СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ СВЧ НАГРУЗКИ
METHOD FOR MEASURING REFLECTION COEFFICIENT OF MICROWAVE LOAD

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), предназначено для измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузок в миллиметровом, сантиметровом, дециметровом и метровом диапазоне радиоволн и может быть использовано для контроля в процессе производства коэффициента отражения отражающих материалов, например используемых для изготовления рефлекторов антенн.
Известен способ измерения коэффициента отражения в открытом пространстве («Техника измерений на сантиметровых волнах». Пер. с англ. Под ред. Г.А. Ремеза, изд-во Сов. Радио, М.: 1949, стр. 333), состоящий в излучении передающей антенной электромагнитной волны в направлении отражающей поверхности, приеме отраженной волны с использованием приемной антенны, измерении амплитуд волн, отраженных от образца отражающей поверхности и эталонной отражающей поверхности с известным коэффициентом отражения и нахождении измеряемого коэффициента отражения как отношения измеренных амплитуд отраженных волн, соответствующих измеряемому образцу и эталонной отражающей поверхности. Известно также изобретение «Способ измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающего покрытия» (RU, пат. 2234101, G01R 27/06, Бюл. 22 от 10.08.04). Способ состоит в последовательном облучении сверхширокополосным сигналом радиопоглощающего покрытия и металлической пластины одинаковых размеров, приеме отраженных от них сигналов и вычислении коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия по отношению мощностей отраженных сигналов от образца материала и металлической пластины.
Недостатком указанных способов является наличие погрешности измерения, связанной с прямым прохождением волны между передающей и приемной антенной. К недостаткам этих способов следует также отнести то, что для создания синфазного волнового фронта с равномерным амплитудным распределением требуются большие расстояния, а, следовательно, и большие производственные площади, что не позволяет применить эти способы для контроля в процессе производства.
В способе измерения коэффициента отражения с использованием рефлектометра, например, описанного в книге А.Н. Зайцев, П.А. Иващенко, А.В. Мыльников. «Измерения на сверхвысоких частотах», М: Изд-во стандартов, 1989, стр. 33, указанный недостаток устранен. Согласно данному способу ко входам рефлектометра присоединяют генератор СВЧ колебаний и измеряемую нагрузку, измеряют амплитуды волн на выходах рефлектометра, пропорциональных амплитудам падающей и отраженной волн, и рассчитывают коэффициент отражения как их отношение. Недостаток способа состоит в низкой точности при измерении коэффициентов отражения, по модулю близких к единице. Указанный недостаток определяется тем, что при описанном прямом методе измерений коэффициент отражения определяется отношением двух измеренных значений, измеряемых с инструментальной относительной погрешностью, составляющей величину не менее 1÷2%. Абсолютная погрешность измерения коэффициента отражения равна удвоенному значению относительной погрешности измерения амплитуд падающей и отраженной волн.
Более высокую точность измерения больших коэффициентов отражения обеспечивают непрямые методы измерения, в которых используется свойство интерференции падающей волны и отраженной от нагрузки. Известен способ измерения в волноводном тракте с использованием измерительной линии (см., например, А.Н. Зайцев, П.А. Иващенко, А.В. Мыльников. «Измерения на сверхвысоких частотах». М.: Изд-во стандартов, 1989 г., стр. 35). Согласно этому способу к входам измерительной линии присоединяют генератор СВЧ колебаний и измеряемую нагрузку и измеряют распределение напряженности поля вдоль измерительной линии при помощи зонда, определяют ее минимальное и максимальные значения и по ним находят коэффициент отражения. Недостатком способа является то, что для его реализации требуется осуществлять с высокой точностью плавное механическое перемещение зонда. Кроме того, наличие в волноводном канале зонда приводит к искажению интерференционной картины поля в измерительной линии и снижает точность измерения.
Указанный недостаток отсутствует в способе измерения согласно патенту РФ №2362176 от 24.12.2007. Данный способ заключается в том, что излучатель, соединенный с генератором СВЧ колебаний, помещают поочередно перед эталонной отражающей поверхностью с известным коэффициентом отражения и поверхностью измеряемого образца, изменяя расстояние между излучателем и отражающей поверхностью, находят максимальное и минимальное значения амплитуды отраженной волны на входе излучателя для эталонной отражающей поверхности и измеряемого образца и по ним находят искомый коэффициент отражения. Недостаток данного способа состоит в недостаточно высокой точности измерения больших коэффициентов отражения из-за возникновения переотраженных волн между отражающей поверхностью и излучателем.
Известен способ измерения коэффициента отражения с использованием двойного Т-моста, (Ж. Будурис, П. Шеневье. «Цепи сверхвысоких частот», М.: изд-во Сов. Радио, 1979, стр. 256). Способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки заключается в том, что измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство для измерения амплитуды и фазы СВЧ колебания, измеряют коэффициент передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения из условия
эт
где Г - коэффициент отражения от эталонной нагрузки;
изм
Г - коэффициент отражения от измеряемой нагрузки.
Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения коэффициентов отражения, близких по модулю к единице, вследствие неидеальной симметрии двойного СВЧ моста. Найденное согласно данному способу значение коэффициента отражения отличается от действительного значения на удвоенную величину относительной несимметрии коэффициента передачи для плеч двойного СВЧ моста. Для выпускаемых промышленностью СВЧ мостов (см., например, каталог фирмы AIRCOM MICROWAWE (www.Waveguide-components.com)) несимметрия составляет величину порядка 0.01÷0.02. Это означает, что значение коэффициента отражения может быть измерено с погрешностью порядка плюс-минус 0.02÷0.04. Указанная точность измерения больших коэффициентов отражения, например материалов рефлекторов антенн, контролируемое значение которых находится в пределах 0.95÷0.99, является недостаточной.
1изм
2изм
изм
эт
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения коэффициента отражения с использованием двойного Т-моста, согласно патенту РФ №2488838, G01R 27/06, который принят за прототип изобретения. Способ измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки заключается в том, что измеряемую и эталонную нагрузки присоединяют к двум развязанным плечам двойного СВЧ моста, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство измерения амплитуды и фазы СВЧ колебания и измеряют коэффициент передачи K между двумя свободными плечами СВЧ моста, отличающийся тем, что после первого измерения меняют местами измеряемую и эталонную нагрузки, производят повторное измерение коэффициента передачи К между двумя свободными плечами СВЧ моста и находят коэффициент отражения от нагрузки Г как разность между коэффициентом отражения от эталонной нагрузки Г и разностью между двумя измеренными коэффициентами передачи между двумя свободными плечами СВЧ моста:
При указанном способе измерения коэффициентов отражения, например материалов рефлекторов антенн, контролируемое значение которых находится в пределах 0.95÷0.99, обеспечивается достаточно высокая точность измерения.
1изм
2изм
Недостатком указанного способа измерения является требование к наличию эталонной нагрузки с коэффициентом отражения, близким к единице и трудоемкость измерения, требующего повторного присоединения эталонной и измеряемой нагрузок к плечам двойного Т-моста и проведения двукратных измерений коэффициента передачи K и K
изм
Для заявленного способа и для ближайшего для него аналога (прототипа) выявлены следующие общие существенные признаки: измеряемую нагрузку присоединяют к одному из плеч СВЧ многополюсника, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и измеряют коэффициент передачи K между двумя свободными плечами.
Технической проблемой заявленного изобретения является сокращение времени измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн и исключение необходимости использования эталонной нагрузки с коэффициентом отражения близким к единице.
изм
изм
Поставленная проблема решается за счет способа измерения коэффициента отражения СВЧ нагрузки, заключающегося в том, что измеряемую нагрузку присоединяют к одному из плеч СВЧ многополюсника, к двум свободным плечам которого присоединяют генератор СВЧ колебаний и устройство измерения амплитуды и фазы СВЧ колебания и измеряют коэффициент передачи K между двумя свободными плечами, в качестве многополюсника СВЧ используют СВЧ тройник, измеряемую нагрузку присоединяют через отрезок линии передачи с длиной L кратной половине длины волны  и находят коэффициент отражения от нагрузки Г как
лп
где K - коэффициент передачи отрезка линии передачи.
Суть изобретения поясняется чертежами.
- на фиг. 1 представлена электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения коэффициента отражения;
- на фиг. 2 показана эквивалентная схема СВЧ тройника с присоединенной к нему через отрезок линии передачи измеряемой нагрузкой;
изм
изм
- на фиг. 3 показана расчетная зависимость K от значения измеряемого коэффициента отражения Г;
- на фиг. 4 показано устройство по заявляемому способу для измерения плоских образцов отражающих материалов в высокочастотных диапазонах;
- на фиг. 5 показано устройство по заявляемому способу для измерения плоских образцов отражающих материалов в низкочастотных диапазонах.
изм
изм
Способ измерения состоит в следующем (фиг. 1). Измеряемая нагрузка 1 с коэффициентом отражения Г через отрезок линии передачи 2 присоединена к плечу 3 СВЧ тройника 4. Плечо 5 СВЧ тройника 4 соединено с выходом генератора СВЧ 6, а к плечу 7 подключается устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи 8 и производится измерение амплитуды и фазы СВЧ колебания, т.е. комплексного значения коэффициента передачи между плечами 5 и 7 - K.
Генератор СВЧ 6 и устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи 8 входят в состав измерителя комплексных коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов передачи 9 (векторный анализатор цепей СВЧ).
СВЧ тройник 4 с присоединенной к нему через отрезок линии передачи 2 измеряемой нагрузкой 1 можно представить как четырехполюсник с эквивалентной схемой (Фиг. 2).
Коэффициент передачи данного четырехполюсника равен (см. например, А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич «Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ». М. Связь 1965. стр. 51)
где у - нормированная проводимость отрезка линии передачи с присоединенной к нему измеряемой нагрузкой.
Значение нормированной проводимости (см. например, А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич «Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ». М. Связь 1965.стр. 50)
где Г - коэффициент отражения отрезка линии передачи с присоединенной к нему измеряемой нагрузкой, равный:
лп
где K - коэффициент передачи отрезка линии передачи, равный
где α - коэффициент затухания в линии передачи.
Таким образом, измеряемый коэффициент передачи равен
изм
изм
Расчетная зависимость K от значения измеряемого коэффициента отражения Г, согласно приведенному соотношению при двух различных значениях потерь в отрезке линии передачи показана на Фиг. 3.
Из указанного соотношения находят измеряемый коэффициент отражения:
Если затухание в линии передачи незначительно, коэффициент передачи отрезка линии передачи близок к единице и значение измеряемого коэффициента передачи отражения приближенно равно:
Если затуханием в линии передачи пренебрегать нецелесообразно, величину К можно определить расчетным путем, используя данные о затухании в линии передачи (согласно, например, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин «Антенны УКВ», Том. 1, М. «Связь», 1977 стр. 50-59 или стр. 66-68), либо путем предварительного измерения.
Два варианта устройств, реализующих способ измерения коэффициента отражения, показаны на Фиг. 4 и Фиг. 5.
Устройство на Фиг. 4 содержит: волноводный СВЧ тройник 4, волноводно-коаксиальные переходы 10, соединительные кабели 11, измеритель комплексных коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов передачи 9 (векторный анализатор цепей СВЧ), отрезок линии передачи 2 (волновода, длиной mλ/2), измеряемую нагрузку 1.
Волноводный СВЧ тройник 4 выполнен из отрезков прямоугольного волновода (плечи 3, 5, 7 на фиг. 1) с размерами поперечного сечения соответственно требуемому диапазону частот, снабжен соединительными фланцами со стандартными размерами. Волноводные СВЧ тройники являются промышленно выпускаемыми волноводными компонентами, производимыми рядом фирм. В качестве измерителя комплексного коэффициента отражения и комплексных коэффициентов передачи 9 используется векторный анализатор цепей СВЧ необходимого диапазона частот, например ZVA40, производимый фирмой Rohde&Schwarz (диапазон частот до 40 ГГц).
Измеряемая нагрузка 1 выполняется с размерами и присоединительными отверстиями, соответствующими фланцу отрезка линии передачи (волновода) 2.
Устройство на Фиг. 5 содержит: коаксиальный СВЧ тройник 4, кабельные разъемы 12, соединительные кабели 11, измеритель комплексных коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов передачи 9, коаксиальный отрезок линии передачи 2, длиной mλ/2, измеряемая нагрузка 1.
Коаксиальный СВЧ тройник 4 выполнен из отрезков жесткой коаксиальной линии с размерами, соответствующими стандартному волновому сопротивлению кабелей 11, снабжен соединительными кабельными разъемами 12 со стандартными размерами. Коаксиальные тройники являются промышленно выпускаемыми волноводными компонентами, производимыми рядом фирм. В качестве измерителя комплексного коэффициента отражения и комплексных коэффициентов передачи 9 используется векторный анализатор цепей СВЧ необходимого диапазона частот, например ZVA40, производимый фирмой Rohde&Schwarz (диапазон частот до 40 ГГц).
Измерение коэффициента отражения образца осуществляется следующим образом:
1. Проводится предварительная калибровка устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи 9 в соответствие с инструкцией по его использованию;
изм
2. К устройству 9 подключается СВЧ тройник 4 с установленным измеряемым образцом - нагрузкой 1 и производится измерение коэффициента передачи К;
3. Вычисляется измеренный коэффициент отражения по формуле (9).
Или при незначительных потерях в отрезке линии передачи 2 по приближенной формуле (10).
изм
нзм
изм
Расчеты и эксперименты показывают, что предложенный способ измерения СВЧ нагрузок позволяет измерять коэффициенты отражения нагрузок, значение которых близко единице, с погрешностью не более 0.01. Так из расчетной зависимости К от величины измеряемого коэффициента отражения, приведенной на Фиг. 3, следует, что изменению К от 0.915 до 0.925 соответствует изменение измеряемого коэффициента передачи не менее 1.6 дБ, а для изменения значений К от 0.985 до 0.975 - не менее 4 дБ. Типичное значение точности измерительных современных приборов составляет величину не хуже 0.3÷0.5 дБ.
Способ измерения коэффициента легко реализуется в устройствах, состоящих из серийно выпускаемых промышленностью элементов и приборов. Способ обеспечивает достижение технического результата изобретения - сокращения времени измерения коэффициентов отражения, например больших коэффициентов отражения от образцов материалов рефлекторов зеркальных антенн и исключение необходимости использования эталонной нагрузки с коэффициентом отражения близким к единице. Способ может применяться для целей контроля материалов и изделий СВЧ в производственных условиях.