МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Севастопольський державний технічний університет
Вертегел Валерій Вікторович
УДК 621.372.865
ФАЗОМЕТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ КОМПЛЕКСНИХ
ПАРАМЕТРІВ АНТЕННО-ФІДЕРНИХ ПРИСТРОЇВ
05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Севастополь - 2001
На правах рукопису
Робота виконана на кафедрі радіотехніки Севастопольського державного технічного університету
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Гімпілевіч Юрій Борисович,
Севастопольський державний технічний університет,
доцент кафедри радіотехнікі
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Кулемін Генадій Петрович,
Інститут радіофізики та електроніки НАН України, м. Харків, головний науковий співробітник
кандидат фізико-математичних наук, доцент,
Должиков Володимир Васильович,
Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки
Провідна установа: ВАТ Науково-виробниче підприємство “Сатурн"
Міністерства промислової політики України (м. Київ)
Захист дисертації відбудеться “22” березня 2001 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К50.052.03 при Севастопольському державному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, 4-й учбовий корпус.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського державного технічного університету.
Автореферат розіслано “19” лютого 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради к. т. н., професор Саламатін В. В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У сучасних радіотехнічних системах широко використовуються активні фазовані антенні решітки (АФАР), цифрові антенні решітки (ЦАР), активні інтегровані антени. При роботі активних антен у широкому динамічному діапазоні параметри нелінійних активних елементів (напівпровідникові НВЧ транзистори, змішувальні, перемикаючі діоди та ін.) змінюються в залежності від рівня потужності НВЧ сигналу. Для забезпечення оптимальних енергетичних характеристик і характеристик випромінювання антен, зменшення коефіцієнту шуму дуже важливим є узгодження хвильових опорів мікрохвильових пристроїв тракту з вхідними та вихідними опорами активних елементів у широкому динамічному діапазоні НВЧ потужності. У зв'язку з цим, при настройці активних антенно-фідерних пристроїв потрібно здійснювати контроль узгодження в заданому динамічному діапазоні.
Для вимірювання параметрів антенно-фідерних пристроїв на малих рівнях потужності застосовуються вимірювальні прилади груп Р1...Р5, а також автоматичні аналізатори мікрохвильових пристроїв, імпульсні рефлектометри та векторні вольтметри зарубіжних фірм. Однак ці прилади не можуть бути використані для настройки модулів АФАР і активних інтегрованих антен у режимі великих сигналів. Крім того, вказані вимірювачі не дозволяють здійс-нювати вбудований контроль вхідних характеристик антен.
Існуючий підхід до побудови вимірювальних перетворювачів, який заснований на аналізу амплітудного розподілу електромагнітного поля в лінії передачі, володіє рядом суттєвих недоліків: обмеженим діапазоном допустимої зміни НВЧ потужності в лінії (20 ... 25 дБ); похибками вимірювань через неквадратичність і неідентичність вольтамперних характеристик детекторних діодів, а також через випадкову зміну потужності НВЧ генератора; значною нестабільністю метрологічних характеристик, що спричиняється випадковими змінами параметрів НВЧ детекторних діодів і коефіцієнтів передачі вимірювальних каналів.
Таким чином, задача розробки високоточних і высокостабільних вимірювальних перетворювачів, метрологічні характеристики яких зберігаються в широкому діапазоні зміни потужності НВЧ сигналу при впливі широкого класу дестабілізуючих факторів, є актуальною, що має велике наукове і прикладне значення. Створення таких перетворювачів дозволяє: вимірювати параметри активних НВЧ пристроїв на різних рівнях вхідної потужності; здійснювати вбудований контроль вхідних характеристик активних антен при випробуваннях радіотехнічних систем у широкому динамічному діапазоні сигналів; скоротити номенклатуру використаних вимірювальних засобів і розширити їх функціональні можливості.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи є продовженням наукової роботи колективу кафедри радіотехніки СевДТУ в галузі розробки антенних і радіовимірювальних мікрохвильових пристроїв. Результати отримані автором дисертації були використані при виконанні держбюджетної роботи “Разработка принципов построения и создания нового класса автоматизированных систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн” (номер государственной регистрации 0193U007232). Планується використання результатів роботи при створенні приладів вбудованого контролю параметрів антенно-фідерних трак-тів космічних апаратів у рамках національної космічної програми України.
Мета і основні задачі дослідження. Метою роботи є розробка принципів побудови фазометричних перетворювачів, що володіють підвищеною точністю і стабільністю в широкому діапазоні зміни потужності НВЧ сигналу, дослідження їх метрологічних характеристик і створення на їх основі автоматизованої вимірювальної системи з розширеними функціональними можливостями.
Основні задачі дослідження включали наступне:
·
аналіз методів і засобів вимірювання комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв, визначення шляхів побудови вимірювальних перетворювачів, що забезпечують високу точність і стабільність вимірювань у широкому діапазоні зміни потужності НВЧ сигналу;
·
аналіз фазового розподілу електромагнітного поля в розузгодженої лінії передачі і отримання аналітичної залежності, що зв'язує особливості цього розподілу з комплексним коефіцієнтом відбиття навантаження;
·
розробку математичних моделей двоканального, одноканального двозондового і одноканального чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювачів фазометричного типу;
·
дослідження похибок розузгодження і частотних похибок фазометричних перетворювачів, а також статистичне моделювання результуючих похибок вимірювань;
·
розробку узагальненої математичної моделі багатополюсного перетворювача фазометричного типу;
·
розробку алгоритму обробки вимірювальної інформації, що отримується з багатополюсного перетворювача фазометричного типу;
·
розробку алгоритмів калібрування багатополюсних перетворювачів при різних наборах зразкових мір;
·
дослідження метрологічних характеристик автоматизованого вимірювача, який побудовано но основі багатополюсного перетворювача;
·
виготовлення та експериментальне дослідження характеристик діючих макетів перетворювачів і розроблених на їх основі вимірювачів комплексного коефіцієнта відбиття.
Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є фазометричний метод вимірювання комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв. Предметом дослідження є принципи побудови вимірювальних перетворювачів фазометричного типу, алгоритми обробки вимірювальної інформації, алгорит-ми калібрування перетворювачів і аналіз їх метрологічних характеристик.
Методи дослідження. У роботі використано наступні методи: топологічний метод орієнтованих графів для визначення комплексних амплітуд хвиль на вимірювальних виходах перетворювачів; методи лінійної алгебри для розв’язань систем вимірювальних і калібровочних рівнянь; чисельний метод розв’язання нелінійних рівнянь для визначення параметрів елементів зв’язку; метод Монте-Карло для статистичного моделювання похибок вимірювань; комп’ютерне моделювання, а також методи експериментального дослідження характеристик розроблених перетворювачів.
Наукова новизна роботи. При виконанні дисертаційної роботи уперше отримано наступні результати:
·
розроблено математичні моделі двоканального, одноканального двозондового і одноканального чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювачів фазометричного типу;
·
запропоновано і досліджено фазометричний метод автоматичного вимірювання комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв;
·
розроблено узагальнену математичну модель фазометричного багатополюсного перетворювача;
·
розроблено алгоритм обробки вимірювальної інформації, що дозволяє визначати параметри досліджуваного пристрою шляхом розв’язання систем лінійних рівнянь у дискретних точках частотного діапазону;
·
розроблено алгоритми калібрування, що дозволяють за результатами вимірювання параметрів зразкових навантажень визначати еквівалентні комплексні параметри багатополюсного перетворювача;
Практичне значення одержаних результатів складається в наступному:
·
розроблено і виготовлено фазометричі перетворювачі і на їх основі ви-мірювачи комплексного коефіцієнта відбиття антенно-фідерних пристроїв;
·
розроблено автоматизовану систему для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття антенно-фідерних пристроїв на основі чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювача, фазометра РФК2-18, генератора ГКЧ-53, персонального комп’ютера і блоку спряження з ЕОМ;
·
розроблено програмне забезпечення цієї системи, що забезпечує діалоговий режим роботи, графічну і цифрову індикацію результатів вимірювань, а також інші сервісні можливості в середовищі Windows;
·
результати дисертаційної роботи впроваджено в Севастопольському державному технічному університеті, Державному випробувальному центрі “Омега” (м. Севастополь).
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповіда-лися і обговорювалися на 6 міжнародних конференціях:
-
2-й Міжнародної Кримської конференції ''СВЧ техника и супутниковые телекоммуникационные технологии'', м. Севастополь, 1992 р.;
-
3-й Міжнародної Кримської конференції ''СВЧ техника и супутниковые телекоммуникационные технологии'', м. Севастополь, 1993 р.;
-
Міжнародної науково-технічної конференції ''Електроника-97'', м. Каунас, 1997 р.;
-
8-й Міжнародної Кримської мікрохвильової конференції м. Севастополь, 1998 р.;
-
9-й Міжнародної Кримської мікрохвильової конференції м. Севастополь, 1999 р.;
-
10-й Міжнародної Кримської мікрохвильової конференції м. Севастополь, 2000 р.
Публікації. По матеріалах досліджень опубліковано 14 робіт: 6 наукових статей, 8 матеріалів доповідей.
Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів із висновками, загального висновку викладених на 190 сторінках машинописного тексту, списку з 113 використаних джерел на 10 сторінках. Робота містить 67 ілюстрацій на 41 сторінках, 9 таблиць і 4 додатка.
Основні положення, що виносяться на захист:
-
аналітична залежність, що зв'язує значення екстремумів і положення нулів фазового розподілу поля в лінії передачі з комплексним коефіцієнтом відбиття навантаження;
-
математичні моделі двоканального, одноканального двозондового і одноканального чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювачів фазометричного типу;
-
результати теоретичного дослідження метрологічних характеристик розроблених перетворювачів;
-
узагальнена математична модель багатополюсного перетворювача фазометричного типу, що являє собою систему нелінійних рівнянь, які пов'язують параметри досліджуваного пристрою, еквівалентні комплексні константи і фазові зсуви між сигналами на виходах багатополюсника;
-
алгоритми калібрування, що дозволяють розв'язати систему нелінійних рівнянь лінійними методами за результатами вимірювань параметрів різних наборів зразкових мір і розрахувати еквівалентні комплексні параметри багатополюсного перетворювача;
-
алгоритм точного розв’язання системи нелінійних рівнянь відносно квадратурних складових комплексного коефіцієнта відбиття досліджуваного пристрою;
-
результати експериментальних досліджень характеристик розроблених перетворювачів і построєних на їх основі вимірювачів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, виділено положення, що виносяться на захист, анотовано зміст дисертаційної роботи.
В першому розділі проаналізовано методи і засоби вимірювання комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв. Показано, що вхідні опори, параметри розсіювання багатополюсных пристроїв можуть бути визначені за результатами вимірювання комплексного коефіцієнта відбіття (ККВ) в різних точках НВЧ тракту.
Критеріями для порівняльного аналізу методів і засобів вимірювань були: похибки, стабільність метрологічних характеристик вимірювачів; діапазон допустимої зміни потужності НВЧ сигналу; смуга робочих частот; конструктивні особливості; можливість автоматизації процесу вимірювання.
В результаті аналізу встановлено, що існуючі методи і засоби не забезпечують високоточні, високостабільні вимірювання комплексних параметрів у широкому діапазоні зміни потужності НВЧ сигналів у мікрохвильових трактах. Показано, що для досягнення поставленої в роботі мети найбільш доцільно будовати прилади на базі наступних методів вимірювання в частотній області: інтерференційного методу; поляризаційного методу; методу каліброваного багатополюсника. Поєднання цих методів з фазометричним способом формування вимірювальних сигналів дозволяє створити вимірювачі, які задовольняють основним вимогам, що пред'являються як до приладів вбудованого контролю, так і до стаціонарних вимірювальних систем.
Проведений аналіз дозволив зробити висновок про те, що в залежності від розв'язуваних задач доцільне застосування як спрощених алгоритмів обробки вимірювальної інформації, які забезпечують вимірювання з прийнятною точністю в реальному масштабі часу, так і складних цифрових алгоритмів, що забезпечують високоточні вимірювання. Однак відомі алгоритми, що засновані на одержуванні інформації з амплітуд сигналів на вимірювальних виходах перетворювачів, не забезпечують високу точність і стабільність вимірювань при зміні потужності сигналу в мікрохвильових трактах у широкому динамічному діапазоні.
Перелічені обставини диктували необхідність розробки нових вимірювальних перетворювачів і алгоритмів на основі аналізу фазового розподілу електромагнітного поля в лінії передачі.
У другому розділі досліджено особливості фазового розподілу електромагнітного поля в регулярної лінії передачі і встановлено аналітичний взаємозв'язок цих особливостей з комплексним коефіцієнтом відбиття навантаження при двох способах формування опорного сигналу.
З метою спрощення аналізу прийнято, що в лінії забезпечено одномодовий режим роботи, а емнісний зонд, за допомогою якого досліджується фазовий розподіл, на даному етапі прийнятий невідбиваючим.
Початкова фаза хвилі, що відгалужується зондом, може бути представлена у вигляді
, (1)
де - фазова константа, що залежить від параметрів НВЧ генератора і зонда; l- координата зонда, що відлічується від плоскості підключення навантаження; - фазова стала лінії; - довжина хвилі в лінії передачі; і - модуль і аргумент комплексного коефіцієнта відбиття навантаження.
Формула (1) містить фазову константу і лінійну складову вl, які не залежать від параметрів досліджуваного навантаження. У цьому співвідно-шенні є також нелінійна складова, яка несе інформацію про комплексний коефіцієнт відбиття навантаження і є періодичною функцією координати l,
. (2)
Ця складова надалі називається “фазовим розподілом електромагнітної хвилі в лінії передачі”.
Встановлено, що значення екстремумів фазового розподілу залежать тільки від і визначаються за формулами
, . (3)
Показано, що координати нулів фазового розподілу зв’язані з аргументом рівнянням
. (4)
Розв’язання рівнянь (3) та (4) відносно параметрів навантаження, з ураху-ванням процедур калібрування по узгодженому навантаженню і коротко-замикачу, приводить до наступних співвідношень для розрахунку і
, (5)
, (6)
де - зміщення координат нулів фазового розподілу відносно координат нулів при підключенні до виходу лінії зразкового короткозамыкача.
Таким чином, за результатами вимірювання фазового розподілу електромагнітної хвилі в лінії передачі можливо визначити комплексний коефіцієнт відбиття пристрою, підключеного до виходу лінії.
На рис. 1 наведено структурну схему вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття, що побудований на основі двоканального мікрохвильового перетворювача фазометричного типу.
Рис. 1
Сигнал з виходу НВЧ генератора (ГНВЧ) через подільник потужності (ПП) подається на вимірювальний перетворювач. Перетворювач містить два канали: вимірювальний, до виходу якого підключається досліджуваний пристрій (ДП), та опорний, в якому формується сигнал з лінійним фазовим зсувом l. До виходу опорного каналу підключене узгоджене навантаження (УН). Пересувні ненаправлені зонди З1 і З2 механічно зв'язані так, що відстані l1 і l2, які відлічуються від площин підключення навантажень до зондів, однакові. При переміщенні каретки із зондами НВЧ фазометр (Ф) вимірює різницю фаз між сигналами, які відгалужуються зондами. З виходу фазометра інформація про величини максимального або мінімального фазових зсувів max і min надходить до блоку обробки інформації (БО), в якому значення модуля коефіцієнта відбиття визначається за формулою (5), а аргументу - за формулою (6) і далі відображається індикатором (І). Процедурі вимірювань передує калібрування по узгодженому навантаженню і короткозамикачу.
На рис. 2 наведено структурну схему вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття, який побудовано на основі одноканального двозондового перетворювача фазометричного типу.
Рис. 2
Аналіз фазового розподілу в лінії передачі здійснюється за допомогою двох ненаправлених зондів, відстань між якими дорівнює . Обидва зонди встановлюються на єдиній каретці, яка може переміщатися вздовж лінії, а фазо-метр вимірює різницю фаз між НВЧ сигналами, які відгалужуються зондами.
Отримано аналітичну залежність фазового розподілу від комплексного коефіцієнта відбиття досліджуваного пристрою (ДП). Різниця фаз, що вимірюється фазометром, визначається співвідношенням
, (7)
де - постійна складова фазового зсуву, яка може бути виключена при калібруванні вимірювача по узгодженому навантаженню.
Графіки фазових розподілів у лінії одноканального двозондового перетворювача при різних значеннях модуля ККВ і = 0 наведено на рис. 3.
Рис. 3
Екстремальні значення фазового розподілу однозначно зв'язані з модулем ККВ, що дозволяє розрахувати значення останнього за формулою
, (8)
а положення нулів залежать від аргументу ККВ, який може бути розрахованим за формулою (6).
Показано, що діапазон допустимої зміни потужності в мікрохвильових трактах вимірювачів визначається динамічним діапазоном вхідних сигналів НВЧ фазометрів. Сучасні фазометри забезпечують перекриття динамічного діапазону вхідних сигналів не менше за 60 дБ, що досягається застосуванням підсилювачів-обмежувачів з великими коефіцієнтами посилення. При максимальному значенні вимірюваного коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) близько трьох запропонований метод дозволяє перекрити діапазон потужності в лінії не менше за 50 дБ, що на 30 дБ більше, ніж при аналізі амплітудного розподілу поля в лінії передачі за допомогою методів прямого детектування.
Розглянутий метод володіє рядом додаткових переваг, витікаючих із того, що вимірювані фазові зсуви не залежать від амплітуд хвиль у лінії передачі, а також від модулів коефіцієнтів зв'язку зондів з лінією. При цьому виклю-чаються похибки через нестабільність потужності НВЧ генератора і непостій-ність зв'язку зондів з лінією передачі. Не впливає на результати вимірювання неквадратичність вольтамперних характеристик НВЧ детекторів, які відсутні в цьому випадку. Не впливають на точність вимірювання фазові флуктуації сигналу НВЧ генератора, оскільки вони присутні в опорному та вимірювальному каналах і взаємно компенсуються у фазометрі.
Теоретично досліджено метрологічні характеристики вимірювачів, які побудовані на основі одноканального і двоканального перетворювачів.
Проведено оцінку методичної похибки, що дозволило визначити потенційні метрологічні можливості фазометричного методу вимірювання. Отримано співвідношення, що дозволяють оцінити відносну методичну похибку вимірювання модуля і абсолютну методичну похибку вимірювання аргументу ККВ пристрою для двоканального перетворювача
, , (9)
і для одноканального перетворювача
, , (10)
де - абсолютна похибка вимірювання різниці фаз.
Встановлено, що при використанні фазометра з похибкою вимірювання = 0,5 для випадку = 0,33 (КСХ = 2) відносні похибки методу вимірювання модуля складають для двоканального і одноканального двозондового перетворювачів відповідно 2,47% і 1,46%, а абсолютні похибки методу вимірювання аргументу - 1° і 0,67°.
Проведено аналіз частотної похибки вимірювача, який побудовано на основі одноканального двозондового перетворювача. Встановлено, що вимірювач забезпечує для = 0,33 відносну похибку вимірювання модуля ККВ менше за 5% і аргументу 5 в смузі частот 20% відносно центральної частоти діапазону.
Для оцінки похибок вимірювань, які викликані розузгодженнями в мікрохвильових трактах перетворювачів, розроблено їх математичні моделі, що враховують вплив параметрів НВЧ вузлів на фазові розподіли. Проведено комп'ютерне моделювання похибок вимірювань.
На основі методу статистичних випробувань Монте-Карло проведено моделювання результуючих похибок вимірювань з урахуванням впливу складових: похибки розузгодження; похибки вимірювання фазометра; нестабільності частоти НВЧ генератора; неточності відліку координат зондів; нестабільності параметрів перетворювачів і зразкових мір. Встановлено, що розподіли густині ймовірності похибок вимірювань у більшості випадків близькі до нормального закону, а математичні очікування близькі до нуля.
Для = 0,33 середньоквадратичні значення відносної похибки вимірювання модуля для двоканального і одноканального перетворювачів складають відповідно 2,8 % і 1,2 %, а середньоквадратичні значення абсолютної похибки вимірювання аргументу відповідно 1,3 і 0,5.
У третьому розділі розроблено принципи побудови багатополюсних перетворювачів фазометричного типу, які дозволяють автоматизувати процес вимірювання. Висока точність вимірювання досягається за рахунок визначення алгоритмічним шляхом параметрів багатополюсного перетворювача на етапі калібрування по набору зразкових мір і подальшого використання цих параметрів при обробці вимірювальної інформації. Як інформаційні параметри запропоновано використовувати фазові зсуви між сигналами на вимірювальних виходах багатополюсного перетворювача.
Для реалізації фазометричного методу розроблено узагальнену математичну модель багатополюсного мікрохвильового перетворювача в лінійному квазістаціонарному наближенні, яка являє собою систему із N нелінійних рівнянь вигляду
, (11)
де - різниці фаз між парами сигналів на вимірювальних виходах багатополюсного перетворювача, i = 1, 2. ... N, , , - еквівалентні параметри, що характеризують i-ю пару вимірювальних виходів. Ці константи визначаються на етапі калібрування перетворювача.
Отримано співвідношення, що дозволяють через S-параметри багатополюсного перетворювача розрахунковим шляхом оцінити значення еквівалентних параметрів на стадії проектування, або після виготовлення НВЧ перетворювача за результатами вимірювань.
Розроблено алгоритм обробки вимірювальної інформації для випадку дванадцятиполюсного перетворювача. Отримано точне аналітичне розв’язання системи рівнянь вигляду (11) шляхом перетворення її до системи лінійних рівнянь відносно дійсної та уявної частин комплексного коефіцієнта відбиття досліджуваного пристрою
, (12)
, (13)
де , , , , - коефіцієнти, що однозначно зв'язані з еквівалентними параметрами , , , , i = 1, 2, 3, n = 1 ... 7.
Запропонований алгоритм виключає систематичну складову похибки вимірювання, яка зумовлена впливом технологічних факторів при виготовленні перетворювача і частотною залежністю його параметрів. Це дозволяє істотно зменшити вимоги до технології виготовлення перетворювача і зберегти високу точність вимірювань у широкій смузі частот.
Розроблено алгоритм калібрування багатополюсного вимірювального перетворювача фазометричного типу. Запропоновано процедуру визначення скалярної фазової константи по квазіузгодженому навантаженню. Показано, що реалізація цієї процедури при використанні рухомого навантаження істотно підвищує точність визначення фазової константи, що в свою чергу зменшує похибку вимірювання комплексного параметра при реалізації вимірювального алгоритму.
Для визначення , , , проведено перетворення системи рівнянь виду (11) до системи лінійних рівнянь, які зв'язують квадратурні складові еквівалентних параметрів з параметрами еталонних навантажень і фазовими зсувами між вихідними сигналами вимірювального перетворювача. Отримана система в матричній формі має вигляд:
, (14)
де - дійсні коефіцієнти, однозначно зв'язані з параметрами q-го еталонного навантаження і показами фазометра при вимірюванні цього навантаження; q = 1 ... 6; ... - невідомі квадратурні складові еквівалентних параметрів перетворювача; , - комбінації квадратурних складових; .
При практичній реалізації процедури калібрування невідомі ... визначаються шляхом розв’язання системи лінійних рівнянь (14) в ЕОМ, а із них розраховуються модулі та аргументи еквівалентних параметрів.
Перевага запропонованого способу розв’язання системи рівнянь виду (11) полягає в однозначності визначення квадратурних складових калібро-вочних коефіцієнтів і порівняно малих витратах часу на обчислення. Крім цього, не потрібно попередньої оцінки величин шуканих констант, які необ-хідні для розв’язання итераційними методами системи нелінійних рівнянь.
Розглянуто і проведено порівняльний аналіз декількох практично важливих варіантів калібрування багатополюсного перетворювача: по одному розузгодженому і п'яти короткозамкнутим навантаженням; по нерухомому і рухомому розузгодженим навантаженням; по набору розузгоджених навантажень. Використання того або іншого варіанту визначається наявністю необхідного набору зразкових мір.
Запропоновано одноканальний чотиризондовий комутаційний НВЧ пере-творювач фазометричного типу, структурну схему якого наведено на рис. 4.
Рис. 4
Перетворювач вбудовується в тракт між НВЧ генератором, що характеризується коефіцієнтом відбиття Гг, і досліджуваним пристроєм з коефіцієнтом відбиття Гн. Аналіз фазового розподілу здійснюється за допомогою датчика розподілу поля інтерференційного типу. Конструктивно датчик виконаний у вигляді відрізка лінії передачі з чотирма ненаправленими зондами, розташованими вздовж поздовжньої осі лінії на відстані 8, де - довжина хвилі в лінії.
Сигнали з виходів зондів за допомогою НВЧ комутатора (К), який керується блоком керування (БК), попарно надходять до вимірювального “Вим.” та опорного “Оп.” входів НВЧ фазометра (Ф). Вибір зондів, які підключаються до входів фазометра, і послідовність комутації задається блоком керування. Сигнали з виходу фазометра, що пропорційні виміряним різницям фаз, далі надходять у блок обробки для розрахунку вимірюваних параметрів за формулами
, (15)
, (16)
де, , - різниці фаз між сигналами, що відгалужені відповідно першим і третім зондами та другим і четвертим зондами; , , - складові фазового зсуву, які не залежать від вимірюваних параметрів і можуть бути визначені при калібруванні вимірювача по узгодженому навантаженню і короткозамикачу.
Проведено теоретичне дослідження метрологічних характеристик вимірювача, який побудований на основі чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювача. Отримано співвідношення для визначення методичної похибки вимірювання модуля і аргументу:
, (17)
, (18)
де - абсолютна похибка вимірювання різниці фаз.
Встановлено, що при використанні фазометра з похибкою вимірювання = 0.5 для |Гн| = 0,33 відносна похибка методу вимірювання модуля становить 1,2%, а абсолютна похибка методу вимірювання аргументу 0,62°.
Досліджено частотну похибку. Вимірювач, що збудований на основі чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювача, в смузі частот 20 % має відносну систематичну похибку вимірювання модуля менше за 5% і абсолютну похибку вимірювання аргументу менше за 0,7°.
На основі методу статистичних випробувань Монте-Карло проведено моделювання результуючих похибок вимірювань на центральній частоті робочого діапазону. Для = 0,33 середньоквадратичні значення відносної похибки вимірювання модуля складають 1%, а середньоквадратичні значення абсолютної похибки вимірювання аргументу 1°.
Показано можливість створення високостабільного автоматизованого вимірювача на основі багатополюсного мікрохвильового перетворювача, що забезпечує при = 0,33 середньоквадратичне відхилення відносної похибки вимірювання модуля г = 2,1 % і середньоквадратичне відхилення абсолютної похибки вимірювання аргументу = 1,5° при випадковії зміні параметрів перетворювача в широкому діапазоні. Це дозволяє використати розроблені перетворювачі в умовах впливу широкого класу дестабілізуючих факторів.
У четвертому розділі приведено результати експериментальних досліджень характеристик вимірювальних перетворювачів і побудованих на їх основі вимірювачів комплексного коефіцієнта відбиття. Встановлено, що максимальна відносна похибка вимірювання модуля комплексного коефіцієнта відбиття навантаження =0,33 для двоканального перетво-рювача не перевищує 5,5 %, а одноканального двозондового перетворювача 3,5% в діапазоні потужності вхідних сигналів не менше за 50 дБ. Абсолютна похибка вимірювання аргументу для двоканального перетворювача не перевищує 3,5, а одноканального двозондового перетворювача - 2.
Представлено результати розробки та експериментальних досліджень характеристик чотиризондових комутаційних НВЧ перетворювачів діапазону частот 1,07... 2,14 ГГц та 2 ... 4 ГГц.
Розглядено питання розробки і практичної реалізації автоматизованої вимірювальної системи на основі чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювача фазометричного типу та стандартних вимірювальних приладів: НВЧ генератора ГКЧ-53; фазометра РФК2-18; частотоміра Ч3-34 з блоком Я3Ч-51 і персональної ЕОМ з блоком спряження.
Розроблено програмне забезпечення автоматизованої вимірювальної системи під операційну систему Windows 95/98. Віконний інтерфейс програми написано в середовищі візуального програмування Delphi. Робоче вікно програми імітує передню панель вимірювача комплексного коефіцієнта відбиття, що містить кнопки перемикача режимів роботи і керування, індикатори робочого діапазону частот, кількості частотних точок, на яких проводяться вимірювання. Програма дозволяє в діалоговому режимі керувати процесами калібрування і вимірювання, видавати інформацію про помилки і рекомендації по їх виправленню, відображати результати вимірювань на цифровому індикаторі та у вигляді графіків частотної залежності, а також зберігати результати вимірювань у вигляді файла даних або роздруку.
Проведено експериментальне дослідження характеристик автоматизова-ної системи. Результати підтверджують проведені теоретичні дослідження. Максимальна похибка вимірювання не перевищує похибкі атестації зразкових мір, що застосовувались для експериментальних досліджень. Відносна похибка вимірювання модуля ККВ навантажень менше за 2%, а абсолютна похибка вимірювання аргументів близько 2° в діапазоні потужності вхідних сигналів не менше за 50 дБ.
У додатках приведено акти впровадження результатів дисертаційної роботи, формули для розрахунку коефіцієнтів , , , , алгоритм програми функціонування автоматизованої вимірювальної системи.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ
1.
Проведено аналіз особливостей фазового розподілу електромагніт-ного поля в розузгодженої лінії передачі та встановлено аналітичний взаємозв’язок значень екстремумів і положень нулів цього розподілу з модулем і аргументом комплексного коефіцієнта відбиття навантаження.
2.
Розроблено принципи побудови фазометричних перетворювачів, які формують сигнали, що несуть інформацію про параметри досліджуваного пристрою. Розроблено структурні схеми вимірювачів комплексного коефіцієнта відбиття, які побудовані на основі двоканального, одноканального двозондового і одноканального чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювачів фазометричного типу.
3.
Пропоновано алгоритм обробки вимірювальної інформації для ідеалізованої моделі чотиризондового комутаційного НВЧ перетворювача, що дозволяє при використанні швидкодіючих процесорів здійснювати вимірювання в реальному масштабі часу.
4.
Розроблено узагальнену математичну модель фазометричного багатополюсного перетворювача, яка являє собою систему нелінійних рівнянь, зв’язуючих фазові зсуви між сигналами на виходах багатополюсника з еквівалентними параметрами перетворювача і вимірюванимі параметрами. Проведено точне розв’язання цієї системи рівнянь відносно вимірюваних параметрів.
5.
Знайдено точне розв’язання системи нелінійних калібровочних рівнянь відносно еквівалентних параметрів багатополюсного перетворювача шляхом зведення її до системи лінійних рівнянь відносно квадратурних складаючих цих параметрів. На основі цього розв’язання розроблено алгоритми калібрування, які грунтуються на вимірюванні параметрів різних наборів еталонних навантажень.
6.
Досліджено похибки вимірювань, які зумовлені розузгодженням елементів, і похибки через частотну залежність параметрів вимірювальних перетворювачів. Проведено моделювання результуючої похибки вимірювачів комплексного коефіцієнта відбиття антенно-фідерних пристроїв методом статистичних випробувань.
7.
Виготовлено та експериментально досліджено характеристики двоканального і одноканального двозондового перетворювачів фазометричного типу, а також вимірювачи комплексного коефіцієнта відбиття на їх основі.
8.
Виготовлено та експериментально досліджено характеристики фазометричних дванадцятиполюсних перетворювачів, а також високоточна високостабільна автоматизована вимірювальна система на основі стандартних вимірювальних приладів і персональній ЕОМ з блоком спряження. Розроблено програмне забезпечення автоматизованої вимірювальної системи під операційну систему Windows 95/98. Проведені експериментальні дослідження підтвердили отримані теоретичні результати.
9.
Подальшій розвиток фазометричних вимірювачів комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв пов’язано з підвищенням точності вимірювань шляхом урахування розузгоджень роз’ємних з’єднань, а також з розробкою алгоритмів вимірювання комплексних параметрів НВЧ багатополюсників.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Бондаренко И. К. Принцип обработки измерительной информации в поляризационных измерителях комплексных параметров СВЧ устройств/ И. К. Бондаренко, И. Л. Афонин, В. В. Вертегел // Вестник СевГТУ. Вып. 5. Информатика. Электроника. Связь: Сб. научн. тр.- Севастополь, 1997.- с. 78-81.
2.
Бондаренко И. К. Получение малозависимого от частоты фазового сдвига между двумя элементами связи в СВЧ устройствах/ И. К. Бондаренко, В. В. Вертегел, В. В. Саламатин // Вестник СевГТУ. Вып. 5. Информатика. Электроника. Связь: Сб. научн. тр. - Севастополь, 1997. - с. 82-87.
3.
Гимпилевич Ю. Б. Коммутационный СВЧ преобразователь фазометрического типа/ Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Вестник СевГТУ. Вып. 10: Информатика. Электроника. Связь: Сб. научн. тр. - Севастополь, 1998. - с. 101-106.
4.
Гимпилевич Ю. Б. Анализ погрешностей двухзондового СВЧ преобразователя фазометрического типа/ Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Вестник СевГТУ. Вып. 18: Информатика. Электроника. Связь: Сб. научн. тр. - Севастополь, 1999. - с. 128-134.
5.
Гимпилевич Ю. Б. Алгоритм калибровки многополюсного микроволнового преобразователя/ Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Вестник СевГТУ. Вып. 26. Информатика. Электроника. Связь: Сб. научн. тр. - Севастополь, 2000. - с. 149-155.
6.
Вертегел В. В. Панорамный измеритель комплексного коэффициента отражения микроволновых устройств/ В. В. Вертегел, А. Н. Вечурко, Б. А. Тюкин // Вестник СевГТУ. Вып. 26. Информатика. Электроника. Связь: Сб. научн. тр. - Севастополь, 2000. - с. 155-161.
7.
Бондаренко И. К. Анализатор СВЧ цепей фазометрического типа/ И. К. Бондаренко, Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Материалы 2-й Крымской конференции “СВЧ техника и спутниковый приём”. - Севастополь, 1992.- С. 43-47.
8.
Бондаренко И. К. Устройство для контроля качества антенн спутникового телевидения/ И. К. Бондаренко, Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел// Материалы 2-й Крымской конференции “СВЧ техника и спутниковый приём”. - Севастополь, 1992. - С. 117-118.
9.
Вертегел В. В. Коммутационные преобразования сигналов многодетекторного измерителя СВЧ параметров/ В. В. Вертегел, С. Р. Зиборов // Материалы 2-й Крымской конференции “СВЧ техника и спутниковый приём”. - Севастополь, 1992.- С. 107-112.
10.
Ветров И. Л. Автоматический измеритель комплексного коэффициента отражения на основе двенадцатиполюсного датчика/ И. Л. Ветров, В. В. Вертегел // Материалы 3-й Крымской конференции “СВЧ техника и спутниковый приём”. - Севастополь, 1993. - С. 54-57.
11.
Гимпилевич Ю. Б. Моделирование погрешностей фазометрического способа измерения комплексного коэффициента отражения СВЧ устройств/ Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Труды 8-й Междун. Крымской микроволновой конференции. - Севастополь, Вебер, 1998. - с. 681-684.
12.
Гимпилевич Ю. Б. Алгоритм обработки измерительной информации многополюсного микроволнового преобразователя фазометрического типа/ Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Труды 9-й Междун. Крымской микроволновой конференции. - Севастополь, Вебер, 1999. - с. 341-343.
13.
Гимпилевич Ю. Б. Способ калибровки многополюсного микроволнового преобразователя/ Ю. Б. Гимпилевич, В. В. Вертегел // Труды 10-й Междун. Крымской микроволновой конференции. - Севастополь, Вебер, 2000.- с. 487-489.
14.
Afonin I. Using the Switching Conversions in the Multidetector Microwave Meter/ I. Afonin, V. Vertegel, S. Ziborov // Mat. International Conference “Electronics’ 97”. - Kaunas, 1997.
АНОТАЦії
Вертегел В. В. Фазометричнi перетворювачі комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки.- Севастопольський державний технічний університет, Севастополь, 2001.
Дисертацію присвячено розробці принципів побудови фазометричних перетворювачів комплексних параметрів антенно-фідерних пристроїв. У роботі запропоновано метод вимірювання комплексних параметрів, що заснований на аналізу фазового розподілу електромагнітного поля в лінії передачі. Проведено аналіз особливостей фазового розподілу електромагнітного поля в розузгодженої лінії та встановлено аналітичний взаємозв'язок екстремальних значень і положень нулів цього розподілу з модулем і аргументом комплексного коефіцієнта відбиття вимірюємого пристрою. Розроблено математичні моделі фазометричних перетворювачів, що володіють підвищеною стабільністю і точністю вимірювань у широкому діапазоні зміни потужності НВЧ сигналу. Розроблено алгоритми обробки вимірювальної інформації та алгоритми калібрування перетворювачів. Проведено оцінку метрологічних характеристик вимірювачів, що побудовані на основі розроблених перетворювачів.
Ключові слова: фазометричний перетворювач, антенно-фідерний пристрій, фазовий розподіл, математична модель, комплексний коефіцієнт відбиття, діапазон зміни потужності НВЧ сигналу.
Вертегел В. В. Фазометрические преобразователи комплексных параметров антенно-фидерных устройств. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - Антенны и устройства микроволновой техники. - Севастопольский государственный технический университет, Севастополь, 2001.
Диссертация посвящена разработке принципов построения фазометрических преобразователей комплексных параметров антенно-фидерных устройств. В работе предложен метод формирования измерительных сигналов, несущих информацию о комплексных параметрах антенно-фидерных устройств, который основан на измерении фазового распределения электромагнитного поля в линии передачи. Метод обеспечивает высокоточные, высокостабильные измерения комплексных параметров в широком динамическом диапазоне СВЧ мощности.
В диссертации проведён анализ особенностей фазового распределения электромагнитного поля в рассогласованной линии и установлена аналитическая взаимосвязь экстремальных значений и положений нулей этого распределения с модулем и аргументом комплексного коэффициента отражения нагрузки. Разработаны математические модели двухканального и одноканального двухзондового измерительных преобразователей фазометрического типа, которые при помощи подвижных ненаправленных зондов формируют сигналы, несущие информацию о параметрах исследуемого устройства. На их основе разработаны измерителей комплексного коэффициента отражения, обладающие повышенной стабильностью и точностью измерений в широком диапазоне изменения мощности СВЧ сигнала.
Разработана обобщенная математическая модель многополюсного преобразователя фазометрического типа, которая представляет собой систему нелинейных уравнений, связывающих фазовые сдвиги между сигналами на выходах многополюсника с эквивалентными параметрами преобразователя и параметрами исследуемого устройства. Проведено точное решение этой системы уравнений относительно измеряемых параметров. Найдено точное решение системы нелинейных калибровочных уравнений относительно эквивалентных параметров многополюсного преобразователя. В результате этого решения разработаны алгоритмы калибровки, основанные на измерении параметров различных наборов эталонных нагрузок. Разработан четырехзондовый коммутационный СВЧ преобразователь фазометрического типа. Предложен алгоритм обработки измерительной информации для идеализированной модели преобразователя, позволяющий при использовании быстродействующих процессоров осуществлять измерения в реальном масштабе времени.
Теоретически исследованы погрешности измерения, обусловленные рассогласованием элементов, и погрешности из-за частотной зависимости параметров измерительных преобразователей. Методом статистических испытаний Монте-Карло проведено моделирование результирующей погрешности измерителей комплексного коэффициента отражения антенно-фидерных устройств.
Для случая = 0,33 среднеквадратичные значения относительной погрешности измерения модуля для двухканального, одноканального двухзондового и одноканального четырехзондового преобразователей составляют соответственно 2.8 %, 1.2 %, 1 %, а среднеквадратичные значения абсолютной погрешности измерения аргумента соответственно 1.3, 0.5, 1.
Изготовлены и экспериментально исследованы характеристики двенадцатиполюсных измерительных преобразователей фазометрического типа. На основе этих преобразователей, а также стандартных измерительных приборов и персональной ЭВМ с блоком сопряжения создана высокоточная, высокостабильная автоматизированная система для измерения комплексного коэффициента отражения антенно-фидерных устройств. Разработано программное обеспечение измерительной системы под операционную систему Windows 95/98. Экспериментально исследованы метрологические характеристики системы. Относительная погрешность измерения модуля ККО нагрузок менее 2%, а абсолютная погрешность измерения аргумента около 2 в диапазоне изменения мощности СВЧ сигнала 50 дБ.
Ключевые слова: фазометрический преобразователь, антенно-фидерное устройство, фазовое распределение, математическая модель, комплексный коэффициент отражения, диапазон изменения мощности СВЧ сигнала.
Vertegel V. V. Phase-measuring transducers of complex parameters of antenna-feeder devices. - Manuscript.
Pf. D. thesis on speciality 05.12.07 - antennas and devices of microwave engineering. - Sevastopol state technical university, Sevastopol, 2001.
The thesis is devoted to design principles of complex parameters transducers of antenna-feeder devices. The technique of measurement of antenna-feeder devices complex parameters is elaborated which based on the analysis of electromagnetic field phase distribution in the microwave transmission line. The analysis of phase distribution features of an electromagnetic field in an unmatched microwave transmission line was realized and the analytical interdependence of extremes and positions of zeroes of this distribution with a module and argument of a complex reflection coefficient of termination was derived. The mathematical models of phase-measuring transducers, which allow to increase stability and accuracy of measurements in a broad range of power change of microwave signal, were developed. The algorithms of processing of the measured information and algorithms of calibration of transducers were developed. The evaluation of the metrological characteristics of the meters constructed on the base of developed transducers was realized. The experimental researches of meters have confirmed theoretical results.
Key words: phase-measuring transducer, antenna-feeder device, phase distribution, mathematical model, complex reflection coefficient, range of power change of microwave signal.
