Способ измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах
METHOD OF MEASURING S-PARAMETERS OF OBJECTS IN NON-STANDARD GUIDE SYSTEMS

Изобретение относится к технике измерения на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано для определения волновых параметров рассеяния (S-параметров) объектов в нестандартных направляющих системах, 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.), а также в свободном пространстве (пластины изоляционных материалов и поглощающих покрытий и др.).
Все известные способы измерений S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве основаны на процедурах исключения влияния на результаты измерений окружающих устройств: переходов со стандартной на нестандартную линию передачи, антенн с участками свободного пространства между антеннами и объектом измерений.
Известен TRL метод измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах и в свободном пространстве [1]. Этот способ основан на измерении S-параметров двух отрезков линии передачи, соединяющих между собой переходы со стандартного коаксиального канала на нестандартную линию передачи, а также измерения коэффициентов отражения от переходов в режиме отражения. Эти измерения позволяют определить S-параметры переходов с отрезками нестандартных линий с тем, чтобы выполнить процедуру исключения их влияния. В случае измерений в свободном пространстве вместо переходов используют две антенны в качестве переходов к свободному пространству, изменяя расстояние между ними, и отражающую пластину для получения коэффициентов отражения от антенн в режиме отражения.
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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является LRT-метод определения параметров объектов в нестандартных направляющих системах [2]. Метод не имеет явного ограничения по диапазону частот и основан на измерении S-параметров L-соединения переходов электрически длинной нестандартной линией передачи (когда электрическая длина линии L много больше электрической длины переходов), сквозного Т-соединения переходов и их каскадного соединения с объектом, включенном в разрыве нестандартной линии, а также измерении коэффициентов отражения от R-соединения переходов с отрезками нестандартных линий передачи в режиме холостого хода или короткого замыкания с последующей обработкой полученных результатов.
Технической проблемой (недостатком) прототипа является неповторяемость результатов при измерениях характеристик разъемных соединений с отрезками линий разной длины, что приводит к снижению точности измерения S-параметров устройств.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение (LR-метод), и технический результат от его использования, состоят в повышении точности измерения S-параметров устройств в нестандартных направляющих системах с минимальным комплектом калибровочных мер, минимальными временными и материальными затратами.
а
b
Сущность технического решения состоит в соединении двух переходов с внешними коаксиальными разъемами 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 ƒ: , затем в осуществлении соединения каждого перехода с отрезком нестандартной линии (R-соединения), образуя две электрические цепи a и b, короткозамкнутые (режим короткого замыкания) или разомкнутые (режим холостого хода) на конце, измерении в каждом R-соединении коэффициентов отражения  и  со стороны их коаксиальных разъемов и определении на основе цифровой обработки полученных результатов измерений с помощью итерационной процедуры вычислений: - коэффициентов отражения  цепей а и b со стороны нестандартных линий, произведений коэффициентов передачи  каждой цепи и произведений коэффициентов передачи цепей а и b в прямом и обратном направлениях , причем отношение коэффициентов передачи цепей а и b  определяют по результатам измерения коэффициентов отражения  по формуле , a коэффициенты отражения Г, Г от короткозамкнутых или разомкнутых нагрузок нестандартных линий из соотношений:
,
11
21
12
22
после чего включают между цепями а и b измеряемый объект и измеряют S-параметры этого соединения S, S, S, S, а параметры измеряемого объекта  относительно его физических границ определяют из соотношений:
11
22
12
21
в которых , а detS=SS-SS, согласно изобретению при соединении каждого перехода с отрезком нестандартной линии короткозамкнутой или разомкнутой на конце длина каждого из отрезков равна половине длины L (L/2), а коэффициенты отражения  и произведения коэффициентов передачи  каждой цепи а и b, а также произведения коэффициентов передачи цепей произведения  каждой цепи а и b, а также произведения коэффициентов передачи цепей а и b  определяют по результатам измерения S-параметров,  из соотношений:
В вариантах выполнения способа измерения S-параметров объектов в нестандартных направляющих системах в качестве переходов между коаксиальной и нестандартной линией передачи используют:
- коаксиально-полосковые переходы, а в качестве электрически длинной линии полосковую линию, причем отрезки полосковых линий длиной L/2 могут выполняться, как на едином изоляционном основании, так и на отдельных подложках в зависимости от конструкции и условий установки измеряемого объекта между этими линиями.
- коаксиально-волноводные переходы, а в качестве электрически длинной линии используют два отрезка волновода нестандартного сечения длиной L/2, соединенные друг с другом фланцевым соединением, R-соединение переходов с отрезками волноводов длиной L/2 в режиме короткого замыкания в выполняют с помощью металлической пластины, установленной между фланцами волноводов, а измеряемый объект подключают между этими фланцами после удаления пластины короткозамыкателя;
- две антенны с коаксиальными разъемами, установленными на расстоянии L между их раскрывами, а функцию электрически длинной линии передачи выполняет свободное пространство между раскрывами антенн, R-соединение переходов с отрезками нестандартных линий длиной L/2 в режиме короткого замыкания выполняют, помещая отражающую металлическую пластину между антеннами на расстоянии L/2 между ними, а измеряемый объект помещают между антеннами вместо пластины короткозамыкателя.
Последовательность измерительных операций иллюстрируется рисунками, где изображено: фиг. 1 и 4 - L соединение переходов;
фиг. 2 и 5 - R-соединения переходов; фиг. 3 и 6 - соединение переходов с измеряемым объектом X (X - соединение);
фиг. 7 - реализация L соединений: фиг. 7а - в полосковых линиях передачи;
фиг. 7б - в нестандартных волноводах; фиг. 7в - в свободном пространстве;
фиг. 8 - реализация R-соединений: фиг. 8а - в полосковых линиях передачи;
фиг. 8б - в нестандартных волноводах; фиг. 8в - в свободном пространстве;
фиг. 9 - реализация соединений для измерения Х-объекта:
фиг. 9а - в полосковых линиях передачи;
фиг. 9б - в нестандартных волноводах;
фиг. 9в - в свободном пространстве.
На рисунках обозначено: 1, 2 - коаксиально-волноводные переходы; 3 - линия передачи длиной L; 4 - отрезки линии передачи L/2; 5 - измеряемый объект X.
Вначале (фиг. 1 и 4) коаксиально-полосковые переходы 1 и 2 соединяют электрически длинной полосковой линией передачи 3 длиной L (фиг. 7а), коаксиально-волноводные переходы 1 и 2 соединяют двумя отрезками волноводов длиной L/2 (фиг. 7б), а две антенны устанавливают на расстоянии L друг от друга (фиг. 7в), и измеряют S-параметры L-соединения  в заданном диапазоне частот. Переходы 1 и 2 с отрезками длинных линий или антенны со свободным пространством длинной L/2 образуют электрические цепи соответственно а и b, включенные навстречу друг другу. Комплексные коэффициенты отражения этих цепей  со стороны коаксиальных разъемов переходов (антенн) 1 и 2 определяют как средние линии квазипериодических функций  и  частоты ƒ.
Затем (фиг. 2 и 5) коаксиально-полосковые переходы 1 и 2 соединяют с отрезками разомкнутых на конце электрически длинных полосковых линий 4, причем длина каждого из отрезков равна половине длины линии 3 (фиг. 8а), во фланцевом соединении отрезков волноводов длиной L/2 устанавливают короткозамыкающую пластину (фиг. 8б), а между антеннами на расстоянии L/2 устанавливают металлический отражатель (фиг. 8в), и измеряют коэффициенты отражения  от не связанных между собой цепей а и b со стороны их коаксиальных разъемов.
Коэффициенты отражения  и произведения прямого и обратного коэффициентов передачи  цепей а и b определяют из соотношений:
по результатам измерения S-параметров  в коаксиальном канале L-соединения переходов линией 3.
а
b
Отношение коэффициентов передачи цепей а и b  в формулах (1) определяют из соотношения  а коэффициенты отражения Г, Г от короткозамкнутых (или разомкнутых) нагрузок нестандартных линий 4 - из соотношений:
по результатам измерения коэффициентов отражения  от R-соединения переходов.
В качестве измерителя S-параметров и комплексных коэффициентов отражения в коаксиальном канале используют векторный анализатор цепей. Все вычисления по формулам (1)÷(3) выполняют с помощью итерационной (повторяемой) процедуры, по которой все измеренные параметры заводятся ЭВМ и программным способом выполняются необходимые вычисления. На первом шаге вычислений по приведенным формулам коэффициенты отражения  в (2) и (3) полагают равными нулю. Итерационная процедура определения параметров переходов сходится настолько быстро, что результаты вычислений на третьем и четвертом шаге вычислений практически не отличаются друг от друга. Завершающим шагом процедуры определения параметров цепей а и b является вычисление произведения их коэффициентов передачи в прямом  и обратном  направлении:
11
21
12
22
11
22
21
12
При измерении S-параметров S, S, S, S измеряемого объекта 5, устанавливаемого между отрезками длиной линии L/2 нестандартной направляющей системы с переходами 1, 2, как показано на фиг. 3, 6 и 9 а, б, в, искомые величины определяют из соотношений, где det S=SS-SS,  - определители S-матриц:
Потенциально высокая точность определения параметров окружающих цепей а и b предложенным LR-методом объясняется преодолением (так называемой) проблемы неповторяемости характеристик разъемных соединений. Как видно из приведенных соотношений (1), (4), практически все параметры цепей а и b определяются по результатам измерений L-соединения и только отношение , весьма близкое по своему значению к единице, в силу конструктивной симметрии цепей а и b, требует проведения измерения коэффициентов отражения R-соединения. По существу единственным источником методической погрешности LR-метода является процедура определения комплексных коэффициентов отражения цепей а и b  со стороны коаксиальных разъемов как средних линий квазипериодических функций частоты ƒ: .
Таким образом, повышение точности измерения S-параметров измеряемых объектов в нестандартных направляющих системах достигается с минимальным комплектом калибровочных мер (в предлагаемом решении только две калибровочные меры LR, в прототипе три LRT), минимальными временными (сокращение времени на 33%) и материальными затратами.
Литература
1. Михаэль Хибель. Основы векторного анализа цепей. Москва, Издательский дом МЭИ, 2009, с. 133-152.
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.