Опоричш нон

Управление частот,ой

Рис 104 Структуриан схема авт

Система автоматизированного измерения 5 параметров работает следующим образом Первоначально ЭВМ устанавливает в генераторе качающейся частоты требуемую частоту и направляет СВЧ сигнал на мультиплексор измерительного блока. Затем измеряются S-параметры результирующая информация об амплитуде и фазе преобразуется в ци фровую форму и передается в ЭВМ. И, наконец, полученные данные из мерений корректируются в соответствии с предварительно нзмеренны ми и записанными в памяти ЭВМ данными о погрешностях системы и воспроизводятся в подходящей форме на экране индикатора или на те зетайпе. Коррекция погрешностей является очень важной особенно стью системы автоматического анализа схем. Измерения и коррекция погрешностей системы подробно рассматриваются в разд. Ю 3

10 I 3 ШЕСТ!130НД0ВЫП ИЗМЕРИТЕЛЬ Л ПАРАМЕТРОВ

В измерителях рассмотренных в подразд. 10,1.1 и 10.1.2, основ ной операцией являлась операция преобразования измерительного и опорного сигналов в диапазон низких частот для измерения разности фаз. Это преобразование частоты усложняет измерительную аппарату

ру и существенно увеличивает ее стоимость Однако преобразование частоты становится необходимым только в том случае, когда сигналы ftj и fcj измеряются как по амплитуде, так и по фазе. Если требуются измерения только амплитуд сигналов и fc, (как, например, при необ ходимости измерения КСВН, а не комплексного значения коэффициента отражения), могут использоваться обычные амплитудные детекторы, и необходимость в гетеродинировании и частотном преобразовании отпадает. В этом случае формулы (10.2) и (10.3), справедливые для пло скости отсчета, могут быть переписаны для измерительной плоскости ,см ркс. 10.6а).

Pgl&a \ - \АаЛ Bbf (10.4)

P--\b,f-\Ca- Dbf (105)

где Pi - измеренные значения мощностей; константы Л В, С и и Z> - коэффициенты пропорциональности. Так как в значениях мощ ностей и Р* не содержится информации о фазе, необходимы два дополнительных детектора, выходные сигналы которых Рь и так же определяются линейными соотношениями относительно а и b

P----\EaFb\, (10,6)

\GaHh\ (10.7)

где Е F G И - дополнительные комплексные константы определи емые схемой измерений. Целью измерений является определение зна чения b по измеренным значениям - Р в предположении, что константы А - Я известны. Для этой цели необходимо решение квадратных уравнений (10.4) ~ (10,7).

Первоначально для простоты рассуждении положим нри решении этих уравнений С 0. Тогда объединив (10.4) и (10.5). получим

Ijl

где ! m = alb. Яэ - BIA Поскольку система параметров А, D и Qy известна, а Рз/Р измеряется, то в уравнении (10.8) неизвестной ве личиной является только Г. Из этого уравнения нельзя получить значение Г, но из уравнения следует чтоточка Г„ лежит на окружности радиуса VPP \ D/A\ с центром в точке да как показано на рис, 10.ба Аналогично можно объединить уравнения (10.5) и (10.6) и найти другую окружность, на которой лежит точка Г„. Эта окружность с центром в точке - - PIE определяется уравпением

(i09>

(10 8)

1»

Геометрическое место точек, соответствующих возможным значениям Тт заданное уравнением (10.9), показано на рнс. 10.56. Точка Г„ является точкой пересечения двух окружностей. Как правило, две ок ружностн пересекаются в двух точках. В этом примере одна из Двух точек находится с внешней стороны единичной окружности. По скольку для пассивных цепей [Г,! <.\,to здесь возможно только од

но решение, соответствующее точке, лежащей внутри еднничнога кру га Следует отметить, что если прямая, соединяющая точки и пересекает единичную окружность, то возможен случай, когда обе точки пересечения расположены внутри единичного круга Разработчик должен избегать подобной ситуации.

Отметим, что в примере, показанном на рис. 10.56 угол пересе чения окружностей, определякицих точку Г„, достаточно мал Поэтому положение точки Г, по направлению, перпендикулярному к прямой соединяющей точки и q, весьма чувствительно к погрешности в зна чениях Г -<7э или IF -Это положение может быть значи тельно улучшено путем использования шестой точки (т. е. четвертого входа измерительного устройства) Используя (10.5) и (10.7). можно записать

12 I - I -~<7J ---

(10 10)

где 9в - W/G Это уравнение задает третью окружность на кото рой должна лежать точка Гщ и которая при идеальных условиях долж на проходить через точку пересечения двух других окружностей, как показано на рис. 10.5в Практически из-за погрешностей измерении три окружности не пересекаются в одной точке и используется некоторое статистическое усреднение. Таким образом, измерение увеличи вает точность и в то же время устраняет неопределенность, возникаю щую при наличии двойного корня. Можно показать, что точность изме рения небольших значений Г, главным образом определяется точно

©-ч /-©

Комплексная

e.dw

Рис. 10 6. Реализации шестизонлового измерители S-параметроп leo-horo и трех кналратурных гибридных соединений {а) и местоположение точек дз, /ц и q-, для рассматриваемой схемы (б)

стью измерения радиусов, т. е. отношений PjPf и т.д. Поэтому 6aib того динамического диапазона детекторов не требуется.

Предполагать значение С равным именно нулю не является обязательным, Прн ненулевом значении С описанная процедура изменяется, но основная идея остается той же

Измерительная система шестизондового измерителя практически может быть реализована путем использования квадратурных н 180° ных гибридных соединений [7], как показано на рис. 10 6 о Значения ?я. ?5 и Я« равные в этом случае jV2,- V2 (1 + /; и V2 (1 - /), показаны в плоскости Г на рис. Ю 6 6. Рассчитаем мощность на выхо дах различных детекторов, если используется источник мощностью 20 мВт. Если Г„ О а О и [6* = 5 мВт то Я, - . я5 Я, -- 3 75 мВт Если в качестве нагрузки использовать перестран ваемый короткозамыкатель, то Г„11 и максимальные значения Я, я5 н Яв составят около 10,93; 8,44 и 8 44 мВт а минимальные значения-около 0,32; 0,94 и 0,94 мВт соответственно. Следовательно требуемый максимальный динамический диапазон для Я, составляет Яа./Ятш - 10 93 мВт/О 32 мВт - 15 дБ

102 КОРРЕКТИРОВКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ

10 2 1 ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Точность измерении на СВЧ ограничена несовершенством исполь зуемой аппаратуры. Измерительные устройства, используемые в измерителях, имеют ненулевые потери. Направленные ответвители имеют конечную направленность, погрешности в коэффициенте связи и неидеальные КСВН. Переключатели имеют конечную развязку и ненулевые значения вносимых потерь. Все эти и другие аналогичные дефекты ограничивают точность измерений. В прошлом постоянные попытки минимизировать эти погрешности заключались в разработке все более и более совершенной измерительной аппаратуры. В настоящее время считается, что предпочтительнее корректировать погрешности измерения, чем пытаться полностью их устранить. Калибровка и коррекция погрешностей системы не только обеспечивают высокую точность измерений, но также обеспечивают приемлемую стоимость системы за счет смягчения жестких требований, предъявляемых ко всей из мерительной аппаратуре

Чтобы присоединить исследуемые приборы или устройства к изме рительной системе, следует иметь соединительные линии некоторой конечной длины,а в некоторых случаях переходники с линии передачи одного типа к другому. Поэтому фактические измерения обычно проводятся относительно некоторой отсчетной плоскости, физически удаленной от исследуемого прибора или устройства, В этом случае исследуемый прибор или устройство можно считать как бы встроенным в соединительный узел, который устанавливается перед исследуемым прибором или устройством для обеспечения возможности измерений, как показано на рис. 10.7а. Определим характеристики прибора или устройства по измерениям, произведенным относительно плоскости, расположенной перед соединительным узлом. Для этого необходимы точные характеристики соединительного узла. Сложность получения характеристик соеданительного узла зависит от того, для испытания каких приборов или устройств он предназначен-двухполюсников четырехполюсников или многополюсников Обычно электрические свойст ва соединительного узла определяются с помощью ряда измерений с приборами с известными параметрами Когда электрические свойства

I Ответная ппосчвсш при . измерениях I I------

И селе!

Ркс, 10 7. Соединительный узел, используемый при измерениях (а) и представ ленне иекдеального измерителя как идеального с нендеальным соединительным узлом (б)

соединительного узла определены параметры исследуемого встроен ного прибора или устройства могут быть рассчитаны по измеренным данным

Процедура коррекции погрешностей, вызванных влиянием соеди нительного узла, совпадает с процедурой компенсации системных погрешностей измерителя. Неидеальность измерителя можно рассматри вать как соединение «идеального» измерителя и неидеального соедини гельного узла, как показано на рис. 10.76

Для нахождения характеристик неидеальных систем соединителей и т. и, требуются некоторые образцовые компоненты в линии передачи которая используется в исследуемой схеме, К таким образцовым компо центам относятся короткозамыкатель, согласованная нагрузка, от резок линии, разомкнутая линия и др, В ряде случаев, как например на мнкрополосковых линиях, образцовые компоненты не легко изго товить. В этих случаях калибровка производится с использованием об разцовых компонентов, выполненных на других линиях, таких как коаксиальные, с соответствующими переходниками. Полученные при этом характеристики содержат в себе и характеристики используемых переходников. Чтобы рассчитать собственные характеристики исследу смой схемы, необходимо выделить характеристики этих переходников Метод определения характеристик переходников рассматривается в разд 10.2.5.

Процедура калибровки и коррекции погрешности при измерении параметров двухполюсных, четырех пол кхных и м но го пол кх ных схем рассматривается в настоящем разделе. Эти проблемы решаются с по мощью методов теории графов [14).

1022 ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Рассмотрим двухполюсный (одновходовыи) прибор, подключенный к первому входу измерительного блока, как показано на рис. 10.4 Этот прибор характеризуется комплексным коэффициентом отражения р„ относительно отсчетной плоскости, расположенной в сечении этого входа. На рис. 10.8 показан ориентированный граф, соответствующий этому случаю. Параметры г„„, г. Гд, и Гц -- параметры рассеяния эквивалентного соединительного узла, соответствующего погрешностям системы. Основные источники погрешностей системы еле дукицие:

Гоо - погрешность направленности ответвителей и конечная раз вязка между измерительным и опорным каналами;

ю oi сопряжение изменений коэффициентов связи опорного и измерительного каналов преобразователя частоты,

Гц - рассогласование соединителей и внутренних нагрузок

Как видно из ориентированного графа представленного на рисунке 10.8, измеренный коэффициент отражения р может быть выражен че рез р„ и г-параметры

(10 и)