение понятия адекватного измерения ¿^параметров активных компонентов при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках. Эти характеристики должны быть выбраны при условии удовлетворения 2 ^-технических характеристик активного компонента как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом, например, таких как напряжение питания, входная и выходная мощности, рабочая частота или частота генерации, коэффициенты усиления по мощности и шуму и др., техническому заданию (ТЗ) бу^тз этого устройства.

Решение проблемы адекватного измерения ^-параметров активных компонентов требует разработки метода анализа нх устойчивости [22, 31, 36], определяющего границы областей устойчивых и неустойчивых нагрузочных ККО й на их комплексной плоскости, что существенно облегчает выбор этих компонентов для проектируемых усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также разработку, альтернативного известным, метода измерения Я = ДГ, Г, ¿)-параметров этих компонентов при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках [19, 25,27,31,36].

Для реализации этих методов в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, системы технологического контроля (СТК) полупроводниковых приборов или же автономно необходимо преобразование АЦ в имитатор-анализатор этих устройств (имитационный АЦ (ИАЦ)) [19, 25, 31, 36], измерительный преобразователь (ИП) которого содержит перестраиваемые согласующие трансформаторы (ПСТ), задающие нагрузочные ККО Л активного компонента этих устройств. Также необходима разработка способа калибровки ПСТ такого ИАЦ.

Точное н адекватное измерение ^-параметров активных компонентов проектируемых САПР и имитируемых И оптимизируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств при условии, когда (¿у^-технические характеристики этих устройств удовлетворяют их ТЗ (Уу^тз исключает необходимость многократной конструкторской коррекции опытного образца этих устройств при проведении цикла опытно-конструкторских работ (ОКР), что повышает экономическую эффективность производства этих устройств.

Таким образом, актуальность диссертационной работы очевидна, так как разработка ее темы как в научном, так и практическом аспектах обеспечивает повышение точности и адекватности измерения ¿-параметров активных СВЧ-цепей, что повышает эффективность САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и, следовательно, экономическую эффективность их производства.

Цель и задачи исследования

Целью диссертации является повышение точности и адекватности измерения ¿^-параметров активных СВЧ-цепей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные научно-технические задачи;.

- разработаны методы анализа устойчивости и измерения 5-параметров активных СВЧ-цепей при их заданных ¿^-эксплуатационных характеристиках и методика выбора этих характеристик;

- предложен принцип построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также прогрессивные технические решения по конструированию его ИП и ККУ;

- разработаны математические модели ИАЦ и способы калибровки его детекторов, ИД, ПСТ и ККУ;

- разработаны методики оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих;

- разработаны методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методика определения его метрологических характеристик;

- экспериментально исследованы разработанные рабочие образцы прецизионных ИАЦ в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-уст-ройств, СТК полупроводниковых приборов и автономно, включая режим работы ИАЦ при оценке готовности производства к серийному выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлено на основе современных теории радиотехнических измерений, теории радиотехнических систем и цепей, теории вероятностей и математической статистики, линейной алгебры, вычислительной математики и моделирования на ЭВМ.

Достоверность основных научно-технических результатов подтверждена 2-я отчетами по НИР [2, 4], а также 5-ю актами внедрения этих результатов на предприятиях НПО «Радио» (г. Москва), ОКБ «Салют» (г. Новосибирск) и ООО НПФ «Микран» (г. Томск),), НГТУ и СибГУТИ (г. Новосибирск).

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые разработан систематизированный подход к решению проблемы точного и адекватного измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей в виде:

• методов анализа устойчивости и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепсй при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках н методики выбора этих характеристик;

- принципа построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и прогрессивных технических решений по конструированию его ИП и ККУ;

- математических моделей ИАЦ и способов калибровки его ИД, ПСТ и

ККУ;

- методик оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих;

- методов амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методики определения его метрологических характеристик.

Практическая ценность н значимость работы

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы и прецизионные средства:

- повышают точность измерения ^-параметров пассивных СВЧ-цепей с малым модулем, что важно для поверочных схем ГСИ;

6

- распространяют действие ГСИ на тачное и адекватное измерение параметров активных СВЧ-цепеЙ, включая полосковые.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методы и прецизионные средства повышают эффективность САПР усилительных и авто генераторных СВЧ-устройств и СТК полупроводниковых приборов, тем самым повышая экономическую эффективность их производства.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие научные положения, обеспечивающие повышение точности и адекватности измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей.

1. Принцип построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также технические решения по конструированию его ИП и ККУ.

2. Математические модели ИАЦ и способы калибровки его ИД, ПСТ и ККУ.

3. Методика оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе вариации ее частных составляющих.

4. Методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методика определения его метрологических характеристик.

5. Методы анализа устойчивости и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей при нх заданных ^-эксплуатационных характеристиках, включая методику выбора этих характеристик.

Реализация в промышленности н внедрение

Основные результаты работы были получены при выполнении хоздоговорных НИР [2, 4] и внедрены на предприятиях НИИ «Радио» (г. Москва), ООО НПФ «Микран» (г. Томск), ОКБ «Салют» (г. Новосибирск), НГТУ (г. Новосибирск), СибГУТИ (г. Новосибирск) в виде:

- рабочего образца прецизионного АЦ для измерения входных, выходных и нагрузочных импедансов и малосигнальных .^-параметров активных компонентов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств (А. с. №1656419);

- рабочего образца прецизионного ИАЦ для анализа устойчивости и измерения большесигиальных .^-параметров активных компонентов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств (А. с. №1758595, №1830564); ■

- рабочего образца прецизионных ККУ для СТК полупроводниковых приборов (А. с. №1436152, №1478156, №1578667, №1584001, №1608762, №1682942, №1774286);

- программных продуктов САПР в виде библиотеки математических моделей активных и пассивных компонентов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и их самих в целом;

- опытных образцов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, разработанных САПР, в состав которой был введен ИАЦ, для телекоммуникационных систем связи и радиолокации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 11 -и научно-технических конгрессах, конференциях и семинарах всех уровней, включая и международные, что отражено в списке опубликованных работ автореферата [5, 3, 8,10,25 -31].

Публикации .

По теме диссертации опубликованы 34 научные работы [1, 2,4, 6, 7, 9, 11 - 38], из них 23 статьи |[1, б, 7, 12, 13, 19 - 21, 28 - 38], 10 из которых в центральной печати [б, 12, 19 —21, 34 - 38], получено 10 авторских свидетельств на изобретения [9,11,14 —18,22 - 24) и зарегистрировано 2 отчета по НИР [2 - 4].

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографии. Ее материал изложен на 189-и страницах и иллюстрирован 60-ю рисунками и 9-ю таблицами. Библиография включает 161-о наименование.

Содержание работы

Во в вед сннн обоснована актуальность темы диссертации, поставлена цель и сформулированы задачи исследований, определена научная новизна, практическая ценность и значимость полученных результатов, выделены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе анализируется состояние научно-технической проблема точного и адекватного измерения ¿¡-параметров активных СВЧ-цепей. При анализе проблемы вводится описание СВЧ-цепей в пространстве измеряемых ККО Г и ККП Г, а также нагрузочных ККО Л активной СВЧ-цепи. Устанавливается функциональная связь этих параметров с ее 5 = Д/", Т, параметрами. На основе введенного функционального описания показано, что для решения поставленной проблемы необходима разработка методов анализа устойчивости активных и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей при их заданных Ог эксплуатационных характеристиках, включая и методику выбора последних. Кроме того, показано, что для реализации этих методов необходима разработка принципа построения ИАЦ, его математических моделей и способов калибровки его детекторов, ИД, ПСТ и ККУ, а также методов амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ к измеряемым ^-параметрам в широком динамическом и частотном диапазонах их измерения.

Второй раздел посвящен математическому моделированию ИАЦ и разработке способов калибровки его детекторов, ИД , ПСТ, ЮСУ, ПКУ и зокдовых КУ (ЗКУ). Кроме того, в этом разделе осуществлен структурный синтез ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устроЙств и предложены прогрессивные технические решения по конструированию его ИП и ККУ.

Назначение а структурная схема ИАЦ. ИАЦ реализует методы анализа устойчивости активных компонентов имитируемых усилительных или автогенераторных СВЧ-устроЙств и точного измерения ¿-параметров этих компонентов при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках. Эти характеристики выбираются при условии удовлетворения ¿>угл -технических характеристик

имитируемого усилительного или автогенераторного СВЧ-устроЙства формату

¡2у АТЗ ТЗ, что обеспечивает адекватное измерение ¿-параметров.

Структурная схема ИАЦ показана на рисунке 1. Он содержит синтезатор 1, который в двухсигнальном режиме ИАЦ (переключатели П1 и П2 в положении 1) формирует независимые зондирующие в; и сдвигаемые по фазе опорные а^ сигналы, блок обработки и программного управления 2, ИП 3, детекторы 4, а также аттенюаторы-фазовращатели отражательного типа 5, которые в гомодинном режиме ИАЦ (переключатели П] и П2 в положении 2) формируют

сдвигаемые по фазе опорные сигналы а^ из зондирующих сигналов а,-.

Рисунок 1 - Структурная схема ИАЦ

Кроме того,'синтезатор I вырабатывает напряжения питания 13щ активного компонента 14, например, полевого транзистора с барьером Шоттки

(ПТБШ), имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства и измеряет Оу^ -технические характеристики

ЯуА - {(/0. 4/: &р, Р™ Кр,Кш и^ Р„;; - 1,2)у, (1)

о: Ж ^ ил Л;= им

этого СВЧ-устройства, например, такие как напряжения питания ивходная и выходная мощности „и,, рабочая частота /или частота генерации /0 и др., посредством измерителя напряжений 6, измерителя мощности 7 и частотомера 8, как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом.

Блок обработки и программного управления 2 осуществляет преобразование формата

= : (2)

управления ИАЦ в его внутренние команды управления .уу? и уз, задающие 0-эксплуатационные характеристики

Я={ит.Г 1 ,РХ1 1 (3)

активного компонента 14 имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства, где О'у А и б" - математически моделируемые

САПР @у ^ - технические характеристики (1) имитируемого ИАЦ усилительного или а кто генераторного СВЧ-устройства и Q - эксплуатационные характеристики (3) его активного компонента 14, например, такие как напряжения питания С/^-, частота усиления или генерации / 7 , входная мощность (<1:4 :

Ру •'и ¿-параметры, имеющие физический смысл ККО dj нагрузок этого

компонента (нагрузочные ККО), задающие его режим усиления или генерации как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом.

Кроме того, этот блок осуществляет преобразование измеренных Оу^д -технических характеристик имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства и . регистрируемых напряжений

Л2 Р^ в измеренные у - эксплуатационные характеристики и Г,

*

Т -параметры активного компонента этого устройства с последующим определением, г^, Я?-параметров устойчивости и /(Г*, Г, ¿?*)-паРаметРов этого компонента и формированием формата

Ху<А = А,в*,гГ,¿¡.¡г},и = 1,2;/ Ф (4)

измерения ИАЦ. 10

ИП 3 выполнен в виде самостоятельного функционального узла, который совместно с синтезатором I посредством команд управления у], у? и у3 осуществляет имитационное моделирование усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства математически моделируемого САПР, посредством задания <2-эксплуатационных характеристик (3) его активного компонента 14. Для реализации этой функций ИП 3 содержит ПСТ 12, задающие нагрузочные ККО dj

активного компонента 14 и фильтры 11 напряжений его питания. Кроме того, ИД 3 содержит ИД в виде направленных мостов (ИМ) 13, обеспечиваю* щих измерение ККО =0, Ф 0,Лу = 0 и ККП Ту |а, = 0,

a^*0 активного компонента 14 в двухснгнальном режиме (переключатели П1

и П2 в положении 1) и измерение его ККО Г2\а1 ^ 0, агФ 0 в гомодинном режиме (переключатели П1 и П2 в положении 2), посредством регистрации на* *

пряжений и^щ и 1]\ .

».

К измерительным входам л(- - НМ 13 подключены коаксиальные переходы (КЩ обеспечивающие подключение активного компонента 14 к измерительным входам I -1. ККУ.

Конструкция ККУ показана на рисунке 2. ККУ содержит основание 1, на котором установлены КП 2 с возможностью их перемещения вдоль центральной оси. Каждый из КП 2 снабжен контактной головкой 3, которая введена в его осевое отверстие с возможностью ее осевого перемещения и закрепления фиксаторами 4 в рабочем положении, как показано на рисунке 2. Между КП 2 установлен съемный пьедестал 5, на котором закреплен исследуемый полоско-вый компонент 14, подключение которого к КП 2 осуществляется подпружиненными цангами 7 контактных головок 3. Возможность замены контактных головок 3 и пьедестала 5 обеспечивает подключение к ККУ компонентов в виде различных пленарных структур. Так, например, на рисунке 2, а показано подключение ПТБШ 14, а на рисунке 2,6- отрезка полосковой линии (ПЛ) 9, в которую включен кристалл 10 безкорпусного транзистора. Подвижная резьбовая втулка 11 контактной головки 3 обеспечивает подключение к ККУ стандартных коаксиальных мер.

Рисунок 2 — Коаксиальное контактное устройство

Математическая модель ИАЦ. В двухсигнальном режиме комплексная амплитуда сигнала Ъщ на выходном плече /-го НМ 13 ИАЦ, структурная схема

которого показана на рисунке 1, может быть определена в виде

Я _ v Aim +Bimri _ «ч

ЬЩ~ £ <*imTr (5)

где aimTj = {aiJj*ai)i »я ™ 1, 2 - опорный а^и зондирующий а,- сигналы на

входных плечах »-го НМ; А ¡т, и С,- - его эквивалентные комплексные па________г

раметры; Г( - ККО исследуемой СВЧ-цепи в плоскости i — / ее подключения к измерительному плечу i-ro НМ.

Разложение (5) по индекс вектору Т) = позволяет получить уравнение физического преобразования ИД 13 ИАЦ в виде

^={|btt9li=£/itl+IPiill+2[/Jii|cos(^+i!tit)l, (6)

где 9=1,2,.., N ч k = 1,2, 3 - индексы состояний амплитуды | и фазы

опорного сигнала а?^, первый из которых определяет поддиапазон измерения ККО Г{, а второй - £-й дискретный сдвиг

Ък^* (?)

к

фазы опорного сигнала а?^ относительно фазы зондирующего сигнала ai ' ^¡к начальная фаза и фазовый сдвиг в-2 -2> характеризую-

щий при к = 2,3 приращение фазы tp^. опорного сигнала а^ относительно фазы <Pf зондирующего сигнала а(-; | рщ | и Щр - модуль и фаза эквивалентного ККО

р. = С. -il-i-ге. (8)

рщ ili+ci3rf Щ w

измеряемого ККО /*,-; Сд = (А^ / екР Сд и = ' '

приведенные комплексные параметры /-го НМ; ^ | и в^ - - <р\ - не-

известные начальное отношение амплитуд и начальный сдвиг фазы (р^ опор-

ного сигнала а?^ относительно фазы зондирующего сигнала щ, подлежащие исключению при калибровке ИАЦ; эг^ - относительная амплитуда

=1 ^[=1 щ/а? 1/2° (9)

на 9-м поддиапазоне; | а^ I а?^ | и сс-^ - отношение амплитуд зондирующего а^ и

опорного а^ сигналов и ослабление амплитуды \ ащ ( опорного сигнала а-^ на 9-м поддиапазоне, задающее посредством модуля | рщ [ эквивалентного ККО (8) динамический диапазон Л = 10^(Ртах /Р^ц)

(10)

стоячей волны с минимумом и максимумом /щи^ах > как показано на рисунке 3; Ещ - амплитудный коэффициент, зависящий от мощности Р? =1 а? |2 / 2

опорного сигнала

Из (6) было получено измерительное уравнение ИАЦ в виде

хп+аИсгх12 + еЧкгха = Р1кд'>^х>2>з> 00

где а1к1=2со%Ш'а1кЪ = -Зят^.

1т Г

гот] Д/-(,■ тттт | Д1

у__ /

' 1Ц. ^ ^Гттшш 1 д'г = -д

Лтах До Д[тип 0 дпип ¿о дгаах

Рисунок 3 - Графическое определение измеряемого ККО Г

Решение системы уравнений (И) относительно переменныхх^ для к= 1,

/—

2,3 регистрируемых напряжений U^ — 'J^ikj ПРИ 9 ^ const позво-

ляет определить модуль ) рщ | и фазу <р-р эквивалентного ККО рщ (8) как: I Piq <pip-arctg(xi3/хп),

По эквивалентному ККО р* (12) значения измеренных ККО и d =

Of j

можно определить из формулы

J ~ i2 iq

где Piq= PjyfРл4-И f>iu * нормированный эквивалентный ККО измеряемого ККО Гf и нормирующий эквивалентный ККО, измеренный при калибровке ИАЦ короткозамкнутой коаксиальной мерой с ККО Г^ = В^ = -t на q = 1 поддиапазоне; ж- - нормированная относительная амплитуда Щ

Шц-ЬцГк^ 10W' ; (14)

на 9-м поддиапазоне; аг^ и а-л - относительная амплитуда (9) и начальное ослабление амплитуды j а?^ | опорного сигнала а?^ на q — 1 поддиапазоне; G^ =

[0-Ся)/а-ад, Gi2=Ci2[(\-Ciz)l{\.-Ci2)] и С7-3=С.3 - нормированные комплексные параметры НМ, подлежащие определению при калибровке ИАЦ. В случае, когда в (14) ослабление aia амплитуды | а? | опорного сигнала

atrj неизвестно нормированную относительную амплитуду аз^ на q-м поддиапазоне, входящую в (13), можно определить из формулы

ае. :

Щ

lMGix+Gi2Wq

(15)

где Piqq- Piqqf Рца - нормирова1шое значение эквивалентного ККО Рщ^ измеряемого при калибровке ИАЦ коаксиальной мерой с ККО Г^ = на д-м

поддиапазоне.

Измеренный ККП T.j был определен в виде

h а

dj* О,a j

a -<*iaí2°

где b- = P\jqai 10 - комплексная амплитуда зондирующего сигнала aj

прошедшего через плоскость t - г входа активного компонента, выраженная через эквивалентный ККП рщ » b¡ / a¡g = b- /[a¡ 10 í<? ], измеряемый на g — м поддиапазоне при включении активного компонента в ККУ; aj~

p^afil - (/¡í/2)10 ^^ - зондирующий сигнал, выраженный через эквивалентный ККП рф = bfl[af 10"а"/2°] = aj/[af( 1 -</,</а)10~"п /2°], измеряемый

на q = 1 поддиапазоне при непосредственном соединении плоскостей i - í н j -j входов КП ККУ; bf =aj /(I —d^)." комплексная амплитуда зондирующего

сигнала aj прошедшего через плоскость i - i при непосредственном соединения плоскостей (-i' nj-j' входовКПККУ; Pijq= Pijqt Pij\ -нормированный

эквивалентный ККП; ж- - нормированная относительная амплитуда, которую

"Ч ■■ - \

можно определить из (9) и (14) при замене зондирующего сигнала а- на aj.

Выражения (11) - (14) и (16) представляют собой логическую часть математической модели ИАЦ в двухсигнальном режиме, позволяющую определить измеренные ККО Г\ = 0, dj\a¿ * 0,dj = 0 и ККП Ту \a¡ =0,ay

что для ККО Г( графически иллюстрируется рисунком 3. Они совместно с уравнением физического преобразования ИД ИАЦ (б) в виде физической и логической частей образуют математическую модель ИАЦ.

В гомодинном режиме (переключатели П1 и П2 в положении 2) ИАЦ измеряет ККО Г2\алФ 0, «2 * 0, что необходимо для разделения ¿-параметров. Математическая модель ИАЦ в гомодинном режиме и способ его калибровки также разработаны во втором разделе диссертации.

Калибровка ИАЦ. Для определения комплексных параметров G^, G¡i и (7/3, входящих в выражение (13), необходимо осуществить т = 1,2,.,4 измерений напряжений U¡kqm (6) на выходном плече НМ 13 ИАЦ при подключении к

плоскости £ — ¿'входа КП 2 стандартной подвижной короткозамкнутой меры, как показано на рисунке 4, для т = 1,2,.,4 различных фиксированных значений' фазы этой меры

<Рт=2@т±1Г> , . (17)

где 0 = 2x1 Л и 1т £ А/4 - фазовая постоянная и фазовая переменная шкалы этой меры, последняя из которых при т = 4 принимает значение Ц- 0, для которого 1У4 =-1; X -длинаволны.

1 '±„1

АлШ*

1С

- Рисунок 4 т Калибровка ИАЦ

Измерение напряжений ^ikqm и определение эквивалентного ККО Рщт

(8) необходимо осуществлять на q 1 поддиапазоне. При этом начальное ослабление ац относительной амплитуды ге^ (9) и фазовый сдвиг в^ ,3 должны

быть выбраны так, чтобы динамический диапазон Д{- (10) н фазовый сдвиг удовлетворяли амплитудному Aj £ Aq и фазовому ¿3 = условиям, что обеспечивает минимум минимума погрешности AWm = min min AWm я min min Д'л измерения ККО Wm, как показано на рисунке 3, и, следовательно, минимум минимума погрешности AG.j— min min Gу последующего определения эквивалентных комплексных параметров G-j (13) HM.

Так как для поддиапазона q = 1 нормированная амплитудная метрика = 1 (14), выражение (13) при Г} = Wm было преобразовано к виду

Grt+*im2Ci2+ß*m3Gtt = aim4>m=1>2,3, (18).

где aim2 = = -Pimwm^aim4 = Pi\m и Vilm =Л1т/Л,14 и Рй4 "

нормированный эквивалентный ККО измеряемого ККО fVm подвижной корот-козамкнутой меры в т = 1, 2, 3 состояниях ее фазы <рт (17) и нормирующий эквивалентный ККО измеряемого ККО №4 = -I этой меры при т = 4.

Решение системы уравнений (18) позволяет определить комплексные параметры G,i,G,*2 и G/з (13)НМ.

Для определения нормированной относительной амплитуды w^ (15) на

q-м поддиапазоне измерения необходимо осуществить измерение напряжений Ujfrqq (б) на выходном плече НМ 13 ИАЦ при подключении к плоскости j - i'

входа КП 2 меры с модулем ККО \ = {1; 0,8; 0,5; 0,33; 0,18}| с последую- \ щим определением эквивалентного ККО Рщд (8) измеряемого ККО Wq, При этом ослабление а-щ относительной амплитуды (9) на q-м поддиапазоне

иац

К

должно быть выбрано так, чтобы динамический диапазон Д(- (10) эквивалентного ККО Piqq измеряемого ККО Wq составлял &. Д0 при в-^ (*3 = 0О, что обеспечивает минимум минимума погрешности Д Wq = min min A Wq a min min

д'л- его измерения, как показано на рисунке 3.

Система уравнений (18) и выражение (15) представляют собой математическую модель калибровки ИАЦ, позволяющую определить комплексные параметры Gii, и G¡з (13) его HM и нормированные относительные амплитуды se^ на q= 1,2,.. ¿"/поддиапазонах измерения ККО r¡.

Калибровка ККУ. Возможность подключения к ККП 2 стандартных коаксиальных мер 1 позволяет осуществить калибровку ИАЦ относительно плоскостей i - i входов КП 2, как показано на рисунке 4.

Для переноса результатов калибровки ИАЦ стандартными коаксиальными мерами на измерение У-параметров полосковых компонентов необходима калибровка КП 2 расчетными пояосковыми калибраторами, например, отрезками ПЛ с волновым сопротивлением Z0, нагруженными на согласованные нагрузки ZH = Z0, или проходными полосковыми калибраторами в виде двух отрезков МПЛ с волновым сопротивлением Z0, имеющих различную длину /д-.

При калибровке измеряют ККО /Í0 согласованного или S^ -параметры проходных полосковых калибраторов в плоскостях i - í' их подключения к КП 2. По измеренным ККО /Í0 или S^ -параметрам ¡R -параметры рассеяния КП 2 можно определить как:

» ■ jßf . - Jfí¡. » ' jßi - jffl.

- = (1 + RniR22í = (1 + Rni)Zi lZ0 -1. i,j = 1,2, i

Калибровку ККУ при измерении ^-параметров компонентов в виде 4-х -полюсника предпочтительнее выполнять двумя проходными полосковыми калибраторами, а при измерении Л-параметров компонентов в виде 2-х - полюсника - согласованными. Причем, нормировка (19) -параметров может быть

осуществлена относительно произвольного волнового сопротивления Za согласованного и проходных полосковых калибраторов, выбранных для калибровки ККУ.

Выражения (19) представляют собой математическую модель калибровки

ККУ.

В общем случае ККУ с включенным в него исследуемым полосковым компонентом представляет собой каскадное соединение 4-х — полюсннков с 5 в Д Яц 5, Лз )-параметрами.

ККО Г и 5-параметры компонента можно определить из выражений:

^11 -№12(^111^22 + _лш)дя2]/дз>

^12---^211^212*^12/^5' (20)

^21 = -^121^122*^21 ^22 = [^221(^222^11 "А?) + (^22 ~&222) 1 ] ^Д5»

где

Д£ ДА1 = ^111^221 ~ ^121^211 >

дл2 = л112л222 -^122К212> (21)

Л^ = ЛП2(522ДД1 ~ Л221Д5) + №21^11 ~ ДЛ1)ДЯ2;

* Д Д Н 1

Г[ и оц, Бу - ККО и 5-параметры компонента в плоскостях.¡—1 его подключения к ККУ.

Выражения (20) обеспечивают перепое результатов калибровки ИАЦ стандартными коаксиальными мерами на измерение ККО /*,■ и 5-параметров полосковых компонентов. При измерении ККО и ^-параметров коаксиальных компонентов /*,■ 5.

Кроме того, во втором разделе разработан способ калибровки ККУ набором из двух согласованного расчетного полоскового калибратора и короткоза-мыкателя или нее одного короткозамыкателя для случая, когда исследуемый по-лосковый компонент подключается к ККУ через отрезок ПЛ.

В третьем разделе разработаны методики оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих, включая и методику определения метрологических характеристик ИАЦ исходя из ограничения его предельной суммарной погрешности измерения по ее предельному допуску. Кроме того, разработаны методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ к измеряемым ККО Г и ККП Г в широком динамическом и частотном диапазонах их измерения, обеспечивающие повышение точности измерения £ =ДГ, Т, ¿)-параметров активных компонентов имитируемых ИАЦ усилительных и авто генераторных СВЧ-устройств и возможность коррекции суммарной погрешности измерения в реальном масштабе времени на основе многократных измерений.

Оценка суммарной погрешности измерения ИАЦ. В качестве оценки <■

суммарной погрешности АГ = Г* —Г измеряемого ККО Г*на основе ряда Тейлора была принята оценка вида

Д£=*рсг, (22)

где Ар — нормированная квантиль

кр=Ьр/<т, (23)

зависящая от доверительной вероятностир этой оценки; с- среднее квадрати-ческое отклонение (СКО) измеряемого ККО Г

<т -Vffi+ffi . (24)

Составляющие СКО ан и егк (24) можно оценить по формулам:

=

Ж.

{SZij

f f j, * f df

crj, (25)

где сг^ и — СКО случайных инструментальных факторов Х[ я в виДе регистрируемых напряжений (/^ -^^кц, кцт ПРИ Детектировании мощностей Рщ (6) соответственно при измерении ККО Г и калибровке ИАЦ; Сj ~ случайные факторы калибровки ИАЦ в виде комплексных параметров = {<?(у} его НМ (18), обусловленные частными случайными инструментальными факторами ^ = {Лт,Вт,С,0%,ад,ищ} уравнения физического преобразования (б) при калибровке ИАЦ.

Коэффициенты влияния д(¡8%. и с^¡5С^ были определены на основе разложения логической части математической модели ИАЦ (11) — (14) в ряд Тейлора, а дfj|дxJ на основе аналогичного разложения математической модели

его калибровки (15) и (18).

В случае, когда законы распределения частных случайных инструментальных факторов известны СКО егц (25) можно оценить по формуле

где ¡^д^к - коэффициенты влияния, которые можно определить на основе разложения физической части математической модели ИАЦ (6) в ряд Тейлора;

и = - нормированная квантиль за-

конов распределения частных случайных инструментальных факторов ¿¡^ и их предельные отклонения с доверительной вероятностью р — 1, .

Оценку Арг (22) целесообразнее использовать при эксплуатации ИАЦ. Недостатком такой оценки является то, что ее составляющие <ти и <тк (25) не .......' ■ " " 1" '' 19

могут быть оценены по систематической погрешности (СП) h^ и hK. Неопределенность в оценке по СП йи и затрудняет определение метрологических характеристик ИАЦ, а также не позволяет достоверно определить при каких значениях динамического диапазона Д (10) коррекция суммарной погрешности Д

(22) в реальном масштабе времени на основе многократных измерений наиболее эффективна. Кроме того, эта оценка при ] /"[£0,3 на 15 — 20% завышена, что объясняется влиянием нелинейности математической модели (II) - (14) и (б) ИАЦ.

Для оценки суммарной погрешности АГ = Г* — Г измерения ККО Г по СП Ли и /¡к на основе вариации случайных инструментальных факторов 4k

и X; 1 была принята оценка вида * .

Д£ = Д*+Д£, (27)

где р = PiP2 - Pn - ее доверительная вероятность в виде произведения ,.pN доверительных вероятностей инструментальных погрешностей Д^ и Ах, ¡;

Д и л ¿к ~ составляющие:

д£ - ctf +hi, Д£ - стР (28)

первая из которых обусловлена частными случайными инструментальными факторами ¿¡^ и Х( При измерении ККО Г, а вторая — случайными факторами

Cj калибровки ИАЦ, обусловленными случайными инструментальными факторами и х\ при его калибровке.

Общее число N вариаций случайных инструментальных факторов д^- и Xi i определялось по формуле

N= aNu (29)

где N\ = 3Л - число вариаций случайных инструментальных факторов ¿¡^ относительно их номинальных значений по их симметричному допуску = {0;-|Д^ |;| Д^ (}; к = 1,2,..,« и и - порядковый номер случайного инструментального фактора и их общее количество, за исключением случайного инструментального фактора Xj / измерителя напряжений, вариация которого в

(29) учтена множителем а-*3.

В случае, когда в качестве инструментальных погрешностей и ДХ( {

принимаются их предельные отклонения оценка д£ (27) суммарной погрешности АГ ~ тая(,Г* — Г) измерения ККО ^является предельной Д^.

Дня оценки составляющих Д1н и-Д!к (28) по СКО и СП Л^ как

функций от Д = /(Л,«-) (8) - (11) при О 5 л ^ да осуществлялась вариация " Я

случайных инструментальных факторов ^, х^ J ~

и^^дщ } относительно их номинальных значений х^ I ~ {0,05 й £ 0,9; 0,8; 0,05 £ |С0150,5; 0 2 ч>\в,с <. 2щ б\ = 2л/3; 0 £ 520 дБ;

ОД мВ}', 0£ | £ 6 д|В}по их предельным отклонениям Д£д.,

= {,,АС,ДОценка СКО сг^ и СП к осуществлялась по формулам:

= шах (Г^-Г), ■ (30)

где измеренные ККО Г^ были определены посредством моделирования процедуры измерения (6), (11) - (14) известного измеряемого ККО Г с модулем О < 1Г[ 5 1. При моделировании этой процедуры случайным инструментальным факторам ¿¡^ присваивались номинальные значения = ^, тогда как при математическом моделировании процедуры калибровки ИАЦ (б), (15) и (18) для каждого g — 1,2,..// измерения ККО Г осуществлялась их вариация. И, наоборот, при определении измеренных ККО Г^ (30) случайные инструментальные факторы варьировались при математическом моделировании процедуры

измерения ККО Г, тогда как при математическом моделировании процедуры калибровки ИАЦ им присваивались номинальные значения, что обеспечило совмещение осей Д составляющих ст^, и ст^, трафики которых при предельном допуске Д£А н /, составляющем 1% для скалярных величин и 1% и 1° для

комплексных величин, и числе вариаций #=3*313 показаны на рисунке 5. Здесь же приведены графики модулей | Л^ | СП .

На рисунке 6, а приведена зависимость предельной суммарной погрешности Л/- измерения ККО Г как функции Д/* -/(#2,з) от дискретного фазового сдвига #2,3 (?) при Д = До = Ю дБ. Для = ^о = 2л73 ее значение минн-

малыюД1/- - пип Д1/-

На рнсунке б, б приведены зависимости предельной суммарной погрешности Д/- измерения ККО Г с модулем | Г |= {0,2;!} как функции Д/- =

fif{b„ +АЬя,икдУ) or отклонения f(J(b„ +Ab„,Ukq)) * О РЯД» fiK.U^) детекторов от квадратнчностн при Д = Д0 = 10 и -вц— 1п!Ъ.

IfilAii,' Kl

¥ 1

Рисунок 5 - Зависимость СКО и СП й^ предельной суммарной погрешности Д/' измерения ККО Лот динамического диапазона Л

iifi

0,1 *,о •

о,об *л

О S.0

Ч PI-'

/«W

ttti м и

а) б)

Рисунок б — Зависимость предельной суммарной погрешности Д/* от фазового сдвига <?2.ъ и от отклонения ряда /(ЬпМ/и/) детекторов от квадратичности (б)

Кроме того, была исследована зависимость предельной суммарной погрешности Д]г измерения ККО Г как функции Д1/* = ДД№|,Д1*2,..) от погрешности Д^.Д»^,.. аттестации коаксиальных мер. Для Др^ й 0,0241 (Г [ и А<рцг ¿1° предельная суммарная погрешность Агг измерения составила | Д'г 0,0721Г | и й 15°.

Для оценки предельной суммарной погрешности Д1^- измерения ККП Ту (16) также был использован вариационный метод. В качестве случайных факторов были приняты ККП руд, ККО <1( и ослабления Щд с допускаемыми номинальными значениями = {0,3 £ | руд | £ 0,7; 0 5 р^у й 2л; 0,13 й £ 0,9; 0 £ <рд £ 2«; 0 £»}. С учетом того, что Ару, М} 5 Дг, где

предельный допуск на погрешность Арг (22) измерения ККО Г, их предельный допуск и число вариаций при | Ду |= 0,051Г | и А<рр ="5° составили \АРуя\ = 0,04|рцц|, Д^ =3°, = 0,051^1, Л^. = 5° и Аащ =0,1 дБнМ = 3я З9. Оценка Д1^ осуществлялась по формуле

где Т^ и Ту - измеренные ККП Ту, рассчитанные по формуле (16) для каждой вариации случайных факторов и их номинальные значения при ^Н ~ ' Значение предельной суммарной погрешности Д'пу измерения ККП

Ту составило |Д1пу|й0,07[Г^| и Д^ ¿8°.

Кроме того, вариационным методом была оценена предельная суммарная погрешность Д*у измерения ^-параметров (42) (см. стр. 29) как отдельно, так и с учетом их переноса (20).

При оценке предельной суммарной погрешности Д^ измерения параметров (42) в качестве случайных факторов ¿¡^ были приняты ККО Г{,

Ч! п

Г2, Г2о, ¿1 и ККП Ту с допускаемыми номинальными значениями ££ = {0,13 £ |Г?| £ 1; О £ ф°п £ 2тг, 0,13 £]Г2°20| £ 1; 0 £ р£го £ 2л; 0,13 £ |<//|£0,9; 0 £

<Р% <■ 2щ 0,01 £|Г^|£ 0,2; 1 £ < 3; 0 £ £ 2тс}. Для АГ{, ДГ2, Аг'го,

» »

Д£ АГ их предельный допуск и число вариаций составили | АГ^, ДГ2, ДГ20, ДТу, = 0,05|Г?, Г», Г&, Д-^„Лг-з"-З16. Оценка Дд осуществлялась по формуле

(32)

где Б*? и 5,у - измеренные ^-параметры, рассчитанные по формулам (38) для каждой £-й вариации случайных факторов , и их номинальные значения при ~ * Значение предельной суммарной погрешности Д^ измерения 5-параметров составило |Д15| £ 0,1|5) и Др^ £10°.

При оценке предельной суммарной погрешности измерения 5-параметров (41) с учетом переноса (20) в качестве случайных факторов ^ бы-

лм приняты переносимые £-параметры и Rj -параметры переноса ККУ с допускаемыми номинальными значениями ¿Q — {0,1 £ |<St0,| £ 0,8; 0,01 £ |5|02| £ 0,2; 1 £ l&l * 3; 04 £ 1^1 ^ 0,9; 0 ä^i 1,12,21,22 * 2К 0 S £ 0,2; 0,8 5

| й|° >21 i £ 1; 0 £ <Рйп 12,21,22 ^ 2я}. Предельный допуск S -параметров, определенный из (32), а также Rj -параметров и число вариаций составили = 0,1|5|, Л<ps = 10°, |Дд| = 0,051Л|, Д<рЛ = 5°иЛГ-3" = 324. Значение предельной суммарной погрешности измерения З-нараметров с учетом переноса составило (Д1^ £0,12|£| и &tps £13°.

Амплитудная и фазовая адаптация ИАЦ и его метрологические характеристики. Динамический диапазон А ** 10/g^max/P^n) стоячей волны с минимумом и максимумом как функция от модуля | pq | эквивалент-

ного ККО pq (8), определяющийся выражением (10), лежит в пределах

0 £ Д £ ад при I А. I < 1 или IА,| > 1. (33)

ч ч

Согласно (8) и (10) при уменьшения ослабления Oiq амплитуды опорного сигнала динамический диапазон Д увеличивается от 0 до оо (возрастающая ветвь (+)), как показано на рисунке 7. При этом |й где

\ЬЩВ2Гах | и ¡=| Alüig (= ¡10 аЧП0 . амплитуды отраженного от ис-

следуемой СВЧ-цепи н опорного сигналов на выходном плече НМ 13 ИАЦ. Для ctg при котором | f> Н ! динамический диапазон ' Д = со. При дальнейшем уменьшении ctq динамический диапазон Д уменьшается от оо до 0 (убывающая ветвь (-)). При этом | Ъ |<|я£ |. -

от модуля | р„ | эквивалентного ККО р

В общем случае амплитудная адаптация ИАЦ предполагает выбор ослабления a.q (9) амплитуды | a^q | опорного сигнала а^, задающего модуль \ эквивалентного ККО р^ (8) измеряемого ККО .Г так, чтобы при его измерении

динамический диапазон Д (10) удовлетворял одностороннему (адаптация сверху)

0i Дi Дли*при \рд\<\ (34)

или двухстороннему (безусловная адаптация)

Дщт^ Д^ ДщаяПрИ| < 1 ИЛИ> 1 (35)

амплитудным ограничениям по его предельно допустимым минимальному и максимальному значениям Дпип.тах • Д"* которых предельная погрешность Д'г

(26) измерения ККО V"достигает предела ее допуска Д1^ = Д^, как показано на рисунке 3.

Ослабление Од (9) на q-м поддиапазоне должно быть выбрано так, чтобы для ККО fVqm меры с модулем \Wq^(\ P^q \ +1 Г^д ¡)/2 динамический диапазон Д (10) имел значение

Д г Д0 = (Д^ь + при |pq | < 1 или |pq \ > 1, (36)

для которого предельная погрешность Aj- измерения ККО Г минимальна Д/^ = min Д/-, если 62,i как показано на рисунке 3, где ! q t" гра-

ничные значения, разбивающие модуль 0 < |Г| £ 1 измеряемого ККО Г на N поддиапазонов q » 1, 2,.., N измерения I Гт\п q И Г Г„„ q I. для которых

Д = Ддщупах»как показано на рисунках 5 и 7.'

Граничные значения l^mjng.max^ I могут быть определены из (8) и (10) при Д = Дпш^тах и Ci,C2,Cj,\ai\tag =const.

Количество N поддиапазонов q выбирается так, чтобы их граничные значения l/'min^jmax? I на любом из q = 1, 2,.., N поддиапазонов при любых состояниях фазы ^ опорного сигнала aj^ не разрывались.

При удовлетворении динамического диапазона Д (10) одностороннему (34) или двухстороннему (35) амплитудным ограничениям предельная погрешность ¿ip (26) измерения ККО Г с модулем 0,3 5 |f) £ 1 (для одностороннего ограничения) и 0 <|/1 < 1 (для двухстороннего ограничения) не превышает предела ее допуска А£ Ар, как показано на рисунке 3.

Режим безусловной адаптация (35) предпочтительнее выбирать на убывающей (-) ветви динамического диапазона Д (10), показанной на рисунке 7, при малом ослаблении ад (9).

Фазовый сдвиг вгл С)ва всех частотах измерения должен удовлетворять фазовому условию

^2,3 = во > (37)

где - оптимальное значение фазового сдвига в2,г> Дм которого предельная

суммарная погрешность Д/* измерения имеет минимум минимума дУ = min

min ¿У, если Д = Д0 (36), как показано на рисунках 3 и 6 ,а.

Таким образом, выбор ослабления ад (9) и фазового сдвига при которых удовлетворяется амплитудное ограничение (35) и фазовое условие (36), обеспечивает безусловную адаптацию ИАЦ к измеряемому ККО Г в широком динамическом и частотном диапазонах его измерения. Преимуществом безусловной адаптации ИАЦ в сравнении с его адаптацией сверху (34) является то, что она обеспечивает повышение точности измерения ККО Г с малым модулем 1П <0,3. :

В качестве метрологических характеристик ИАЦ были выбраны минимально и максимально допустимые значения ¿min, max динамического диапазона Д, оптимальное значение &0 фазового сдвига и количество N поддиапазонов q.

Значения Дпип = б дБ и Дщах = 14 дБ были определенны исходя из ограничения ¿}г -йАр предельной суммарной погрешности Д1^ измерения ККО Г,

графики которой показаны на рисунке 5, по ее предельному допуску 1 Дг |= 0,05|Г| и =5° в виде условия max ABS| = Д0)| +

max ABS | ст^Д mininax ) |+max ABS j Aj (Д = Д о ) [ + max ABS | Aj (A min^w ) й ДГ I

и maxABS| Д^(Д = Д0)| + maxABS|A^(Amin,max)! + max ABS| Д<^к(Д =

Д0)] + maxABSI Д(^н(Дтт, max

Оптимальное значение = 2ж/3 фазового сдвига &2,з было определено на основе анализа обусловленности системы измерительных уравнений (11). Минимальное значение коэффициента обусловленности системы при в1Ъ = = / 3 составило Xmjn = 3,6.

По известным значениям Дтш.тах из (8) и (10) при Q.Cj.Cj.Iöi \>aq -■ ^const были определены граничные значения модуля | | = {[1; 0,8],

[0,8; 0,6], [0,6; 0,4], [0,4; 0,25], [0,25; 0,13]} измеряемого ККО Гна каждом из N = 5 поддиапазонов q = 1,2,..^его измерения. 26

Для выбора ослабления сед перестраиваемого аттенюатора на <?-м поддиапазоне измерения использовались меры с модулем ККО 11Р \ = {1; 0,7; 0,5;

0,33; 0,18). Выбор осуществлялся при условии Д = Д0 (36). Если шкала перестраиваемого аттенюатора известна, то ослабление сед (14) может быть задано по его шкале.

Для того, чтобы и для граничных значений модуля | Лщ^ |<0,13 измеряемого ККО Г также обеспечивался режим безусловной адаптации (35) необходимо увеличение количества N поддиапазонов д, посредством калибровки ИАЦ мерами с модулем ККО < 0,18. Такая задача для активных СВЧ-

цепей у которых |5ц( и |5»|» 0,13 не является актуальной.

Коррекция погрешности измерения. Для б й Д £ 14 дБ модули СП и ы 0, как показано на рисунке 5. Следовательно, для безусловной адаптации (31) двухеигнального ИАЦ коррекция Д^.=АРр/4п суммарной погрешности

А?г (22) измерения ККО Г по среднему Г = — обладает высокой степе-1 п

нью достоверности, поскольку является несмещенной оценкой. Результат коррекции можно незначительно улучшить посредством усреднения напряжений

— 1 п г

икд,кдт = ^^икдгкдт'

В четвертом разделе разработаны методы анализа устойчивости и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепеЙ. Кроме того, рассмотрена работа ИАЦ в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, СТК полупроводниковых приборов и автономно, включая режим оценки готовности производства к серийному выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

Метод анализа устойчивости. Предварительным этапом измерения параметров активного компонента является анализ его устойчивости. Сущность такого анализа сводится к изменению трех т = 1, 2, 3 значений нагрузочных

ККО с/у". этого компонента в режиме регенерации, который является промежуточным режимом между его режимами усиления и генерации. Измеренные нагрузочные ККО позволяют определить границы Оу, разделяющие комплексные плоскости входного] = 1 и выходного} = 2 нагрузочных ККО йу этого компонента на устойчивые (незаштрихованные) и неустойчивые (заштрихованные) области,-как показано на рисунке 8; г^ф^ и ^ • координаты центра и

радиусы границ О,- этих областей (параметры устойчивости).

Рисунок 8 - Области неустойчивых нагрузочных ККО (Iу

При необходимости может быть определен максимально достижимый диапазон

~Ф (33)

.. ' /^А'. ' ' '

перестройки частоты / ■> генерации активного компонента по его входу и

выходу, где /у2 и /у3 - траничные частоты генерации, как показано на рисунке

8. ^ .

Метод измерения 8-параметров, Сигнальный граф нагруженного активного компонента показал на рисунке 9, где ¿/¡, а/ и Ь^, А,- - падающие и отраженные волны в линиях передач и в плоскостях I - входов этого компонента; Г1 Ф = 0, Г1\а1-£0,а2*(> и Ту [а,- = 0,а^ * 0 — односигнальные и-

двухсигнальные ККО и ККП в этих же плоскостях('. .

г' Ла. г' ■"...■.

о Т1 ^ V (Г* ъг

Рисунок 9 - Сигнальный граф нагруженного активного компонента

Сигнальный граф, показанный на рисунке 9, устанавливает связь измеряемых ККО Г(, г\ и ККП Ту активного компонента с его ¿-параметрами уравнениями:

Зу = Ту, =¿22 + • где - относительная комплексная амплитуда

О; ^О-Г^/О(40)

зондирующих сигналов а\ и а2, прошедших К плоскости 2—2' входа активного компонента, и отношение этих сигналов

= = - (41)

где Г201 йг, * 0, а2 & 0 - двухснгналышй ККО, измеряемый в плоскости 2-2*

при ее непосредственном соединении с плоскостью 1 — 1, Решение уравнений (39) имеет вид:

5 г ^ =<1-л*,Х1-/у*а)ги (42)

11" 1 ^о-г^ГлСЛ - 12 т-о-г^^ад

21 ^-а-лздАЧ ' 22" о.-а-г^ад

Согласно (42) предлагаемый метод измерения ^-параметров активного компонента сводится к измерению его ККО ГГ2, ККП Ту и нагрузочных ККО й].

В таблице 1 приведен тест зондирующих и о,- опорных сигналов при измерении ККО Г(,Г2и ККП Ту активного компонента в его режиме усиления и генерации.

Таблица 1_

Сигнал Режим усиления

Г3 п * Г2 Т13 Т}!

■ Непрерывный Модулированный ®1* а2, аи а2 <*1 „ „0 а2, ах «1-Й2

Режим генерации

г, А Тп Тз!

Модулированный «1. а? «а аи-а2 „ „0 а2. а\ „ „0 а 1, а2

Режим усиления активного компонента задается входным непрерывным зондирующим сигналом «(.'При этом измерение ККО Г2 и ККП ТХ1 этого компонента осуществляется методом выделения амплитудно-моАудированных зондирующих и опорных сигналов аг, а\ и а2, а!*, что обеспечивает их селекцию от его входного непрерывного зондирующего сигналов . В режиме генерации измерение ККО Г( и ККП Ту осуществляется методом выделения ам-

плитудно-модулированных зондирующих и опорных сигналов а,- и а®, что обеспечивает их селекцию от его собственного выходного сигнала Ь\. Лмнли-

туда |д21 зондирующего сигнала а2 в режиме усиления и амплитуды |а(| и \а2\. зондирующих сигналов а, и д2 в режиме генерации выбираются из условия их минимального влияния на эти режимы.

Измеренные ККО Г*, ККП Ту и нагрузочных ККО активного компонента (13), (16) и определенные из (42) его -параметры, включая и ,Я*-

параметры устойчивости, передаются в САПР (4) для проектирования усилительного или авто генераторного СВЧ-устройства.

Методика выбора О-эксплуатациопных характеристик. Для адекватного измерения ^-параметров (42) активного компонента имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств выбор его Q-экcтmyaш-ционных характеристик (3) осуществлялся при условии, когда измеренные А- технические характеристики (1) этих устройств наиболее точно удовлетворяли формату Яуди

не превышая заданного в этом формате предельного допуска Дбу^тз =

Атз ' &У,Атз> где ¿2у А - погрешность имитационного моделирования усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства

' (44)

в У, Атз " номинальные значения технических характеристик имитируемого усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства, заданные в формате -

Яу,А73 ТЗ

Если имитационное моделирование этого устройства по его погрешности Д£?у ^ (44) не удовлетворяло критерию качества (43), то САПР осуществляла

оптимизацию формата Гу*^ » Уу*А ор1 (2) управления ИАЦ. Это позволило свести погрешность Д0у ^ (44) имитационного моделирования к минимуму

№УгАФу\Аор1)\=>шп*\&ЯУ,А13\. (45)

При удовлетворении имитационного моделирования усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства критерию качества (43) ИАЦ формировал формат его измерения ЛГ* . (4), на основе которого САПР определяла конст-

руктивно-топологические (7 "^-параметры и диапазон &С*у А их технологических подстроек

°У.Л' ЛС"л =Ма®У,АП>Х*У,А' <46>

этих имитируемых СВЧ-устройств для их последующего воспроизводства, где

А - предельное отклонение формата измерения Ху ^ ИАД для партии однотипных активных компонентов имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства; М^ - стандартная математическая модель расчета конструктивно-топологических -параметров, принадлежащая библиотеке ЛГ0 € {Л/,; I = 1,2,..,л} САПР [11,13-17,21].

Возможность точного н адекватного измерения ^-параметров активного компонента имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также определения диапазона ДО"^ их технологических подстроек позволили исключить необходимость многократной конструкторской коррекции опытных образцов этих устройств, что сократило цикл ОКР, тем самым, повышая экономическую эффективность производства этих устройств.

В пятом разделе рассмотрена техническая реализация АЦ, ИАЦ, ИП, ИД и ККУ. Дан сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов АЦ и ИАЦ по точности измерения ККО Г коаксиальных мер и по точности и адекватности измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей.

Техническая реализация. На рисунке 10 показан АЦ с ИП на основе 4-х • зондовых коаксиальных ИД сечения 3,5/1,5 мм, снабженных ККУ, для измерения малосигнальных ^-параметров активных компонентов- В ИАЦ может быть использован ИП, показанный на рисунке 11 с ИД на основе коаксиальных НМ сечения 7/3 мм, снабженных ККУ и ПСТ. Введение такого ИП в АЦ преобразует АЦ в ИАЦ для измерения большесигнальных ¿"-параметров активных компонентов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств в диапазоне частот 4 - 12 ГГц. ______

Рисунок 10 — АЦ с ИП на основе 4-х — зондовых ИД

Рисунок 11 — ЮТ с ИД на основе коаксиальных НМ, снабженных ПСТ и ККУ

На рисунке 12 показано ККУ и комплект сменных пьедесталов для под- . ключения к ИАЦ различных исследуемых СВЧ-комаонентов и полосковых структур. ККУ имеет диапазон рабочих частот 0,1 -12 ГГц, собственный КСВ й 1,15 и потери 5 5 0,5 дБ. Погрешность измерения ¿"-параметров полосковых компонентов, вносимая неповторяемостью их подключения к ККУ, составляет

Рисунок 12-ККУ

Кроме того, в разделе приведены конструкции и технические характеристики усилительных и автогенераторных СВЧ-устроЙств, которые были разработаны САПР, в состав которой был введен ИАЦ.

Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов. Согласно теоретическим результатам третьего раздела в режиме безусловной адаптации АШщ £ А Д^ц (35) ИАЦ при его метрологических характеристиках Д^цд = б дБ, Дшах =14 дБ, 0О = 2ге/3 и N - 5 и инструментальном допуске = 1% для скалярных и Д^ = 1% и 1° для комплексных величин, предельная погрешность Д/- измерения ККО Г с модулем 0,13 £ |/1 < 1 должна составлять 5 Д!г [<| Дг Н 0,051Г | и Д<р}- А<рг = 5° без ее коррекции и | Д'г [£ 0,031Г \ и Арр ¿2° с ее коррекцией при кратности измерениям а 10.

Для подтверждения достоверности теоретических результатов был использован ИАЦ, структурная ЗДема которого показана на рисунке 1. Его коаксиальные синтезатор 2 и ИД 3 на основе 20-ти <М> НМ 13 сечения 7/3 мм, снабженный ПСГ 12 и ККУ, показаны на рисунках 10-12 соответственно.

В качестве мер волнового сопротивления были использованы стандартные коаксиальные нагрузки (согласованная, промежуточные, короткозамыка-тель и скользящая короткозамкнутая), аттестованные в диапазоне часто 4-12

ГГц ФГУП СНИИМ с погрешностью | Дг (£ 0,0241Г | и Д<рг £ 1°.

Без адаптации ИАЦ 0 £ Д £ <х> (33) и вь=2!Ък (37) предельная погрешность Дхр измерения ККО Г показана на рисунке 13, а и б графиками I, для его адаптация сверху 0 < Д <, 14 дБ (34) на q = 1 фиксированном поддиапазоне измерения ККО Г - графиками II и для его безусловной адаптации б £ Д £ 14 дБ (35) на ^ = 1,2,..,5 поддиапазонах измерения ККО Г - графиками III.

411 I» Ы V U а) ftH 1Л щ V М

Рисунок 13 — Модуль | Д1/- j (а) и фаза Дфлг (б) предельной погрешности измерения ККО Р. I - без адаптации ИАЦ, II - при его адаптации сверху и Ш - при его безусловной адаптации

Согласно графикам I, II и III, показанным на рисунке 13, а и б, предельную погрешность Д1^ измерения ККО Г с модулем 0,13 £ ]Г| < 1 можно представить в виде таблицы 2:

_Таблица 2 _■ ____

Вид адаптации Модуль измеряемого ККО Г Погрешность

Модуль | Д1г | Фаза

I. Без адаптации 0,75 £ (Л й 1 ¿о,13[Л S3,5

0£Д£«> 0,29 й\Г\< 0,75 £ 0,07 |Г) 5 6,3

0,13 £|Г|< 0,29 5 0.1751Л ä 8,5

II. Адаптация 0,75 £ 1Л < 1 й 0,071Г| £4,2

сверху 0,29 <.\Г[< 0,75 ¿0,1531Л ¿7,3

OSAS 14. дЯ 0,13 ¿ИЛ <0,29 £0,21Л £9

III. Безусловная 0,75 Äinsl <0,07|Г| £4

адаптация 0,29 £ (Л <0,75 ä 0,07|Г| £4

6 <; Д £ 14 дБ 0,13 0,29 £ 0.071Л £4

В соответствии с таблицей 2 предельная погрешность Д1^ измерения ККО Г нагрузок с модулем 0,13 й 1Г] 5 1 без адаптации ИАЦ составляет |ДУ [й(0,07-0,13)|/"| и ¿3,5—8,5°, для его адаптации сверху -

|£(0,07-ОД)и Д<р}- <, 4,2—9° и для его безусловной адаптации -|Д'Г £0,07|Г| и А<р1г <:4°,

Разница теоретических и экспериментальных результатов по предельной погрешности Л/-измерения ККО/'для безусловной адаптации ИАЦ составила

| Ар |= 0,021Г | и Д<рр —1°, что характеризует высокую точность математического моделирования ИАЦ.

Адаптация ИАЦ сверху уменьшает предельную погрешность ДУ измерения ККО Г" в 1,85 раза по ее модулю [Л^-1 при 0,75 й (Л £ Ь

Безусловная адаптация ИАЦ уменьшает предельную погрешность измерения ККО Г в 1,85 раза по ее модулю [ [ при 0,75 £ й 1 и в 2,5 раза по ее модулю | Д/-1 и в 2,12 раза по ее фазе А<р1р при 0,13 Й|Г| <0Д9.

Таким образом, разработанные методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ в виде амплитудного ограничения Д^,, й Д 2 Дщах (безусловная адаптация (35)) и фазового условия ¿?2,з = ^о (37) приД,^ - 6 дБ, Дтах =14 дБ, = 2я/3 и^=5 обеспечивают повышение точности измерения ККО Г при в 1,85 раза по его модулю I/11 при 0,75 й £ 1 и в 2,5 раза по его модулю | Г | и в 2,12 раза

по его фазе <рг при 0,13 5 |Д< 0,29.

'Усреднение Г измеряемого ККО Г обеспечивает дополнительное повышение точности измерения примерно в 1,4 - 1,7 раза.

Экспериментально было установлено, что полученные результаты по точности измерения ККО 13) справедливы и для ККП Т (16).

Повышение точности измерения ККО Г, Л и ККП Г эквивалентно повышению точности измерения 5 =ЛГ, Т, ^-параметров (42).

Для подтверждения достоверности повышения точности измерения ¿-параметров полосковых активных компонентов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств посредством переноса (20) результатов калибровки ИАЦ стандартными коаксиальными мерами (как показано на рисунке 4) на измерение ¿-параметров этих компонентов были использованы расчетные полосковые меры ослабления. Предельная погрешность Д^ измерения ¿-параметров этих мер посредством ИАЦ, снабженного ЮСУ, в диапазоне частот 4-12 ГГц составила'[¿¿5 {¿0,115| и Д^ й 15°, тогда как при их измерении посредством АД с 4-х - зондовыми ИД, снабженным ПКУ, например двух-сигнальным методом, она составляла | ЛУ11^0,19 | и Ар^П0.

Разница теоретических и экспериментальных результатов по предельной погрешности д'^ измерения ^-параметров составила | Ар |= 0,02 ] Г | и А<рр = 2°.

Таким образом, разработанный метод измерения ^-параметров активных компонентов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств повышает точность измерения этих параметров примерно в 1,5 - 2 раза.

Кроме того, достоверность повышения точности и адекватности измерения ^-параметров активных компонентов подтверждена испытанием опытных образцов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств

при допустимой технологической подстройке ДС?у ^ их конструктивно-топологических <3у ^-параметров (45) на предмет удовлетворения измеренных ()у ^ -технических характеристик этих образцов ТЗ Qy ^^

1Д0у,А\*\0у.Л^ (47)

гдеД <2у}А-Яу,Аоо-<2Ь,Лр-

Удовлетворение опытных образцов проектируемых САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств критерию (47) исключает необходимость их многократной конструкторской коррекции и (по данным НИИ «Радио») сокращает цикл ОКР этих устройств в 2 — 3 раза, что обеспечивает повышение экономической эффективности производства этих устройств.

Основные результаты исследований.

Основные научно-технические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Разработаны методы анализа устойчивости и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей при их заданных (^-эксплуатационных характеристиках и методика выбора этих характеристик.

2.'Предложен принцип построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также прогрессивные технические решения по конструированию его ИП и ККУ.

3. Разработаны математические модели ИАЦ и способы калибровки его детекторов, ИД, ПСТ, ККУ, ПКУ и ЗКУ.

4. Разработаны методики оценки суммарной погрешность измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих.

5. Разработаны методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методика определения его метрологических характеристик, первые из которых обеспечивают повышение точности измерения ^-параметров активных компо-

центов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-у стройств в 1,5 — 2 раза, что одновременно с повышением адекватности их измерения сокращает цикл ОКР этих устройств в 2 — 3 раза.

6. Экспериментально исследованы разработанные рабочие образцы прецизионных ИАЦ* в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, СТК полупроводниковых приборов и автономно, включая режим ИАЦ при оценке готовности производства к серийному выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств с внедрением ИАЦ и отдельно рабочих образцов прецизионных ККУ в промышленности.

Таким образом, диссертация является самостоятельной завершенной научно-исследовательской квалификационной работой в области высокоточных радиотехнических измерений. В ней содержится теоретически обоснованное и экспериментально подтвержденное решение важной научно-технической проблемы повышения точности и адекватности измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей, что повышает экономическую эффективность производства усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, способствуя прогрессивному развитию радиотехнической отрасли.

~ ' г 't

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Плавский, Л.Г. Анализ транзисторного генератора СВЧ на диэлектрическом резонаторе [Текст]/Л.Г. Плавский, C.B. Савелькаев\\Широкопо-лосные усилительные и генераторные устройства ВЧ и СВЧ. - Новосибирск: НЭТИ, 1985. - С.145 - 149.

2. Разработка измерителя и мпедансов активных устройств СВЧ-диапазона [Текст]: отчет о НИР/НЭИС; исполн. В.П. Петров, C.B. Савелькаев - Новосибирск, 1985. - С.109. - № ГР 01830008020. - Инв. №02840017013.

3. Пологрудов, ВЛ, Двенадцатиполюсный измеритель входных и выходных импедансов транзисторов СВЧ [Текст]/В.П. Пологрудов, C.B. Савелькаев, Е.Б. Хлоповский//Тез. докл. регионал. научно-техн. конф. — Новосибирск, 1986.-С.12.

4. Разработка автоматизированной установки для измерения параметров СВЧ-транзисторов в диапазоне 12 - 18 ГГц [Текст]: отчет о НИР/НЭИС; исполн. В.П. Петров, C.B. Савелькаев -Новосибирск, 198б.-27с.-Хз ГР 01860009349.-Инв. №02870034542.

5. Савелькаев, C.B. Особенности измерения входных и выходных импедансов нолевого транзистора с барьером ' Шоттки [Текст]/С.В. Савел ькаев//Тез. докл. регионал. научно-техн. конф. — Новосибирск, 1986. — С.4.

6. Петров, В.П. Расчет параметров рассеяния пассивных линейных и активных устройств СВЧ [Тексг]/В.П. Петров, C.B. Савелькаев//Тр. учеб. инс-тов связи. - Л., 1987. - С.26 - 30.

7. Савелькаев, C.B. Параметры рассеяния мощного полевого транзистора в линейном режиме [Текст]/С.В. Савелькаев, Л.Г. Ппавский//Широкопо-

лосные радиотехнические цепи и устройства ВЧ и СВЧ/Новосиб. электро-техн. ин-т. - Новосибирск, НЭТИ, 1987.-С.98- 104.

8. Борисов, A.B. Автоматизация измерения S-параметров активных СВЧ-четырехполюсников [Текст]/А.Б, Борисов, A.A. Геховский, C.B. Савелька-ев//Тез. докл. Всесоюз. научно-техн. конф. — М.: ВНИИФТРИ, 1987. — С.47.

9. A.c. 1436152 СССР, H 01 Р 5/08. Контактное устройство [Текст]/ СВ. Савелькаев. - Опубл. БюлУ/Огкрытия. Изобретения. — 1988, - №41.

Ю.Савелькаев, C.B. Автоматизированный измеритель комплексных параметров активных СВЧ четырехполюсников [Текст]/С.В Савелькаев//Тез. докл. обл. научно-техн. конф., посвященной Дню радио. - Новосибирск, 1988. -С. 124,

И.А.с. 1478156 СССР, G 01 R 27/28. Держатель транзисторов в устройствах для измерения электрических параметров [Текст]/В.П. Петров, C.B. Са-велькаез.- Опубл. БюлЛОткрытия. Изобретения. -1989. - № 17.

12.Савелькаев, C.B. Транзисторный сверхвысокочастотный автогенератор с диэлектрическим резонатором [Текст]/C.B. Савелькаев, Л.Г. Плавский //Приборы и техника эксперимента. - 1989. - J61.- С. 141 -143.

13.Савелькаев, C.B. Исследование вольт-амперных характеристик мощного полевого транзистора с барьером Шотгки [Текст]/С.В. Савелькаев, Л.Г. ПлавскиМШирокополосные радиотехнические цепи и устройства ВЧ и СВЧ/Новосиб. электротехн. ин-т. - Новосибирск, НЭТИ, 1989. - С.28 - 33.

14.A.c. 1608762 СССР, H 01 Р 5/08. Контактное устройство [Текст]/СЛ. Савелькаев. - Опубл. БюлУ/Открытия. Изобретения. - 1990. - №43.

15-А.с. 1578667 СССР, H 01 Р 5/08. Контактное устройство и калибровочная согласованная нагрузка (Текст]/С.В. Савелькаев, А.П. Герасименко. -Опубл. в Б юл.//Открытия. Изобретения - 1990. - №26.

16.A.c. 1584001 СССР, H 01 Р 5/08. Контактное устройство [Текст]/С.В. Ca' велькаев, А.П. Герасименко. - Опубл. Бюл.//Открытия. Изобретения. - 1990.

-№29.

17.А.С. 1656419 СССР, G 01 R 27/28. Измеритель комплексного коэффициента отражения [Текст]/В.П, Петров, C.B. Савелькаев. - Опубл. Бюл.// Открытия. Изобретения. - 1991. - №22.

18.A.c. 1682942 СССР, G 01 R 27/28. Держатель транзисторов в устройствах для измерения электрических параметров [Текст]/В.П. Петров, C.B. Савелькаев, A.B. Борисов.- Опубл. Бюл.//Открьггия. Изобретения. - 1991. -№37.

19.Савелькаев, C.B. Двухсигнальный метод измерения S-параметров активных СВЧ-цепей в режиме большого сигнала. [Текст]/С.В. Савелька-ев//Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991. - Выл.5, - С.30 - 32.

20.Савелькаев, Ç.B. Коаксиальное контактное устройство [Текст]/С.В. Савель-каев//Электрон, техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991. - Вып.б. - С.30-33.

21.Савелькаев, СЛ. Теоретические основы построения адаптивных цифровых анализаторов СВЧ-цепей [Текст]/ C.B. СавелькаевУ/Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991, - Вып.9. - С.34 - 39.

22.А.С, 1758595 СССР, G 01 R 27/28. Способ анализа устойчивости активного СВЧ-четырехполюсника [Текст]/ В.П. Петров, C.B. Савелькаев,- Опубл. БьолУ/ Открытия. Изобретения,- 1992,- №32.

23.А.С. 1774286 СССР, G 01 R 27/28. Способ калибровки коаксиального устройства [Текст]/С.В. Савелькаев. - Опубл. Бюл.//Открытия. Изобретения. -1992.-№41.

24.A.C. 1830564 СССР, G 01 R 27/28. Способ калибровки двухсигналыюго анализатора цепей [Текст]/С.В. Савелькаев. - Опубл. Бюл.//Открытия. Изобретения. -1993. - №28.

25.Петров, В.П. ДвухсигнальныЙ метод измерения параметров транзисторов в режиме большого сигнала [Текст]/В.П. Петров, C.B. Савелькаев//Тр. первой IEEE-Российской конференции «Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение», сент., Новосибирск, НГТУ, 1997, - Новосибирск: НГТУ, 1997. - С.60 -62.

26.Петров, В.П. К вопросу адаптации двухсигнальных цифровых анализаторов СВЧ цепей [Текст]/В.П. Петров, C.B. Савелькаев//Тр. второй 1ЕЕЕ-Рос. конф. «Микроволновая электроника: измерения, идентификация, применение», сент., Новосибирск, НГТУ, 1999. - Новосибирск: НГТУ, 1999. - С.68 -71.

27.Савелькаев, C.B. Концепция имитационного измерения [Текст]/С.В. Са-велькаев//Тр. второй IEEE-Poc. конф. «Микроволновая электроника: измерите, идентификация, применение», сент., 1999, Новосибирск, НГТУ. -Новосибирск, 1999. —С.68 —71.

28.Савелькаев, C.B. Обеспечение единства измерения S-параметров активных СВЧ-цепеЙ [Текст]/С,В. Савелькаев, М.Б. УспоговУ/Соврем. проблемы геодезии и оптики: Сб. материалов LUI междунар. научно-техн. конф., посвящ. 70-летию СГГА, Новосибирск: СГГА, 2003. - Ч.З. - С. 18 - 20.

29.Савелькаев, СЛ. Обеспечение единства измерения S-параметров активных СВЧ-цепей [Текст]/С.В. Савелькаев, Л.Г. Плавекий/ZTp. четвертой IEEE-Poc. конф. «Микроволновая электроника: измерения, идентификация, применение», сент., 2003, Новосибирск, НГТУ. — Новосибирск, 2003. - С.122 -125.

30.Савелькаев, C.B. Повышение эффективности систем автоматизированного проектирования и технологического контроля полупроводниковых СВЧ-устройств [Текст]/С.В. Савелькаев, Л.Г. ПлавскиМТр. четвертой IEEE-Poc. конф. «Микроволновая электроника: измерения, идентификация, применение», сент., 2003, Новосибирск, НГТУНовосибирск, 2003.- С. 126 -128.

31.Савелькаев, C.B. Методы анализа устойчивости и измерения S-параметров активных СВЧ-цепей [Текст]/С,В. Савелькаев, ЛГ. ПлавскиЙ, В.П. Петров/Материалы седьмой международной конф, «Актуал. проблемы электронного приборостроения: АПЭП-2004». - Новосибирск: НГТУ, 2004. - Т. З-С.80-86.

32.Савелькаев, C.B. К вопросу повышения эффективности систем автоматизированного проектирования усилительных и автогенераторных СВЧ-

устройств [Текст]/С.В. Савелькаев, М.Б. Успогоа//Вестн. СГТА. - 2004. -Вып. 9. - С.128 - 130.

33.Савелькаев, C.B. Коаксиальное контактное устройство |Текст]/С.В. Савелькаев, М.Б. Устюгоз, Л.Г. Плавский//Вестн. СГТА. - 2004. - Вып. 9. - С.131 -139.

34.Савелькаев, C.B. Теоретические основы построения двухсишальных анализаторов СВЧ-цепей {Текст]/С.В. Савелькаев//Измерительная техника. -2005. - №3. - C.4I —46.

35.Савелькаев, C.B. Коаксиальное контактное устройство (Текст]/С.В. Савель-каев//Измерительная техника. - 2005. - №5. — С. 65 - 68.

36.Савелькаев, C.B. Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепсЙ и измерения их ^-параметров [Текст1/С.В. Савелькаев//Метрология. - 2005, -№4.-С. 19-28.

37.Савелькаев, C.B. Математическое моделирование анализатора СВЧ-цепей с перестраиваемым измерительным датчиком [Текст]/С.В. Савелькаев/УМет-рология. - 2005. - №10. - С. 7 - 20.

38.Савелькаев, C.B. Способ калибровки полоскового контактного устройства [Текст]/С.В. СавелькаевУ/Измерительная техника. — 2006. - №3. - С. 15-21.

Принятые сокращения.

Введение.

1 Общая характеристика разрабатываемых методов и прецизионных средств измерения S-параметров активных

СВЧ-цепей.

Введение в раздел.

1.1 Описание СВЧ-цепей в пространстве S-параметров.

1.2 Методы анализа устойчивости и измерения S-параметров активных СВЧ-цепей.

1.3 Принцип построения имитационного анализатора для систем автоматизированного проектирования усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

Выводы.

2 Математическое моделирование, способы калибровки и структурный синтез имитационных анализаторов СВЧ-цепей.

Введение в раздел.

2.1 Вывод обобщенного уравнения физического преобразования имитационных анализаторов.

2.2 Математические модели имитационных анализаторов и их 1У-шлейфных перестраиваемых согласующих трансформаторов.

2.2.1 Математическая модель гомодинного имитационного анализатора с перестраиваемым измерительным датчиком.

2.2.2 Математическая модель двухсигнального имитационного анализатора.

2.2.3 Математическая модель ff-шлейфных перестраиваемых согласующих трансформаторов.

2.3 Способы калибровки имитационных анализаторов.

2.3.1 Способ калибровки детекторов.

2.3.2 Способ калибровки измерительных датчиков гомодинного имитационного анализатора.

2.3.3 Способ калибровки измерительных датчиков двухсигнального имитационного анализатора.

2.3.4 Способ калибровки tf-шлейфных перестраиваемых согласующих трансформаторов.

2.4 Способы калибровки контактных устройств.

2.4.1 Конструкции контактных устройств и их классификация.

2.4.2 Способ калибровки коаксиального контактного устройства.

2.4.3 Способ калибровки полоскового контактного устройства.

2.4.4 Способ калибровки зондового контактного устройства.

2.4.5 Перенос результатов калибровки имитационного анализатора стандартными коаксиальными мерами на измерение 5-параметров полосковых СВЧ-цепей.

2.5 Структурный синтез имитационного анализатора для систем автоматизированного проектирования усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

Выводы.

3 Оценка и методы уменьшения суммарной погрешности измерения имитационного анализатора СВЧ-цепей.

Введение в раздел.

3.1 Методика оценки суммарной погрешности измерения на основе ряда Тейлора.

3.1.1 Методика.

3.1.2 Математическая модель.

3.2 Оценка суммарной погрешности измерения на основе вариации ее частных составляющих.

3.3 Амплитудная и фазовая адаптация имитационного анализатора и его метрологические характеристики.

3.3.1 Амплитудная адаптация.

3.3.2 Фазовая адаптация.

3.3.3 Метрологические характеристики.

3.4 Основные результаты теоретических исследований.

Выводы.

4 Режимы работы имитационного анализатора СВЧ-цепей.

Введение в раздел.

4.1 Режим работы в системе автоматизированного премирования усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

4.1.1 Процедура имитационного моделирования.

4.1.2 Методика выбора Q-эксплуатационных характеристик.

4.1.3 Метод анализа устойчивости.

4.1.4 Метод измерения 5-параметров.

4.1.5 Методика определения констрртивно-топологических параметров и диапазона их технологических подстроек.

4.2 Режим работы в системе технологического контроля полупроводниковых приборов.

4.3 Режим оценки готовности производства к выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

4.4 Автономный режим.

Выводы.

5 Техническая реализация имитационных анализаторов

СВЧ-цепей, сравнительный анализ и внедрение в промышленности. 158 Введение в раздел.

5.1 Техническая реализация.

5.2 Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов.

5.3 Внедрение в промышленности.

5.4 Конструкции и технические характеристики усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств.

5.4.1 Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-усилителя для спутниковой связи.

5.4.2 Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-усилителя для радиопередатчика.

5.4.3 Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-автогенератора, стабилизированного шюскопараллельной структурой на основе диэлектрического резонатора, включенной в выходной цепи.

5.4.4 Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-автогенератора, стабилизированного плоскопараллельной структурой на основе диэлектрического резонатора, включенной в петле обратной связи.

Выводы.

Актуальность работы. Эффективность современных систем автоматизированного проектирования (САПР) усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, которые повсеместно применяются в наземных и спутниковых системах телевидения и связи, системах радиолокации и радионовигации, определяется точностью и адекватностью измерения исходных для проектирования [1 - 12] S-параметров активных компонентов этих устройств. Для точного измерения S-napa-метров активных компонентов необходимы методы и прецизионные средства, распространяющие действие Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСМ), неоценимый научный и практический вклад в создание которой внесли известные ученые Петров В.П., Гутина Э.М., Костюченко К.К., Шейнин Э.М., Евграфов В.И., Хворос-тов Б.А., Рясный Ю.В., Пальчун Ю.А., Калмыков A.M. и др. [19, 20, 63, 64, 146 - 150], на измерение S-параметров активных СВЧ-цепей.^

Решению проблем точного измерения S-парошпроб посвящены работы известных зарубежных ученых Bosisio R.G., Li S.H., Mazum-der S.R., Muller 0. и др. [36 - 40], в которых разработаны методы измерения S = /(Г)-параметров активных компонентов, основанные на измерении их комплексных коэффициентов отражения (ККО) Г. В известных методах точность измерения S-параметров определяется точностью измерения ККО Г.

При измерении ККО Г классическими анализаторами СВЧ-цепей (АД) на основе 12-ти - полюсных измерительных датчиков (ВД), неоценимый научный и практический вклад в создание которых внесли известные во всем мире ученые Allred С., Berghotf G., Bonte В., Engen G.F., Hoer С.Н., Nemoto Т., Roe K.C., Stumper U., Wait D.F., Woods D. и др. [3, 13-15, 17, 18, 20 - 28, 46 - 48, 63, 116, 121 - 125], регистрируют три ft = 1, 2, 3 значения мощности Рк стоячей волны с последующим определением ККО Г*.

Погрешность измерения ККО Г зависит как от динамического диапазона А = стоячей волны с минимумом и максимумом Р , так и от фазового сдвига 6 , к = 2, 3 ее регист

ШЪ ТЬ 5 ШСЬЯС R рируемых мощностей Pfe. Так, например, при амплитудном ограничении А . ^ А < А и фазовом условии 9 = 0 погрешность измерения

ККО Г не превышает заданного предела допуска, где А и 8. ffltuTif шах и предельно допустимые значения динамического диапазона А и оптимальное значение фазового сдвига.

Недостатком известных АЦ является то, что они поддерживают их амплитудную адаптацию к измеряемому ККО Г в виде одностороннего амплитудного ограничения А ^ А^ (адаптация сверху), при котором погрешность измерения ККО Г с малым модулем |Г| ^ 0,3, превысив предел ее допуска, неограниченно возрастает. Кроме того, такие АЦ из-за узкополосности их Щ не могут поддерживать их фазовую адаптацию в виде фазового условия = 6Q в широком частотном диапазоне, что также увеличивает погрешность измерения ККО Г.

Для решения этой проблемы необходима разработка и исследование АЦ, альтернативных известным, работающих как в двухсигналь-ном, так и гомодинном режимах [15, 20, 29 - 33, 146 - 148, 157, 160], которые могут измерять как ККО Г, так и комплексные коэффициенты передачи (ККП) Т активных компонентов. Кроме того, необходима разработка математических моделей таких АЦ, способов калибровки их детекторов и ВД, а также методов амплитудной и фазовой адаптации АЦ [15, 29, 30, 33, 47, 49, 68, 157, 1603 к измеряемым ККО Г и ККП Т в широком динамическом и частотном диапазонах их измерения в виде двухстороннего амплитудного ограничения A t ^ А ^ А (безусловная адаптация) и фазового условия 8, = 0Л, что повышает точность измерения этих параметров.

Проблема точного измерения S-параметров активных компонентов усугубляется тем, что эти компоненты имеют разнообразные типы входных трактов и чаще всего полосковые, для которых нет стандартных мер. Это приводит к необходимости разработки контактных устройств (КУ), например, коаксиальных (ККУ) [15, 51 - 54, 151, 152, 155, 158], альтернативных полосковым (ПКУ) [4, 15, 30, 56 -62, 115, 16П, обеспечивающих подключение к АЦ как стандартных коаксиальных мер при калибровке АЦ, так и исследуемых полосковых компонентов при измерении их S-параметров. Кроме того, необходима разработка способов калибровки ККУ [15, 51 - 55, 151 , 152, 155, 158] расчетными полосковыми калибраторами, обеспечивающих перенос результатов калибровки АЦ стандартными коаксиальными мерами на измерение S-параметров полосковых компонентов.

Проблем адекватного измерения S-параметров связана с тем, что S = S(Q)~параметры активных компонентов зависят от режима работы этих компонентов, который определяется их Q-эксплуатацион7 ными характеристиками, например, такими как напряжения питания, частота усиления или генерации, входная мощность и ККО нагрузок (нагрузочные ККО) этих компонентов, задающие их режим усиления или генерации как усилительного или автогенераторного СВЧ-уст-ройства в целом. Множеству возможных значений ^-эксплуатационных характеристик активного компонента соответствует множество значений его ^-параметров в режиме усиления или генерации. Это требует введения в рассмотрение понятия адекватного измерения 5-парамет-ров активных компоненнтов при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках [15, 16, 41, 42, 153, 154, 156, 159]. Эти характеристики должны быть выбраны при условии удовлетворения Qy ^технических характеристик активного компонента как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом, например, таких как напряжение питания, входная и выходная мощности, рабочая частота или частота генерации, коэффициенты усиления по мощности и шру и др., техническому заданию (ТЗ) Атз этого устройства.

Решение проблемы адекватного'измерения S-параметров активных компонентов требует разработку метода анализа устойчивости этих компонентов [15, 114, 154, 159], определяющего границы областей устойчивых и неустойчивых нагрузочных ККО на их комплексной плоскости, что существенно облегчает выбор этих компонентов для проектируемых усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также разработку, альтернативного известным, метода измерения S = /(Г, Т, d)-параметров этих компонентов при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках [15, 16, 41, 42, 154, 159].

Для реализации этих методов в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, системы технологического контроля (СТК) полупроводниковых приборов или же автономно необходимо преобразование АЦ в имитатор-анализатор этих устройств (имитационный АЦ (МАЦ)) [15, 16 , 41, 42, 154, 159], измерительный преобразователь (МП) которого содержит перестраиваемые согласующие трансформаторы (ПСТ), которые задают требуемые нагрузочные ККО й активного компонента этих устройств. Также необходима разработка способа калибровки ПСТ такого МАЦ.

Точное и адекватное измерение ^-параметров активных компонентов проектируемых САПР и имитируемых и оптимизируемых МАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств при условии, когда Qv А-технические характеристики этих устройств удовлетворяют их ТЗ Атз исключает необходимость многократной констррторской коррекции оштного образца этих устройств при проведении цикла опытно-конструкторских работ (ОКР), тем самым повышая экономическую эффективность производства этих устройств.

Таким образом, актуальность диссертационной работы очевидна, так как разработка ее темы как в научном, так и в практическом аспектах обеспечивает повышение точности и адекватности измерения S-параметров активных СВЧ-цепей, что повышает эффективность САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, следовательно экономическую эффективность их производства.

Цель и задачи исследования

Целью диссертации является повышение точности и адекватности измерения S-параметров активных СВЧ-цепей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные научно-технические задачи:

- разработаны методы анализа устойчивости и измерения S-ns-раметров активных СВЧ-цепей при их зданных ^-эксплуатационных характеристиках, включая разработку методики выбора последних;

- предложен принцип построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также прогрессивные технические решения по конструированию его ЗШ и ККУ;

- разработаны математические модели Щ и способы калибровки его детекторов, ИД, ПСТ и ККУ;

- разработаны методики оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих;

- разработаны методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методика определения его метрологических характеристик;

- эксперименально исследованы разработанные рабочие образцы прецизионных ИАЦ в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, СТК полупроводниковых приборов и автономно, включая режим оценки готовности производства к серийному выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств с внедрением ИАЦ и отдельно разработанных рабочих образцов прецизионных ККУ в промышленности.

Метода исследования

Решение поставленных задач было осуществлено на основе сов9 ременных теории радиотехнических измерений, теории радиотехнических систем и цепей, теории вероятностей и математической статистики, линейной алгебры, вычислительной математики и моделирования на ЭВМ.

Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями рабочих образцов прецизионных ИАЦ и ККУ в составе САПР предприятия НПО "Радио" (г. Москва), ОКБ "Салют" (г. Новосибирск) и ООО НПФ "Микран" (г. Томск).

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложно комплексное решение проблемы точного и адекватного измерения S-параметров активных СВЧ-цепей в виде:

- методов анализа устойчивости и измерения S-параметров активных СВЧ-цепей при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках и методики выбора последних;

- принципа построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и прогрессивных технических решений по конструированию его МП и ККУ;

- математических моделей ИАЦ и способов калибровки его детекторов Щ, ПСТ и ККУ;

- методик оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих;

- методов амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методики определения его метрологических характеристик.

Практическая ценность и значимость работы

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы, и прецизионные средства повышают точность измерения ^-параметров пассивных СВЧ-цепей с малым модулем, что важно для поверочных схем ГСМ. Кроме того, она состоит в том, что эти методы и прецизионные средства распространяют действие ГСИ на точное и адекватное измерение S-параметров активных СВЧ-цепей, включая и полосковые.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методы и прецизионные средства повышают эффективность САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и СТК полупроводниковых приборов, тем самым повышая экономическую эффективность их производства.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие научные положения, обеспечивающие повышение точности и адекватности измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей.

1. Принцип построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также технические решения по конструированию его ИП и ККУ.

2. Математические модели ИАЦ и способы калибровки его ИД, ПСТ и ККУ.

3. Методика оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе вариации ее частных составляющих.

4. Методы амплитудрой и фазовой адаптации ИАЦ и методика определения его метрологических характеристик.

5. Методы анализа устойчивости и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках, включая методику выбора последних.

Реализация в промышленности и внедрение

Основные результаты работы были получены при выполнении хоздоговорных НИР [124 - 126] и внедрены на предприятиях НИИ "Радио" (г. Москва), ООО НПФ "Микран" (г. Томск), ОКБ 'Салют" (г. Новосибирск), НГТУ (г. Новосибирск) и СибГУТИ (г. Новосибирск) в виде:

- рабочих образцов прецизионных АЦ для измерения входных, выходных и нагрузочных импедансов активных компонентов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств (А.с. $ 1656419);

- рабочего образца прецизионного ИАЦ для анализа устойчивости и измерения S-параметров активных компонентов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств (А. с. $1758595, $1830564);

- рабочих образцов прецизионных ККУ для СТК полупроводниковых приборов (А.с. $1436152, $1478156, $1578667, $1584001, $1608762, $1682942, $1774286);

- программных продуктов САПР в виде библиотеки математических моделей активных и пассивных компонентов усилительных и авто

11 генераторных СВЧ-устройств и их самих в целом;

- опытных образцов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, разработанных САПР, в состав которой был введен ИАЦ, для телекоммуникационных систем связи и радиолокации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались 23-х научно-технических конгрессах, конференциях и семинарах всех уровней, включая и международные [16 , 42 , 68, 111, 116, 121 - 123, 128, 131, 133 -135, 140 - 145, 151 - 1541.

Публикации

По тем^^ссер-тации^ьу-блжовано-З-^

27 статей [16, 33, 41, 42, 51, 68, 76, 88, 90, 99, 127, 138 -140, 143, 151 - 162], из которых 11 в центральной печати [33, 41, 51, 88, 127, 157 - 161], получено 10 авторских свидетельств на изобретения [29, 30, 49, 52 - 56, 59, 114] и зарегистрировано 3 отчета по НИР [124 - 126].

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографии. Ее материал изложен на 189-и страницах и иллюстрируется 60-ю рисунками и 9-ю таблицами. Библиография включает 161-0 наименование.

Выводы

Таким образом, практическая значимость результатов раздела заключаются в следующем.

1. Рассмотрена техническая реализация работ образцов прецизионных АЦ и ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств,

2. Показано, что разработанные метод ^-параметров активных СВЧ-цепей и прецизионный ИАЦ совместно с ГСИ обеспечивают повышение точности измерения этих параметров примерно в 1,5 - 2 раза, что одновременно с повышением адекватности их измерения сокращает цикл ОКР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств в 2 - 3 раза.

3. Достоверность сокращения цикла ОКР подтверждена испытанием опытных образцов усилительных и автогенераторных СВЧ-уст

173 ройств при их допустимых технологических подстройках AGy А на предмет удовлетворения Qy А 00-технических характеристик' этих образцов их ТЗ Qy>iT3.

Заключение

Основные научно-технические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Разработаны методы анализа устойчивости и измерения S-na-раметров активных СВЧ-цепей при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках, включая разработку методики выбора последних.

2. Предложен принцип построения ИАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также прогрессивные технические решения по конструированию его ИП и ККУ.

3. Разработаны математические модели ИАЦ и способы калибровки его детекторов, Щ[, ПСТ, ККУ, ПКУ и ЗКУ.

4. Разработаны методики оценки суммарной погрешности измерения ИАЦ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих. ~ ^ "." . .

5. Разработаны методы амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методика определения его метрологических характеристик, первые из которых обеспечивают повышение точности измерения S = /(Г, Т, d)-параметров активных компонентов имитируемых ИАЦ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств примерно в 1,5 - 2 раза, что одновременно с повышением адекватности их измерения сокращает цикл ОКР в 2 - 3 раза.

6. Экспериментально исследованы разработанные рабочие образцы прецизионных ИАЦ в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, СТК полупроводниковых приборов и автономно, включая режим оценки готовности производства к выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств с внедрением ИАЦ и отдельно рабочих образцов прецизионных ККУ в промышленности.

Таким образом, диссертация является законченной научно-исследовательской квалификационной работой в области высокоточных радиотехнических СВЧ-измерений. В ней содержится теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение решения важной научно-технической проблемы повышения точности и адекватности измерения S-параметров активных СВЧ-цепей, что имеет важное значение для развития радиотехнической отрасли в части повышения экономической эффективности ее производства.

175

1. Влах. И, Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. -560 с.

2. Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СБЧ. М.: Радио и связь, 1988. - 240 с.

3. Рупта К., Гардж Р.,Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.4. 'Данилин В.Н., Кушниренко A.M., Петров Г.В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.

4. Каганов В.М. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. -М.: Радио и связь, 1981. С. 81-82.

5. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР.- М.: Радио и связь, 1990. 352 с.

6. Малорадский I.P., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ-эле-ментов на полосковых линиях. М.: Советское радио, 1972. -232 с.

7. Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. М.: Сов. радио, 1970. - 256 с.

8. Фальковский О.И. Техническая электродинамика М.: Связь, 1978. - 432 с.

9. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. М.: Высшая школа, 1965. - 327 с. ^

10. Фельдштейн A.I., Явич I.P. Синтез восмиполюсников и четырех- V полюсников СВЧ. М.: Связь, 1965. - 467 с.

11. Фидлер Д.К., Найтингейл К. Машинное проектирование электронных схем. М.: Высшая школа, 1985. - 384 с.

12. А.с. 1167537 (СССР), G 01 R 27/28. Измеритель комплексных параметров СВЧ четырехполюсников/А. С. Елизаров и др. -Опубл. в Бюл. $ 26, 1985

13. Адонц Г.Т. Теория и методы расчета многополюсников. Ереван: Изд. АН Арм. ССР, 1965. - 467 с.

14. Савелькаев С.В. Математическое моделирование дискретных методов и средств измерения для систем автоматизированного проектирования СВЧ устройств//Дис. канд.техн.наук. Новоси176бирск, 1997- 137 с.

15. Савелькаев С.В. Концепция имитационного измерения/С.В. Са-велькаев//Тр. второй IEEE-Рос. конф. "Микроволновая электроника: измерения, идентификация, применение", сент., 1999. -Новосибирск: НГТУ, 1999. С. 68-71.

16. Адам С.Ф. Автоматические измерения в СВЧ цепях//Тр. ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике: Пер. с англ.- 1988. Т. 66, JM. - С. 20-28.

17. Бондаренко ИХ, Дейнега Г.А., Маргачев З.В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. М.: Сов. радио, 1969. -303 с.

18. Петров В.П. Основы теории и проектирования методов и средств точных измерений характеристик квазистационарных волновых радиоцепей//Дис. докт.техн.наук. Новосибирск, 1977. - 397 с.

19. Петров В.П. Алгоритмические концепции в проектировании точных измерителей СВЧ цепей//Труды третьей международной НТК.- Новосибирск, 1996. Т. 9. - С. 4-8.

20. Энген Г.Ф. Успехи в области СВЧ измерений//Тр. ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике: Пер. с англ. -1987. Т. 66, Л 4. - С. 8-20.

21. Berghoff G. Automated characterization of HF power transistors by source-pull and multiharmonic load-pull measurement based on six-port techniques//IEEE Trans. 1998. - Vol. MTT-46, No 12. - P. 2068 - 2073.

22. Cletus A., Hoer C.A. A network analyzer incorporating two six-port reflectometers//IEEE Trans.- 1977. Vol. MTT-25, No 12. - 1070-1074.

23. Engen GJ. A (historical) review of the six-port measurement technique//IEEE Trans. 1997. - Vol. MTT-45, No 12. -P. 2414 - 2417.

24. Engen G.P. The six-port reflectometer an alternative network analyzer//IEEE Trans. 1977. - Vol. MTT-25, No 12. -P. 1075-1080.

25. Prampton A. Microwave network analyzers for millimetric bands//Microwave Journal.- 1982. Vol. 24, No 4. - P. 8996.

26. Hoer C.H., Roe LC. Using an arbitrary six-port junction to measure complex voltage rations//IEEE Trans. 1975. - Vol.177

27. МТТ-23, No 12. P. 978-984.

28. Stumper U. New nondirectional wavequide multicoupter as part оf a simple microwave six-part re!lectometer//Electron Lett. 1982. - Vol. 18, No 18. - P. 757-758.

29. A.c. 1656419 (СССР), G 01 R 27/06. Измеритель комплексного коэффициента отражения/В.П.Петров, С.В.Савелькаев. Опубл. в Бюл. JG22, 1991.

30. А.с. 1682942 (СССР), G 01 R 27/28. Держатель транзисторов в устройствах для измерения электрических параметров/В.П. Петров, С.В.Савелькаев, А.В.Борисов. Опубл. в Бюл. № 37, 1991.

31. Bezek J. Breitbandiges s ecfrsportre f1 ektometer mit den kon-zentrierten parametera//32 Intern, wiss. koll. TH Ilmenau. 1987.- P. 113-119.32. Петров В.П.,1. Каспер Г.Г.

32. Симонюк А.Ф. Двухсигнальный метод измерения параметров радиоцепей//Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника. 1989. - Вып. 1. - С. 1520.

33. Савелькаев С.В. Теоретические основы построения адаптивных цифровых анализаторов СВЧ-цепей//Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1991. - Вып. 9. - С. 34-39.

34. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах: Пер с нем./Под ред. Стретенского В.Н. М.: Госфизматиздат, 1963.- 367 е., ил.

35. Bonte В. An automated sustain lor measuring power devices in Ka-band//IEEE Trans. 1998. - Vol. MTT-46, No 1. - P. 70 -75.

36. Muller 0. Large-signal S-parameter measurement о 1 class С operated transistors//NTZ. 1968. - Vol. 10, No 10. - P. 644-647.

37. Торопов Е.Б. Измерение ^-параметров транзисторов в режиме большого сигнала//Радиотехника. 1981. - Т. 36, J§ 10. - С. 63-65.

38. Увбарх В.И. Измерение параметров матрицы рассеяния транзистора в режиме большого сигнала и определение ^-параметров четырехполюсников при измерениях в несогласованном тракте// Радиоизмерительная техника. 1977. - Т. 32, J 12. - С. 83- 86.

39. Mazumder S.R. Two-signal method of measuring the large-signal S-parameters of transistors//IEEE Trans. 1978. - Vol. MTT-26, No 6. - P. 417-420.

40. MS. H., Bosisio R. G. Automatic analysis of two-port active microwave network//Electronics Letters. 1982. - Vol. 18, No 24. - P. 1033-1034.

41. Савелькаев C.B. Двухсигнальный метод измерения S-параметров активных СВЧ-цепей в режиме большого сигнала/УЭлектронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1991. - Вып. 5. - С. 30 -32.

42. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров: Пер. с поль-ск. М.: Мир, 1989. - 335 с.

43. ЗКуравин 1.Г., Мариненко М.А. Методы электрических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

44. Глудкин О.П., Обичкин Ю.Г., Блохин В.Г. Статистические методы в технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. -М.: Энергия, 1977. 296 с.

45. Nemoto Т., Wait В J. Microwave circuit analysis using the equivalent generator concept//IEEE Trans. 1968. Vol. MTT-16, No 10. - P. 866-873.

46. Hoer C.H., Roe K.C., Allred C. Measuring and minimizing diode detector nonlinearity//IEEE Trans.- 1976. Vol. IM-25, No 4. - P. 324-329.

47. Woods D. Analysis and calibration theory of the general 6-port reflectometer employing four amplitude detectors//Proc. Inst. Elec. Eng. 1979. - Vol. 126, No 2. - P. 221-228.

48. A.c. 1830564 (СССР), G 01 R 27/28. Способ калибровки двух-сигнального анализатора цепей/С.В. Савелькаев. Опубл. в Бюл. Ш, 1993.

49. Hortmann К., Stutt М. J. 0. Computer similation of small-signal and noise behavior of microwave bipolar transistors up to 12 GHZ//IEEE Trans. 1974. - Vol. MTT-22, No 3. - P. 178-182.

50. Савелькаев C.B. Коаксиальное контактное устройство//Элект17952