Двухзондовый метод измерения полного сопротивления на СВЧ с использованием квадратурной обработки

№ 1’2017
PDF версия
Авторы предлагают метод определения полного сопротивления, основанный на квадратурной обработке измерительных сигналов. В статье представлены результаты экспериментальных исследований установки на основе двухзондовой измерительной линии и квадратурного демодулятора ADL5382, приведены экспериментальные графики фазового и амплитудного распределений поля для различных образцовых нагрузок и результаты измерений их параметров. Полученные значения погрешностей подтверждают возможность создания высокоточных приборов на основе предложенного метода.

Разработка новых методов измерения комплексных параметров СВЧ-устройств остается актуальной задачей [1, 2]. В частности, не ослабевает интерес к созданию простых, малогабаритных и недорогих устройств для целей встроенного контроля [3].

В работе [4] рассмотрен однозондовый метод определения комплексного коэффициента отражения, основанный на анализе амплитудно-фазового распределения поля в СВЧ-тракте с использованием прямого преобразования частоты и последующей квадратурной обработкой. Недостатком этого метода является необходимость создания дополнительного опорного канала, например, с помощью направленного ответвителя, и применение фазостабильного кабеля в опорном канале, что увеличивает массу и габариты измерителя, а также повышает его стоимость.

В статье предлагается новый метод определения комплексного коэффициента отражения на основе двухзондового анализа амплитудно-фазового распределения поля в линии передачи путем применения прямого преобразования частоты с последующей квадратурной обработкой измерительной информации. Ниже представлены структура аппаратурной реализации этого метода и экспериментальные данные, подтверждающие возможность получения высоких метрологических характеристик.

 

Исследуемая модель

На рис. 1 изображена структурная схема измерительной установки. Генератор СВЧ (ГСВЧ) через линию передачи подключен к образцовой нагрузке Н с известным значением коэффициента отражения Г.

Структурная схема измерительной установки для измерения полного сопротивления на СВЧ

Рис. 1. Структурная схема измерительной установки

Для реализации метода использованы зонды 1 и 2, размещенные на подвижной платформе (ПП). Расстояние между зондами составляет λ/4, где λ — длина волны в СВЧ-тракте. ПП реализована на основе стандартной измерительной линии, которая была доработана. Доработка заключалась в размещении на каретке второго зонда с возможностью его продольного перемещения относительно первого зонда. Кроме того, из камеры первого зонда был удален СВЧ-детектор. СВЧ-сигналы, наводимые на зондах 1 и 2, с помощью идентичных кабелей подаются на измерительный и опорный входы квадратурного демодулятора (КД), который выполнен на основе микросхемы ADL5382 в виде блока в микрополосковом исполнении, размещенном также на ПП. В этом блоке выполняется двухканальное синхронное детектирование, в результате чего на выходах КД возникают квадратурные составляющие сигнала, поступающие затем в блок квадратурной обработки (БКО). В БКО формируется амплитудное и фазовое распределение поля в тракте, и рассчитываются измеренные значения коэффициента отражения и КСВН.

Измерения проводились в 40 дискретных точках при перемещении ПП вдоль тракта на расстояние, равное длине волны. При этом в каждой дискретной точке на выходах КД формируется пара квадратурных составляющих In и Qn, которые поступают в БКО, оцифровываются и подвергаются математической обработке. В результате вычисляются величина Un, пропорциональная произведению амплитуд ответвленных зондами 1 и 2 сигналов, и фазовый сдвиг ψn между этими сигналами по формулам:

где n — номер отсчета.

Сформированные в БКО массивы чисел Un и ψn позволяют построить амплитудные и фазовые распределения и рассчитать с использованием особенностей этих распределений комплексный коэффициент отражения, то есть, определить полное сопротивление нагрузки. Нетрудно показать, что, используя амплитудное распределение, коэффициент отражения Г можно определить по формуле:

и, используя фазовое распределение по формуле [5], получить:

где Umax и Umin — максимум и минимум амплитудного распределения; ∆ψmax — максимальное отклонение фазового распределения от нуля.

 

Практические результаты

Эксперименты проводились на частоте f = 1,5 ГГц (λ = 20 см). При этом использовались меры КСВН второго разряда ЭК9–180, аттестованные с помощью векторного анализатора СВЧ-цепей Agilent 87050. На рис. 2 и 3 показаны аппроксимированные кусочно-линейным способом графики фазового ψ(l/λ)и амплитудного Uн(l/λ) распределений в пределах одной длины волны при различных образцовых нагрузках.

Фазовое (a) и амплитудное (б) распределения при КСВН = 1,4

Рис. 2. Фазовое (a) и амплитудное (б) распределения при КСВН = 1,4

На графиках применены обозначения: Uн — нормированная к максимальному значению амплитудное распределение; l — расстояние от опорной плоскости (плоскость первого отсчета) до плоскости размещения первого зонда.

Фазовое (a) и амплитудное (б) распределения при КСВН = 2,0

Рис. 3. Фазовое (a) и амплитудное (б) распределения при КСВН = 2,0

В табл. 1 приведены результаты анализа фазового распределения как по экстремальным точкам (формула 3), так и по дискретным отсчетам. При дискретном анализе фазового распределения был использован алгоритм, подробно описанный в [5]. При этом использовались лишь два дискретных отсчета фазового сдвига в точках, расстояние между которыми составляло λ/8.

Таблица 1. Результаты анализа фазового распределения по экстремальным значениям и дискретным отсчетам

Параметры

Результаты анализа по экстремальным значениям

Результаты анализа по двум дискретным отсчетам

Значение при измерении КстU

Значение при измерении Г

Погрешность КстU, %

Погрешность Г, %

Значение при измерении КстU

Значение при измерении Г

Погрешность КстU, %

Погрешность Г, %

КстU = 1,4;

Г = 0,167

1,42

0,174

1,43

4,19

1,36

0,153

2,86

8,4

КстU = 2,0;

Г = 0,333

1,97

0,325

1,50

2,4

1,96

0,324

2,0

2,7

Данные, представленные в табл. 1, показывают достаточно высокую точность измерения по результатам фазового анализа. Погрешность измерения КСВН при КстU = 2,0 составила 1,5% по экстремальным значениям и 2,0% по дискретным отсчетам.

В табл. 2 приведены результаты анализа амплитудного распределения по экстремальным точкам (формула 2). Данные, представленные в табл. 2, показывают достаточно высокую точность измерения по результатам амплитудного анализа. Погрешность измерения КСВН при КстU = 2,0 по экстремальным значениям составила 2,5%.

Таблица 2. Результаты фазового анализа амплитудного распределения по экстремальным точкам

Параметры

Значение при измерении КстU

Значение при измерении Г

Погрешность КстU, %

Погрешность Г, %

КстU = 1,4; Г = 0,167

1,42

0,174

1,43

4,19

КстU = 2,0; Г = 0,333

1,95

0,322

2,50

3,3

Сравнивая результаты измерений с использованием фазового и амплитудного анализа, приходим к заключению о том, что погрешность измерений при фазовом анализе несколько меньше, чем при амплитудном.

 

Заключение

В статье предложен двухзондовый метод измерения полного сопротивления на основе синхронного квадратурного детектирования ответвляемых сигналов с последующей квадратурной обработкой данных измерения. С использованием этого метода проведен экспериментальный анализ амплитудного и фазового распределения поля в линии передачи и определение коэффициента отражения (КСВН) для обоих случаев. Точность измерений при фазовом анализе оказалась несколько выше, чем при амплитудном анализе. Полученные результаты свидетельствуют о возможности аппаратурной реализации этого метода, в частности, для целей встроенного и технологического контроля. 

Литература
  1. Gimpilevich Y. B., Smailov Y. Y. A method for measuring of two microwave signals vector ratio//Proceedings of the 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). Kyiv. 2005.
  2. Gimpilevich Y. B., Vertegel V. V., Noskovich V. I. Increasing operation speed during complex parameters measurements for microwave devices with the help of 12‑pole reflectometer method//Radioelectronics and Communications Systems. 2007. V. 55
  3.  Gimpilevich Y. B. The built-in measuring device of passing microwave power level//Proceedings of the 22nd IEEE International Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’2012). Sevastopol. 2012. V. 2.
  4.  Zebek S. E. The mathematical model of a complex reflection coefficient measuring instrument based on a method of direct frequency conversion//Proceedings of the 24th IEEE International Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’2014). Sevastopol, Crimea. September, 2014. V. 2.
  5.  Гимпилевич Ю. Б. Измерение и контроль параметров микроволновых трактов. Севастополь: СевНТУ, 2009.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.