СВЧ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных конденсаторов с одновременным измерением их СВЧ параметров.
Известна измерительная схема [Б.Я.Авдеев Основы метрологии и электрические измерения / Б.Я.Авдеев., Под ред. Е.М.Душина. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1987 г.] для измерения ВАХ нелинейных конденсаторов, содержащая источник постоянного напряжения, амперметр и вольтметр. Ее недостатками являются отсутствие возможности измерения СВЧ характеристик и, кроме того, измерение ВАХ классическим методом с помощью амперметра и вольтметра часто бывает затруднительным вследствие высоких значений сопротивления R (десятки тераОм).
Известна СВЧ измерительная схема [М.М. Гайдуков Измерение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь сегнетоэлектрических пленок в диапазоне СВЧ / М.М.Гайдуков, А.Б.Козырев, А.С.Рубан и др.// Изв. АН СССР. Сер. «Ф». - 1975. - №5 - С.1076-1079]. Она содержит измерительный резонатор, измерительную СВЧ цепь, цепь управления и источник постоянного напряжения управления, причем СВЧ цепь и цепь управления изолированы друг от друга по постоянному току. Блок - схема измерительной установки и одна из возможных конструкций измерительного резонатора приведены на фиг.1. Исследуемый перестраиваемый конденсатор помещается в разрыв полосковой линии передачи. Короткое замыкание по СВЧ обеспечивается слюдяными блокировочными емкостями. Возбуждение резонатора происходит через штыри связи. Напряжение управления подается от источника постоянного напряжения. Не рассматривая более подробно конструкцию измерительного резонатора отметим еще раз, что цепь СВЧ измерительного сигнала и цепь управления по постоянному напряжению полностью изолированы друг от Друга.
Недостаток известной СВЧ измерительной схемы - отсутствие возможности измерения ВАХ одновременно с измерением СВЧ характеристик.
Технической задачей, решаемой полезной моделью является одновременное измерение как СВЧ параметров, так и ВАХ по постоянному току с помощью одной СВЧ измерительной схемы.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая СВЧ измерительная схема, также как и известная, содержит измерительный резонатор, измерительную СВЧ цепь, цепь управления и источник постоянного напряжения управления, причем СВЧ цепь и цепь управления изолированы друг от друга по постоянному току. Но, в отличие от известной, в цепь управления предлагаемой схемы дополнительно введены линейный конденсатор параллельно исследуемой нелинейной емкости и ключ между источником постоянного напряжения и линейным конденсатором.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет того, что предлагаемая схема может одновременно измерять не только СВЧ параметры, но и ВАХ нелинейных конденсаторов.
н
н
н
н
н
н
Для расширения функциональной возможности измерительной схемы (возможность измерения в одном процессе не только ВФХ и СВЧ потерь, но и ВАХ элемента) предлагается включить в схему СВЧ измерений линейную (не зависящую от управляющего напряжения) емкость С параллельно исследуемой нелинейной емкости и ключ, позволяющий в момент времени полностью отключать источник управляющего напряжения (фиг.2). Наличие емкости С не препятствует измерению ВФХ и потерь, т.к. С находится вне резонансного объема. Эквивалентная схема линейного конденсатора С приведена на фиг.4 (здесь R - сопротивление С по постоянному току).
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг.1 представлена известная СВЧ измерительная схема, содержащая измерительный резонатор, измерительную СВЧ цепь, цепь управления и источник постоянного напряжения управления, причем СВЧ цепь и цепь управления изолированы друг от друга по постоянному току.
На фиг.2 представлена предлагаемая СВЧ измерительная схема.
На фиг.3 представлена эквивалентная схема нелинейного конденсатора с точки зрения потерь по цепям управления (по постоянному току).
На фиг.4 представлена эквивалентная схема линейного конденсатора с точки зрения потерь по постоянному току.
На фиг.5 представлена типичная вольт-фарадная характеристика нелинейного конденсатора.
На фиг.6 представлена типичная зависимость изменения емкости нелинейного конденсатора от времени после размыкания ключа К.
На фиг.7 представлена эквивалентная схема цепи разряда.
Предлагаемая СВЧ измерительная схема (фиг.2) содержит измерительный резонатор 1, измерительную СВЧ цепь 2, цепь управления 3 и источник постоянного напряжения управления 4, причем СВЧ цепь и цепь управления изолированы друг от друга по постоянному току а также линейный конденсатор 5 параллельно исследуемой нелинейной емкости и ключ 6 между источником постоянного напряжения и линейным конденсатором. Применимость электрически управляемых нелинейных конденсаторов (варикапов, варикондов) в СВЧ устройствах определяется целым рядом параметров: вольт-фарадной характеристикой (ВФХ), определяющей величину управляемости, величиной СВЧ потерь, вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяющей потери по цепям управления величиной СВЧ потерь и т.д.
Эквивалентную схему такого элемента с точки зрения потерь по цепям управления можно представить в виде параллельного соединения идеальной управляемой емкости С и сопротивления элемента по постоянному току R (фиг.3). При этом величина R в общем случае зависит от величины управляющего напряжения U и, следовательно, необходимо определение ВАХ во всем диапазоне рабочих (управляющих) напряжений.
н
н
Рассмотрим далее методику измерения ВАХ с помощью модернизированной измерительной СВЧ установки. 1. Производится измерение ВФХ и СВЧ потерь по стандартной методике [М.М.Гайдуков Измерение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь сегнетоэлектрических пленок в диапазоне СВЧ / М.М. Гайдуков, А.Б. Козырев, А.С.Рубан и др.// Изв. АН СССР. Сер. «Ф». - 1975. - №5 - С.1076-1079]. Типичная ВФХ приведена на фиг.5. При этом конденсаторы С и С заряжается до одинакового напряжения U (параллельное включение С и С).
н
2. В момент времени t=0 ключ К размыкается и снимается зависимость С(t). Типичная зависимость С (t) приведена на фиг.6, а эквивалентная схема цепи разряда приведена на фиг.7. Очевидно, что при этом разряжаются как емкость С, так и С.
н
н
3. По определенной выше ВФХ измеряемого образца можно в каждый момент времени t определить величину напряжения на емкостях С и С и, следовательно величину заряда q (t), остающегося в емкости С (q(t)=С U).
4. Построив зависимость q(t) мы можем определить величину тока разряда в каждый момент времени t (I (t)=d q(t)/dt). Каждому мгновенному значению тока соответствует изменяющееся значение напряжения (определяемое по полученной выше ВФХ нелинейного конденсатора) и, следовательно, это и есть ВАХ образца.
Рассмотрим далее требования к элементам схемы.
н
н
1.Величина С выбирается как компромисс между точностью определения ВАХ и временем измерений. Вследствие увеличения величины С при уменьшении напряжения необходимо обеспечить условие С>>С. Для обеспечения возможности измерения с точностью не хуже 1% необходимо обеспечить С≥100 С.
н
н
н
2. Величина сопротивления R должна быть по возможности большей для исключения разряда С через свое внутреннее сопротивление. Для обеспечения возможности измерения с точностью не хуже 1% необходимо обеспечить R≥100 R.
н
н
3. Оценим величину систематической погрешности, связанную с выбором соотношений между С и С и R и R. Легко показать, что эта погрешность определяется суммой отношений этих величин:
н
н
(С/С+R/R) 100%/
Отметим, что хотя предлагаемая полезная модель рассмотрена на примере резонатора на основе симметричной полосковой линии, она может быть применено и для измерительных резонаторов на основе микрополосковой линии и на основе коаксиальной линии. Единственным требованием является изоляция СВЧ и управляющей цепей.
Описание СВЧ измерительной схемы и ее работы доказывает достижение технического результата - расширение функциональных возможностей за счет того, что в цепь управления включен линейный конденсатор параллельно измеряемому нелинейному конденсатору и ключ между источником постоянного напряжения и линейным конденсатором.