УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВУХПОЛЮСНИКА НА СВЧ
DEVICE TO MEASURE FULL RESISTANCE OF MICROWAVE-BASED DIPOLE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к измерительной технике на СВЧ, и может быть использовано при проектировании изделий электронной техники СВЧ различного назначения.
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 схему, содержащую измерительную линию, включенную между генератором СВЧ и двухполюсником. На частоте f с помощью измерительной линии 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].
Измерение полного сопротивления двухполюсника с помощью такого устройства:
- во-первых, имеет большую погрешность, так как для определения полного сопротивления Z(f) в рабочей полосе частот необходимо измерять две частотные характеристики: модуль Г(f) и фазу Ф(f), каждая из которых измеряется с определенной погрешностью, соответственно результирующая погрешность множится;
- во-вторых, использование измерительной линии затрудняет осуществление автоматизации процесса измерений.
Известно устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника, содержащее генератор сигнала СВЧ, измерители модуля коэффициента передачи и модуля коэффициента отражения и 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 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 измерений и при этом сравнительно легко.
Недостаток данного устройства, как и предыдущего, заключается в 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.
При этом каждая из характеристик измеряется с определенной погрешностью, при этом результирующая погрешность множитсяю
Другим недостатком устройства является наличие в нем существенной неоднородности, а именно Т-образного соединения центральной линии передачи и второго отрезка линии передачи, что приводит к увеличению погрешности измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Известно устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ, содержащее генератор сигнала СВЧ, измеритель модуля коэффициента отражения, интегральную схему в составе центральной линии передачи, один конец которой соединен с измерителем частотных характеристик, а другой - с двухполюсником, двух одинаковых отрезков линии передачи, соединенных с центральной линией передачи с помощью двух электрических ключей - двух полупроводниковых приборов, в качестве которых используют pin-диоды, управляемые напряжениями [3] - прототип.
Данное устройство по сравнению с предыдущим аналогом:
во-первых, исключает необходимость использования одного из измерителей - измерителя модуля коэффициента передачи,
во-вторых, измерение только одной частотной характеристики - модуля коэффициента отражения - позволяет исключить Т-образное соединение линии передачи и отрезка линии передачи.
И первое, и второе приводит к снижению погрешности измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Недостаток этого устройства заключается:
во-первых, в использовании в качестве электрических ключей сосредоточенных полупроводниковых приборов - pin-диодов, имеющих большой разброс параметров, что снижает точность измерений;
во-вторых, в наличии расстояния между отрезками линий передачи в силу наличия резонансных частот, связанных с этим расстоянием, что не позволяет существенно расширить рабочую полосу частот;
в-третьих, в использовании измерителя модуля коэффициента отражения, имеющего сравнительно невысокую точность измерения частотной характеристики.
Техническим результатом заявленного устройства для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ является расширение рабочей полосы частот и снижение погрешности измерений, упрощение конструкции и возможность автоматизации.
Технический результат достигается устройством для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ, содержащим генератор сигнала СВЧ, измеритель частотных характеристик и интегральную схему в составе центральной линии передачи, двух одинаковых отрезков линии передачи, соединенных с центральной линией передачи посредством двух электрических ключей, при этом генератор сигнала СВЧ и измеритель частотных характеристик соединены с одним концом центральной линии передачи, а другой - с двухполюсником, в качестве электрических ключей используют полупроводниковые приборы, управляемые постоянными напряжениями,
в котором
в качестве измерителя частотных характеристик используют измеритель фазы отраженного сигнала СВЧ,
интегральная схема выполнена в виде монолитной интегральной схемы на полупроводниковой подложке,
при этом отрезки линии передачи выполнены каждый равный одной восьмой длины волны в центральной линии передачи,
в качестве электрических ключей используют полевые транзисторы с барьером Шотки,
при этом электроды каждого полевого транзистора с барьером Шотки соединены - сток с центральной линией передачи на одинаковом расстоянии от двухполюсника, равном одной восьмой длины волны в линии передачи, исток - с одним из концов соответствующего отрезка линии передачи, а постоянные управляющие напряжения подают на затворы, при этом другой конец каждого отрезка линии передачи заземлен.
Раскрытие сущности изобретения
Каждый существенный признак заявленного устройства для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ и их совокупность обеспечат следующее.
Использование в качестве измерителя частотных характеристик измерителя фазы отраженного сигнала СВЧ (далее фазометр) в силу того, что
полная величина фазы отраженного сигнала составляет 360 градусов,
абсолютная погрешность измерений фазометра - 1 градус, а относительная погрешность измерений фазы равна (1/360)=0,0028 или 0,28%,
тогда как абсолютная погрешность измерений модуля составляет 0,01 дБ или 1%.
Из этого следует, что обеспечивается существенное, примерно в три раза, снижение погрешности измерений полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Выполнение интегральной схемы в виде монолитной интегральной схемы на полупроводниковой подложке, предполагающей выполнение всех элементов в планарном виде и при этом в совокупности:
когда отрезки линии передачи выполнены каждый равный одной восьмой длины волны в центральной линии передачи и
когда в качестве электрических ключей - полупроводниковых приборов - используют полевые транзисторы с барьером Шотки, обеспечивает
во-первых, снижение погрешности измерений благодаря:
а) высокой точности и повторяемости изготовления полевых транзисторов с барьером Шотки (электрических ключей),
б) использования в качестве электрических ключей полевых транзисторов с барьером Шотки, каждый из которых имеет суммарную внутреннюю емкость меньшую емкости pin-диода, и тем самым обеспечивающих более качественное переключение из состояния «открыто» в состояние «закрыто»,
в) исключению проволочных соединений электрических ключей с центральной линией передачи и с отрезками линий передачи, имеющих место быть в конструкции прототипа,
во-вторых, расширение рабочей полосы частот, благодаря:
а) уменьшению длины соединительных проводников (микрополосковых линий),
б) уменьшению толщины полупроводниковой подложки и тем самым локализации электромагнитного поля СВЧ в малой области,
в) использованию в качестве электрических ключей полевых транзисторов с барьером Шотки, у которых:
во-первых, как указано выше, суммарная внутренняя емкость каждого меньше емкости pin-диода,
во-вторых, рабочая полоса частот изменяется обратно пропорционально емкости.
Кроме того, данное устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ обеспечит исключение необходимости использования в конструкции:
во-первых, фильтров низких частот для подачи управляющих напряжений,
во-вторых, разрывов в центральной линии передачи для развязки pin-диодов по постоянному току и сигналу СВЧ, поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки в отличие от pin-диодов (в конструкции прототипа), трехэлектродные приборы, обладающие внутренней развязкой по постоянному току и сигналу СВЧ.
И то и другое обеспечивает упрощение заявленной конструкции устройства для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Иное соединение элементов устройства, а именно
соединение стока каждого полевого транзистора с барьером Шотки с центральной линией передачи на одинаковом расстоянии от измеряемого двухполюсника, равном одной восьмой длины волны в линии передачи, позволит исключить отрезок линии передачи между стоками двух полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым избавиться от резонансных частот, связанных с этим расстоянием, что позволит дополнительно существенно расширить рабочую полосу частот.
Заземление другого конца каждого отрезка линии передачи позволит исключить излучение электромагнитной волны СВЧ с открытого конца, уменьшить безвозвратные потери мощности и тем самым дополнительно снизить погрешность измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Итак, заявленное устройство обеспечит в полной мере заявленный технический результат, а именно - расширение рабочей полосы частот и снижение погрешности измерений, упрощение конструкции и возможность автоматизации.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1а дан общий вид заявленного устройства для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ, на фиг.1б - топология его монолитной интегральной схемы, где
- двухполюсник - 1
- генератор сигнала СВЧ - 2,
- измеритель частотных характеристик - измеритель фазы отраженного сигнала СВЧ - 3,
-монолитная интегральная схема - 4,
в составе:
- центральной линии передачи - 5,
- двух одинаковых отрезков линии передачи 6 и 7 соответственно,
- двух электрических ключей - полевых транзисторов с барьером Шотки - 8 и 9 соответственно,
- источники постоянного управляющего напряжения 10 и 11 соответственно.
На фиг.2 изображена его электрическая схема.
На фиг.3 изображены измеренные значения фазы отраженного сигнала Ф(f) в рабочей полосе частот при состояниях каждого из двух полевых транзисторов с барьером Шотки - «открыто» и «закрыто».
На фиг.4 изображены рассчитанные значения активной R(f) и реактивной X(f) составляющих полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Пример
В качестве примера рассмотрен процесс измерения полного входного сопротивления полевого транзистора, включенного как двухполюсник 1 посредством заявленного устройства для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
При этом исток упомянутого полевого транзистора заземлен, затвор соединен с центральной линией передачи с помощью золотого проводника длиной 300 мкм и диаметром 20 мкм.
Устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ содержит:
генератор сигнала СВЧ 2 (типа Г2-67),
измеритель частотных характеристик - измеритель фазы отраженного сигнала СВЧ 3 (фазометр типа Ф2-67),
монолитную интегральную схему 4, выполненную на арсенидгаллиевой подложке толщиной 100 мкм, в составе:
центральной линии передачи 5 шириной, равной 80 мкм,
двух одинаковых отрезков линии передачи 6, 7, выполненых длиной каждый равный одной восьмой длины волны в центральной линии передачи, что соответствует 1 мм, шириной каждый 80 мкм,
двух электрических ключей - полевых транзисторов с барьером Шотки 8, 9, каждый с длиной и шириной затвора 0,3 мкм и 300 мкм соответственно.
При этом генератор сигнала СВЧ 2 и измеритель частотных характеристик 3 соединены с одним концом центральной линии передачи 5, а другой - с двухполюсником 1, два одинаковых отрезка линии передачи 6, 7 соединены с центральной линией передачи посредством двух электрических ключей - полевых транзисторов с барьером Шотки 8, 9, электроды каждого полевого транзистора с барьером Шотки 8, 9 соединены - сток с центральной линией передачи 5 на одинаковом расстоянии от двухполюсника 1, равном 1 мм, что соответствует одной восьмой длины волны в центральной линии передачи 5, исток - с одним из концов соответствующего отрезка линии передачи 6, 7, на затворы подают постоянные управляющие напряжения от соответствующих источников 10, 11, другой конец каждого отрезка линии передачи 6, 7 заземлен.
При этом измерения проводят:
при управляющих напряжениях - (0 и -5) В.
Фазы отраженного сигнала Ф(f) измеряют в рабочей полосе частот 6…18 ГГц.
Работа устройства
На затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки 8, 9 подается попеременно постоянное управляющее напряжение, равное 0 и -5 В, от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения 10, 11 и тем самым получаются четыре различных состояния монолитной интегральной схемы.
Для каждого из этих состояний (i=1, 2, 3) и для каждой частоты f рабочей полосы частот измеряются величины фазы отраженного сигнала СВЧ Фi(f) (i=1, 2, 3).
В результате получается система из четырех уравнений, неизвестными в которых являются две величины: активная R(f) и реактивная X(f) составляющие полного сопротивления двухполюсника.
Попарно математически решаются эти уравнения.
После усреднения решений получаются величины активной и реактивной составляющих полного сопротивления двухполюсника на СВЧ.
Таким образом, заявленное устройство для измерения полного сопротивления двухполюсника на СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
во-первых, расширение рабочей полосы частот,
во-вторых, снижение погрешности измерений, то и другое примерно в три раза,
в-третьих, упрощение конструкции и возможность 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.