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 (Uп
) и отраженных волн (U0). На рисунке 1,б показана векторная диаграмма, показывающая образование суммарного сигнала UΣ.
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 (Р1и 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 ответвител
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 Рn
распространяется слева направо, то поле, возбужденное щелью А, сложится в фазе с полем, возбужденным В, так как пути пройденные ими равны и равны λв/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 λв/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 Рn
; НО2 - мощности отраженной волныР0
; НО3 - мощности прошедшей волны Рпр
.
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
1Метрология 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.
2Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007.
3Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Б.П. Хромого. – М.: Радио и связь, 2006.