Двухзондовый метод измерения полного сопротивления на СВЧ с использованием квадратурной обработки

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.

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 I_n и Q_n, которые поступают в БКО, оцифровываются и подвергаются математической обработке. В результате вычисляются величина U_n, пропорциональная произведению амплитуд ответвленных зондами 1 и 2 сигналов, и фазовый сдвиг ψ_n между этими сигналами по формулам:

где n — номер отсчета.

Сформированные в БКО массивы чисел U_n и ψ_n 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 U_max и U_min — максимум и минимум амплитудного распределения; ∆ψ_max — 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 U_н(l/λ) распределений в пределах одной длины волны при различных образцовых нагрузках.

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

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

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.

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

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.