Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-УСТРОЙСТВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-УСТРОЙСТВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-УСТРОЙСТВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: для измерения с высокой точностью комплексных параметров СВЧ-устройств. Сущность изобретения: формируют три независимые импульсные последовательности из отсчетов измеренных мощностей путем их перестановок во времени, путем дискретного преобразования Фурье определяют аргументы первого коэффициента разложения этих последовательностей Ψ1 Ψ2, Ψ3 и расчитывают реальную и мнимую части комплексного параметра Г по соответствующим формулам. 3 ил., 3 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2022284
Класс(ы) патента: G01R27/06
Номер заявки: 4948435/09
Дата подачи заявки: 26.04.1991
Дата публикации: 30.10.1994
Заявитель(и): Севастопольский приборостроительный институт (UA)
Автор(ы): Гимпилевич Юрий Борисович[UA]
Патентообладатель(и): Севастопольский приборостроительный институт (UA)
Описание изобретения: Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов отражения, комплексных коэффициентов передачи, полных сопротивлений СВЧ-устройств различного целевого назначения.
В технике измерений на СВЧ широко используется способ, основанный на анализе амплитудного распределения поля вдоль линии передачи (метод измерительной линии). Недостатком этого способа является низкая производительность измерений.
Этот недостаток устранен в способе, основанном на анализе амплитудного распределения поля в дискретных точках линии передачи (так называемый многозондовый метод). Недостатком этого способа является малая широкополосность и, как следствие, низкая точность при работе в полосе частот.
Этот недостаток устранен в способе калибруемого двенадцатиполюсника. Суть способа заключается в том, что осуществляется измерение мощностей на выходах линейного калибруемого двенадцатиполюсника и по ним вычисляют измеряемые параметры. Причем предварительно в процессе калибровки по образцовым мерам на каждой частоте определяют и запоминают эквивалентные параметры многополюсника, которые используются в дальнейшем для расчета измеряемых параметров.
Наиболее близким по технической сущности является способ, который заключается в том, что измеряют мощности на выходах линейного калибруемого двенадцатиполюсника, к которому подключены источник гармонических колебаний и измеряемое устройство, а реальную и мнимую части комплексного параметра рассчитывают по формулам
X = R = (1)
Y = I = (2) где = = , i = 1,2,3 . (3)
Рi - мощности, измеренные на выходах линейного двенадцатиполюсника;
- ноpмированные значения мощностей, причем нормировка осуществляется относительно мощности на выходе индексом "0" (Ро);
Аi, , - эквивалентные параметры, характеризующие i-й выход двенадцатиполюсника;
Un,Vnn - константы, которые однозначно связаны с эквивалентными параметрами двенадцатиполюсника, эти константы рассчитываются на этапе калибровки и запоминаются.
Недостаточно высокая точность определения комплексных параметров по способу-прототипу связана с тем, что существенный вклад в результирующую погрешность вносят шумы. Из-за влияния шумов, возникающих при обработке сигналов, снимаемых с датчиков мощности, измерение мощностей Рiосуществляется с погрешностями, а это в соответствии с формулами (1) и (2) приводит к ошибке в определении составляющих комплексного параметра.
Целью изобретения является повышение точности.
Это достигается тем, что при способе определения комплексных параметров СВЧ-устройств, заключающемся в измерении мощностей на выходах линейного калибруемого двенадцатиполюсника, к которому подключены источник гармонического сигнала и измеряемое устройство, формируют три независимые импульсные последовательности из отсчетов измеренных мощностей путем их перестановок во времени, путем дискретного преобразования Фурье определяют аргументы первого коэффициента разложения этих последовательностей Ψ1, Ψ2, Ψ3 и рассчитывают реальную и мнимую части комплексного параметра по формулам
X = R = (4)
Y = I = (5)
где Мi=tg Ψ i (i=1,2,3);
Сm,Um,Vm (m=0...7) - постоянные величины, определяемые при калибровке.
Таким образом, в отличие от прототипа исходными данными для определения комплексных параметров являются не измеренные мощности, а аргументы коэффициентов разложения Фурье, которые оказываются менее чувствительными к шумам. Это и приводит к новому свойству, заключающемуся в повышении точности определения комплексных параметров. Данное свойство обеспечивается введением заявленных отличительных признаков и без этих признаков не может быть получено.
Таким образом, отличительные признаки заявленного технического решения являются существенными.
На фиг. 1 изображена структурная схема одного из вариантов устройства для измерения комплексного коэффициента отражения на основе калибруемого двенадцатиполюсника; на фиг.2 - структурная схема возможной реализации блока измерения мощности; на фиг.3 - эпюры дискретных сигналов, полученных из отсчетов мощностей путем их перестановок во времени.
Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения содержит СВЧ-генератор 1, выход которого через линейный калибруемый двенадцатиполюсник 2 подключен к входу измеряемой нагрузки 3. Четыре измерительных выхода калибруемого двенадцатиполюсника 2 подключены к блоку измерения мощности 4. Выход блока измерения мощности 4 соединен с входом вычислительно-управляющего устройства 5, в состав которого входят последовательно соединенные блок памяти 6, блок 7 дискретного преобразования Фурье и решающее устройство 8, а также блок управления 9, выходы которого соединены с блоком измерения мощности 4, блоком памяти 6, блоком 7 дискретного преобразования Фурье и решающим устройством 8. Выход решающего устройства 8 соединен с индикаторным блоком 10.
СВЧ-генератор 1 предназначен для формирования гармонических колебаний соответствующей частоты. В качестве СВЧ-генератора 1 может быть реализован любой генератор соответствующего диапазона волн из группы приборов Г4 либо генератор качающейся частоты из комплекта панорамных приборов (группы приборов Р2 и Р4).
Линейный калибруемый двенадцатиполюсник 2 предназначен для формирования измерительных сигналов. Возможны различные конструктивные варианты на основе как направленных, так и ненаправленных элементов.
Блок измерения мощности 4 предназначен для измерения уровней мощности сигналов, поступающих с измерительных выходов калибруемого двенадцатиполюсника 2. Одна из возможных реализаций блока измерения мощности 4 приведена на фиг. 2. Блок состоит из СВЧ-коммутатора 11, датчика мощности 12, аналого-цифрового преобразователя 13 (АЦП), элемента задержки 14.
Блок измерения мощности работает следующим образом. Блок управления 9 осуществляет последовательное переключение каналов СВЧ-коммутатора 11. При этом вход датчика мощности 12 поочередно подключается к выходам калибруемого двенадцатиполюсника 2. В качестве датчика мощности может быть использован квадратичный СВЧ-детектор либо термисторный (болометрический) преобразователь, включенный в мост. Напряжения, пропорциональные уровням мощностей, поступают поочередно на вход АЦП 12, который осуществляет преобразование этих напряжений в цифровой код, поступающий далее в вычислительно-управляющее устройство 5. Запуск АЦП 13 осуществляется с некоторой задержкой относительно момента переключения СВЧ-коммутатора 11. Задержка обеспечивается с помощью элемента задержки 14, который легко реализуется на логических схемах.
Вычислительно-управляющее устройство 5 с входящими в него блоком памяти 6, блоком 7 дискретного преобразования Фурье, решающим устройством 8 и блоком управления 9 предназначен для формирования дискретных последовательностей, определения аргументов коэффициентов разложения Фурье этих последовательностей и вычисления действительной и мнимой частей комплексного коэффициента отражения по формулам (4), (5).
Вычислительно-управляющее устройство 5 может быть реализовано на основе управляющей микроЭВМ типа "ДВК", "Электроника-60" и др. Возможна реализация этого блока на основе микропроцессорного вычислителя.
Индикаторный блок 10 предназначен для отображения результатов измерения в удобной форме. Для этих целей могут быть использованы цифровые, аналоговые, осциллографические и прочие индикаторы.
Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения работает следующим образом.
Гармонический сигнал от СВЧ-генератора 1 через калибруемый двенадцатиполюсник 2 поступает на измеряемый двухполюсник 3 с комплексным коэффициентом отражения . При этом в линии передачи формируется режим смешанных волн. На измерительных выходах калибруемого двенадцатиполюсника 2 появляются сигналы. Эти сигналы поступают на входы блока измерения мощности 4, в котором по командам из блока управления 9 осуществляется поочередное измерение мощностей и преобразование их в цифровые коды. Эти коды поступают в блок памяти 6, где осуществляется их запоминание. Далее по командам из блока управления 9 запомненные значения мощностей в требуемой последовательности и полярности (см.фиг.3) подаются в блок 7 дискретного преобразования Фурье. В этом блоке для каждой из трех последовательностей определяются аргументы первого коэффициента разложения. Полученные значения аргументов поступают далее в решающее устройство 8, где по формулам (4), (5) рассчитываются действительная и мнимая части комплексного коэффициента отражения. По полученным значениям в решающем устройстве при необходимости могут быть вычислены модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения. С выхода решающего устройства 8 сигналы поступают в индикаторный блок 10, где осуществляется индикация в удобной форме.
При осуществлении предложенного способа выполняют следующие операции:
устанавливают требуемую частоту СВЧ-генератора 1;
осуществляют измерение мощностей на измерительных выходах линейного калибруемого двенадцатиполюсника 2;
запоминают измеренные значения мощностей;
формируют три независимые импульсные последовательности из отсчетов измеренных мощностей путем их перестановок во времени;
осуществляют дискретное преобразование Фурье, в результате которого определяют аргументы первого коэффициента разложения этих последовательностей;
рассчитывают реальную и мнимую части комплексного параметра по формулам (4), (5).
Рассмотрим предложенный способ определения комплексных параметров СВЧ-устройств.
Отсчеты мощностей Рi (i=0,1,2,3), измеренных на выходах двенадцатиполюсника 2, могут быть сформированы во временные четырехточечные последовательности путем перестановок по времени. Причем общее число перестановок из N элементов равно N! . В нашем случае N=4 (число измерительных выходов двенадцатиполюсника 2). Таким образом число перестановок будет N!=4!=24. Из этих перестановок только 3 последовательности будут обладать свойством независимости с точки зрения аргументов коэффициентов разложения, в чем легко убедиться. Эти последовательности приведены на фиг.3, выглядят следующим образом: Р0, -Р1, -Р2, Р3; Р0, -Р1, -Р3, Р2; Р0, -Р2, -Р1, Р3.
Проведем дискретное преобразование Фурье (ДФП) этих последовательностей. В общем случае комплексные коэффициенты ДФП равны
= Xm·e-j (6)
Хm - отсчеты дискретного сигнала;
n - номер коэффициента ДПФ;
m - номер отсчета.
Проведем расчет первого (n=1) коэффициента разложения для нашего случая (N=4)
= e = xo+x1e + x2e-jπ + x3e (7)
Применяя формулу Эйлера, получим
= (xo-x2)+j(x3-x1)<> (8) Определим аргумент коэффициента разложения
Ψ1= arctg (9) Теперь определим Ψ1 для трех последовательностей, представленных на фиг.3. Подставляя в формулу (9) соответствующие отсчеты мощностей, получим
Ψ(11)= arctg (10)
Ψ(12)= arctg (11)
Ψ(13)= arctg (12) В соотношениях (10)-(12) возьмем тангенсы от обеих частей, а также разделим числители и знаменатели дробей на Ро. Введем обозначения tg Ψ1(i)i (i=1,2,3). При этом получим
M1= (13)
M2= (14)
M3= (15) где - нормированные значения мощностей, определяемые соотношением (3).
Подставляя соотношение (3) в формулы (13)-(15), получим систему из трех уравнений
(16)
Введем обозначения: = e jϕ; = =ejαi. Подставим эти значения в систему (16). Взяв модули и возведя их в квадрат, получим после преобразований
(18)
Полученная система уравнений является нелинейной относительно и ϕ . Однако ее можно свести к линейной относительно квадрата модуля ||2, действительной Х= cos ϕ и мнимой Y= sin ϕ частей ком- плексного коэффициента отражения. Для этого воспользуемся формулой для косинуса суммы и проведем перегруппировку. В результате система (18) может быть записана в виде
(19) где
cos;
Систему уравнений (19) решим относительно X и Y /используя правило Крамера.Решение имеет вид
X = (21)
Y = (22) где
Таким образом, формулы (21) и (22) определяют реальную и мнимую части комплексного параметра. Причем в этих формулах Сm,Um,Vm являются постоянными величинами, однозначно через соотношения (23) и (20) связанными с эквивалентными параметрами двенадцатиполюсника 2. Коэффициенты Сm,Um,Vm определяются при калибровке измерителя, которая проводится по образцовым мерам перед измерениями. Коэффициенты Сm,Um,Vm(m=0...7) в данном случае не совпадают с коэффициентами Сn,Un,Vn(n=0...3) для способа-прототипа ни численно, ни количественно. Одинаковые буквы для обозначения коэффициентов выбраны для удобства восприятия. В дальнейшем в обозначениях введем следующие индексы: индекс "1" будем относить к предложенному способу, а индекс "2" - к способу-прототипу.
Докажем достижение положительного эффекта.
Случайные среднеквадратичные погрешности при косвенных измерениях для предложенного способа и способа-прототипа определим в виде
= ; (24)
σ1(Δϕ)= ; (25)
= ; (26)
σ2(Δϕ)= ; (27) где , σ1(Δϕ) - относительная погрешность определения модуля и абсолютная погрешность определения фазы для предложенного способа;
, σ2(Δϕ) - то же самое для способа-прототипа;
, - коэффициенты чувствительности предложенного способа по параметру Ψi;
, - коэффициенты чувствительности способа-прототипа по параметру Рi.
Модуль и фазу комплексного параметра определим через действительную и мнимую части
= (28)
ϕ = arctg Y/X . (29) Используя выражения (28)-(29), (21)-(22), (1)-(2), определим коэффициенты чувствительности. Для удобства представим Х=а/f; Y= b/f. Тогда после дифференцирования получим


Теперь определим дисперсии σΨi2 и σрi2. Для этого предположим, что сигналы, снимаемые с датчика мощности, усиливаются усилителем с прямоугольной АЧХ коэффициентом усиления Ко и полосой пропускания от нуля до ωm, где ωm = 2 π fm - максимальная частота. Предположим, что в системе действует белый шум с энергетическим спектром Wо. Тогда для способа-прототипа дисперсия σрi2 будет равна
σ2pi= K2oWodω = WoK2oωm = 2fmWoK2o (31)
Поскольку результат измерения в способе-прототипе и в предложенном способе не зависит от абсолютного уровня сигналов, то коэффициент Коможно выбрать любым. Для удобства в дальнейшем положим Ко=1.
В предложенном способе после усиления осуществляется операция ДПФ, которая обладает фильтрующим свойством. Амплитудно-частотная характеристика ДПФ имеет вид
K(n, ω)= , (32) где N - число отсчетов дискретного сигнала;
n - номер коэффициента ДПФ;
Т=1/2fm - интервал дискретизации, определяемый по теореме Котельникова.
Для нашего случая N=4, n=1, тогда получим
K(1,ω)= (33) Последнее выражение преобразуем к виду
K(1, ω)= Kcos (ωT-π/2)cos(ωT-π/2) (34) где К'о=4 - коэффициент передачи устройства ДПФ на частоте первой гармоники дискретного сигнала.
Энергетический спектр шума после фильтрации
W(ω) = WoK2(1, ω)= Wo(K1o)2 cos (ωT-π/2)cos2(ωT-π/2) (35) Считая, что после фильтрации процесс становится узкополосным, используемым следующее соотношение для энергетического спектра фазы:
WΨi(Ω)= 2W +/A2выхi (36) где Авыхi - амплитуда первой гармоники на выходе устройства ДПФ. Подставляя выражение (35) в выражение (36), получим
WΨi(Ω)=
С учетом того/что ωmT/2 = π/2,а также Aвых1/K = Aвхi- амплитуда первой гармоники/ приведенная к входу устройства ДПФ/получим
WΨi(Ω) = (37) Определим дисперсию выходного процесса, воспользовавшись соотношением
σ2Ψi= WΨi(Ω)dΩ (38)
Подставляя выражение (37) в выражение (38) получим
σ2Ψi= cos2 ΩT cos2ΩTdΩ (39)
Проведем замену переменной 1/2 ΩT = Z.Это приводит к следующему:
σ2Ψi= cos2Zcos22ZdZ
Подынтегральную функцию представим в виде
Cos2Z·Cos22Z= Cos2Z(Cos2Z- Sin2Z)=
= Cos6Z + Cos2Z Sin4Z- 2Cos4Z Sin2Z (41)
При этом интеграл (40) сводится к трем известным берущимся интегралам. После некоторых преобразований получим
σ2Ψi= + Z+ sin2Z +
+ sin4Z - sin3Z cos3Z ·π/8 = (42)
Подставив формулы (31) и (42) в формулы (24)-(27), получим формулы для расчета погрешностей.
Сравнение результатов (оценку эффективности) осуществим путем использования отношений погрешностей способа-прототипа и предложенного способа. В результате получим
Эг= = (43)
Эϕ= = (44)
Амплитуды Авх.i для каждой из дискретных последовательностей определяются как
Aвх.1= 2= 0,5
Aвх.2= 2= 0,5 (45)
Aвх.3= 2= 0,5
Ввиду громоздкости вычислений расчеты по оценке эффективности предложенного способа были проведены на ЭВМ lВМ РS/ХТ. Программа позволяет в диалоговом режиме задать любые параметры измерительного двенадцатиполюсника и параметры нагрузки. После чего осуществляется расчет обобщенных коэффициентов С,V,U для предложенного способа и способа-прототипа, расчет коэффициентов чувствительности и расчет эффективности по формулам (43), (44).
Проведены многочисленные расчеты для различных моделей двенадцатиполюсников. Эти расчеты подтверждают повышение точности предложенного способа определения комплексных параметров. В качестве примера в табл.1,2,3 приведены результаты расчета эффективности для случая, когда в двенадцатиполюснике использован один направленный и три ненаправленных датчика. Расчеты проведены для различных значений модуля и фазы коэффициента отражения нагрузки.
Из таблиц следует, что предложенный способ обеспечивает повышение точности измерения модуля комплексного параметра практически во всем диапазоне изменения модуля и фазы. Так, при =1 точность повышается максимум в 5,24 раза (при ϕ =270о), при =0,3 - в 2,97 раза (при ϕ =90о), при = 0,1 - в 2,14 раза (при ϕ =90о). При других значениях фазы точность измерения модуля также возрастает, исключая значения фазы, близкие 0 и 360о, где точности одинаковы (Эг=1). Во всех случаях отсутствует повышение точности измерения фазы, практически во всем диапазоне изменения модуля и фазы погрешности определения фазы для предложенного способа и способа-прототипа приблизительно одинаковы (Э ϕ ≈ 1). Это объясняется тем, что для обоих способов коэффициенты чувствительности таковы, что реальная и мнимая части комплексного параметра отклоняются в одном направлении, так как фаза определяется отношением мнимой и реальной частей, то это не приводит к существенному ее изменению в обоих случаях.
Таким образом предложенный способ обеспечивает повышение точности определения комплексных параметров. Это объясняется тем, что исходными данными для определения комплексных параметров являются не измеренные мощности, а аргументы (фазы) коэффициентов разложения Фурье дискретных последовательностей, которые оказываются менее чувствительными к шумам.
Формула изобретения: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-УСТРОЙСТВ, заключающийся в подаче гармонического сигнала на вход линейного калибруемого многополюсника и измерении мощностей на выходах линейного калибруемого многополюсника, к которому подключено измеряемое устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, формируют три независимые импульсные последовательности из отсчетов измеренных мощностей путем их перестановок во времени, определяют начальные фазы первых гармоник спектра этих последовательностей Ψ1, Ψ2, Ψ3 и расчитывают реальную Re и мнимую части Im комплексного параметра по формулам
R =
I = ;
где Mi = tgΨi(i = 1, 2, 3) ;
Cm, Um, Vm (m = 0, - ,7) - постоянные величины, определяемые при калибровке.