СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА СВЧ
METHOD OF DETERMINING AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF MICROWAVE FOUR-TERMINAL NETWORK

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при измерениях амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ.
Известен способ измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, применяемый в панорамных измерителях коэффициентов передачи и отражений четырехполюсников СВЧ, заключающийся в том, что мощность испытательного сигнала СВЧ на входе и выходе четырехполюсника СВЧ детектируют опорным и измерительным направленными детекторами, выполненными на основе полупроводниковых детекторных диодов и сравнивают по амплитуде в панорамном индикаторе отношений (Измерительная техника. Справочник. Под ред. В.А.Кузнецова, М.: "Энергоатомиздат". - 1987. - С.224). Однако, этот способ не позволяет проводить измерения при больших уровнях испытательных сигналов СВЧ из-за большой погрешности таких измерений, возникающих вследствие неквадратичности вольтамперной характеристики детекторного диода.
Наиболее близким аналогом является способ измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, заключающийся в том, что дополнительно введена коррекция неквадратичности части вольтамперной характеристики диода измерительного детектора (Измерительная техника. Справочник. Под ред. В.А.Кузнецова, М.: "Энергоатомиздат". - 1987. - С.226).
-5
Все перечисленные способы не позволяют проводить измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ при больших мощностях испытательного сигнала СВЧ на входе измерительного детектора из-за больших погрешностей измерений. Это происходит по следующей причине. Как известно при малых уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ (менее 10 Вт) вольтамперная характеристика полупроводникового диода наиболее точно аппроксимируется полиномом Тейлора второй степени типа
,
где i(t) - ток через детектор,
0
1
2
а, a, a - постоянные коэффициенты,
вх
-5
Вт
U - напряжение, приложенное к детектору, (остальные члены разложения не учитываются), т.е. ток, протекающий через полупроводниковый диод, пропорционален квадрату приложенного к нему напряжения. Это позволяет утверждать, что вольтамперная характеристика полупроводникового диода носит квадратичный характер. В таком случае детекторная характеристика измерительного детектора, которая представляет собой график зависимости напряжения на выходе измерительного детектора от уровня мощности на его входе, в идеальном случае есть прямая линия. Любое отклонение от этой линии есть погрешность измерения и тем большая, чем больше это отклонение. При больших уровнях мощности испытательного сигнала СВЧ (более 10) на входе измерительного детектора вольтамперная характеристика его детекторного диода уже не является квадратичной. Она становится нелинейной и эта нелинейность тем больше, чем больше уровень мощности на входе измерительного детектора. Возникает погрешность измерений вследствие неквадратичности вольтамперной характеристики. В наиболее близком аналоге для снижения этой погрешности применена коррекция неквадратичности вольтамперной характеристики детекторного диода, которую осуществляют путем подачи на детекторный диод разных уровней напряжения смещения от источника постоянного тока. Однако, при больших уровнях мощности вольтамперная характеристика детекторного диода уже не описывается полиномом Тейлора и значит такой способ не пригоден для ее коррекции. Возникающая погрешность измерений не позволяет проводить измерения амплитудно-частотных характеристик при больших уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ на входе измерительного детектора.
Кроме того, вышеописанные способы не учитывают зависимость вольтамперной характеристики, а следовательно, и детекторной характеристики от изменения температуры, как в процессе измерений, так и при смене диода. Известный способ не учитывает комплексный характер входного сопротивления измерительного детектора в рабочем диапазоне частот испытательного сигнала СВЧ. Невозможность проводить измерения амплитудно-частотных характеристик при больших уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ существенно ограничивает и динамический диапазон измерений амплитуд сигналов.
Технической задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности измерений амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ при любых уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ на входе измерительного детектора.
Для решения технической задачи предлагается способ измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, заключающийся в том, что нелинейную часть детекторной характеристики измерительного детектора корректируют до линейной с помощью поправочных величин напряжений, зависящих от уровня мощности на его входе, которые вычисляют путем сравнения построенных в виде графиков идеальной и реальной аппроксимированных детекторных характеристик этого детектора, как разность между ними. Линейную часть аппроксимированной детекторной характеристики воспроизводят путем проведения прямой линии из точки, соответствующей нулю входной мощности и, следовательно, нулю напряжения на выходе измерительного детектора, в точку соответствующую линейному участку детекторной характеристики. Продолжение линейной части детекторной характеристики используют в качестве идеальной детекторной характеристики. Нелинейную аппроксимированную часть реальной детекторной характеристики измерительного детектора строят с помощью коэффициентов, найденных как неизвестные в результате решения системы линейных уравнений, составленных в виде зависимости величины напряжения на выходе измерительного диода от уровня мощности на его входе, для нескольких точек, лежащих на его нелинейной характеристике. Количество же таких точек определяют, исходя из требуемой точности аппроксимации. Зависимость величины напряжения на выходе измерительного детектора от уровня мощности на его входе получают путем подачи на него известного уровня мощности калибровочного сигнала фиксированной частоты, лежащего в его рабочем диапазоне частот. Уровень мощности калибровочного сигнала дискретно меняют путем введения в него известных величин ослаблений, число которых устанавливают равным числу точек для аппроксимации и измеряют величину напряжения на выходе измерительного детектора, соответствующую уровню мощности на его входе.
Способ осуществляют в два этапа с помощью устройств, приведенных на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для калибровки измерительного детектора, на фиг.2 - функциональная схема устройства для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, на фиг.3 - экспериментальная детекторная характеристики, на фиг.4 - график погрешностей измерений.
Устройство для калибровки (фиг.1) содержит: калибратор 1, управляемый аттенюатор 2, измерительный детектор 3, компьютер 4, контроллер 5, панорамный индикатор 6. Устройство для измерения (фиг.2) содержит генератор 7 испытательных сигналов СВЧ, опорный детектор 8, испытуемый четырехполюсник 9 СВЧ, измерительный детектор 3, компьютер 4, контроллер 5, панорамный индикатор 6.
С помощью таких устройств способ осуществляется следующим образом.
В начале производят калибровку измерительного детектора 3, целью которой является нахождение поправочных величин напряжений, для исправления нелинейности детекторной характеристики измерительного детектора 3. С этой целью сравнивают идеальную и реальную детекторные характеристики измерительного детектора 3, которые для этого строят путем их аппроксимации в виде графиков. Аппроксимацию нелинейной части реальной детекторной характеристики осуществляют по нескольким точкам, лежащим на нелинейном участке такой характеристики и полученным в результате вычислений. Линейный начальный участок этой характеристики в виде прямой линии строят по двум точкам, одна из которых соответствует нулю входной мощности и, следовательно, нулю напряжения на выходе измерительного детектора и точку, лежащую на линейном участке детекторной характеристики. Количество точек аппроксимации для графического построения реальной детекторной характеристики определяют, руководствуясь тем, что чем больше точек аппроксимации, тем она точнее. Одновременно с этим чем больше точек аппроксимации, тем сложнее конструктивная реализация управляемого аттенюатора 2, которая представляет значительные технические трудности. На основании многочисленных экспериментальных данных установлено, что четырех точек достаточно для построения нелинейной части детекторной характеристики.
1
1
Данные для вычисления значений точек аппроксимации получают следующим образом. С помощью калибратора 1 генерируют постоянный по уровню мощности калибровочный сигнал фиксированной частоты, лежащей в рабочем диапазоне генератора 7 испытательных сигналов СВЧ и через управляемый аттенюатор 2 подают его на вход измерительного детектора 3. Выбор частоты калибровочного сигнала в рабочем диапазоне генератора 7 испытательных сигналов СВЧ при равномерной входной амплитудно-частотной характеристике позволяет распространять результаты калибровки на весь рабочий диапазон частот устройства. Уровень мощности калибровочного сигнала на выходе калибратора 1 заранее известен (измерен) и заложен в памяти компьютера 4. С помощью управляемого аттенюатора с известной характеристикой вносимого затухания 2 мощность калибровочного сигнала дискретно меняют по программе, заложенной в компьютере 4. При этом положению управляемого аттенюатора "нуль децибел" соответствует максимальный уровень мощности P калибровочного сигнала на входе измерительного детектора 3 и уровню напряжения U на его выходе.
2
3
4
5
2
3
4
5
5
Далее последовательно включают ослабления управляемого аттенюатора 2 "минус" 10, 20, 30 и 40 децибел и, подавая на вход измерительного детектора 3 соответствующие этим ослаблениям уровни мощности Р, Р, P и P калибровочного сигнала, регистрируют соответствующие им величины напряжений U, U, U и U на выходе этого детектора, которые подают на вход компьютера 4. При этом ослаблению управляемого аттенюатора "минус 40 дБ" соответствует мощность Р калибровочного сигнала, лежащая в линейной части детекторной характеристики и соответствующая началу нелинейного участка этой характеристики. В компьютере 4 известен максимальный уровень мощности калибровочного сигнала и величина включенного ослабления. Таким образом известен уровень мощности на входе измерительного детектора 3 и соответствующая этому уровню величина напряжения детекторного сигнала на его выходе. Используя полученные данные и программное обеспечение компьютера 4 в нем составляют систему линейных уравнений вида:
5
решают в компьютере 4 эти уравнения и вычисляют неизвестные а, b, с, d, с помощью которых путем аппроксимации строят сплошную нелинейную часть детекторной характеристики. Ее линейную часть воспроизводят путем проведения прямой линии из точки, соответствующей нулю входной мощности и следовательно нулю напряжения на выходе измерительного детектора, и точку, соответствующую уровню мощности P на его входе при включенном ослаблении управляемого аттенюатора 2 "минус 40 дБ". Продолжение прямой линии линейной части детекторной характеристики принимают за идеальную детекторную характеристику.
Сравнивают идеальную и реальную детекторные характеристики, вычисляют разность напряжений между ними на выходе измерительного детектора 3 в зависимости от мощности на его входе. Эту разность вносят в память контроллера 5. Одновременно в память контроллера 5 вносят и реальную детекторную характеристику измерительного детектора. Таким образом, в контроллере 5 получают информацию о соответствии уровня мощности испытательного сигнала СВЧ на входе измерительного детектора 2, величине корректирующего напряжения для сигнала детектора на его выходе соответствующего линейной детекторной характеристике при любых уровнях испытательного сигнала. Все вышеописанные действия выполняются автоматически, но могут быть выполнены и в ручную, однако это потребует значительных трудозатрат и времени.
После калибровки проводят измерения амплитудно-частотных характеристик испытуемых четырехполюсников 9 СВЧ (фиг.2). С этой целью испытательный сигнал СВЧ, частота которого периодически меняется во времени в рабочем диапазоне частот, подают от генератора 7 испытательных сигналов СВЧ через опорный детектор 8 на вход испытуемого четырехполюсника 9 СВЧ, с выхода которого испытательный сигнал СВЧ подают на вход измерительного детектора 3, в котором его детектируют, и сигнал детектора подают в контроллер 5.
В контроллере 5 в зависимости от уровня сигнала детектора осуществляют коррекцию его величины в зависимости от уровня мощности испытательного сигнала СВЧ и подают на измерительный вход панорамного индикатора 6, на опорный вход которого поступает сигнал от опорного детектора 8.
В панорамном индикаторе 6 эти сигналы сравнивают по уровням напряжений и результат подают на систему вертикального отклонения жидкокристаллического индикатора, на систему горизонтального отклонения которого подают сигнал с компьютера 4, пропорциональный частоте перестройки генератора 7 испытательных сигналов СВЧ.
Таким образом, на экране жидкокристаллического индикатора панорамного индикатора 6 получают истинное панорамное изображение амплитудно-частотной характеристики испытуемого четырехполюсника 9 СВЧ, которую и измеряют.
вых
вх
Экспериментально построенная детекторная характеристика для арсенидо-галлиевых диодов 2850 фирмы Hewlett-Packard приведена на фиг.3, где: U - напряжение на выходе измерительного детектора 3 в мВ, а Р - уровень мощности на входе этого детектора, для которой вычислены коэффициенты аппроксимации: а=0,98; b=10,58; c=-0,81; d=0,23. Сигнал от калибратора 1 имел уровень 40 мВт и частоту 50 МГц. Разность напряжений между идеальной и реальной детекторными характеристиками на входе измерительного детектора 3 при одном и том же уровне мощности на его входе есть погрешность измерения Δ, которую находят из выражения
,
ид
реал
где: U, U - величины напряжений, соответствующие идеальной и реальной детекторным характеристикам соответственно на выходе измерительного детектора при одном и том же уровне мощности на его входе.
вх
-3
Эта погрешность Δ как функция входной мощности Р измерительного детектора 3 в виде графика приведена на фиг.4, из которого видно, что уже при уровне мощности на входе измерительного детектора 10 Вт погрешность Δ достигает величины "минус 5 дБ".
В случае коррекции детекторной характеристики измерительного детектора 3 такая погрешность не превышает "плюс-минус 0,1 дБ" во всем рабочем диапазоне частот и обеспечивает динамический диапазон в 70 дБ, что подтверждено соответствующими протоколами.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ при любых уровнях мощности испытательного сигнала СВЧ на входе измерительного детектора, не нарушающих его целостности с достаточной степенью точности в широком динамическом диапазоне амплитуд.