УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКА НА СВЧ
DEVICE TO MEASURE TOTAL RESISTANCE AND NOISE PARAMETERS OF MICROWAVE DIPOLE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ, и может быть использовано в электронной технике СВЧ.
Эффективное проектирование изделий электронной техники СВЧ основано на знании зависимости от частоты полного сопротивления (импеданса) двухполюсника на СВЧ, которое определяется экспериментальным путем с последующей математической обработкой данных измерений.
Известно устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника, содержащее генератор сигнала СВЧ и коаксиальную схему, содержащую измерительную линию передачи, включенную между генератором СВЧ и измеряемым двухполюсником. На частоте f с помощью измерительной линии передачи измеряют две характеристики: модуль Г(f) и фазу Ф(f) коэффициента отражения, а полное (комплексное) сопротивление двухполюсника Z(f), равное сумме активной R(f) и реактивной jX(f) составляющих, рассчитывают по известным математическим формулам [1].
Данное устройство отличается:
повышенной погрешностью, из-за необходимости измерять две частотные характеристики: модуль Г(f) и фазу Ф(f), каждая из которых измеряется с определенной погрешностью, соответственно результирующая погрешность множится,
сложностью автоматизации процесса измерения из-за использования коаксиальной измерительной линии передачи.
Известно устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника, содержащее генератор СВЧ-сигнала, измерители модуля коэффициента передачи и модуля коэффициента отражения и интегральную схему, состоящую из центральной линии передачи, отрезка линии передачи, подключенного к центральному проводнику с помощью электрических ключей - pin-диодов, и второго отрезка линии передачи, гальванически соединенного с линией передачи, при этом измеряемый двухполюсник включен на конце второго отрезка линии передачи [2].
На частоте f в рабочей полосе частот измеряют значения модуля коэффициента отражения Г(f) и модуля коэффициента передачи T(f) и затем по математическим формулам рассчитывают величину Z(f).
При этом отрезок линии передачи, включенный в интегральную схему с помощью электрического ключа (pin-диода), обеспечивает достижение однозначности в определении знака реактивной составляющей импеданса X(f).
По сравнению с предыдущим данное устройство обеспечивает возможность автоматизации процесса измерения и при этом сравнительно легко.
Недостаток данного устройства, как и предыдущего, заключается в повышенной погрешности также из-за необходимости измерения двух частотных характеристик: модуля коэффициента отражения Г(f) и модуля коэффициента передачи T(f), для чего используют два типа измерителей: измеритель модуля коэффициента отражения и измеритель модуля коэффициента передачи.
Кроме того, наличие в данном устройстве существенной неоднородности, а именно Т-образного соединения центральной линии передачи и второго отрезка линии передачи, приводит также к увеличению погрешности измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Известно устройство для определения импеданса двухполюсника на СВЧ, содержащее генератор СВЧ-сигнала, измеритель модуля коэффициента отражения и интегральную схему, состоящую из центрального проводника (центральной линии передачи), отрезка линии передачи, подключенного к центральному проводнику с помощью pin-диода, и второго отрезка линии передачи длиной l, при этом измеритель модуля коэффициента отражения и генератор СВЧ-сигнала расположены на одном конце центрального проводника.
Это устройство с целью существенного упрощения процесса измерения дополнительно содержит второй pin-диод, с помощью которого второй отрезок линии подключен к центральному проводнику в месте, отстоящем от первого отрезка, а измеряемый двухполюсник включен на противоположном от генератора СВЧ-сигнала конце [3] - прототип.
Данное устройство по сравнению с предыдущим аналогом обеспечивает снижение погрешности измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ благодаря исключению:
а) одного из измерителей - измерителя модуля коэффициента передачи,
б) Т-образного соединения центральной линии передачи и второго отрезка линии передачи.
Недостаток этого устройства заключается в:
во-первых, низкой точности измерения из-за использования:
а) измерителя модуля коэффициента отражения, имеющего сравнительно невысокую точность измерения частотной характеристики,
б) в качестве электрических ключей, как и в предыдущем аналоге, сосредоточенных полупроводниковых приборов - pin-диодов,
во-вторых, узкой рабочей полосе частот из-за наличия резонансных частот, обусловленных наличием расстояния между отрезками линий передачи,
в-третьих, сложности устройства, обусловленной использованием pin-диодов, управляющее напряжение на которые подается через фильтры питания.
Техническим результатом заявленного устройства для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ является расширение рабочей полосы частот, повышение точности измерения путем снижения погрешности измерения и упрощение устройства при сохранении возможности автоматизации.
Указанный технический результат достигается в устройстве для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ, содержащем измеритель частотных характеристик и интегральную схему в составе центральной линии передачи, отрезка линии передачи, соединенного с центральной линией передачи, электрических ключей - полупроводниковых приборов, управляемых постоянными напряжениями, измеритель частотных характеристик соединен с одним концом центральной линии передачи, другой ее конец - с измеряемым двухполюсником, согласно изобретению в котором
- в качестве измерителя частотных характеристик используют измеритель спектральной плотности мощности шума,
- интегральная схема выполнена в виде монолитной интегральной схемы на полупроводниковой подложке, при этом отрезок линии передачи выполнен равным одной восьмой длины волны в линии передачи,
- в качестве электрических ключей используют полевые транзисторы с барьером Шотки и функционально, по меньшей мере, в виде одной пары,
при этом
в каждой упомянутой паре исток одного полевого транзистора с барьером Шотки соединен с центральной линией передачи на расстоянии одной восьмой длины волны в линии передачи от места соединения измеряемого двухполюсника и между упомянутыми парами, его сток с одним концом отрезка линии передачи, другой конец которого соединен со стоком другого полевого транзистора с барьером Шотки, его исток заземлен, постоянные управляющие напряжения подают на затворы каждого полевого транзистора с барьером Шотки от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного устройства для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ, в том числе иное соединение элементов устройства, обеспечит, а именно:
использование в качестве измерителя частотных характеристик измерителя спектральной плотности мощности шума обеспечит:
во-первых, упрощение как устройства, так и процесса измерения и, как следствие, повышение точности измерения путем снижения погрешности измерения, благодаря использованию:
а) свойства двухполюсника СВЧ генерировать собственный шумовой сигнал и тем самым возможности исключения генератора шума из устройства,
б) только одного измерителя частотных характеристик - измерителя спектральной плотности мощности шума, в качестве которого используют стандартный измерительный приемник СВЧ (тип П5-9, П5-16 и др.).
Выполнение интегральной схемы в виде монолитной интегральной схемы на полупроводниковой подложке, имеющей существенно меньшие размеры по сравнению с интегральной схемой, равно как и выполнение отрезка линии передачи, равным одной восьмой длины волны в линии передачи, обеспечит расширение рабочей полосы частот.
Более того, последнее (выполнение отрезка линии передачи равным одной восьмой длины волны в линии передачи) обеспечит увеличение интервала между резонансными частотами и, как следствие, - дополнительно к указанному выше снижение погрешности измерения и, соответственно, повышение точности измерения.
Использование в качестве электрических ключей полевых транзисторов с барьером Шотки обеспечит:
а) увеличение числа возможных вариантов состояний монолитной интегральной схемы, и
б) возможность применения статистических методов обработки результатов измерений и, как следствие, дополнительно к указанное выше повышение точности измерения.
При этом число возможных вариантов состояний монолитной интегральной схемы увеличивается с числом каждой из пар полевых транзисторов с барьером Шотки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показана топология заявленного устройства для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ, где
- измеритель частотных характеристик - 1, в виде измерителя спектральной плотности мощности шума,
- монолитная интегральная схема - 2 в составе:
центральной линии передачи - 3,
отрезка линии передачи - 4,
электрических ключей - двух полевых транзисторов с барьером Шотки - 5, 6 соответственно,
- измеряемый двухполюсник - 7,
- два источника постоянного управляющего напряжения - 8, 9 соответственно.
На фиг.2 дана его эквивалентная схема.
На фиг.3 даны измеренные зависимости от частоты спектральной плотности мощности шума (СПМШ) измеряемого двухполюсника с монолитной интегральной схемой в рабочей полосе частот от 1 ГГц до 18 ГГц.
На фиг.4 даны рассчитанные зависимости от частоты активной и реактивной составляющих полного сопротивления и спектральной плотности мощности шума (шумовые параметры) измеряемого двухполюсника СВЧ.
Пример конкретного выполнения
Заявленное устройство для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ содержит:
измеритель частотных характеристик 1 в виде измерителя спектральной плотности мощности шума, тип П5-9,
монолитную интегральную схему 2, выполненную на подложке из арсенида галлия, в составе: центральной линии передачи 3 шириной, равной 0,08 мм, отрезка линии передачи 4, той же ширины и длиной, равной 1 мм, что соответствует одной восьмой длины волны в линии передачи, электрических ключей - двух полевых транзисторов с барьером Шотки 5, 6 соответственно,
измеряемый двухполюсник 7 - лавинно-пролетный диод (ЛПД),
два источника постоянного управляющего напряжения 8, 9 соответственно, тип HP 4142.
При этом
- измеритель частотных характеристик 1 соединен с одним концом центральной линии передачи 3, а другой ее конец - с измеряемым двухполюсником (ЛПД) 7;
- отрезок линии передачи 4 соединен с центральной линией передачи;
- исток одного полевого транзистора с барьером Шотки 5 соединен с центральной линией передачи 3, его сток с одним концом отрезка линии передачи 4, сток другого полевого транзистора с барьером Шотки 6 соединен с другим концом отрезка линии передачи 4, его исток заземлен, постоянные управляющие напряжения подают на затворы каждого полевого транзистора с барьером Шотки 5, 6 от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения 8, 9.
Заявленное устройство для измерения полного сопротивления и шумовых параметров и двухполюсника на СВЧ работает следующим образом.
В диапазоне СВЧ измеряемый двухполюсник 7 при подаче питания генерирует собственный шумовой сигнал.
Спектральную плотность мощности шума (СПМШ) измеряют измерителем частотных характеристик 1 (измеритель спектральной плотности мощности шума, тип П5-9).
Измеренная спектральная плотность мощности шума при отсутствии в системе автоколебаний определяется выражением [4]:
<mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mi>к</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>А</mi><mi>к</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>В</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где f - рабочая частота;
Z(f)=R(f)+j×X(f) - полное сопротивление измеряемого двухполюсника СВЧ 7;
н
н
R - сопротивление нагрузки, обычно R равно 50 Ом;
0
S(f) - спектральная плотность мощности шума - шумовой параметр собственно двухполюсника СВЧ 7;
к
к
к
к
А, В, С, D - элементы матрицы передачи монолитной интегральной схемы 2, содержащей электрические ключи - полупроводниковые приборы, управляемые постоянными напряжениями - полевые транзисторы с барьером Шотки 5, 6 от соответствующих источников 8, 9.
На частоте f измеряют СПМШ для трех комбинаций величин управляющих постоянных напряжений параметра (к=1, 2, 3).
0
Полученные значения СПМШ подставляют в уравнения (1) и получают систему из трех уравнений с неизвестными R, X и S.
0
Сначала исключают из этой системы S и решают систему из двух уравнений:
1
1
1
1
1
1
2
н
2
2
н
2
|(R+jX)(СR+D)+AR+В|=|(R+jX)(СR+D)+АR+В|,
1
1
1
2
1
1
3
н
3
3
н
3
|(R+jX)(СR+D)+AR+B|=|(R+jX)(CR+D)+AR+B|.
0
Полученные значения R(f) и X(f) подставляют в уравнение (1) и определяют S(f).
Данные измерений и расчетов представлены на фиг.3 и 4.
Как видно из фиг.3 и 4, заявленное устройство расширяет рабочую полосу частот от 8 ГГц до 16 ГГц, снижает погрешность измерений в 1,5 раза и, соответственно, повышает точность измерений в 1,5 раза.
Таким образом, заявленное устройство для измерения полного сопротивления и шумовых параметров двухполюсника на СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит расширение рабочей полосы частот в 2 раза, повышение точности измерения в 1,5 раза, упрощение устройства при сохранении возможности автоматизации.
Источники информации
1. Измерения на СВЧ. / Перевод под ред. В.Б.Штейншлейгера / М.: Сов. радио. - 1952 г., - с.87.
2. Патент РФ №2088946, МПК G01R 27/04, приоритет 24.07.1992 г., опубл. 27.08.97 г.
3. Патент РФ №2210082, МПК G01R 27/04, приоритет 09.08.2001 г., опубл.09 08.03 г.
4. Балыко А.К., Мельников А.И., Тагер А.С. Метод измерения полного сопротивления и шумовых характеристик диодов СВЧ // Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1979, выпуск 11, с.93-94.