Способ повышения точности калибровки уровня выходного сигнала генераторов свч- и квч-диапазонов

Способ повышения точности калибровки уровня выходного сигнала генераторов свч- и квч-диапазонов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при калибровке выходной мощности сигнала измерительных генераторов СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Под КВЧ-диапазоном понимается миллиметровый диапазон длин волн (частоты выше 30 ГГц).

Наиболее близким к предлагаемому является способ описанный в статье [1], в котором измерение полусуммы мощностей проводится по схеме, приведенной на фиг.1, где обозначено:

1 - генератор

2 - фазовращатель

3 - измеритель мощности

В тракте между генератором и измерителем мощности включается фазовращатель, имеющий переменный фазовый сдвиг не менее 180°. Фазовращателем, добиваются максимальных показаний измерителя мощности Р_мах и затем минимальных показаний Р_мин. Мощность генератора вычисляется по формуле

P = P м а х + Р м и н 2 ⋅ 1 1 − | Г Н | 2 .       ( 1 )

Указанный способ взят за прототип и имеет следующие недостатки:

- неприменим на верхних частотах СВЧ и в миллиметровом диапазоне длин волн из-за невозможности создания такого фазовращателя;

- уже на нижних частотах СВЧ-диапазона, где он экспериментально проверялся (частота 10 ГГц), должны учитываться потери в фазовращателе, о чем в работе не говорится;

- на каждой частоте, если измерение мощности генератора проводится в диапазоне частот, фазовращатель должен механически настраиваться на два положения, что не позволяет автоматизировать процесс измерений.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности калибровки генераторов во всем диапазоне СВЧ и миллиметровом диапазоне длин волн.

Это достигается тем, что измерение мощности сигнала генератора проводят с использованием двух отрезков измерительного тракта с разностью длин λ 4 ( 2 n + 1 ) при n=0, 1, 2…, где λ 4 - длина волны электромагнитных колебаний в измерительном тракте, которые подключают поочередно к выходу генератора и измеряют первоначально мощность на выходе одного отрезка тракта, а затем мощность на выходе другого отрезка тракта, и вычисляют полусумму двух измерений уровней мощности выходного сигнала генератора. Эквивалентная схема измерения мощности генератора приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - эквивалентная ЭДС генератора;

2 - Z_г комплексное сопротивление выхода генератора;

3 - Z₀ волновое сопротивление тракта длиной l.,

4 - z_н комплексное сопротивление нагрузки;

Теоретическое обоснование способа заключается в следующем. Измерение уровня мощности выходного сигнала осуществляется ваттметром поглощаемой мощности. Наиболее широко распространенным методом построения преобразователей ваттметров, т.е. устройства с помощью которого энергия электромагнитного поля преобразуется в энергию постоянного тока, является тепловой метод (термоэлектрический и калориметрический методы). В этом случае преобразователь ваттметра можно считать нагрузкой, подключенной к источнику сигнала (генератору).

В ряде источников [2, 3] приведены математические выражения для уровня мощности сигнала на преобразователе ваттметра

P Н = ( 1 − | Г Г | 2 ) ( 1 − | Г Н | 2 ) | 1 − Г Г Г Н | 2 Р 0 .         ( 2 )

где Г_Г, Г_Н - комплексные коэффициенты отражения генератора и нагрузки (преобразователя ваттметра).

| Г Г | , | Г Н | и | 1 − Г Г Г Н | - модули соответствующих комплексных величин.

Величина P₀ носит название располагаемой мощности генератора, выражение для которой имеет вид

Р 0 = 1 4 R Г U Г 2 .       ( 3 )

где U_Г - напряжение сигнала генератора, a R_Г - активная часть его выходного сопротивления, в общем случае комплексного. Выражение для Р₀ получается в случае когда сопротивление нагрузки преобразователя комплексно сопряжено с выходным сопротивлением генератора.

В (2) как обычно Г Г = Z Г − Z 0 Z Г + Z 0 , Г H = Z H − Z 0 Z H + Z 0 , где

Z_Г, Z_H - комплексные значения выходных сопротивлений генератора и нагрузки, Z₀ - волновое сопротивление линии передачи, на которой выполнены выход генератора и вход преобразователя ваттметра.

Выражение (2) получено при условии, когда преобразователь ваттметра подключен непосредственно к генератору [2]. Однако это условие не может быть выполнено точно, поскольку в каждом генераторе имеется отрезок линии от элемента, определяющего величину Г_Г, до выходного разъема генератора, а в преобразователе ваттметра имеется отрезок линии от разъема до термопары или до согласованной нагрузки. В [1, 4] приведено выражение для Р_Н с учетом длины отрезка, включенного между генератором и ваттметром, однако вывод его отсутствует.

Выражение для уровня мощности в преобразователе ваттметра может быть получено при рассмотрении эквивалентной схемы, приведенной на фиг.2.

Для комплексных амплитуд напряжения U → H и тока I → H в нагрузке справедливы выражения [5]

U → H = Z 0 Z 0 + Z Г ⋅ 1 + Г H e γ ℓ ( 1 − Г Н Г Г е − 2 γ ℓ ) Е → .         ( 4 )

I → H = 1 Z 0 + Z Г ⋅ 1 + Г H e γ ℓ ( 1 − Г Н Г Г е − 2 γ ℓ ) Е → .         ( 5 )

где E → - комплексная амплитуда ЭДС, γ=iα, где α - фазовая постоянная линии (рассматривается линия без потерь).

Мощность сигнала в нагрузке может быть определена как половина произведения комплексной амплитуды напряжения (4) на комплексно сопряженную величину тока (5). В этом случае получим

P H = Z 0 ( Z 0 + Z Г ) ( Z 0 + Z г * ) ⋅ ( 1 + Г Н ) ( 1 − Г Н * ) | 1 − Г Г Г Н е − 2 j α ℓ | 2 ε 0 2 2 .     ( 6 )

Заметим, что ε 0 2 2 = U Г 2 , где U Г введено в (3).

Здесь и далее | 1 − Г Г Г Н е − 2 j α t | , | Г Н | , | Г Г | - модули соответствующих величин.

Числитель выражения (6) равен 1 − | Г Н | 2 + 2 J m Г Н (в знаменателе мнимости нет). Наличие в числителе мнимой части говорит о наличии в нагрузке (преобразователе ваттметра) реактивной мощности. Эта составляющая мощности не вызывает теплового эффекта в термопаре при использовании термоэлектрического преобразователя или в нагрузке при использовании калориметрического преобразователя. Поэтому вместо (6) имеем

н

P H = Z 0 ( Z 0 + Z Г ) ( Z 0 + Z г * ) ⋅ 1 − | Г Н | 2 | 1 − Г Г Г Н е − 2 j α ℓ | 2 ε 0 2 2 .     ( 7 )

Для дальнейших преобразований воспользуемся соотношениями

( Z 0 + Z Г ) ( Z 0 + Z Г * ) = | Z 0 + Z Г | 2 = 4 Z 0 2 | 1 − Г Г | 2 , | 1 − Г Г | 2 = Z 0 R Г ( 1 − | Г Г | 2 ) ,

тогда вместо (7) получим

Р Н = ( 1 − | Г Г | 2 ) ( 1 − | Г Н | 2 ) | 1 − Г Г Г Н е − 2 j α ℓ | 2 ⋅ ε 0 2 8 R Г ⋅       ( 8 )

Здесь ε 0 2 8 R Г = Р 0 .

В полученном выражении числитель при заданных значениях величин | Г Г | и | Г Н | является постоянной величиной, а знаменатель изменяет свое значение при изменении длины отрезка ℓ . Подставим значения Г_Г и Г_Н в виде: Г Г = | Г Г | е j ϕ г , Г Н = | Г Н | е j ϕ н . Обозначим − 2 α ℓ + ϕ Г + ϕ Н = ψ . Тогда модуль знаменателя в (8) представится в виде

| 1 − | Г Г | | Г Н | е j ψ | = | 1 − | Г Г | | Г Н | cos ψ − j | Г Г | | Г Н | sin ψ | .

Рассмотрим случай, когда sin ψ=0, что справедливо в случае, когда аргумент ψ=-2πn или ψ=-(2πn+π). В первом случае имеем

| 1 − | Г Г | | Г Н | е + j ψ | 2 = [ 1 − | Г Н | | Г Г | ] 2 .       ( 9 )

Во втором случае имеем | 1 − | Г Г | | Г Н | е j ψ | 2 = [ 1 + | Г Н | | Г Г | ] 2 .   ( 10 )

Если провести измерение мощности P_H1 и P_H2 при этих двух значениях аргумента, то для полусуммы (Р_H1+Р_H2)/2 получим

P H = 1 2 ( 1 − | Г Г | 2 ) ( 1 − | Г Н | 2 ) ⋅ ε 0 2 8 R Г { 1 ( 1 − | Г Г | | Г Н | ) 2 + 1 ( 1 + | Г Г | | Г Н | ) 2 } = ( 1 − | Г Г | 2 ) ( 1 − | Г Н | 2 ) ⋅ 1 + | Г Г | 2 | Г Н | 2 ( 1 − | Г Г | 2 | Г Н | 2 ) 2 P 0 .         ( 11 )

Условия (9) и (10) в [2] получают при изменении частоты сигнала калибруемого генератора и измерении мощности при настройке на максимум и минимум. Однако такой способ не позволяет повышать точность калибровки генераторов, не имеющих перестройки по частоте.

Рассмотрим этот вопрос для случая, когда генератор не имеет перестройки по частоте, и проведем измерение полусуммы мощностей при произвольных значениях аргумента

ψ 1 = − 2 α ℓ + ϕ Г + ϕ Н .

ψ 2 = − 2 α ( ℓ + λ 4 ) + ϕ Г + ϕ Н .

Выражение для значения Р_H=(P_H1+Р_H2)/2 имеет вид:

P H = 1 2 ( 1 − | Г Г | 2 ) ( 1 − | Г Н | 2 ) ⋅ P 0 { 1 ( 1 − | Г Г | | Г Н | ⋅ e j ψ 1 ) 2 + 1 ( 1 + | Г Г | | Г Н | ) ⋅ e j ψ 2 | 2 } .

Опуская громоздкие промежуточные выкладки, приведем полученный результат

P H = ( 1 − | Г Г | 2 ) ( 1 − | Г Н | 2 ) ⋅ 1 + | Г Г | 2 | Г Н | 2 [ 1 + | Г Г | 2 | Г Н | 2 ] 2 − 4 | Г Г | 2 | Г Н | 2 cos 2 ψ P 0 ,     ( 12 )

где ψ=ψ₁.

При ψ, равном - 2πn или - (2πn+π), получаем выражение, совпадающее с (11).

Чтобы оценить выигрыш в точности калибровки по формулам (8) и (12), введем аналогично [4] выражение для погрешности измерений:

δ P H = P Н − Р с о г л Р с о г л = P H Р с о г л − 1       ( 13 )

где Р_согл - мощность, отдаваемая источником сигнала в согласованную нагрузку, для которой Г_H=0. Из (8) имеем

Р с о г л = ( 1 − | Г Г | 2 ) ⋅ P 0 ,       ( 14 )

из(8)получим

δ P H = 1 − | Г H | 2 | 1 − Г Г Г Н е − j 2 α ℓ | 2 − 1 ≈ ( 1 − | Г H | 2 ) ⋅ ( 1 + 2 | Г Г | | Г Н | cos ψ ) − 1 = 1 − | Г H | 2 + 2 | Г Г | | Г Н | cos ψ − | Г Н | 2 ⋅ 2 | Г Г | | Г H | cos ψ − 1 ≈ ≈ − | Г H | 2 + 2 | Г Г | | Г Н | cos ψ ,       ( 15 )

а из (12) имеем

δ P H = ( 1 − | Г H | 2 ) ( 1 + | Г Г | 2 | Г H | 2 ) [ 1 + | Г Г | 2 | Г Н | 2 ] 2 − 4 | Г Г | 2 | Г Н | 2 cos 2 ψ − 1 ≈ ≈ − | Г H | 2 + | Г Г | 2 | Г Н | 2 ( 4 cos 2 ψ − 1 ) .       ( 16 )

Вторые члены в (15) и (16) по аналогии с [3] целесообразно назвать погрешностями рассогласования. Проведем оценку этих погрешностей. Полагая КСВн входа преобразователя ваттметра равным 1,5 и КСВн выхода генератора равным также 1,5, получим, что значение погрешности изменяется от +8,5% до - 7,6%. Когда измерение проводится путем определения полусуммы мощностей, погрешность изменяется от +0,48% до - 0,16%.

Таким образом, измерение мощности выходного сигнала генератора путем измерения полусуммы мощностей позволяет существенно снизить погрешность рассогласования.

Пример использования указанного способа повышения точности измерений в диапазоне миллиметровых длин волн приведен ниже.

Традиционно измерительная аппаратура выполняется на волноводах прямоугольного сечения. Разбивка КВЧ-диапазона регламентируется стандартом [6], в котором определены поперечные размеры сечений прямоугольных волноводов. В таблице 1 приведены технические характеристики прямоугольных волноводов в осваиваемом в настоящее время участке КВЧ-диапазона.

Таблица 1
Технические характеристики прямоугольных волноводов сечением 2,4×1.2 и 1,6×0,8 мм
Сечение волновода, мм. Диапазон частот, ГГц	Длина волны минимально в воздухе, мм	Днина волны минимально в волноводе, мм	Длина отрезкат вволноводе, мм	Потери в стенках волновода, дБ/м	Потери сигнала в четвертьволновом отрезке	Потери сигнала в отрезке t=5 мм, %	КСВн фланцевого соединения
дБ	%
2,4×1,2 78,33-118,1	2,54	2,99	0,75	3,5	0,0026	0,073	0,5	1,033
1,6×0,8 118,1-178,4	1,68	1,966	0,49	6,4	0,0032	0,09	0,9	1,070

Рассмотрим применение описываемого метода в диапазоне частотах 118,1-178,4 ГГц, где длина четвертьволнового отрезка составляет 0,49 мм и потери сигнала близки к 0,1%, при этом размеры фланцевых соединителей (в начале и конце отрезка) составляют 4 мм. Это означает, что реальная длина отрезка не может быть меньше (4,5-5) мм. Поэтому при использовании данного метода необходимо использовать два отрезка с увеличенной длиной. Длина первого должна быть увеличена до 4,5 мм, а второго до 4,99 мм. При проведении измерений для нахождения полусуммы мощностей первоначально производится измерение мощности сигнала с первым отрезком, затем измеряется мощность сигнала со вторым отрезком. Порядок проведения измерений может быть произвольным.

Использование дополнительных отрезков тракта с длиной, приближенно равной 5 мм, вносит дополнительную погрешность из-за потерь сигнала в самом отрезке. На частоте 178,4 ГГц дополнительная погрешность составляет до 0,9% (см. таблицу). Однако этой погрешностью можно пренебречь или исключить ее путем экспериментального измерения на указанной частоте.

Необходимо отметить, что измерение мощности с использованием двух отрезков можно провести на любой частоте рассматриваемого диапазона, что позволяет существенно повысить точность калибровки генераторов КВЧ-диапазона.

Аналогичный результат может быть получен при длине второго отрезка, отличающейся от длины первого отрезка на величину, кратную нечетному числу четвертей длины волны, т.е. при ℓ = λ 4 ( 2 n + 1 ) , где n=0, 1, 2… Однако величина n не должна быть значительной, так как увеличение длины отрезка приведет к необходимости учета в нем потерь сигнала.

Библиографические данные

1. М.Е.Герценштейн, А.Н.Брянский. Погрешность измерения мощности генератора СВЧ. Измерительная техника, №6, 1956.

2. Измерения в электронике. Справочник. Под ред. доктора технических наук, профессора В.А.Кузнецова, М., Энергоатом, 1987, 512 с.

3. Справочник по радиотехническим приборам. Под ред. В.С.Насонова, Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы, М., «Сов. Радио», 1977, 272 с.

4. Патент Российской Федерации 2081424, кл. G01R 21/07, Способ калибровки генераторов СВЧ-сигнала. Моисеев П.Д., Холодилов Н.Н., опубл. 10.06.97, бюл. №16.

5. И.С.Гоноровский. Основы радиотехники. Издание второе, М., Гос. издательство литературы по вопросам связи и радио, 1957, 728 с.

6. ОСТ4.206.000, ред. 1-77. Устройства СВЧ, каналы волноводные прямоугольные. Сечения.

Способ калибровки уровня мощности генератора СВЧ- или КВЧ-диапазона, отличающийся тем, что для измерения мощности сигнала генератора используют два отрезка измерительного тракта с разностью длин при n=0, 1, 2…, где длина волны электромагнитных колебаний в измерительном тракте, которые подключают поочередно к выходу генератора и измеряют первоначально мощность на выходе одного отрезка тракта, а затем мощность на выходе другого отрезка тракта, и вычисляют полусумму двух измерений уровней мощности выходного сигнала генератора.