УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ И АРГУМЕНТА КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ УЗЛОВ
DEVICE FOR AUTOMATIC MEASUREMENT OF MODULE AND ARGUMENT OF COMPLEX REFLECTION COEFFICIENT OF MICROWAVE NODES

Настоящее техническое решение относится к измерительной технике сверхвысоких частот.
Известно устройство для измерения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволновых узлов, содержащее СВЧ генератор, соединенный с измеряемым микроволновым узлом через отрезок линии передачи с продольной щелью, в которую введен подвижный ненаправленный зонд, подключенный ко входу квадратичного амплитудного детектора, выход которого соединен с индикаторным устройством (см., например, рис. 5.1 на стр. 94 в книге: Данилин А.А. Измерения в технике СВЧ / А.А. Данилин - М: «Радиотехника», 2008. - 184 с.).
Это устройство работает следующим образом. При перемещении вдоль отрезка линии передачи подвижного ненаправленного зонда анализируется амплитудное распределение поля путем квадратичного детектирования ответвляемого сигнала, с помощью индикаторного устройства фиксируются максимумы и минимумы этого распределения на выходе квадратичного амплитудного детектора и по известным формулам определяются модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения микроволнового узла.
Недостатком этого устройства (а также автоматических многозондовых измерителей, построенных на основе анализа амплитудного распределения поля с применением СВЧ диодов) является значительная погрешность измерения при существенных изменениях уровня ответвляемого сигнала: при больших значениях коэффициента стоячей волны в линии передачи; при существенном изменение мощности генератора СВЧ в условиях встроенного контроля параметров микроволновых узлов радиоэлектронных систем из-за изменения режимов работы системы, а также из-за деградации параметров генератора СВЧ в процессе эксплуатации. Указанный недостаток связан с неквадратичностью вольтамперной характеристики СВЧ диода, используемого в квадратичном амплитудном детекторе. Динамический диапазон приемлемого квадратичного детектирования СВЧ диодов составляет (30-40 дБ), что и приводит к погрешности при существенных изменениях уровня ответвляемого сигнала.
Этот недостаток устранен в устройстве, описанном в патенте на изобретение (Гимпилевич Ю.Б., Зебек С.Е. Патент 2683804 Российская Федерация, МПК G01R 27/28. Способ определения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволнового двухполюсника. Заявл. 06.03.2018; опубл. 02.04.19, Бюл. №10. - 18 с.). В этом устройстве реализован способ измерения на основе одновременного анализа как амплитудного, так и фазового распределения поля в линии передачи с использованием квадратурного синхронного детектирования. При этом динамический диапазон изменения входного сигнала расширен до (70-80) дБ. Это устройство выбрано в качестве прототипа, поскольку оно наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству измерения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволновых узлов.
Устройство-прототип содержит СВЧ генератор, который через первичный канал направленного ответвителя падающей волны и отрезок линии передачи соединен с измеряемым микроволновым узлом, введенный в отрезок линии передачи перемещаемый ненаправленный зонд, выход которого подключен к измерительному входу квадратурного детектора, опорный вход которого подключен к выходу вторичного канала направленного ответвителя падающей волны, а выходы соединены с входами блока обработки.
Устройство-прототип работает следующим образом. Подвижный ненаправленный зонд с помощью каретки перемещают вдоль отрезка линии передачи. СВЧ сигнал с выхода этого зонда подается на измерительный вход квадратурного детектора, на опорный вход которого подается опорный сигнал с выхода вторичного канала направленного ответвителя падающей волны. При этом на выходах квадратурного детектора формируется два квадратурных напряжения (I и Q составляющие), которые несут информацию об амплитудном и фазовом распределении поля в линии передачи. Эти два напряжения поступают в блок обработки, где осуществляется извлечение измерительной информации.
Устройство-прототип обладает следующими недостатками: неавтоматизированная процедура измерения, которая предполагает перемещение ненаправленного зонда вдоль линии передачи с помощью каретки в ручном режиме; пониженная точность измерений из-за влияния неравномерности погружения зонда в линию передачи в процессе его перемещения вдоль линии передачи.
Целью изобретения является автоматизация измерительной процедуры и повышение точности измерений.
Данная цель достигается за счет того, что в заявленном устройстве для измерения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволновых узлов, содержащем СВЧ генератор, который через первичный канал направленного ответвителя падающей волны и отрезок линии передачи соединен с измеряемым микроволновым узлом, введенный в отрезок линии передачи первый ненаправленный зонд, выход которого подключен к измерительному входу первого квадратурного детектора, выходы которого соединены с первым и вторым входами блока обработки дополнительно применены второй ненаправленный зонд, второй квадратурный детектор и делитель мощности, причем первый и второй ненаправленные зонды выполнены неподвижными и размещены друг от друга на расстоянии менее половины длины волны вдоль отрезка линии передачи, выход второго зонда подключен к измерительному входу второго квадратурного детектора, выход вторичного канала направленного ответвителя падающей волны соединен со входом делителя мощности, первый выход которого подключен к опорному входу первого квадратурного детектора, а второй выход - к опорному входу второго квадратурного детектора, выходы которого соединены с третьим и четвертым входами блока обработки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является автоматизации измерительной процедуры и повышения точности измерений.
l
l
1
На фиг. 1 изображена схема заявленного устройства для измерения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволновых узлов. Устройство содержит СВЧ генератор 1, направленный ответвитель падающей волны 2, отрезок линии передачи 3, ненаправленные неподвижные зонды 4 и 5, измеряемый микроволновый узел 6, делитель мощности 7, первый квадратурный детектор 8, второй квадратурный детектор 9, устройство обработки 10. Расстояние между первым ненаправленным зондом 4 и вторым ненаправленным зондом 5 обозначено на фиг. 1 как Δ и может быть выбрано любым, но оно должно быть менее половины длины волны в линии передачи. Расстояние от плоскости подключения измеряемого микроволнового узла до плоскости первого ненаправленного зонда обозначено на фиг. 1 как .
Заявленное устройство для измерения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволновых узлов работает следующим образом.
Гармоническое колебание от СВЧ генератора 1 через первичный канал направленного ответвителя падающей волны 2 и отрезок линии передачи 3, в которую введены первый неподвижный ненаправленный зонд 4 и второй неподвижный ненаправленный зонд 5, поступает на измеряемый микроволновый узел 6, модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения которого необходимо определить. Ненаправленные неподвижные зонды 4 и 5 ответвляют незначительную часть мощности СВЧ колебания из отрезка линии передачи 3. Ответвленные СВЧ сигналы с выходов ненаправленных зондов 4 и 5 подаются на измерительные входы первого 8 и второго 9 квадратурных детекторов соответственно. На опорные входы первого 8 и второго 9 квадратурных детекторов подаются опорные сигналы, снимаемые соответственно с первого и второго выходов делителя мощности 7, на вход которого подается СВЧ сигнал с выхода вторичного канала направленного ответвителя прямой волны 2, что обеспечивает строго синхронное детектирование сигналов первым и вторым квадратурными детекторами 8 и 9. Напряжения с выхода квадратурного детектора 8 поступают на первый и второй входы, а с выходов второго квадратурного детектора 9 - на третий и четвертый входы блока обработки 10. В блоке обработки осуществляется обработка измерительной информации, в результате корой определяются модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения измеряемого микроволнового узла.
Будем считать, что измеряемый микроволновый узел 6 имеет комплексный коэффициент отражения  который можно записать в виде
где  ϕ - модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения, значения которых подлежат измерению.
В результате интерференции падающей и отраженной волн в лини передачи возникает режим смешанной волны. Комплексную амплитуду суммарной волны  в плоскости подключения первого ненаправленного зонда 4, который размещен на расстоянии  от плоскости подключения измеряемого микроволнового узла 6, можно записать (см., например, формулу (6.18) на стр. 164 книги Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств / М.А. Силаев, С.Ф. Брянцев - М: «Сов. Радио», 1970. - 248 с.) в виде:
п
где Е- амплитуда падающей волны (начальная фаза падающей волны в плоскости подключения измеряемого микроволнового узла 6 принята равной нулю); β=2π/λ - фазовая постоянная; j - мнимая единица.
Представляя в формулу (2) выражение (1) для ККО  и, применяя формулу Эйлера, получаем
1
Определим амплитуду  и начальную фазу φ суммарной волны в плоскости подключения первого ненаправленного зонда 4, взяв модуль и аргумент выражения (3):
Зная амплитуду (4) и начальную фазу (5) суммарной волны, запишем выражение для гармонического колебания, ответвляемого первым ненаправленным зондом 4 и поступающего на измерительный вход первого квадратурного детектора 8:
u1
1
0
где k, θ- коэффициент передачи и фазовый сдвиг первого измерительного канала до измерительного входа первого квадратурного детектора 8; ω- круговая частота микроволнового колебания; t - текущее время.
2
Аналогично определим амплитуду  и начальную фазы φ суммарной волны в плоскости подключения второго ненаправленного зонда 5. Для определенности положим, что расстояние между зондами равно  где λ - длина волны в линии передачи. С учетом этого получаем:
Зная амплитуду (7) и начальную фазу (8) суммарной волны, запишем выражение для гармонического колебания, ответвляемого вторым ненаправленным зондом 5 и поступающего на измерительный вход второго квадратурного детектора 9:
и2
2
где k, θ- коэффициент передачи и фазовый сдвиг второго измерительного канала до измерительного входа второго квадратурного детектора 9.
o1
o2
Запишем выражения для опорных колебаний u(t), и u(t), которые сформированы на первом и втором выходах делителя мощности и поступают на опорные входы первого 8 и второго 9 квадратурных детекторов:
о1
ol
о2
o2
где k, ψ - коэффициент передачи и фазовый сдвиг первого опорного канала до опорного входа первого квадратурного детектора 8; k, ψ - коэффициент передачи и фазовый сдвиг второго опорного канала до опорного входа второго квадратурного детектора 9.
В соответствии с принципом квадратурного детектирования в первом квадратурном детекторе 8 осуществляется двухканальное перемножение измерительного и опорного колебаний, причем во втором канале опорный сигнал предварительно сдвигается по фазе на - 90° и ограничивается по амплитуде. Запишем выражения для этих произведений с учетом формул (6) и (10):
ol
1
и1
ol
0
где  сдвинутый на - 90° опорный сигнал u(t); k= kk; U - const - амплитуда опорного сигнала после ограничения.
Применив в (12) и (13) известные формулы, получаем:
1
1
1
1
Таким образом, в спектрах выходных напряжений квадратурного детектора 8 появляются постоянные (медленно меняющиеся) I и Qсоставляющие - это первые члены в выражениях (14) и (15). Также в спектрах этих напряжений присутствуют составляющие, частоты которых вдвое превышают частоту микроволнового колебания - это вторые члены в выражениях (14) и (15). Фильтры нижних частот, которые входят в состав первого квадратурного детектора 8, обеспечивает выделение I и Q составляющих и подавление высокочастотных составляющих. Используя (14) и (15), запишем выражения для этих составляющих на выходах первого квадратурного детектора 8:
д1
ф1
ф2
1
1
где, k- коэффициент преобразования первого квадратурного детектора 8; k, k - коэффициенты передачи фильтров низких частот, выделяющих I и Q составляющие соответственно.
Подставляя в (16) и (17) полученные формулы (4) и (5) получаем:
1
1
где  и  - сквозные коэффициенты преобразования для квадратурных составляющих I и Q соответственно;  - фазовая константа для первого квадратурного детектора 8, не зависящая от измеряемых параметров.
2
2
По аналогии, с использованием полученных формул (7) и (8), получаем следующие выражения для составляющих I и Q на выходах второго квадратурного детектора 9:
2
2
д2
ф3
ф4
2
2
где  и  - сквозные коэффициенты преобразования для квадратурных составляющих I и Q соответственно; k- коэффициент преобразования квадратурного детектора КД2; k, k - коэффициенты передачи фильтров нижних частот, выделяющих I и Qсоставляющие соответственно;  - фазовая константа для второго квадратурного детектора, не зависящая от измеряемых параметров.
E
E
1
10
E
2
20
E
3
30
E
4
40
E
10
20
30
10
Для удобства введем понятие относительного уровня амплитуды падающей волны в тракте K - это безразмерная величина, прямо пропорциональное амплитуде падающей волны  При номинальном уровне мощности в тракте величину K целесообразно положить равной единице. При отклонении уровня мощности эта величина будет изменяться прямо пропорционально амплитуде падающей волны  Это позволяет записать: K=KK; K=KK; K=KK; К= KK., где K, K, K, K - сквозные коэффициенты преобразования 1-го, 2-го, 3-го и 4-го каналов, которые не зависят от уровня мощности в тракте и могут быть определены при калибровке прибора при номинальном уровне мощности в тракте.
Для упрощения дальнейшей записи введем следующее обозначение для фазовой константы  которая входит во все измерительные уравнения
0l
02
03
04
01
02
0
Далее будем считать, что независящие от измеряемых параметров сквозные коэффициенты преобразования K, K, K, K и фазовые константы θ, θ, ϕ нам известны. Определение этих констант осуществляется с помощью процедуры калибровки прибора, которая проводится перед измерительной процедурой при номинальной мощности СВЧ генератора.
Объединим (18)-(21) в единую систему измерительных уравнений:
1
1
2
2
E
E
E
E
Напряжения I, Q, I, Q далее поступают на четыре входа блока обработки 10. в котором производится определение измеряемых параметров. Полученная система уравнений (23) содержит четыре уравнения с тремя неизвестными  ϕ, K, является избыточной и может быть решена относительно модуля  и аргумента ϕ комплексного коэффициента отражения, а также относительно K. Знание коэффициента K позволяет дополнительно определить относительный уровень мощности в линии передачи (путем возведения в квадрат этой величины), что является важным при встроенном контроле параметров СВЧ трактов радиоэлектронных систем. Решение системы измерительных уравнений численным методом с использованием итерационных процедур. Моделирование прямого решение этой системы уравнений относительно искомых параметров в пакете математических прикладных программ показало, что для нахождения решения требуется задание очень точных начальных приближений. Однако для искомых параметров  ϕ, K задание начальных приближений с высокой точностью на практике невозможно, поскольку эти величины априори не известны и могут изменяться в широком диапазоне значений. В связи с изложенным, проведем модификацию системы уравнений (23) таким образом, чтобы избежать указанного недостатка. Для этого введем новые переменные:
Далее используем очевидное равенство, вытекающее из (25) и (26):
Проведем замену переменных в системе уравнений (23) в соответствии с (24)-(27). В результате получаем следующую модифицированную систему измерительных уравнений:
E
Эта система содержит 3 неизвестных: X, Y, K. После решения системы уравнений относительно этих неизвестных модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения могут быть рассчитаны по формулам, вытекающим из (24)-(27):
Проведено моделирование оптимального решения модифицированной системы уравнений (28) в пакете прикладных программ с использованием итерационной процедуры, обеспечивающей минимальную
1
1
2
2
среднеквадратическую ошибку из-за невязок в уравнениях системы (процедура «Minerr»). Невязки возникают из-за погрешностей измерения квадратурных составляющих I, Q, I, Q. Моделирование показало, что устойчивые решения системы уравнений (28) наблюдаются во всем диапазоне возможного изменения искомых величин при нулевых начальных приближениях на эти величины.
Таким образом, реализация указанного алгоритма в блоке обработки 10 позволяет определить искомые параметры.
Предлагаемое устройство для измерения модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения микроволновых узлов обладает следующими преимуществами:
- автоматической измерительной процедурой, которая исключает необходимость ручных операций в процессе измерения;
- повышенная точность измерения, полученная за счет исключения погрешности, связанной с неравномерностью погружения зонда в линию передачи в процессе его перемещения и избыточности системы измерительных уравнений, что связано с анализом как амплитудного, так и фазового распределения поля в линии передачи в процессе измерения.
В качестве СВЧ генератора 1 можно использовать стандартный генератор соответствующего диапазона волн (при лабораторных измерениях) или штатный генератор радиоэлектронной системы (при встроенном контроле параметров СВЧ тракта). В качестве направленного ответвителя 2 можно использовать стандартный направленный ответвитель с требуемым значением переходного ослабления соответствующего диапазона волн. В качестве отрезка линии передачи можно использовать отрезок коаксиального, прямоугольного или полоскового волновода (в зависимости от типа линии передачи). В качестве ненаправленных зондов 4, 5 можно использовать емкостные штыри или индуктивные петли. В качестве делителя мощности можно использовать стандартные изделия в соответствующем диапазоне волн. Квадратурные детекторы 8 и 9 можно реализовать в интегральном исполнении, например, на основе стандартной прецизионной микросхемы ADL5382 производства фирмы Analog devices. Блок обработки, который обеспечивает преобразование четырех аналоговых сигналов в цифровые коды, решение системы измерительных уравнений, сохранение результатов измерений, отображение их на экране монитора, а также сервисные функции, можно реализовать на основе персонального компьютера, либо отдельного микроконтроллерного устройства.