автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методов построения измерителей коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ

V/

Наградах рукописи

/А'/;,';//

005"^

Мильченко Дмитрий Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕМ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ СВЧ

Специальность 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Специальность 05.12.07 «Антенны СВЧ - устройства и их технологии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

9 АВ Г 2012

Таганрог 2012

005046593

Работа выполнена на кафедре радиофизики Кубанского государственного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Коротков Константин Станиславович (КубГУ г. Краснодар)

Официальные оппоненты: Червяков Георгий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, ТТИ ЮФ"!

зав. кафедрой РТЭ,

Чернышев Валерий Михайлович, кандидат технических наук, доцент ФГОУ ВГ Новороссийский Морской университет им. Адмирала Ф. Ф. Ушакова

Ведущая организация ОАО «ФНПЦ «Нижнегородский научно-исследовательский приборостроительный и статут «КВАРЦ» им. А. П. Горшкова» Защита диссертации состоится « 20» сентября 2012 года в 14 часов 20 мин. в а; дитории Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федерально государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионал ного образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу: пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП - 17А, 347928. С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, 344065.

Автореферат разослан июля 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.208.20 кандидат технических наук, дог/ент

В. В. Савельев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В процессе развития техники СВЧ и повышения требований к электрическим характеристикам СВЧ устройств, актуальной является проблема повышения точности измерений их электрических параметров. Поэтому при разработке, создании и промышленном выпуске радиоэлектронных средств, содержащих СВЧ-устройства, необходимо иметь приборы, позволяющие достаточно точно измерять их основные электрические параметры, такие как модуль и фазу коэффициента передачи, S - параметры в диапазоне частот (в панораме), то есть их амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Измерители параметров коэффициентов передачи и отражения СВЧ - устройств с семидесятых годов двадцатого века разделились на две группы приборов: одна - измерители скалярных параметров СВЧ — устройств, другая — векторные анализаторы цепей. Парк таких измерителей весьма широк. Их выпускают фирмы Anritsu, Agilent Technologies, Rohde & Schwarz и ряд других более мелких фирм. Панорамные измерители скалярных параметров СВЧ - устройств их коэффициентов передачи и отражения наиболее распространённый тип СВЧ — радиоизмерительных приборов, имеют ограниченный динамический диапазон измерений и умеренную точность. Однако благодаря этому они обладают малыми весога-баритными характеристиками, просты и удобны в эксплуатации.

Векторные панорамные измерители комплексных коэффициентов передачи и измерители S - параметров четырёхполюсников СВЧ имеют максимально широкий динамический диапазон измеряемых величин и весьма высокую точность измерений, но сложны в эксплуатации, обладают большими весогабаритными характеристиками и относительно дороги.

Развитие электронных средств вооружения, навигации и космической техники, работающих только в диапазоне СВЧ, приводит к необходимости постоянного расширения пределов измерений их электрических параметров и повышения точности. Внедрение в средства измерений микропроцессоров и контроллеров для производства и обработки измерений делает процесс улучшения их параметров непрерывным и актуальным.

В последнее время остро обозначилась проблема создания метрологических эталонных мер холостого хода (XX), короткого замыкания (КЗ) и согласованной нагрузки

(СН) с целью замены ими созданных ещё в шестидесятых годах прошлого века аналогичных эталонных мер, которые по точности их аттестации и конструктивным парг метрам не отвечают требованиям к эталонным мерам для проверки устройств СВ принятым на вооружение.

Аналогичные меры используют при аттестации собственных погрешностей изм< рителей Б - параметров. Неточности определения коэффициентов отражения этих ме полностью определяют погрешности, которыми обладают эти измерения. Отсюда ак туальной является задача поиска путей снижения погрешностей измерений панорам ными измерителями 8 - параметров или, как их ещё называют, анализаторами цепей з счёт повышения точности определения их собственных Б - параметров и поиска опти мальных схем их построения. Решению вышеперечисленных задач и посвящена дан ная диссертационная работа.

Объектом исследований являются устройства для измерения параметров - изме рители коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

Предметом исследований являются способы повышения точности и расширения динамического диапазона устройств, для измерения параметров - коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ

Цель исследований состоит в поиске методов повышения точности определения коэффициентов передачи и отражения измерителями параметров испытуемых четырёхполюсников СВЧ при одновременном расширении динамического диапазона измеряемых ими комплексных коэффициентов передачи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и исследовать аналитическую модель панорамного измерителя параметров: скалярных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ с целью определения причин, ограничивающих динамический диапазон измеряемых ими амплитуд сигналов и влияющих на точность их измерений.

2. Провести анализ измерительного фазового моста СВЧ измерителя параметров комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ, для определения путей и методов расширения их пределов и снижения погрешностей измерений.

3. Исследовать измерители Б-параметров четырёхполюсников СВЧ использующих рефлектометры с целью выявления причин, определяющих пределы и погрешности их измерений.

4. Исследовать влияние амплитудно-фазовой погрешности на точность измерения модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

5. Провести анализ влияния погрешностей аттестации собственных Б — параметров измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ на его точность.

6. Выполнить поиск и исследование методов повышения точности измерителя 8 — параметров испытуемых четырёхполюсников СВЧ за счёт снижения погрешностей аттестации его входных портов.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Основными причинами, влияющими на динамический диапазон амплитуд панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ, являются шумы и нелинейность вольтамперной характеристики его детекторных диодов, а погрешность таких измерений определяют развязки по испытательному сигналу между выходами его измерительных СВЧ мостов.

2.Найден новый способ расширения динамического диапазона амплитуд панорамного измерителя, скалярных коэффициентов передачи и отражения, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными уравнениями методом выбранных точек и разработан новый измеритель, реализующий этот способ.

3.В результате анализа измерительного фазового моста СВЧ, выявлены причины ограничивающие , пределы и погрешности измерений устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ.

4. Проведен анализ направленного графа рефлектометров, используемых в измерителе Б-параметров четырёхполюсников СВЧ, в результате чего определены пределы и погрешности их измерений.

5.Найден новый способ устранения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений четырёхполюсников СВЧ, создан новый измеритель, реализующий этот способ.

6. Разработана новая методика определения численных величин собственных 8-параметров измерителя модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения уст ройств СВЧ в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоеди нительных разъёмов его входных портов.

Научная новизна:

1. Разработан метод математического анализа структурных схем построения па норамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройст СВЧ.

2. Предложен новый способ расширяющий динамический диапазон измеряемы; амплитуд и повышающий точность их измерений скалярным измерителем коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными функциями.

3. Разработан направленный граф измерительного фазового моста СВЧ, позволяющий рассчитывать пределы и погрешности измерений приборами для измерения комплексных параметров четырёхполюсников СВЧ.

4. Проведён анализ направленного графа рефлектометра, применяемого в измерителе Б-параметров, в результате чего получено выражение для расчёта пределов и погрешностей измеряемых с его помощью комплексных коэффициентов передачи испытуемых четырёхполюсников СВЧ.

5. Предложен новый способ исключения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

6. Выполнен анализ влияния погрешностей аттестации собственных 8-параметров измерителя комплексных характеристик четырёхполюсников СВЧ, на основе которого, разработан новый способ расчёта численных величин собственных 8-параметров, повышающий точность измерений в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоединительных разъёмов входных портов измерителя 8-параметров.

Методы исследовании, применяемые в процессе выполнения работы, включают в себя анализ цепей СВЧ методом линейных электрических цепей применительно к диапазону СВЧ, метод направленных графов цепей СВЧ, метод анализа цепей СВЧ матрицами передачи и рассеяния, способы аппроксимации вольтамперных характери-

стик нелинейных элементов кусочно-ломаной прямой, степенными функциями методом выбранных точек, метод наименьших квадратов. Для достижения поставленных задач использовано компьютерное моделирование, программа МаЛСАБ 14.0, методы численного анализа.

Апробация диссертационной работы. Результаты исследований докладывались

на:

1. Седьмой всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», Поведники Московской обл., 21 - 23 октября 2008 г.

2. XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2009 г.

3. Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог — Дивноморское, 2009 г.

4. XVI Международной научной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2010 г.

5. XVII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2011 г.

6. XVI Международной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог - Дивноморское, 2011 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в трёх статьях журналов, включённых в список ВАК, одна из них без соавторов лично диссертантом, по результатам выполненных исследований получены три патента РФ на способ и два патента на устройство.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил все этапы диссертационного исследования: провёл анализ проблемы, постановку задач, проведение научных исследований и экспериментов. Автором предложены структурные схемы построения устройств по двум патентам, натурные испытания которых проведены лично им.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка используемой литературы из 82 наименования и двух приложений.

Общий объём диссертации - 192 страниц, включая 48 рисунков и 162 формулы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены области применения материалов диссертации, направления исследований и пути их решения, показана новизна диссертационной работы, новизна полученных решений и их практическая применимость, определены положения выносимые на защиту, степень достоверности полученных результатов и сведения об их практическом внедрении в промышленность.

В первом разделе рассмотрены принципы построения панорамных измерителей скалярных параметров СВЧ — устройств. На основании электрической схемы измерительного моста панорамного измерителя скалярных величин коэффициентов передачи и отражения приведённой на рисунке 1 и разработанного на её основе направленного графа представленного на рисунке 2, проведён анализ причин ограничивающих пределы измерений и снижающих их точность.

В схеме на рисунке 1 резисторы Zl=Z2=Zз=Z4 имеют комплексный характер Ъг — внутренне комплексное сопротивление генератора СВЧ, Е испытательных сигналов, а Zo — опорное сопротивление, Zx - сопротивление испытуемого устройства СВЧ. Анализ схемы рисунка 1 и направленного графа на рисунке 2, показал, что частотный и динамический диапазон измеряемых параметров ограничивается там, где начинают проявляться реактивности резисторов Ъ\, 7.2, Zз, Поэтому измерительный мостпри оптимальной конструкции обладает наибольшей широкополосностью. Анализ графа

2

Г

Рисунок 1 — Электрическая схема моста

Рисунок 2 — Направленный граф моста

на рисунке 2 позволил получить выражения связывающее измеряемое напряжение их на резисторе с коэффициентом отражения испытуемого устройства Гх . Проведённый анализ показал, что основными источниками погрешностей являются ненаправленность измерительного моста и рассогласование генератора СВЧ испытательных сигналов с коэффициентами отражений измерительных портов моста. . На основании графа на рисунке2 получена формула (1) для величины напряжения снимаемого с детектора измерительного моста при измерениях коэффициента передачи испытуемого четырёхполюсника:

Лс^г.-Узг-Лс-Узг^+^-^.-Го-^,-£2з + ^о '^21'^зз

из которой следует, что основная погрешность измерений возникает из-за рассогласования между генератором испытательных сигналов и испытуемым устройством СВЧ . Из неё же в частности видно, что погрешность измерений будет существенно меньше при симметрии плеч моста, а значит и малом набеге фазы комплексной передачи Б31е-1'Рз1. Отсюда следует вывод, что, чем меньше геометрические размеры измерительного моста, тем меньше паразитный набег фазы и следовательно выше точность измерений. Выполненный анализ показал, что нижний предел динамического диапазона измеряемых амплитуд испытательных сигналов ограничивают шумы детектора измерительного моста. Главным фактором, ограничивающим динамический диапазон измерителя скалярных параметров сверху выступает его погрешность из за неквадра-тичности детектора измерительного моста для больших уровней испытательных сигналов составляющие, как правило, единицы милливатт, да и то с применением специальных корректирующих устройств .

На основании проведенного анализа предложен новый способ (патент № 2365927)расширения динамического диапазона измерителя коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ отличающийся большим динамическим диапазоном измеряемых амплитуд и большей точностью измерений, чем известные. Способ основан на аппроксимации нелинейного участка детекторной характеристики приведенной на рисунке 3, и представляющей зависимость амплитуды выходного напряжения детектора измерительного моста от уровня мощности сигнала СВЧ на его входе- прямой линией. Для её получения конкретный полупроводниковый диод детектора измери-

тельного моста подвергают калибровке. С этой целью на его вход подают различные уровни мощности зондирующего сигнала СВЧ, лежащие в пределах его нелинейност] от минимальной соответствующего квадратичному участку ВАХ детекторного диод; величиной около 10~5Вт, до максимально допустимого для применяемого диода, и фиксируют уровни продетектированных напряжений на нагрузке детектора в вольтах. По полученным данным строят детекторную характеристику. За тем на нелинейном участке этой детекторной характеристики в соответствии с методом выбранных точек, выбирают точки-узлы интерполяции а, Ь, с, и <1, для её аппроксимации в каждой из которых составляют степенные уравнения в виде многочлена приведенного на рисунке 4. Решая такую систему уравнений относительно коэффициентов а, Ъ, с, с1 находят их численные величины, которые затем используют для построения детекторной характеристики конкретного детекторного диода которую затем применяют при приизмере-ниях испытуемых четырёхполюсников, четырёхполюсников СВЧ. Этот способ позволил реализовать динамический диапазон амплитуд в 80 дБ и точность измерения 0,01 дБ.

I

И1

1-10- 1-10- 1-10- 110-

11111

0,01 г„ ["Вт]

аи0+Ьи1+си1+ = и(Р0) аих + Ш,2 + с£/,3 + Л/,4 = и{Р1) аи2+ЪЩ + си\ + ¿и\ = и(Р2) аиъ+Ъи1+ си\ + Л/34 = и{Рг)

Рисунок 3 Детекторная характеристика

Рисунок 4 Степенные уравнения

На базе найденного способа разработана новая схема построения (патент № 2364877) панорамного измерителя скалярных коэффициентов передачи и отражения, который реализуется путём включения в состав панорамного измерителя калибровочного гене-

ратора зондирующих сигналов и набора аттенюаторов с эталонными ослаблениями с помощью которых и реализуют выбранные точки аппроксимации.

В выводах по первой главе диссертации содержатся сведения о достижениях существенного улучшения эксплуатационных параметров панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ полученные в результате проведённых исследований.

Во второром разделе исследованы методы построения измерителей комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ. На основании структурной схемы построения измерителя комплексных коэффициентов передачи испытуемых четырёхполюсников СВЧ, состоящей из двухчастотного генератора испытательных сигналов СВЧ, охваченных системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), измерительного фазового моста, делящего испытательный сигнал на измерительный и опорный каналы и двухканального супергетеродинного приёмника с фазо-чувствительным индикатором отношений сигналов измерительного и опорного каналов, разработан направленный граф приведенный на рисунке 5 в котором, ГКЧ-1 и ГКЧ-2 генераторы качающей частоты образующие двухчастотный генератор испытательных сигналов СВЧ с частотами coi и сс>2, [НО-1] и [НО-2] направленные ответвите-ли системы ФАПЧ, со смесителем [См1 ФАПЧ]. Делитель [Д 1]сигналов СВЧ от ГКЧ-1 разделяющий их на измерительный [Т1] и опорный [Т2] каналы в которые вкючены четырёхполюсники СВЧ характеризуемые матрицами рассеяния [sxn] и [S'x0] присоединённые к одним из входов смесителей измерительного [СмИ] и опорного [СмО] каналов, другие выходы которых, соединены с противоположными выходами делителя [Д2] , вход которого через первичный канал направленного ответвителя [НО-2] соединён с ГКЧ-2. Связь по эфиру между смесителями характеризуется путями .S'^1 и ¿7". Анализ графа на рис. 5 измерительного фазового моста анализ показал, что главными факторами, ограничивающими динамический диапазон измеряемых коэффициентов передачи, является прохождение паразитных сигналов по каналам гетеродина связывающего смесители супергетеродинного приёмника. Паразитные связи не позволяют реализовать динамический диапазон больше 60 дБ. С целью устранения этой причины, предложена схема активной развязки «усилитель - аттенюатор» приведенная fia рисунке 6 в которой роль невзаимных развязывающих устройств выполняют усилители

-80дБ

ЮдБ

ЮдБ

Q-o

о

ЗдБ

Рисунок 6— Структурная схема активной развязки «усилитель — аттенюатор

СВЧ и резистивные аттенюаторы, включённые последовательно в количестве необходимом для обеспечения развязки. Такие системы включаются в качестве противоположных плеч трактов СВЧ связывающих выходные разъёмы делителя сигналов Д2 с гетеродинными входами смесителей СВЧ измерительного и опорного каналов, что позволяет достигнуть динамический диапазон в 108 дБ.

Однако измеритель комплексных коэффициентов передачи на основе измерительного фазового моста не может проводить измерения комплексных коэффициентов отражения из-за отсутствия в нём узлов выделяющих отражённый сигнал типа направленного ответвителя.

. Для этих целей применяют измерители S-параметров которые позволяют определять все четыре параметра матрицы рассеяния испытуемого четырёхполюсника СВЧ. В диссертации была исследована структурная схема измерителя S-параметров состоящего из двухчастотного генератора испытательных сигналов СВЧ, двух рефлектометров, векторного вольтметра входы которого соединены с выходами вторичных каналов направленных ответвителей рефлектометров, испытуемого четырёхполюсника СВЧ и переключателя меняющего направление подачи испытательного сигнала на его входы .Процесс определения коэффициентов передачи испытуемого четырёхполюсника СВЧ в измерителе S-параметров может быть представлен произведением собственных матриц рассеяния его входных портов (ш1)-[5'"'], (;n2)-[.S"'2] и включённого между ними испытуемого четырёхполюсника СВЧ, характеризуемого матрицей [Sx], Переводя для перемножения S-параметры в Т-параметры передачи и произведя перемножение в виде: [гЕ]=[г"'] [г"] [г"2] получены выражения для S-параметров испытуемого четырёхполюсника Sx в виде:

^ v S S, i + «S* 5ц 5-,-»* — S 'St, S-y,~ — S„ =—гг-ü-=-" " "-u—^^-

N,

N,

N, '

где jV, =51152251'725Й1 ч-^^Й1 -sjifsnsg+sjg+s^sjfsgsg, a Sn,Sl2,S2l,S22 - элементы общей матрицы рассеяния [S] полученной в результате п ремножеиия общей Т-матрицы [г1] и пересчёта её элементов в соответствующие i параметры. Полученные выражения позволили рассчитать влияние элементов собс венных S-параметров входных портов измерителя комплексных коэффициентов nepi дачи и отражения четырёхполюсников СВЧ на результаты определения коэффицие] тов передачи испытуемых четырёхполюсников СВЧ в виде конкретной величины п< грешности. На результаты измерений коэффициентов отражения входов испытуемог четырёхполюсника СВЧ существенное влияние оказывают параметры рефлектометр ориентированный граф которого приведён на рисунке 7

Величина измеряемого с его помощью коэффициента отражения как отношени] падающей волны напряжения Ui к отражённой волне напряжения U2 выражается фо{ мулой

Г -и2_ +S'»r,+S22r4 + S„r>r +S}irxSnS„ + S„Stir3S2irX.

иш ^ sil+s21r2si2 +s„sns„ + s3lsus2,r2sK ' 1 '

1 - rrsn + s33sn + s22r2 + 544r, + s^s^s,, + s2lr2sl4

которая позволяет рассчитывать требования к собственным параметрам рефлектомет ра и пути снижения погрешности измерений.

Разработана и исследована структурная схема векторного вольтметра, измерител амплитуды и фазы испытуемого четырёхполюсника СВЧ, в том числе при измерени его S-параметров, который работает на основе выборок из сигналов взятых за один и период с помощью АЦП и показано, что при таком методе измерений достигаете точность 0,003 дБ по амплитуде и 0, 002 0 по фазе.

и>

Рисунок 7- Ориентированный граф рефлектометра в режиме измерения коэффициентов отражения.

Результаты измерений комплексных коэффициентов передачи и особенно отражения испытуемых четырехполюсников СВЧ существенно искажаются амплитудно-фазовыми погрешностями измерителя 8-параметров и особенно сильно его собственными (внутренними) Б-параметрами.

Поэтому в третьем разделе рассмотрены способы повышения точности измерений Б-параметров измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

Предложен новый способ снижения амплитудно-фазовой погрешности (патент №2377591) состоящий в том, что динамический диапазон амплитуд испытательных сигналов СВЧ делят на равные по величине динамические поддиапазоны, в которых амплитудно-фазовая погрешность не проявляется и которые реализуют с помощью дискретно переключаемых операционных усилителей, коэффициенты усиления в которых автоматически изменяют переключением резисторов в цепях их обратных связей вслед за изменением пределов измерений. На базе нового способа аттестации амплитудно-фазовой погрешности разработана новая структурная схема устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ, в которой отсутствуют амплитудно-фазовые погрешности (патент № 2377583)

Главной и основной погрешностью имеющей место быть в измерителях комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ, в том числе и в измерителях 8- параметров является ошибка возникающая в них за счёт присутствия в результатах измерений их собственных Б-параметров особенно параметров

входных разъёмов, которые надо учитывать. Проведенные исследования позволили найти новый способ [6] аттестации собственных 8-параметров с помощью этало ных нагрузок КЗ, XX, СН и эталонной меры волнового сопротивления (МВС), предп лагающий представление погрешностей измерений в виде отдельной теоретическ< матрицы рассеяния содержащей только погрешности аттестации эталонных мер К XX и СН постоянно включённой между входным портом измерителя и измеряемь: объектом численное определение элементов которой и их учёт позволяет повыси точность измерений. Этот же способ позволил существенно повысить точность атт стации самих эталонных мер КЗ, XX и СН требуемую для их применения в качест] эталонов для проверки новых устройств СВЧ

В заключении сформулированы основные научные и практические результат диссертационной работы.

В приложении 1 приведён общий вид, технические характеристики и структу] ная схема измерителя КСВН и ослаблений Р2-142, разработанного на основании р зультатов диссертационной работы.

В приложении 2 приведён общий вид, технические характеристики и структу] ная схема измерителя Б-параметров РК4-73 разработанного на основании результате диссертационной работы.

Основные результаты работы:

1. Проведены исследования методов расширения динамического диапазона аи плитуд и путей повышения точности измерений панорамных измерителей скалярны коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ в результате которы выявлены оптимальные пути решения этих задач.

2 Найден новый способ расширения динамического диапазона амплитуд пан< рамного измерителя скалярных коэффициентов передачи и отражения, основанный и аппроксимации его детекторной характеристики степенными уравнениями методо выбранных точек и разработан новый измеритель реализующий этот способ, позве ляющий получить динамический диапазон амплитуд до 80 дБ и точность измерени достигающую ± 0,01 дБ.

3. Проанализированы причины возникновения погрешностей измерений в устроР ствах для измерения комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВ1

одновременно ограничивающих динамический диапазон измеряемых амплитуд сигналов в результате чего предложено схемотехническое решение позволяющее увеличить динамический диапазон амплитуд до 100 и более децибел

.4. Исследован измеритель Б-параметров четырёхполюсников СВЧ использующих рефлектометры с целью выявления причин, определяющих пределы и погрешности их измерений.

5. Проведен анализ направленного графа рефлектометров, используемых в измерителе Б-параметров четырёхполюсников СВЧ, в результате чего определены пределы и погрешности их измерений.

5.Найден новый способ устранения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений четырёхполюсников СВЧ создан новый измеритель реализующий этот способ..

6. Разработана новая методика определения численных величин собственных Б-параметров измерителя модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоединительных разъёмов его входных портов, позволяющая повысить точность измерений.

7. В результате проведенных исследований разработаны и серийно выпускаются измерители КСВН и ослаблений Р2-132, Р2-142 и измерители Б-параметров РК4-71, РК4-73, внешний вид и характеристики которых приведены в приложении.

Основные результаты, полученные в диссертации, изложены в следующих публикациях:

1. Астафьев Ю. Г., Конышев А. В., Мильченко Д. Н., Шевченко И. Н. Системы средства метрологического обеспечения эталонных и рабочих средств измерения п раметров СВЧ трактов //. Доклад «Метрологическое обеспечение обороны и безопа ности в Российской Федерации». Материалы седьмой всероссийской научн технической конференции. - Поведники, Московская обл., 21-23 октября 2008 г.

2. Патент РФ на изобретение№2377591. Астафьев Ю. Г., Короткое К. С., Мил ченко Д. Н., Шевченко И. Н. Способ аттестации амплитудно-фазовой погрсшнос устройств, для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения чет! рёхполюсников СВЧ. - Опубликовано 27.12.2009г. Бюл.№36.

3. Патент РФ на изобретение №2377583. Астафьев Ю. Г., Короткое К. С., Мил ченко Д. Н., Шевченко И. Н. Устройство для измерения комплексных коэффициенте передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ. - Опубликовано 27.12.2009 Бюл.№29.

4. Патент РФ на изобретение№2365927. Астафьев Ю. Г., Короткое К. С., Мил] ченко Д. Н., Шевченко И. Н. Способ определения амплитудно-частотных характер] стик четырёхполюсника СВЧ. - Опубликовано 27.08.2009г. Бюл.№24.

5. Патент РФ на изобретение №2364877. Астафьев Ю. Г., Короткое К. С., Мил: ченко Д. Н., Шевченко И. Н. Устройство для измерения амплитудно-частотных xapai теристик четырёхполюсников СВЧ. - Опубликовано 20.08.2009г. Бюл.№23.

6. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2011119094/28 (0282 Ь от 12.05.2011. Короткое К.С, Левченко А.С, Мильченко Д.Н, Шевченко И.Н. Спосс аттестации собственных S-параметров устройств, для измерения комплексных коэс] фициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ. G01R 27/28(2006.01).

7. Короткое К. С., Мильченко Д. Н. Пути повышения измерительных характер! стик устройств, для определения коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ. «Радиолокация, навигация, связь»: Материалы XV международной паучж технической конференции. - Воронеж 2009г. Том 1 с.605 - 610.

8. Короткое К. С., Мильченко Д. Н. Анализ путей улучшения характеристик уст ройств, для измерения коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ и новы

19

пособ их определения. // «Излучение и рассеяние электромагнитных волн»: Материа-[Ы Международной научной конференции. - Таганрог - Дивноморское, июнь - июль :009г. с.326 - 330.

9. Короткое К. С., Мильченко Д. Н. Особенности применения рефлектометров (ля измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсни-:ов СВЧ. // «Излучение и рассеяние электромагнитных волн»: Материалы Междуна-юдной научной конференции. - Таганрог - Дивноморское, июль 2011г. с.326 - 330.

10. Гатченко М. А., Левченко А. С., Мильченко Д. Н. Особенности измерения параметров с помощью рефлектометров в диапазоне СВЧ. // Экологический вестник научных центров ЧЭС, 2010, №3. - с. 20 - 24.

11. Короткое К. С., Мильченко Д. Н., Цветаш Я. Ю. Некоторые особенности расчёта волноводных направленных ответвителей.// «Радиолокация, навигация, связь»: Материалы XVII Международной научно - технической конференции. - Воронеж 2011г, Том 2. - с. 1661 - 1667.

12. Короткое К. С., Мильченко Д. Н. Особенности применения рефлектометров для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ // «Радиолокация, навигация, связь»: Материалы XVII Международной научно - технической конференции. - Воронеж 2011г, Том 2. - с. 1657- 1660.

13. Короткое К. С., Мильченко Д. Н. Особенности измерителей, использующих рефлектометры для определения Б-параметров четырёхполюсников СВЧ. // Телекоммуникации, 2011, № 9.

14. Мильченко Д. Н. Способ аттестации собственных Б- параметров анализатора цепей СВЧ. // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2012, № 1. - с. 21 - 26.

Заказ № Тираж 100 экз.

350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, Центр «Универсервис», тел. 21-99-551

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПАНОРАМНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СКАЛЯРНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЧ УСТРОЙСТВ.

1.1 Основные проблемы и ограничения возникающие при построении скалярных измерителей параметров СВЧ устройств.

1.2 Анализ причин влияющих на точность измерений панорамного измерителя

1.3 Влияние стабилизации мощности генератора испытательных сигналов на метрологические характеристики панорамных измерителей КСВН.

1.4 Анализ нелинейности преобразования сигнала при измерении коэффициент передачи четырёхполюсника.

1.5 Новый способ и устройство для измерения скалярных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

Выводы к разделу 1.

2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ СВЧ И ИХ 8-ПАРАМЕТРОВ.

2.1 Особенности построения измерителей комплексных коэффициентов передачи на основе анализа измерительного фазового моста.

2.2 Общие принципы построения и коррекции измерителя 8-параметров на основе измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ.

2.3 Принцип аттестации измерителя 8-параметров.

2.4 Анализ рефлектометра для измерения 8-параметров

2.5 Анализ векторного вольтметра.

Выводы к разделу 2.

3. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.

8-ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЯ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ СВЧ.

3.1 Анализ причин возникновения амплитудно-фазовых погрешностей и новый способ аттестации.

3.2 Разработка и устройство реализующее новый способ аттестации.

3.3 Причины возникновения погрешностей определения собственных 8-параметров измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ и новый способ их определения.

Выводы к разделу 3.

Актуальность работы. В процессе развития радиотехники СВЧ и повышения требований к электрическим характеристикам радиоэлектронных СВЧ устройств весьма актуальной является задача повышения точности измерений их электрических параметров, которые собственно и определяют процесс развития.

Измерители параметров коэффициентов передачи и отражения СВЧ устройств с семидесятых годов прошлого века разделились на две группы с ярко выраженной спецификой. Одна из них - измерители скалярных параметров СВЧ устройств их коэффициентов передачи и отражения, изначально позиционировалась как наиболее экономичный вариант приборов с ограниченным динамическим диапазоном измеряемых величин и умеренной точностью измерений достигаемой упрощёнными техническими решениями, что позволило существенно снизить их весогабаритные характеристики и сделать весьма простыми в эксплуатации, группа приборов Р2 [1]. Другая-векторные анализаторы цепей (VNA-в терминологии зарубежных производителей) пошли по пути обеспечения максимальной точности измерений и максимально широких динамических диапазонов измеряемых величин [1, 2]. Парк таких измерителей весьма широк. За рубежом их выпускают фирмы Anritsu [3], Agilent Technologies [4], Roude & Schwarz и ряд других более мелких фирм. В России панорамные измерители коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ выпускают фирмы «Микран» (г. Томск) и «Компания «РИТМ» (г. Краснодар).

Однако несмотря на столь широкий парк измерителей коэффициентов передачи и отражения постоянно присутствует интерес к улучшению их эксплуатационных характеристик. Это связано с бурным развитием электронных средств вооружения в виде радиолокационных станций, летательных аппаратов различного класса и назначения, средств навигации и космической техники, которые могут работать только в диапазоне СВЧ, что приводит к необходимости постоянного расширения пределов измерений их электрических параметров и повышению точности [6]. Внедрение в средства измерений микропроцессоров и контроллеров для производства и обработки измерений, которые к тому же всё более совершенствуются, делают процесс улучшения измерительных параметров четырёхполюсников и цепей СВЧ постоянно актуальным. Происходящий в настоящее время процесс модернизации и замены устаревших средств вооружения ставит задачу разработки новых измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ ещё более востребованной и актуальной [7]. Попутно необходимо отметить, что название «анализаторы цепей СВЧ» для измерителей комплексных характеристик коэффициентов передачи и отражения испытуемых четырёхполюсников СВЧ не корректно. Испытуемый четырёхполюсник есть только часть цепи. Поэтому радиоизмерительный прибор для его анализа более правильно называть устройством для наблюдения и измерения комплексных (модуля и фазы) коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ, которые для краткости можно называть измерителями характеристик (или параметров) четырёхполюсников СВЧ.

В диапазоне СВЧ панорамные измерителя скалярных коэффициентов передачи и отражения СВЧ устройств нашли широкое распространение благодаря их простоте и дешевизне. Параметров измеряемых с их помощью часто вполне достаточно, например, при регулировке и отладке направленных ответвителей, делителей сигналов СВЧ, измерительных СВЧ мостов. Однако по мере совершенствования радиоэлектронных устройств СВЧ, существенно возрастают требования к улучшению их характеристик и в частности к расширению динамического диапазона измеряемых амплитуд испытательного сигнала СВЧ, что в свою очередь приводит к необходимости повышения точности измерений и совершенствованию методов их математической обработки. В связи с этим возникает актуальная задача поиска путей и методов расширения динамического диапазона измеряемых амплитуд скалярным измерителем параметров СВЧ устройств с одновременным улучшением точности их измерений.

Измерители комплексных коэффициентов (модуля и фазы) передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ, или как ранее было названо, измерители характеристик четырёхполюсников СВЧ предназначены для измерения векторных параметров СВЧ устройств, которые дают наиболее полное представление об электрических характеристиках испытуемого устройства. Эти характеристики особенно важны для устройств, используемых в фазированных антенных решётках (ФАР), при передаче широкополосных сигналов и иных применениях, когда информация о фазе коэффициентов передачи и отражения весьма существенна. Особенное значение приобретают комплексные параметры устройств при применении современных методов проектирования использующих одновременно и расчётные модели СВЧ устройств и результаты измерений реальных уже реализованных объектов. В этом случае векторные параметры незаменимы даже в тех случаях, когда фазовые характеристики объекта в целом не играют существенной роли. Именно последний фактор объясняет высокую популярность измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ. Однако с расширением динамического диапазона измеряемых амплитуд существенно возрастает одна из главных погрешностей амплитудно-фазовая, которая приводит к искажению измерения фазовых сдвигов вносимых испытуемым четырёхполюсником СВЧ. Поэтому актуальной является задача поиска способов и схемотехнических решений, снижающих величину этих погрешностей.

Ещё одним важным достоинством измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ является возможность значительного уменьшения собственных погрешностей прибора за счёт математической коррекции результатов измерений. Это свойство в отличие от скалярных присуще только векторным анализаторам цепей. Способность измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ к математической коррекции позволяет значительно снизить требования к узлам СВЧ (упростив и удешевив их) и переложив ответственность за точность измерений на программное обеспечение калибровочной меры. Значит актуальной является задача разработки оптимальных программ определения (измерения и вычисления) комплексных коэффициентов передачи и отражения испытуемых четырёхполюсников и устройств СВЧ.

Векторные измерители комплексных (модуля и фазы) коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ в отечественной метрологии наиболее востребованной и быстро прогрессирующий вид радиотехнических измерений. Популярность этих измерителей обусловлена полнотой представляемой ими измерительной информации и высокой точностью измерений в результате применения встроенных в аппаратуру методов математической коррекции. В связи с этим такие измерители нашли самое широкое применение при разработке, настройке и эксплуатации сложных антенных систем в диапазоне СВЧ. Эти измерители широко используются в эхокамерах для снятия диаграмм направленности антенн по амплитуде и фазе. Однако в связи с совершенствованиями антенных систем всё больше возрастают требования к повышению точности измерителей и расширению диапазона измеряемых амплитуд. Измерение модуля и фазы коэффициентов передачи испытуемых устройств СВЧ осуществляется схемой построения измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ с использованием измерительного фазового моста, развязка плеч которого и определяют основные погрешности измерений особенно при регистрации широкого динамического диапазона амплитуд одновременно измеряемых испытательных сигналов. Следовательно, актуальной является задача поиска путей построения измерительного фазового моста обладающего оптимальной величиной развязок его противоположных плеч (измерительного и опорного каналов). Попутно необходимо отметить, что рекламируемые в последнее время в отечественной и зарубежной технической литературе величины динамического диапазона амплитуд в 135 дБ и более, есть не что иное, как сложенные вместе величины динамического диапазона измеряемых ослаблений минус 70-80 дБ и динамического диапазона измеряемых коэффициентов усиления 40-60 дБ одним и тем же прибором, что как известно невозможно выполнить без включения в измерительный тракт дополнительных аттенюаторов вносящих и дополнительные погрешности. i,-- if V. Цг.^-^х ■f-i t гф ^ Д" - jj ^'ir": v" 'rVt.* • ^ : ^ v'^ ^ ^ 'i '=/^ l ^ i vi-1-*'^ 4 -:

В настоящее время остро обозначилась проблема создания метрологических эталонных мер холостого хода (XX), короткого замыкания (КЗ) и согласованной нагрузки (СН) с целью замены ими созданных ещё в шестидесятых годах прошлого века аналогичных эталонных мер, которые по точности их аттестации и конструктивным параметрам уже не отвечают современным требованиям. Одновременно необходимо создать измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения для компарирования этих мер. Решение проблемы нашло отражение в опытно-конструкторской работе «Модернизация военных эталонов единиц комплексного коэффициента отражения волноводных трактов ВЭ-24 и волнового сопротивления в коаксиальных трактах ВЭ-25», шифр «Харчевник-ВЭ-24-25», разработчик ОАО «Компания «РИТМ», г. Краснодар, заказчик Министерство обороны Российской Федерации.

Действующая система полноценного метрологического контроля измерителей комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств требует большой номенклатуры поверочных нагрузок КЗ, XX и СН аттестованных по высокому классу точности. Известно [2], что собственные 8-параметры измерительных портов измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ входят составляющими в величины измеряемых с их помощью коэффициентов передачи и отражения и поэтому должны учитываться. Измерительный порт включает в себя входной разъём и связанный с ним внутренний тракт измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ. Для определения (измерения и вычисления) собственных Б-параметров и применяют режим аттестации (калибровки). Аттестация измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ заключается в вычислении собственных 8-параметров его измерительных портов, как комплексных величин характеризуемых модулем и фазой.

Строго теоретически для нахождения элементов матрицы рассеяния (8-параметров) необходимо физически осуществить режим короткого замыкания и холостого хода на входах аттестуемого четырёхполюсника, что в реальности выполнить невозможно т.к. при напряжении падающей волны на входе испытуемого четырёхполюсника равной нулю, напряжение отражённой волны на его выходе по физике процесса также должно быть равно нулю и первое уравнение системы 8-параметров теряет смысл. Поэтому для целей аттестации применяют эталонные нагрузки КЗ, XX и СН, коэффициенты отражения которых известны в их рабочем диапазоне частот и занесены в калибровочные таблицы (паспортные данные). Все известные способы определения собственных 8-параметров измерителей характеристик четырёхполюсников СВЧ основаны на использовании известного уравнения [8], связывающего коэффициенты отражения одной пары полюсов четырёхполюсника с коэффициентом отражения нагрузки присоединённой к другой паре его полюсов, через собственные Б-параметры этого четырёхполюсника.

Измеряя три эталонные нагрузки КЗ, XX и СН поочерёдно присоединяемые к разъёму аттестуемого измерительного порта измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ на основании измеренных с его помощью коэффициентов отражения нагрузок и используя паспортные, известные значения коэффициентов отражения эталонных нагрузок, составляют уравнения для расчёта неизвестных собственных 8-параметров аттестуемого измерительного порта. Однако измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ определяет эти коэффициенты с погрешностями, которые вызваны погрешностью определения численных величин собственных 8-параметров его измерительных портов, которые в свою очередь возникают из-за погрешности определения численных величин коэффициентов отражения эталонных нагрузок КЗ, XX и СН используемых для определения собственных 8-параметров в процессе их аттестации.

Известные способы определения численных величин собственных 8-параметров измерительных портов устройств для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ эти погрешности не устраняют, что снижает точность измерений. Отсюда следует актуальность задачи поиска путей и методов повышения точности таких измерений.

Основную роль в определении собственных 8-параметров играют средства математической обработки - контроллеры измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ, программы и методы их расчётов, поэтому актуальной является и задача разработки методов позволяющих с максимально высокой точностью определять собственные Б-параметры и снижению времени матобработки.

Государственная поверочная схема для средств измерения полного сопротивления в коаксиальных волноводных МИ 1700-87 предлагает иерархическую структуру в основе которой лежит эталон единицы волнового сопротивления с погрешностью измерения Ксти от 0,2 % до 3 % - мера волнового сопротивления, далее следуют образцовые средства измерений первого и второго разряда и рабочие средства измерений. Следуя традиционным и жёстко соблюдаемым в практической деятельности нормам соотношения погрешности образцового и поверяемого средства измерения 1:3 и выстраивая на этом положении пирамиду от государственного эталона до рабочих средств измерений мы получим погрешности знания их параметров доходящие до 100 %.

В этих условиях требования к эталонным нагрузкам, используемым для поверки приборов многократно возрастают. Все они должны быть аттестованы на аппаратуре эталонного уровня. Специфика современного измерителя характеристик четырёхполюсников СВЧ такова, что эталонные и рабочие средства измерений используют одну и ту же аппаратную базу, при этом их собственные схемотехнические решения имеют погрешности измерений значительно лучше по сравнению с погрешностями вносимыми калибровочными мерами. Отсюда следует задача аттестации калибровочных мер особенно XX и СН с минимально возможными погрешностями и поиск способов их полного исключения. Эта сложная многоплановая задача решение которой требует глубокого анализа путей возникновения таких погрешностей, способов их вычисления и методов их учёта.

Поэтому актуальной является задача разработки оптимальной схемы построения измерителя комплексных характеристик передачи и отражения четырёхполюсников и устройств СВЧ. Решению всех вышеперечисленных задач посвящена данная диссертационная работа.

Объектом исследований являются устройства для измерения параметров -измерители коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

Предметом исследований является способы повышение точности и расширения динамического диапазона устройств, для измерения параметров -коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ

Цель исследований состоит в поиске методов повышения точности определения коэффициентов передачи и отражения измерителями параметров испытуемых четырёхполюсников СВЧ при одновременном расширении динамического диапазона измеряемых ими комплексных коэффициентов передачи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и исследовать аналитическую модель панорамного измерителя параметров: скалярных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ с целью определения причин, ограничивающих динамический диапазон измеряемых ими амплитуд сигналов и влияющих на точность их измерений.

2. Провести анализ измерительного фазового моста СВЧ измерителя параметров комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ, для определения путей и методов расширения их пределов и снижения погрешностей измерений.

3. Исследовать измерители 8-параметров четырёхполюсников СВЧ использующих рефлектометры с целью выявления причин, определяющих пределы и погрешности их измерений.

4. Исследовать влияние амплитудно-фазовой погрешности на точность измерения модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

1 » * I

ИГ V и 1

VI I I ! 1 , 1

Л * 1 ' I , г I ,< ( I >; I 1 >

1 I

I ' I М

5. Провести анализ влияния погрешностей аттестации собственных Б -параметров измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ на его точность.

6. Выполнить поиск и исследование методов повышения точности измерителя 8 - параметров испытуемых четырёхполюсников СВЧ за счёт снижения погрешностей аттестации его входных портов.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Основными причинами, влияющими на динамический диапазон амплитуд панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ, являются шумы и нелинейность вольтамперной характеристики его детекторных диодов, а погрешность таких измерений определяют развязки по испытательному сигналу между выходами его измерительных СВЧ мостов.

2.Найден новый способ расширения динамического диапазона амплитуд панорамного измерителя, скалярных коэффициентов передачи и отражения, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными уравнениями методом выбранных точек и разработан новый измеритель, реализующий этот способ.

3.В результате анализа измерительного фазового моста СВЧ, выявлены причины ограничивающие , пределы и погрешности измерений устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ.

4. Проведен анализ направленного графа рефлектометров, используемых в измерителе 8-параметров четырёхполюсников СВЧ, в результате чего определены пределы и погрешности их измерений.

5.Найден новый способ устранения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений четырёхполюсников СВЧ, создан новый измеритель, реализующий этот способ.

6. Разработана новая методика определения численных величин собственных 8-параметров измерителя модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоединительных разъёмов его входных портов.

Научная новизна:

1. Разработан метод математического анализа структурных схем построения панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ.

2. Предложен новый способ расширяющий динамический диапазон измеряемых амплитуд и повышающий точность их измерений скалярным измерителем коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными функциями.

3. Разработан направленный граф измерительного фазового моста СВЧ, позволяющий рассчитывать пределы и погрешности измерений приборами для измерения комплексных параметров четырёхполюсников СВЧ.

4. Проведён анализ направленного графа рефлектометра, применяемого в измерителе 8-параметров, в результате чего получено выражение для расчёта пределов и погрешностей измеряемых с его помощью комплексных коэффициентов передачи испытуемых четырёхполюсников СВЧ.

5. Предложен новый способ исключения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.

6. Выполнен анализ влияния погрешностей аттестации собственных Б-параметров измерителя комплексных характеристик четырёхполюсников СВЧ, на основе которого, разработан новый способ расчёта численных величин собственных 8-параметров, повышающий точность измерений в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоединительных разъёмов входных портов измерителя 8-параметров.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Проведенные исследования построения скалярных панорамных измерителей коэффициентов передачи и отражения позволили создать новый серийный прибор - Измеритель КСВН и ослаблений Р2-132, Р2-142. и1 ( » и И » м( I м*

И,"•

1 Л

I1 »4 I 4 4 *

5! 4

А '¡^ 1 ч I, ^ > I -V 1

VI Г 1 ■! >>

11, ) I

I!1, Ч

Л 14 '('()

А'»

I' г

V,'

5 1 4 . I < ч Ч * / -'Г'

I ■

АГ(гч,Га,5п)=А(гч-Га)-К + Ах(гд,Га,8п), (50)

Результат измерений с учётом возможного отклонения вызванного погрешностью рассогласования будет иметь вид:

А = А1±[^т{Гч,Гй,8п)\, (51) где Ах - считанный с индикатора результат измерения.

1.4 Анализ нелинейности преобразования сигнала при измерении коэффициент передачи четырёхполюсника

Погрешность преобразования результата измерения: от входа детекторной головки (детектора моста) до индикатора, складываются из следующих, различный по величине, составляющих:

- погрешности детектирования или неквадратичности характеристики детектора;

- погрешности обусловленной воздействием шумов, возникающих в детекторе и измерительном тракте;

- динамической погрешности, возникающей при узких полосах пропускания измерительного тракта;

- погрешностью обусловленной неточностью масштабирования (усиления) измеряемого сигнала усилительным трактом;

- погрешностью аналого-цифрового преобразования измеряемого сигнала;

- погрешностью, вносимой при цифровой обработке сигнала.

Рассмотрим их, начиная с наименьших.

Погрешность цифровой обработки сигналов легко устраняется соответствующим выбором разрядности представляемых величин. В нашем случае она ничтожно мала и дальнейший её учет нецелесообразен.

Погрешность аналого-цифрового преобразования для 12 разрядного АЦП с восьмикратным усреднением результата измерения, составляет величину меньшую ± 0,025 % (± 0,0025 дБ) и в дальнейших расчетах может также не учитываться.

Погрешность масштабирования определяется прецизионными ± 0,5 % резисторами, она контролируется при регулировке измерительного тракта

2. Исследования путей построения измерителей комплексных параметров четырёхполюсников СВЧ послужили базой для создания нового серийного прибора: Измерителя 8 - параметров РК4-71, РК4-74.

3. Выполненные в диссертационной работе исследования способов аттестации собственных 8 - параметров Измерителей комплексных характеристик четырёхполюсников СВЧ, послужили основой опытно-конструкторской работы «Модернизация военных эталонов единиц комплексного коэффициента отражения волноводных трактов ВЭ - 24 и волнового сопротивления в коаксиальных трактах ВЭ - 25», шифр «Харчевник -ВЭ-24-25», проводимой по заказу Главного управления вооружения вооружённых сил РФ.

4. Проведённые исследования построения измерителей 8 - параметров четырёхполюсников СВЧ явились базой для ОКР «Разработка волноводной модификации измерителя 8-параметров РК4-71», шифр «Разгон», заказчик Федеральное космическое агентство ФГУП «ЦНИИ «Комета».

Методы исследований применяемые в процессе выполнения работы включают в себя анализ цепей СВЧ методом линейных электрических цепей применительно к диапазону СВЧ, метод направленных графов цепей СВЧ, метод анализа цепей СВЧ матрицами передачи и рассеяния, способы аппроксимации вольтамперных характеристик нелинейных элементов кусочно-ломанной прямой, степенными функциями методом выбранных точек, методом наименьших квадратов.

Для достижения поставленных задач использовано компьютерное моделирование, программа МасЬсаё 14.0, методы численного анализа.

Апробация диссертационной работы. Результаты исследований докладывались на:

1. Седьмой всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», Поведники Московской обл., 21-23 октября 2008 г.

2. XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2009 г.

3. Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог - Дивноморское, 2009 г.

4. XVI Международной научной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2010 г.

5. XVII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2011 г.

6. XVI Международной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог - Дивноморское, 2011 г.

Публикации. Осн овные результаты исследований опубликованы в трёх статьях журналов включённых в список ВАК, одна из них без соавторов лично диссертантом, по результатам выполненных исследований получены три патента РФ на способ и два патента на устройство.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил все этапы диссертационного исследования, провёл анализ проблемы, постановку задач, проведение научных исследований и проведение экспериментов. Автором предложены структурные схемы построения устройств по двум патентам натурные испытания которых проведены лично автором.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка используемой литературы из 81 наименования и двух приложений.

Основные результаты работы:

1. Проведены исследования методов расширения динамического диапазона амплитуд и путей повышения точности измерений панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ в результате которых выявлены оптимальные пути решения этих задач.

2 Найден новый способ расширения динамического диапазона амплитуд панорамного измерителя скалярных коэффициентов передачи и отражения, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными уравнениями методом выбранных точек и разработан новый измеритель реализующий этот способ, позволяющий получить динамический диапазон амплитуд до 80 дБ и точность измерений достигающую ± 0,01 дБ.

3. Проанализированы причины возникновения погрешностей измерений в устройствах для измерения комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ, одновременно ограничивающих динамический диапазон измеряемых амплитуд сигналов в результате чего предложено схемотехническое решение позволяющее увеличить динамический диапазон амплитуд до 100 и более децибел

4. Исследован измеритель 8-параметров четырёхполюсников СВЧ использующих рефлектометры с целью выявления причин, определяющих пределы и погрешности их измерений.

5. Проведен анализ направленного графа рефлектометров, используемых в измерителе 8-параметров четырёхполюсников СВЧ, в результате чего определены пределы и погрешности их измерений.

5.Найден новый способ устранения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений четырёхполюсников СВЧ создан новый измеритель реализующий этот способ.

6. Разработана новая методика определения численных величин собственных 8-параметров измерителя модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ в условиях априорной вероятности нестабильности

Ш/ШШШгЛШ^ контактов присоединительных разъёмов его входных портов, позволяющая повысить точность измерений.

7. В результате проведенных исследований разработаны и серийно выпускаются измерители КСВН и ослаблений Р2-132, Р2-142 и измерители Б-параметров РК4-71, РК4-73, внешний вид и характеристики которых приведены в приложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Измерения в электронике: Справочник / Под. ред. В.А. Кузнецова - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с. 223-227.

2. Абубакиров Б.А. Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. - с. 135-142.

3. Anritsu Vector Star: Рекламная брошюра. Серия М54640А 2011 г.

4. Agilent PNA Microwave Network Analyzers: Рекламная брошюра Agilent Technologies, 2011 г.

5. ROHDE & SCHWARZ. Контрольно-измерительное оборудование: Каталог 2009. с. 47-59.

6. Разработка волноводной модификации измерителя S-параметров РК4-71, шифр «Разгон»: пояснительная записка этапа технического проекта, г. Краснодар, ОАО «Компания «РИТМ» Заказчик Федеральное космическое агентство. ФГУП «ЦНИИ «Комета», 2010 г.

7. Фельдштейн A.B., Явич JI.P., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: ГЭИ, 1965. - с. 17.

8. Найквиста формула: Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983 с. 443.

9. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988.-с. 288-289.

10. Котельников В.А., Николаев А.И. Основы радиотехники. Ч. 2 М.: Связьиздат, 1954. - с. 159-163.

11. Измерения в электронике: Справочник / Под. ред. В.А. Кузнецова М.: Энергоатомиздат, 1987. - с. 224.

12. Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. М.: Советское радио, 1970.

13. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1 М.: Высшая школа, 1970. -с. 277.

14. Сверхширокополосные микрополосковые устройства / Под ред. А.П. Криницкого, В.П. Мещанова. М.: Радио и связь, 2001. - с. 231-245.

15. Бондаренко И.К., ДейнегаГ.А., Маграчёв З.В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. М.: Советское радио, 1969. - с. 23.

16. Измеритель КСВН панорамный Р2-98-Р2-104, Р2-106-Р2-108. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 0.140.008т0.

17. Технические характеристики детекторного диода 2850 фирмы Hewlett-Packard, 2006.

18. Метрология и радиоизмерения / Под ред. В.И Нефёдова. М.: Высшая школа, 2003. - с. 193-195.

19. СтризаВ.И., БузаеваЕ.В., Радзиевский И.А. Полупроводниковые приборы с барьером Шотки. М.: Советское радио, 1974. - с. 69, рис. 210.

20. Электротехника / Под ред. В.Г.Герасимова. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1985. - с. 137-140.

21. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т.1. -М.: Наука, 1985. с. 276-280.

22. Бахвалов Н.С., Жидков П.Н., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. - с. 83-100.

23. Математическая энциклопедия / Под ред. И.В. Виноградова. 4.1. М.: Советская энциклопедия, 1977. с. 462 - Функции Бесселя.

24. Попов В. П. Основы теории цепей. М.: Высшая школа, 2003. - с. 290296.

25. Полупроводниковые диоды параметры, методы измерений / Под ред. Горюнова H.H., Носова Ю.Р. -М.: Советское радио, 1968г. с. 57-60.

26. Астафьев Ю.Г., Коротков К.С., Мильченко Д.Н., Шевченко И.Н Способ определения амплитудно-частотных характеристик четырёхполюсников СВЧ. -Патент РФ № 2364877, МПК G01R 27/28 опубл. 27.08.2009 Бюл. № 24.

27. Астафьев Ю.Г., Коротков К.С., Мильченко Д.Н., Шевченко И.Н Устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик четырёхполюсников СВЧ. Патент РФ № 2364877, МПК G01R 27/28.

28. Измерения в электронике: Справочник / Под. ред. В.А. Кузнецова М.: Энергоатомиздат, 1987. - с. 224-226.

29. Нефёдов В.И Основы радиоэлектроники и связи. М.: Высшая школа, 2002 г. - с. 301-302.

30. ГОСТ 16423-78. Измерители коэффициентов стоячей волны по напряжению панорамные. Типы. Технические требования. Методы испытаний. Издательство стандартов, 1978. - 8с.

31. ГОСТ 13266-74 Измерители полных сопротивлений коаксиальных и волноводных трактов. Технические требования. Методы испытаний. -Издательство стандартов, 1978. 4с.

32. Коротков К.С. Методы определения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств и преобразованием частоты: Дис. на соиск. учён. степ, д-ра т. наук. Таганрог, 2002 г. - с.42.

33. Badger D. Low-cost Technignes Determine Group Delay// Microwave & RF January, 1985.

34. Проненко В.И. О погрешностях при измерениях фазовых сдвигов и ослаблений // Измерительная техника, 1968.- № 8.

35. Абубакиров Б.А. Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. - с.112-114.

36. Панорамный измеритель разности фаз, коэффициентов передачи РК4-0,01 -0,03 ТО и ИЭ. КНИИ РИА «РИТМ», Краснодар, 1989.

37. Абубакиров Б.А. Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. - с. 135-142.

38. Doug Rytting Advances in microwave error correction techniques// RF & Microwave measurement symposium and exhibition/ Hewlett Packard Santa Rosa, California, 95401, June, 1, 1987.

39. Силаев M.A., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. М.: Советское радио, 1970. - с. 25.

40. Eul Н. j. and Schiek В. A generalazed theory and new calibration // IEEE Trans on microwave theory and techniques, 1991. vol. MTT-39, p. 724-731.

41. Doug Rytting Network analyzer error models an calibration methods. -Agilent technologies, 2006.

42. Thomas C. Bairer «DG85AQ error correction in vector network analyzers» // http: cpliterature agilent. comp May, 19 2009.

43. WR Dealy, DS Farkas «Notas de aplication» // IEEE microwave magazine, June, 10, 2006 p. 70-80.

44. L лЛ • '"iv'чй^'Ол1 '»V' »\Ч * vv < Л1; v.'. vi 4vr vt;\' "A; i

45. Reflectometer measurements revisited: Aplication Note. - Anritsy, January, 2000: rew: B.

46. Фельдштейн A.J1., ЯвичЛ.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: ГЭИ, 1965. с. 117.

47. Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ РК4-71 ТО и ИЭ. -НПО «Кварц», Нижний Новгород.

48. PNA Е8362В: Aplication note, Agilent Technologies.

49. Короткое K.C., Левченко А.С, Мильченко Д.Н., Гатченко М.А. Особенности измерения S-параметров с помощью рефлектометра в диапазоне СВЧ // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2010, № 3, с. 20-24

50. Абубакиров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. - с. 248.

51. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: Советское радио, 1967. - с. 651.

52. Коротков К.С., Мильченко Д.Н. Особенности измерителей использующих рефлектометры для определения S-параметров четырёхполюсников СВЧ // Телекоммуникации. 2011. - № 9. - с. 10-31.

53. Абубакиров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерители параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. - с. 130.

54. Васильев В.И., Гудков И.П. Компьютерная обработка сигналов винтегральных системах. Санкт-Петербург: БХВ, 1998.t 11.\ h't i^iiv i 1 '.KtY o> С. vVH,!"^ iVv v ; , ' * < * К ь, д ^ ,t> \ < W i"1

55. Лапшин В. И., Васильев А. В., Абезгауз Б.Е., Ларионов Ю.П. Измерение параметров гармонических сигналов во вторичных преобразователях на базе ЦОС//Яндекс Windows internet explorer УДК612.377, ЗАО НИИФИ и ВТ Пенза, 2011 г.

56. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / Пер. с англ. М.: ПОСТМАРКЕТ, 2000. - сс. 227-237, 261-264.

57. AD 9240 complete 14-b, 7, 10 msps monolifink AID converter datasheet. URL: http:www.analog devices. company2011

58. ЭЛПА изделия акустоэлектроники и пьезокерамики: Каталог «РИА Деловой мир» изд. №246 ДМ, 1992 г.

59. Белами Дж. Цифровая телефония: Перев. с англ. М.: Связь, 1976. -с. 480.

60. Амплитудно-фазовая конверсия / Под ред. Крылова Г.М. М.: Связь, 1979. - с. 5-12 и 60-63.

61. Measurement Method for determining the equivalent reflection coefficient of directional couplers and power splitters//subject tochange Harald J ages. 08.2002 1 EZ51-1E.

62. Астафьев Ю.Г., Короткое K.C., Мильченко Д.H., Шевченко И.Н Устройство для измерения комплексных коэффициентов четырёхполюсников СВЧ. -Патент РФ 2377583, МПК G01R 27/28. Опубл. 27.12.2009 Бюл.№ 36

63. Кравченко С.А. Калибраторы фазы. Л.: Энергоатомиздат, ленинградское отделение, 1981.

64. Электронные измерительные приборы: Каталог. Нижний Новгород: Нижегородский НИПИ «Кварц», 1996 г., с. 32.

65. Абубакиров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерители параметров радиотехнических цепей. М.: Советское радио, 1984. - с. 145.

66. Thomas С. Baier Error correction in vector network analyzers DG8S4Q, May, 19, 2009, p. 1-13.

67. Силаев M.A., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. М.: Советское радио, 1970. - с. 146.

68. Анализаторы цепей: Каталог-справочник // ЗАО ПФ ЭЛВИРА, e-mail: elv@aha.ru, www.elvira.ru, 2010.

69. Douglas Kent Rutting Improved RF hardware and calibration methods for network analyzer // Network mesurements division Snta Rosa, CA, www.hparchive. corp. 1991.

70. Савин A.A., Губа В.Г. Определение уровня остаточной систематической погрешности векторного анализатора цепей после выполнения однопортовой калибровки // Вестник метрологии № 7 2008, с. 16-21.

71. Мильченко Д.Н. Способ аттестации собственных S-параметров анализатора цепей СВЧ // Экологический вестник научных центров ЧЭС. № 4 2011 г., с. 21-26.

72. Каменецкий М.И. Способ калибровки анализатора цепей / А. с. СССР № 943603 М. Кл3 G01/R 27/38. Опубл. 15.07.82 Бюлл.№ 25.