СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ СВЧ НАГРУЗКИ
METHOD FOR MEASUREMENT OF UHF LOAD REFLECTION FACTOR

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), предназначено для измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузок в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазоне радиоволн и может быть использовано для контроля в процессе производства коэффициента отражения отражающих материалов, например используемых для изготовления рефлекторов антенн.
Известен способ измерения коэффициента отражения в открытом пространстве («Техника измерений на сантиметровых волнах». Пер. с англ. Под ред. Г.А.Ремеза, изд-во Сов. Радио, М.: 1949, стр.333), состоящий в излучении передающей антенной электромагнитной волны в направлении отражающей поверхности, приеме отраженной волны с использованием приемной антенны, измерении амплитуд волн, отраженных от образца отражающей поверхности и эталонной отражающей поверхности с известным коэффициентом отражения и нахождении измеряемого коэффициента отражения как отношения измеренных амплитуд отраженных волн, соответствующих измеряемому образцу и эталонной отражающей поверхности. Известно также изобретение «Способ измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающего покрытия» (RU, пат. 2234101, G01R 27/06, Бюл. 22 от 10.08.04). Способ состоит в последовательном облучении сверхширокополосным сигналом радиопоглощающего покрытия и металлической пластины одинаковых размеров, приеме отраженных от них сигналов и вычислении коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия по отношению мощностей отраженных сигналов от образца материала и металлической пластины.
Недостатком указанных способов является наличие погрешности измерения, связанной с прямым прохождением волны между передающей и приемной антенной. К недостаткам этих способов следует отнести то, что для создания синфазного волнового фронта с равномерным амплитудным распределением требуются большие расстояния, а следовательно, и большие производственные площади, что не позволяет применить эти способы для контроля в процессе производства.
В способе измерения коэффициента отражения с использованием рефлектометра, например, описанного в книге А.Н.Зайцев, П.А.Иващенко, А.В.Мыльников. «Измерения на сверхвысоких частотах», М.: Изд-во стандартов, 1989, стр.33, указанный недостаток устранен. Согласно данному способу ко входам рефлектометра присоединяют генератор СВЧ колебаний и измеряемую нагрузку, измеряют амплитуды волн на выходах рефлектометра, пропорциональных амплитудам падающей и отраженной волн, и рассчитывают коэффициент отражения как их отношение. Недостаток способа состоит в низкой точности при измерении коэффициентов отражения, по модулю близких к единице. Указанный недостаток определяется тем, что при описанном прямом методе измерений коэффициент отражения определяется отношением двух измеренных значений, измеряемых с инструментальной относительной погрешностью, составляющей величину не менее 1…2%. Абсолютная погрешность измерения коэффициента отражения равна удвоенному значению относительной погрешности измерения амплитуд падающей и отраженной волн.
Более высокую точность измерения больших коэффициентов отражения обеспечивают непрямые методы измерения, в которых используется свойство интерференции падающей волны и отраженной от нагрузки. Известен способ измерения в волноводном тракте с использованием измерительной линии (см., например, А.Н.Зайцев, П.А.Иващенко, А.В.Мыльников. «Измерения на сверхвысоких частотах». М.: Изд-во стандартов, 1989 г., стр.35). Согласно этому способу ко входам измерительной линии присоединяют генератор СВЧ-колебаний и измеряемую нагрузку и измеряют распределение напряженности поля вдоль измерительной линии при помощи зонда, определяют ее минимальное и максимальные значения и по ним находят коэффициент отражения. Недостатком способа является то, что для его реализации требуется осуществлять с высокой точностью плавное механическое перемещение зонда. Кроме того, наличие в волноводном канале зонда приводит к искажению интерференционной картины поля в измерительной линии и снижает точность измерения.
Указанный недостаток отсутствует в способе измерения согласно Патенту РФ №2362176 от 24.12.2007. Данный способ заключается в том, что излучатель, соединенный с генератором СВЧ-колебаний, помещают поочередно перед эталонной отражающей поверхностью с известным коэффициентом отражения и поверхностью измеряемого образца, изменяя расстояние между излучателем и отражающей поверхностью, находят максимальное и минимальное значения амплитуды отраженной волны на входе излучателя для эталонной отражающей поверхности и измеряемого образца и по ним находят искомый коэффициент отражения. Недостаток данного способа состоит в недостаточно высокой точности измерения больших коэффициентов отражения из-за возникновения переотраженных волн между отражающей поверхностью и излучателем.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения коэффициента отражения с использованием двойного Т-моста, который принят за прототип изобретения (Ж.Будурис, П.Шеневье. «Цепи сверхвысоких частот», М.: изд-во Сов. Радио, 1979, стр.256). Способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки заключается в том, что измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство для измерения амплитуды и фазы СВЧ колебания, измеряют коэффициент передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения из условия
<mrow><mi>К</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
эт
где Г -коэффициент отражения от эталонной нагрузки;
изм
Г - коэффициент отражения от измеряемой нагрузки.
Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения коэффициентов отражения, близких по модулю к единице, вследствие неидеальной симметрии двойного СВЧ моста. Вследствие неидеальной симметрии СВЧ моста измеренный коэффициент передачи для эталонной и измеряемой нагрузок с коэффициентами отражения, близкими по модулю к единице, равен
<mrow><msub><mi>К</mi><mi>δ</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>δ</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>δ</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где δ - относительная погрешность коэффициента передачи моста,
а измеренный коэффициент отражения равен
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>К</mi><mi>δ</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>δ</mi><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таким образом, найденное согласно данному способу значение коэффициента отражения отличается от действительного значения на удвоенную величину относительной несимметрии коэффициента передачи для плеч двойного СВЧ моста. Для выпускаемых промышленностью СВЧ мостов (см., например, каталог фирмы AIRCOM MICROWAWE (www. Waveguide components.com)) несимметрия составляет величину порядка 0.01…0.02. Это означает, что значение коэффициента отражения может быть измерено с погрешностью порядка ±0.02…0.04. Указанная точность измерения больших коэффициентов отражения, например материалов рефлекторов антенн, контролируемое значение которых находится в пределах 0.95…0.99, является недостаточной.
Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн.
Цель достигается за счет того, что в способе измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ-колебаний и устройство измерения амплитуды и фазы СВЧ-колебаний, и измеряют коэффициент передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста, после чего меняют местами измеряемую и эталонную нагрузки, проводят повторное измерение коэффициента передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения от нагрузки как разность между коэффициентом отражения от эталонной нагрузки и разностью между двумя измеренными коэффициентами передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>К</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> изм</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext>-К</mtext></mrow><mrow><mtext>2 изм</mtext></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения коэффициента отражения.
эт
изм
Способ измерения состоит в следующем (фиг.1). Эталонная нагрузка 2 с коэффициентом отражения Г, близким к единице, подключается плечу "2" СВЧ моста 5, а измеряемая нагрузка 3 с коэффициентом отражения Г - к плечу “3”. Плечо "1" соединяется с выходом СВЧ генератора 1, а к плечу "4" подключается устройство для измерения комплексного коэффициента передачи 4 и производится измерение амплитуды и фазы, т.е комплексного значения коэффициента передачи между плечами "1" и "4". С учетом несимметрии плеч "2" и "3" СВЧ моста измеренный комплексный коэффициент передачи равен
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где δ - относительная погрешность коэффициента передачи из плеча 1 в плечо 3;
2
δ - относительная погрешность коэффициента передачи из плеча 3 в плечо 4.
Приведенное соотношение непосредственно вытекает из свойств двойного СВЧ моста (см., например, Ж.Будурис, П.Шеневье. «Цепи сверхвысоких частот», М.: изд-во Сов. Радио, 1979, стр.256-259). Затем эталонную и измеряемую нагрузки меняют местами и вновь проводят измерение амплитуды и фазы коэффициента передачи между плечами "1" и "4". Второе измеренное значение комплексного коэффициента передачи равно
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow>
Далее вычитаем из первого измеренного значения второе измеренное значение. Разность измеренных величин
и
равна
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из указанного соотношения находится измеряемый коэффициент отражения
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Измеренное значение коэффициента отражения не зависит от наличия асимметрии СВЧ моста. Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении точности измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн за счет устранения погрешности измерения, связанной с наличием несимметрии двойного СВЧ моста.
Два варианта устройств, реализующих способ измерения коэффициента отражения, показаны на Фиг.2 и Фиг.3.
В первом варианте - устройство по заявляемому способу для измерения небольших плоских образцов отражающих материалов (с размерами образцов меньше λ) содержит: генератор СВЧ 1, измеритель коэффициента передачи 4, эталонный образец отражающего материала 2, измеряемый образец 3, двойной СВЧ мост 5.
Эталонный образец отражающего материала 2 выполняется в виде плоской пластины из хорошо проводящего металла, например меди электротехнических марок, с установочными отверстиями для присоединения к выходному фланцу волноводного СВЧ моста. Поверхность его, обращенная к СВЧ мосту, обработана, например, электрополированием до высокого класса чистоты поверхности и защищена хорошо проводящим покрытием, например, путем золочения. Выполненная таким образом эталонная нагрузка имеет коэффициент отражения не менее 0.995.
Измеряемый образец 3 выполняется с размерами и присоединительными отверстиями, соответствующими эталонному образцу.
Двойной СВЧ мост 5 выполнен из отрезков прямоугольного волновода с размерами поперечного сечения соответственно требуемому диапазону частот, снабжен соединительными фланцами со стандартными размерами. Двойные СВЧ мосты являются промышленно выпускаемыми волноводными компонентами, производимыми рядом фирм. Например, фирмой AIRCOM MICROWAWE для диапазона частот 10 ГГц выпускается мост L(102)75, для диапазона частот 36 ГГц - мост (102Ка)00. В качестве измерительного прибора 4 и генератора СВЧ 1 используется измеритель комплексных коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов передачи (векторный анализатор цепей СВЧ) необходимого диапазона частот, например ZVA40, производимый фирмой Rohde&Schwarz (диапазон частот до 40 ГГц, точность измерения коэффициента передачи не хуже 1…2%).
Измерение коэффициента отражения образца осуществляется следующим образом:
1. Проводится предварительная калибровка измерителя комплексных коэффициентов передачи в соответствие с инструкцией по его использованию.
1 изм
2. К измерителю подключается двойной СВЧ мост с установленными эталонным и измеряемым образцами и производится измерение коэффициента передачи К.
2 изм
3. Эталонный и измеряемый образцы меняют местами и проводят повторное измерение коэффициента передачи К.
4. Вычисляется измеренный коэффициент отражения
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
cw
c0
5. Уточняют коэффициент отражения измеряемого образца с целью учета того, что измерение проводилось в волноводе, для которого характеристическое сопротивление Z отличается от характеристического сопротивления в свободном пространстве Z
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>c</mi><mi>w</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>α</mi><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>c</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mtext>                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
по формуле
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>11</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>c</mi><mi>w</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>c</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
Во втором варианте заявляемый способ реализован для измерения коэффициента отражения плоских образцов отражающих материалов с размерами более длины волны. Устройство, реализующее способ, показано на Фиг.3.
Измерение коэффициента отражения образца реализуется следующим образом.
1. Проводится предварительная калибровка измерителя комплексных коэффициентов передачи 6 в соответствие с инструкцией по его использованию.
1 изм
2. К измерителю 6 подключается двойной СВЧ мост 7 с установленными на нем рупорами 2, 3 и присоединенными в их апертурах эталонным 4 и измеряемым 5 образцами и проводится измерение коэффициента передачи К.
2 изм
3. Эталонный и измеряемый образцы меняют местами и проводят повторное измерение коэффициента передачи К.
4. Проводят вычисление измеренного коэффициента отражения
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>К</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
5. Уточняют коэффициент отражения измеряемого образца с целью учета того, что измерение проводилось с использованием рупоров, осуществляющих трансформацию коэффициента отражения образца.
Измеряемый коэффициент отражения нагрузки
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> изм</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext>-К</mtext></mrow><mrow><mtext>2 изм</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
руп
где К - коэффициент трансформации коэффициента отражения участком рупора между его входным фланцем и выходной поверхностью. Коэффициент трансформации определяется для данного рупора заранее, например экспериментально.
Расчеты и эксперименты показывают, что предложенный способ измерения СВЧ-нагрузок позволяет измерять коэффициенты отражения нагрузок, значение которых близко единице, с погрешностью не более 0.01. Способ измерения коэффициента легко реализуется в устройствах, состоящих из серийно выпускаемых промышленностью элементов и приборов. Способ обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности измерения отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн, и может применяться для целей контроля материалов и изделий СВЧ в производственных условиях.