Измерение параметров и характеристик сверхвысокочастотных линий связи и их компонентов

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра метрологии и стандартизации

РЕФЕРАТ

На тему:

«Измерение параметров и характеристик сверхвысокочастотных линий связи и их компонентов»

МИНСК, 2008

Общие сведения и классификация методов и приборов СВЧ цепей

К цепям с распределенными постоянными (СВЧ цепям) относятся цепи, геометрические размеры которых соизмеримы с длиной волны распространяющихся вдоль них колебаний.

СВЧ цепи можно разбить на: двухполюсники (ДП) и четырехполюсники (ЧП).

Из теории длинных линий известно, что для полного описания свойств двухполюсников (ДП) достаточно знать волновое (характеристическое) сопротивление линии (W), на котором он сконструирован, и комплексный коэффициент отражения в рабочем диапазоне частот.

Комплексный коэффициент отражения определяется как отношение комплексной амплитуды напряжения волны отраженной от ДП к комплексной амплитуде напряжения волны, падающей на него:

. (1)

Значение и характер позволяет оценить качество согласования полного сопротивления ДП с волновым сопротивлением тракта. Количественно эта связь определяется отношением

. (2)

На практике также часто пользуются значением коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН)

КСВН - определяется как отношение максимальной (Umax) и минимальной (Umin) амплитуд электрического поля стоячей волны в линии передачи:

. (3)

На рисунке 1,в показана картина стоячих волн напряжения в линии передачи СВЧ (рисунок 1,а). В этой линии имеет место интерференция падающих (U_п) и отраженных волн (U0). На рисунке 1,б показана векторная диаграмма, показывающая образование суммарного сигнала UУ.

Значения и связаны между собой следующим соотношением:

. (4)

Описанные выше параметры полностью определяют номенклатуру измеряемых параметров ДП.

Номенклатуру измеряемых параметров ЧП составляют элементы матрицы S-параметров:

, (5)

Эту матрицу называют еще матрицей рассеяния. Смысл ее элементов следующий.

На приведенном ниже рисунке 2 приведена эквивалентная схема ЧП на СВЧ.

Рисунок 2

Напряжение нормированные комплексные амплитуды волн, реально падающие на ЧП, отраженных от него и прошедших через него. Элементы матрицы S - параметров представляют собой комплексные коэффициенты отражения и передачи ЧП и определяются из выражений

- коэффициент отражения входа ЧП;

- коэффициент отражения выхода ЧП;

- коэффициент передачи со входа на выход;

Коэффициент передачи с выхода на вход .

Для измерения описанных выше параметров на практике используется следующие приборы:

Р₁ - измерительные линии;

Р₂ - панорамные измерители коэффициентов отражения и передачи (скалярные анализаторы цепей - САЦ);

Р₃ - измерители полных сопротивлений;

Р₄ - измерители S-параметров (векторные анализаторы цепей - ВАЦ);

Р₅ - измерители неоднородностей линий передачи (импульсные рефлектометры).

Методы измерения, на которые базируются приборы перечисленных видов можно разбить на три группы:

1) основанные на анализе распределения поля стоячей волны в линии передачи (Р1 и Р3);

2) связанные с выделением и измерением отношений направлений падающих, отраженных и прошедших волн (Р2 и Р4);

3) метод импульсной (временной) рефлектометрии (Р5).

Основные методы и средства измерений параметров СВЧ цепей

Обобщенная структурная схема измерителя (анализатора) СВЧ цепей

Обобщенная структурная схема измерителя СВЧ цепей представлена на рисунке 3.

Назначение и основные функции блоков измерителя:

Генератор качающейся частоты (ГКЧ) - формирование СВЧ измерительного сигнала и управление этим сигналом;

СВЧ измерительный тракт - выделение информационных СВЧ измерительных сигналов;

Преобразователь информационно измерительных сигналов - преобразование информационных измерительных сигналов из СВЧ диапазона в НЧ диапазон;

Блок измерительный:

- фильтрация и усиление преобразованных сигналов;

- функциональные преобразования сигналов;

- управление процессом измерения;

- индикация и отсчет результатов измерения.

Типы измерительных трактов и их компоненты

По принципу действия схемы измерительных трактов делятся на:

- интерференционные;

- рефлектометрические.

Интерференционные схемы используются в измерительных линиях. Принцип действия рефлектометрических схем основан на выделении с помощью направленных ответвителей сигналов пропорциональных мощностям падающей, отраженной и прошедшей волн.

Измерительные направленные ответвители

На рисунке 4,а изображен однонаправленный волноводный ответвитель, ориентированный на отраженную волну, а на рисунке 4,б - схемы сложения возбуждающихся волн.

Под воздействием токов, протекающих по стенкам основного волновода щели А и В возбуждают во вторичном волноводе электромагнитной волны, которая распространяется в разные стороны от щелей. Если энергия падающей волны Р_n распространяется слева направо, то поле, возбужденное щелью А, сложится в фазе с полем, возбужденным В, так как пути пройденные ими равны и равны лв/4 (диаграмма 1). Энергия суммарного поля во вторичном волноводе поглотится согласованной нагрузкой (СН). Поля этой же волны распространяющиеся во вторичном волноводе справа налево сложатся в противофазе (диаграмма 2), так как пути, пройденные ими будут отличаться на лв/2 и если они равны, то (т.е. они взаимно уничтожаются).

Таким образом энергия поля, возбуждающегося во вторичном волноводе под действием падающей волны не вызовет тока в цепи детектора.

Аналогичное рассмотрение процесса сложения полей, возбужденных щелями А и В при распространении энергии отраженной волны (диаграммы 3,4), позволяет сделать вывод о том, что ток, вызываемый в цепи детектора будет пропорциональным мощности отраженной волны .

Если переориентировать направление ответвления на падающую волну, то ток детектора будет пропорционально .

Основными параметрами направленных ответвителей являются - переходное ослабление, направленность и КСВН входов (выходов).

Переходное ослабление - величина связи первичного и вторичного каналов направленных ответвителей. Оно обычно выражается в децибелах и равно:

. (6)

В измерителях обычно используются направленные ответвители с С=10 или 20 дБ.

Направленность ответвителя - величина, характеризуется «просачивание» в плечо с детектором поля неосновной волны, то есть волны, противоположной той, на которую ориентирован направленный ответвитель. Направленность также определяется в децибелах и равна:

, (7)

Промышленные направленные ответвители имеют направленность порядка 30…50 дБ с КСВН входов от 1,1 до 1,3.

Скалярные анализаторы цепей

Современные скалярные анализаторы цепей (панорамные измерители коэффициентов отражения и передачи) состоят из ГКЧ с системой автоматического регулирования мощности (АРМ), СВЧ измерительного тракта (рефлектометра), состоящего из трех последовательно соединенных направленных ответвителей и унифицированного индикатора.

Структурная схема скалярного анализатора представлена на рисунке 5.

На выходе ГКИ формируется частотно и амплитудно-модулированный СВЧ сигнал постоянного уровня. Для частотной модуляции в качестве модулирующего направления используется сигнал генератора развертки, который конструктивно входит в ГКЧ. Амплитудная модуляция обычно осуществляется напряжением типа «меандр» частоты 100 КГц от внутреннего или внешнего источника модулирующего напряжения. Постоянство выходной мощности ГКЧ поддерживается с помощью системы АРМ, которая работает по сигналу , подаваемому из индикатора в генератор.

Использование измерителя отношений в индикаторном блоке существенно снижает требования к качеству стабилизации выходной мощности ГКЧ.

ГКЧ включает в себя и блок частотных меток. Выходные сигналы этого блока после преобразования в индикаторе воспроизводятся на изображении исследуемых характеристик в виде подвижных частотных меток.

Измерительный тракт состоит из трех направленных ответвителей (НО). НО1 ответвляет сигнал пропорциональный мощности падающей волны Р_n; НО2 - мощности отраженной волны Р₀; НО3 - мощности прошедшей волны Р_пр.

Сигналы НО детектируются квадратичными детекторами. Выходные напряжения детекторов позволяют определить модуль коэффициента отражения:

, (8)

и ослабление:

, (9)

Для скалярных анализаторов цепей характерно применение унифицированного индикатора КСВ и ослабления, работающего на частоте амплитудной модуляции ГКЧ. Этот индикатор обеспечивает усиление сигналов пропорциональных ,,, деление их с помощью измерителя отношений, детектирование и панорамное воспроизведение на экране ЭЛТ измеряемых характеристик в линейном и логарифмическом масштабах с отсчетом значений измененных величин.

Источники погрешности скалярных анализаторов цепей:

1) неточность установки и нестабильность частоты ГКЧ;

2) неидеальность и неиндентичность направленных ответвителей;

3) погрешности индикатора;

4) неквадратичность характеристик детекторов.

ЛИТЕРАТУРА

1 Метрология и электроизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов /А.С. Сигов, Ю.Д. Белик. и др./ Под ред. В.И. Нефедова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005.

2 Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007.

3 Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Б.П. Хромого. - М.: Радио и связь, 2006.