СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ S-ПАРАМЕТРОВ
METHOD FOR MEASURING S-PARAMETERS

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано для определения волновых параметров рассеяния (S-параметров) объектов с использованием векторного анализатора цепей в нестандартных линиях передач и в свободном пространстве, а именно, в полосковых линиях (микроэлектронные компоненты: резисторы, поглотители мощности, ЧИП-индуктивности, диоды, транзисторы и т.д.), в металлических и диэлектрических волноводах (волноводные устройства, лампы бегущей волны, аттенюаторы и др.), в свободном пространстве (пластины изоляционных материалов и поглощающих покрытий и др.), а также для перехода из одного волноводного тракта в другой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Все известные способы измерений S-параметров устройств (далее по тексту будет также использоваться термин «исследуемых устройств» как наиболее близкий к принятому в мировой практике обозначению «DUT» - Device-Under-Test) в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве основаны на процедурах исключения влияния на результаты измерений окружающих устройств, например: переходов со стандартной на нестандартную линию передачи, антенн в совокупности с участками свободного пространства между антеннами и объектом измерений.
Известен способ измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве, известный как TRL [1] и включающий измерения S-параметров двух отрезков линии передач, соединяющих между собой переходы со стандартной линии передач на нестандартную линию передач, измерения коэффициентов отражения от переходов в режиме отражения, определение S-параметров переходов с отрезками нестандартных линий с использованием результатов проведенных измерений и дальнейшее выполнении процедуры исключения переходов. В случае измерений в волноводах (закрытых линиях передач) в качестве переходов используют переходы со стандартного коаксиального канала на нестандартную закрытую линию передач, а для измерений в режиме отражения используют соответствующие отражающие нагрузки, выполненные в нестандартных линиях передач. В случае измерений в свободном пространстве в качестве переходов к свободному пространству используют две антенны с изменяемым расстоянием между ними, а для измерений в режиме отражения используют отражающие пластины, расположенные перед антеннами.
Недостатками данного способа являются технические трудности, связанные с обеспечением измерений S-параметров переходов (или антенн) на разных расстояниях друг от друга, а также ограниченный диапазон частот, в котором обеспечивается достаточная точность получаемых результатов. Ограничение диапазона частот и снижение точности измерений возникают в случае, когда разность расстояний между переходами близка к целому числу полуволн.
Известен способ измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве, известный как LRT [2] и включающий измерение S-параметров L-соединения электрически длинной (когда электрическая длина линии L много больше электрической длины переходов) нестандартной линии передачи, включенной между переходами со стандартной линии передачи на нестандартную линию передачи, измерения S-параметров сквозного T-соединения переходов и их каскадного соединения с исследуемым устройством, включенным в разрыве нестандартной линии, измерения коэффициентов отражения от R-соединения переходов с отрезками нестандартных линий передачи в режиме холостого хода или короткого замыкания и последующее вычисление S-параметров исследуемого устройства. Данный способ не имеет явного ограничения по диапазону частот. Технической проблемой (недостатком) LRT-метода является погрешность, возникающая из-за влияния высших типов волн при измерении сквозного соединения Т, что приводит к снижению точности измерения S-параметров устройств.
Известен способ измерения S-параметров двухпортовых объектов в нестандартных линиях передач (LR-метод) с использованием векторного анализатора цепей [3], выбранный в качестве способа-прототипа и заключающийся в проведении одноэтапной LR-калибровки с целью определения параметров модели переходов со стандартной линии передачи на нестандартную линию передачи, проведении измерения каскадного соединения исследуемого устройства и переходов и затем вычислении параметров исследуемого объекта относительно его физических границ (математическом исключении переходов) из приведенных авторами способа-прототипа соотношений. При этом переход может быть заменен более общим термином «искажающий адаптер» и включать в себя дополнительно цепи, необходимые для включения исследуемого устройства (цепи согласования, инжекторы питания и пр.). Указанная выше процедура LR-калибровки состоит в соединении двух переходов нестандартной (электрически длинной) линией передачи длиной L (L-соединение), измерении S-параметров L-соединения в заданном диапазоне частот и определении комплексных коэффициентов отражения коаксиальных разъемов переходов как средних линий квазипериодических функций частоты, затем в осуществлении соединения каждого из двух переходов с отрезком нестандартной линии (R-соединения) с образованием двух электрических цепей X и Y, короткозамкнутых (режим короткого замыкания) или разомкнутых (режим холостого хода) на концах, измерении в каждом R-соединении коэффициентов отражения со стороны их коаксиальных разъемов, и затем в построении 8-компонентной модели искажающего адаптера (для чего определяют коэффициенты отражения цепей X и Y со стороны нестандартных линий, произведений коэффициентов передачи каждой цепи и произведений коэффициентов передачи цепей X и Y в прямом и обратном направлениях). За счет этой процедуры способом-прототипом, по заявлению его авторов, обеспечивается повышение точности измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах с небольшим количеством калибровочных мер, сниженными временными и материальными затратами.
Недостатками способа-прототипа является то, что получаемая по итогам процедуры LR-калибровки 8-компонентная модель переходов (или искажающего адаптера) является симметричной и не учитывает нестабильность переключения (switching terms). Исключение адаптера по приведенным авторами способа-прототипа формулам не учитывает характеристики используемого при измерениях векторного анализатора цепей. Как следствие, можно говорить о недостаточной точности измерения S-параметров с использованием способа-прототипа.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для устранения известных недостатков способа-прототипа была поставлена задача создания способа измерения S-параметров двухпортовых устройств с использованием векторного анализатора цепей в нестандартных линиях передач, характеризующегося повышенной точностью и повторяемостью результатов измерения.
Технический результат заключается в обеспечении возможности учета погрешности, вносимой векторным анализатором цепей при проведении измерений, а также в исключении погрешности, вносимой в измерения нестабильностью переключения (switching terms), и, как следствие, повышению повторяемости результатов измерения.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе измерения S-параметров при измерении с использованием векторного анализатора цепей согласно предлагаемому изобретению проводят калибровку векторного анализатора цепей в стандартной линии передачи для получения 12-компонентной модели искажающего адаптера в стандартной линии передач, учитывающих нестабильность переключения (switching terms), после этого проводят процедуру LR-калибровки для получения 8-компонентной модели искажающего адаптера в нестандартной линии передач, затем проводят процедуру пересчета от 8-компонентной модели в нестандартной линии передач и 12-компонентной модели в стандартной линии передач к комплексной 12-компонентной модели, описывающей переходы (или искажающий адаптер) в нестандартной линии передач, после чего проводят измерение параметров каскадного соединения испытуемого устройства и цепей, отнесенных к полученной комплексной 12-компонентной модели переходов (или искажающего адаптера), и затем проводят процедуру математического исключения искажающего адаптера, описанного комплексной 12-компонентной моделью, для пересчета результатов измерений к физическим границам исследуемого устройства и вычисления его S-параметров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлено графическое описание 12-ти компонентной модели переходов (искажающего адаптера) в стандартной линии передач, где «А» - исследуемое устройство, «S» с различными индексами - S-параметры исследуемого устройства А, «Е» с различными индексами - параметры модели переходов (искажающего адаптера), «а» с различными индексами - комплексные амплитуды падающих волн на соответствующих участках цепи, «b» с различными индексами - комплексные амплитуды прошедших (отраженных) волн на соответствующих участках цепи.
На Фиг. 2 представлено графическое пояснение процедуры калибровки методом LR, где «ИУ» - исследуемое устройство, а величины М с различными индексами - результаты измерения, получаемые в ходе калибровки методом LR.
На Фиг. 3 представлено графическое описание 8-компонентной модели переходов (искажающего адаптера) в нестандартной линии передач, рассчитанной по результатам калибровки методом LR, где «А» - исследуемое устройство, «X» и «Y» - входные и выходные цепи перехода (искажающего адаптера) соответственно, «S» с различными индексами - S-параметры исследуемого устройства А, «е» с различными индексами - параметры модели перехода (искажающего адаптера), «а» с различными индексами - комплексные амплитуды падающих волн на соответствующих участках цепи, «b» с различными индексами - комплексные амплитуды прошедших (отраженных) волн на соответствующих участках цепи.
На Фиг. 4 представлено графическое описание математической модели переходов (искажающего адаптера), включающей одновременно результаты расчета 12-ти компонентной модели переходов (искажающего адаптера) в стандартной линии передач и результаты расчета 8-компонентной модели переходов (искажающего адаптера) в нестандартной линии передач, где все обозначения соответствуют обозначениям, принятым на фиг. 1 и фиг. 3.
На Фиг. 5 представлено графическое описание комплексной 12-компонентной модели переходов (искажающего адаптера) в нестандартной линии передач, где «A» - исследуемое устройство, «S» с различными индексами - S-параметры исследуемого устройства А, «Е» с различными индексами - параметры модели переходов (искажающего адаптера), «а» с различными индексами - комплексные амплитуды падающих волн на соответствующих участках цепи, «b» с различными индексами - комплексные амплитуды прошедших (отраженных) волн на соответствующих участках цепи.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленный способ в общем случае реализуют следующим образом в следующей последовательности этапов:
1) До процедуры LR-калибровки дополнительно проводят калибровку векторного анализатора цепей в стандартной линии передачи (к примеру, в коаксиальном тракте для большинства векторных анализаторов цепей), т.е. осуществляют первый этап калибровки. При этом для калибровки векторного анализатора цепей в стандартной линии передачи (коаксиальном волноводе) может быть использован любой из известных алгоритмов получения 12-компонентной модели искажающего адаптера, учитывающих нестабильность переключения (switching terms), к примеру, алгоритмы TOSM или SOLT [4]. При этом нагрузки, используемые при калибровке векторного анализатора цепей, подключают к первому и второму портам векторного анализатора цепей, используемым на дальнейших этапах для подключения переходов и исследуемых двухпортовых устройств. На данном этапе допускается перенос плоскости калибровки, т.е. подключение калибровочных нагрузок (мер) через дополнительные цепи (соединительные кабели, направленные ответвители, инжекторы питания и др.), без перехода на нестандартные линии передач. Получаемая по результатам первого этапа калибровки модель искажающего адаптера, описываемая 12-ти компонентной моделью, представлена на Фиг. 1.
2) Подключают к первому и второму портам векторного анализатора цепей, в плоскости которых проводилась калибровка на первом этапе, переходы со стандартной линии передачи (например, коаксиальные 50-Омные разъемы портов векторного анализатора цепей) на нестандартную линию передач.
3) Проводят процедуру LR-калибровки (второй этап калибровки) (Фиг. 2), близкую в процедуре, проводимой в способе-прототипе, которую, однако дополняют расчетом уточненных коэффициентов отражения мер отражающих стандартов. Так, при LR-калибровке последовательно измеряют параметры длинной линии длиной L, отражающего стандарта длиной L/2 и испытуемого устройства, находящегося от переходов на расстоянии L/2.
Далее по результатам проведенных измерений восстанавливают 8-компонентную модель переходов (искажающего адаптера) (Фиг. 3).
Модель искажающего адаптера при LR-калибровке описывается двумя матрицами рассеяния:
где ,  - матрицы рассеяния, описывающие входную и выходную цепи переходов (искажающего адаптера).
Расчет параметров 8-компонентой модели переходов (искажающего адаптера) на втором этапе калибровки проводят в следующей последовательности:
- Определяют направленность  как среднюю линию коэффициента отражения линии , а  - как среднюю линию коэффициента отражения линии ;
- Проводят первый шаг итерационной процедуры. Согласование источника  и , а также отношение  описываются следующими формулами:
- Далее проводят итерационную процедуру по нижеприведенным формулам, которая сходится на третьем-четвертом шаге:
- Определяют поправки на отражение в прямом и обратном направлении по следующим формулам:
- Уточняют коэффициенты отражения мер отражающих стандартов по следующим формулам:
где
4) На третьем этапе калибровки дополнительно проводят процедуру пересчета от комбинированной модели переходов (или искажающего адаптера), состоящей из 8-компонентной модели в нестандартной линии передач (результат выполнения второго этапа калибровки) и 12-компонентной модели в стандартной линии передач (результат выполнения первого этапа калибровки) (Фиг. 4), к комплексной 12-компонентной модели, описывающей переход (или искажающий адаптер) в нестандартной линии передач (Фиг. 5).
Комбинированная модель переходов (или искажающего адаптера) - 20-компонентная модель, представленная на Фиг. 4 и включающая в себя параметры, значения которых были определены на первом и втором этапах калибровки, т.е. параметры определенных ранее 8- и 12-компонентной моделей.
Комплексная 12-компонентная модель, описывающая переход (или искажающий адаптер) в нестандартной линии передач - модель, представленная на Фиг. 5 и включающая в себя все те же источники погрешности, учтенные при определении значений комбинированной модели переходов, но пересчитанная на меньшее общее число параметров модели для большего удобства ее дальнейшего использования.
Расчет параметров комплексной 12-компонентной модели искажающего адаптера проводят по следующим формулам:
5) Далее после завершения процедуры трехэтапной калибровки согласно предлагаемому изобретению проводят измерение параметров каскадного соединения испытуемого устройства и цепей, отнесенных к полученной комплексной 12-компонентной модели переходов (или искажающего адаптера). Данная процедура аналогичная процедуре, проводимой согласно способу-прототипу.
6) После этого проводят процедуру математического исключения адаптера для пересчета результатов измерений к физическим границам исследуемого устройства и вычисления его S-параметров с использованием следующих формул:
где  а  - измеренные отношения волн.
С использованием приведенных выше процедур достигается заявленный технический результат, а именно повышенная точность и повторяемость результатов измерения за счет использования более полной модели искажающего адаптера при калибровке, в т.ч. с введением поправок в коэффициенты отражения используемых мер отражающих стандартов.
Литература
1. Glenn F. Engen, Cletus A. Hoer, Thru-Reflect-Line": An Improved Technique for Calibrating the Dual Six-Port Automatic Network Analyzer // IEEE Transactions Microwave Theory And Techniques, vol. MTT-27, no. 12, December 1979.
2. Лавричев О.В., Никулин С.М. LRT-метод определения параметров объектов в нестандартных направляющих системах // Журнал Датчики и системы. - М.: 2017, №8-9, с. 39-44.
3. Евсеев В.И., Никулин СМ. Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах // Патент РФ на изобретение №2710514, заявка 2018138716 от 01.11.2018 г.
4. Doug Rytting, Network Analyzer Error Models and Calibration Methods // Agilent Technologies presentation. Режим доступа: https://www.rfmentor.com/sites/default/files/NA_Error_Models_and_Cal_Methods.pdf