Способ измерения S-параметров четырехполюсников СВЧ, предназначенных для включения в микрополосковую линию
METHOD OF MEASUREMENT OF SHF QUADRIPOLES S-PARAMETERS INTENDED FOR INCLUSION INTO MICRO-STRIP LINE

Изобретение относится к радиоизмерительной технике СВЧ и может быть использовано для измерения S-параметров четырехполюсников, предназначенных для включения в микрополосковую линию (МПЛ).
Известен двухсигнальный способ измерения S-параметров транзисторов (см. статью Mazumder S.R. Two-signal method of measuring the large-signal S-parameters of transistors / IEEE Trans. – 1978. – Vol. MTT-26, No 6. – P. 417–420), выбранный за аналог, который основан на одновременной подаче на вход и выход транзистора зондирующих сигналов
и
соответственно, формируемых делителем мощности, с последующим измерением двухсигнальных ККО
(1)
на входе  и выходе  транзистора, для  различных относительных сдвигов фаз  (где  изменяется от  до ) зондирующих сигналов  и , а также измерением относительных возбуждений  в виде отношения амплитуд  зондирующих сигналов  и  при непосредственном соединении входов измерительных каналов анализатора и тех же относительных сдвигах фаз  этих зондирующих сигналов;  - мнимая единица. Решение системы уравнений (1) позволяет определить измеренные S-параметры транзистора.
Способ может быть реализован двумя двенадцатиполюсными рефлектометрами, подключенными к общему синтезатору зондирующих сигналов  и , полученных посредством деления мощности сигнала одного генератора и сдвига фазы одного из зондирующих сигналов . В целом такая структура рефлектометров образует анализатор.
Недостатком известного способа является то, что он предполагает, что измерительные каналы анализатора, измеряющего S-параметры, согласованы, то есть нагрузочные ККО  от этих входов при их непосредственном соединении равны нулю . В реальности из-за их неидеальности они не согласованы . Это приводит к существенной и неконтролируемой погрешности измерения S-параметров.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности сходных признаков является двухсигнальный способ измерения S-параметров транзисторов (см. статью Li S.H., Bosisio R.G. Automatic analysis of two-port active microwave network / Electronics Letters. – 1982. – Vol. 18, No 24. – P. 1033–1034) транзисторов, выбранный за прототип. Он основан на одновременной подаче на вход и выход транзистора зондирующих сигналов
и
соответственно, формируемых делителем мощности, с последующим измерением двухсигнальных ККО
(1) на входе
и выходе
транзистора, для двух
различных относительных сдвигов фаз
(
) зондирующих сигналов
и
, а также измерением относительных возбуждений
в виде отношения амплитуд
зондирующих сигналов
и
при непосредственном соединении входов измерительных каналов анализатора и тех же относительных сдвигах фаз
этих зондирующих сигналов;
- мнимая единица.
Решение системы уравнений (1) позволяет определить измеренные S-параметры транзистора в виде:
, ,                     (2)
, .
Способ может быть реализован анализатором.
Недостатком известного способа является то, что он предполагает, что измерительные каналы анализатора, измеряющего S-параметры, согласованы, то есть комплексные коэффициенты отражения  от их входов (нагрузочные ККО) при их непосредственном соединении равны нулю . В реальности из-за их неидеальности они не согласованы . Это приводит к существенной и неконтролируемой погрешности измерения S-параметров.
Задачей заявляемого способа является повышение точности измерения S-параметров четырехполюсников в рассогласованных измерительных каналах анализатора.
заключающемся
согласно изобретению
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе  измерения S-параметров четырехполюсников СВЧ, предназначенных для включения в микрополосковую линию,  в том, что четырехполюсник включают в анализатор, далее измеряют двухсигнальные комплексные коэффициенты отражения на входе и выходе при двух различных относительных сдвигах входного и выходного зондирующих сигналов, а также измеряют двухсигнальные комплексные коэффициенты отражения при непосредственном соединении входов входного и выходного измерительных каналов анализатора встык с последующим определениемS-параметров четырехполюсника,   дополнительно измеряют односигнальные комплексные коэффициенты отражения на входе и выходе четырехполюсника при поочередной подаче на них соответственно входного и выходного зондирующих сигналов, а также односигнальные комплексные коэффициенты отражения входного и выходного измерительных каналов анализатора при непосредственном соединении их измерительных входов встык при поочередной подаче на них соответственно выходного и входного зондирующих сигналов, кроме того, к анализатору подключают сдвоенный согласованный микрополосковый калибратор и дополнительно измеряют его комплексные коэффициенты отражения при поочередной подаче на него входного и выходного зондирующих сигналов, с последующей нормировкой S-параметров четырехполюсника, измеренных в коаксиальных измерительных каналах анализатора, относительно волнового сопротивления этого калибратора.
Введение новых отличительных признаков в известный способ в сочетании с известными признаками обеспечивает достижение поставленной задачи - повышение точности измерения S-параметров четырехполюсников, предназначенных для включения в микрополосковую линию, и положительного технического результата - повышение экономической эффективности систем автоматизированного проектирования усилителей и автогенераторов СВЧ. Исключение какого-либо из новых введенных отличительных признаков нарушает целостность предлагаемого способа и приводит к невозможности достижения поставленной цели и положительного технического результата.
Предлагаемый способ поясняется 2 чертежами.
На фиг.1 показано: а -  сигнальный граф нагруженного четырехполюсника;
б - сигнальный граф непосредственного соединения плоскостей i-i (i=1,2) измерительных входов анализатора встык.
На фиг.2 показана эквивалентная схема замещения КП при подключении к нему согласованного микрополоскового калибратора.
Математическое описание способа.
Для определения двухсигнальных ККО  (1) на входе  и выходе  четырехполюсника, включенного в рассогласованные с нагрузками измерительные каналы анализатора, представим четырехполюсник в виде сигнального графа, показанного на фиг. 1а, где индексация по m для простоты упущена.
Используя правило не касающихся контуров, определим сигналы возбуждения  и  плоскостей  входа  и выхода  четырехполюсника:
;                           (3)
; ,
где  и  - ККО входного  и выходного  измерительных каналов анализатора в плоскостях  подключения к ним четырехполюсника (нагрузочные ККО) и то же ККО в индексации по j. Измерение нагрузочных ККО  и  осуществляют при непосредственном соединении плоскостей  входов входного  и выходного  измерительных каналов анализатора встык.
Взяв отношение  (3), получим:
.         (4)
Для определения относительных возбуждений  (4) представим анализатор при непосредственном соединении плоскостей  входов его входного  и выходного  измерительных каналов встык, как показано на фиг.1б.
В этом случае сигналы возбуждения  и  определим в виде:
; .                   (5)
Взяв отношение  (5), получим
;
откуда
; ,                                  (6)
где  - двухсигнальные ККО, измеряемые при непосредственном соединении плоскостей  входов входного  и выходного  измерительных каналов анализатора встык при тех же двух  различных относительных сдвигов фаз  и зондирующих сигналов  и .
Кроме того, определим односигнальные ККО  на входе  и выходе  четырехполюсника. Полагая в (4) , найдем
.                        (7)
Применяя к сигнальному графу, показанному на фиг.1а,  правило не касающихся контуров, определим комплексные коэффициенты прямой и обратной передачи  четырехполюсника
,                                         (8)
где  - определитель
.                       (9)
Вынося поочередно первые два члена  и  определителя  (9) и осуществляя свертку согласно (7), получим другой его вид
.                (10)
Определитель  (10) обладает фундаментальным свойством - устанавливает связь  и -параметров четырехполюсника через его ККО , что позволяет из (10) и (7) определить значение этих параметров. Для определения - и -параметров можно использовать измеренные ККП  (8) или, как в нашем случае, двухсигнальные ККО  (4).
Из равенства последних двух членов определителя  (10) найдем
,                                                (11)
где  и  - коэффициенты:
, .                        (12)
Подстановка (11) в (7) при  с исключением произведения  дает
.             (13)
Решение двух уравнений (4) при  и  относительно  и при  и  относительно  позволяет определить эти S-параметры:
,                           (14)
.
Таким образом, выражения (11), (13) и (14) устанавливают связь измеренных ККО ,  и  с S-параметрами четырехполюсника, нормированными относительно волнового сопротивления  коаксиальных мер, используемых при калибровке анализатора.
Для нормировки S-параметров (11), (13) и (14) четырехполюсника, измеренных в коаксиальных измерительных каналах анализатора к волновому сопротивлению МПЛ, в которую будет включен этот четырехполюсник при его эксплуатации, необходима дополнительная калибровка анализатора расчетным микрополосковым согласованным калибратором или же двумя отрезками МПЛ (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68), волновое сопротивление которых должно соответствовать волновому сопротивлению МПЛ в которую будет включен четырехполюсник. Так, например, согласованный калибратор содержит МПЛ, которая, с одной стороны, нагружена на согласованную резистивную нагрузку, а с другой, снабжена ленточным выводом. Подключение такого калибратора в плоскости i – i входа коаксиального контактного устройства (ККУ) (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68) показано на фиг. 2, где  - волновое сопротивление отрезка МПЛ, нагруженного на согласованную нагрузку с сопротивлением .
-
В процессе дополнительной калибровки анализатора измеряют ККО  микрополоскового, например, согласованного калибратора в плоскостях i – iего подключения к ККУ. Плоскости i – i физически совпадают с вспомогательными плоскостями , где ККО . Введение плоскостей  обусловлено существованием между плоскостями i – i и  четырехполюсников с параметрами рассеяния (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68). Эти четырехполюсники характеризуют неоднородность, которая существует в плоскостях i – i подключения МПЛ к ККУ. Сами неоднородности обусловлены конструктивным различием МПЛ и ККУ.
-
По измеренным ККО  определяют параметры рассеяния:
(15)
i =
1, 2,
где  - волновое сопротивление ККУ, равное волновому сопротивлению коаксиальных мер, используемых при калибровке анализатора.
-
Нормировка параметров (15) и, следовательно, последующая нормировка измеренных S-параметров (11), (13) и (14) первоначально нормированных относительно волнового сопротивления  коаксиальных мер, используемых при калибровке анализатора, может быть осуществлена относительно произвольного волнового сопротивления  расчетного согласованного микрополоскового калибратора, выбранного для калибровки анализатора.
С учетом -параметров (15)S-параметры (11), (13) и (14) четырехполюсника можно представить в виде каскадного соединения . Тогда -параметры четырехполюсника, нормированные относительно волнового сопротивления  расчетного согласованного микрополоскового калибратора, используемого при дополнительной калибровке анализатора, можно определить из выражений (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68):
(16)
где
Для S-параметров коаксиальных узлов .
Реализация предлагаемого способа.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Исследуемый четырехполюсник включают в анализатор и измеряют двухсигнальные ККО  (4) на его на входе  и выходе , а также измеряют односигнальные ККО  (7) на входе () и выходе () четырехполюсника при поочередной подаче на них соответственно входного  и выходного  зондирующих сигналов, а также односигнальные нагрузочные ККО  (7) входного () и выходного () измерительных каналов анализатора при непосредственном соединении входов этих измерительных входов встык при поочередной подаче на них соответственно выходного  и входного  зондирующих сигналов, кроме того, измеряют двухсигнальные ККО  (6) при непосредственном соединении плоскостей  входов входного  и выходного  измерительных каналов анализатора встык при тех же двух  различных относительных сдвигов фаз  и зондирующих сигналов  и , после чего к анализатору подключают сдвоенный согласованный микрополосковый калибратор и измеряют его односигнальные ККО  (7) при поочередной подаче на него входного  и выходного  зондирующих сигналов, с последующим определением относительных возбуждений  (6) и S-параметров четырехполюсника (11), (13) и (14) и нормировкой (16) S-параметров четырехполюсника, измеренных в коаксиальных измерительных каналах анализатора, относительно волнового сопротивления  этого калибратора.
Технический результат: точное измерение S-параметров устройств СВЧ обеспечивает повышение экономической эффективности проектирования этих устройств за счет сокращения цикла опытно-конструкторских работ в 1,5-2 раза, что достигается за счет необходимости многократной технологической коррекции опытного образца этих устройств.