ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Огородник Костянтин Володимирович

УДК 621.3.088.3; 621.3.016.35

Методи і засоби вимірювання ІМІТАНСНИХ ТА

ХВИЛЕВИХ параметрів потенційно-нестійких

чотириполюсників

Спеціальність 05.11.08 – Радіовимірювальні прилади

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Філинюк Микола Антонович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри проектування комп’ютерної

та телекомунікаційної апаратури

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Філіпський Юрій Костянтинович,

Одеський національний політехнічний

університет, професор кафедри радіотехнічних пристроїв

доктор технічних наук, професор

Яненко Олексій Пилипович,

Науково-дослідний центр квантової медицини

“Відгук”, м. Київ, заступник директора з наукової

роботи

Провідна установа: Харківський національний університет

радіоелектроніки, кафедра метрології і

вимірювальної техніки, Міністерство освіти

і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “23” березня 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “20” лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлов С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Автоматизація процесів виробництва, ускладнення і розширення фронту наукових експериментів тягне за собою необхідність роз-робки принципово нових методів та засобів вимірювання параметрів електрон-них приладів на базі нових алгоритмів і обчислювальної техніки.

Якість проектування сучасної радіоелектронної апаратури в основному ви-значається похибкою визначення параметрів компонентів та пристроїв, що вхо-дять до її складу. Вдосконалення елементної бази призвело до явища потенцій-ної нестійкості ряду компонентів та пристроїв у певному діапазоні частот та значень навантажень. Це призводить до неконтрольованого самозбудження вимірювальних установок в процесі вимірювань і, як наслідок, до росту похибки вимірювання параметрів. У зв’язку з цим актуальною є задача розробки таких методів та засобів вимірювань, які б у процесі вимірювань забезпечували стійкість вимірювальної установки, навіть у випадках, коли самі компоненти та пристрої є потенційно-нестійкими. Питання, пов’язані з даним науковим напрямом досліджень, розглядались у роботах Ляпунова А. М., Куликовського А. А., Лосєва О. В., Філинюка М. А., Шварца Н. З. та ін.

На теперішній час при проектуванні радіоелектронної апаратури широке застосування отримало використання імітансних та хвилевих параметрів чотириполюсників. Перші, як правило, використовуються у діапазоні низьких та високих частот, а другі – у діапазоні надвисоких частот. Недоліком стандартних методів вимірювання перших та других параметрів є те, що вони вимірюються при фіксованих імітансах навантаження та генератора, при яких потенційно-нестійкий чотириполюсник може зайти в область нестійкості, що призводить до неточних вимірів.

Сучасні наукові досягнення в області радіоелектроніки призвели до появи великої кількості компонентів, які призначені для роботи у діапазоні надвисоких частот. Більшість чотириполюсників у цьому діапазоні є потенційно-нестійкими. Існуючі методи та побудована на їх основі вимірювальна апаратура або взагалі не пристосована до вимірювання параметрів таких чотириполюсників, або потребує вдосконалення з метою розширення функціональних можливостей і поліпшення метрологічних характеристик. Тому нині актуальним є розробка нових методів і засобів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників (ПНЧ), які забезпечать підвищення точності та зменшення трудомісткості вимірювань.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі проектування комп’ютерної і телекомунікаційної апаратури Вінницького національного технічного університету у відповідності з планом наукових досліджень ВНТУ і Міністерства освіти науки і науки України у рамках державних бюджетних тем: 50-Д-259 "Дослідження фізико-технічних процесів в багато електродних потенційно-нестійких структурах і розробка методів і засобів моделювання енергетичних ефективних інформаційних пристроїв на базі принципів динамічної негатроніки" (№ U002259), 50-Д-272 “Аналіз і синтез RLC-негатронів на базі напівпровідникових структур і створення на їх основі високоефективних інформаційних пристроїв” (№ 0105U002414), в яких автор брав безпосередню участь як науковий співробітник, і відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки в Україні” – "Електроніка і радіотехніка".

Мета і задачі дослідженя. Метою роботи є підвищення точності та зменшення трудомісткості вимірювання імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:

1. Розробка нових методів і засобів вимірювання імітансних параметрів ПНЧ.

2. Розробка нового методу і засобу вимірювання хвилевих параметрів ПНЧ.

3. Розробка нового методу і засобу вимірювання інваріантного коефіцієнта стійкості ПНЧ.

4. Проведення порівняльної метрологічної оцінки розроблених методів.

5. Розробка комп’ютерної програми для визначення імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ за розробленими методами.

6. Експериментальна перевірка розроблених методів на базі реальних ПНЧ.

Об'єктом дослідження є процес вимірювання імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких лінійних чотириполюсників.

Предметом дослідження є радіочастотні методи і засоби вимірювання імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ зі зменшеною приведеною середньоквадратичною похибкою.

Методи дослідження. У дисертації використано методи теорії комплексної змінної, методи теорії аналізу електронних схем, матричні методи, теорії похибок, а також методи фізичного і комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі отримано такі наукові результати:

1. Вдосконалено метод “плаваючих навантажень”, який відрізняється тим, що в ньому усунено необхідність реалізації чисто реактивних імітансів наван-таження, а вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника зводиться до вимірювання модуля |Г| та фази г коефіцієнта відбиття, що дозволило відмо-витися від опосередкованих вимірювань імітансів і, як наслідок, підвищити точ-ність визначення нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника.

2. Вперше розроблено метод вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника, який відрізняється тим, що для його реалізації достатньо провести вимірювання двох значень вхідного імітансу чотириполюсника, одного значення вихідного імітансу та значення максимально-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника, що дозволило знизити трудомісткість, у порівнянні з методом “плаваючих” навантажень, на 50 % та підвищити точність вимірювань.

3. Вперше розроблено метод визначення інваріантного коефіцієнта стійкості чотириполюсника, який, у порівнянні з існуючими, має підвищену точність визначення інваріантного коефіцієнту стійкості чотириполюсника, яка досягається шляхом використання методу вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника, що не потребує забезпечення режимів двостороннього узгодження, короткого замкнення чи холостого ходу.

4. Вперше розроблено метод вимірювання нестандартної системи хвилевих параметрів чотириполюсника, який відрізняється тим, що для його реалізації достатньо провести вимірювання двох значень коефіцієнта відбиття від входу чотириполюсника, одного значення коефіцієнта відбиття від виходу чотирипо-люсника та значення максимально-досяжного коефіцієнта підсилення чотири-полюсника, що дозволило знизити трудомісткість та підвищити точність вимі-рювань за рахунок уникнення використання режимів двостороннього узго-дження чотириполюсника.

5. Вперше отримано математичні моделі для визначення значень імітансу навантаження Wн на межі стійкості чотириполюсника, що дозволяє визначити діапазон навантажень, при яких чотириполюсник є стійким, та умови, при яких необхідно проводити вимірювання та розрахунки для того, щоб запобігти невір-ним результатам.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено експериментальні зразки вимірювальних установок для радіочастотних вимірювань імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ.

2. Проведено аналіз методичних похибок розроблених у дисертації методів вимірювання нестандартних систем імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ, який показав, що похибка вимірювання імітансних параметрів не перевищує 10а похибка вимірювання хвилевих параметрів не перевищує 20що нижче, у порівнянні з існуючими методами, і це підтверджує практичну придатність використання запропонованих методів.

3. Розроблено алгоритм відображення діаграми Вольперта-Смітта на ком-плексну площину з використанням розробленого у дисертаційній роботі методу вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника, що дозволяє швидко отримувати інформацію про критичні точки стійкості ПНЧ, про максимальні та мінімальні можливі значення імітансів ПНЧ, про відповідність вхідних (вихідних) імітансів чотириполюсни-ка імітансам навантаження тощо, а також побудувати вимірювач параметрів активного чотириполюсника для діапазону НВЧ на основі розробленого методу.

4. Розроблено комп’ютерну програму для розрахунку імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ, яка реалізує розроблені у дисертації методи вимірювання і може бути використана при подальшому проектуванні радіовимірювальних приладів.

Результати досліджень впроваджені і використовуються у НДІ "Гелій" (м. Вінниця), ВАТ "Укртелеком" (м. Хмельницький), ПО “Промавтоматика” (м. Баку, Азербайджан), а також у навчальному процесі Вінницького національного технічного університету на кафедрі проектування комп’ютерної і телекомунікаційної апаратури. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: модернізований метод “плаваючого навантаження” для визначення імітансних параметрів лінійних чотириполюсників [1]; аналіз методів вимірювання інваріантного коефіцієнту стійкості чотириполюсника [2]; метод вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника [3]; спосіб вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника [4]; оцінка методичних похибок вимірювання W-параметрів чотириполюсника [5]; спосіб вимірювання S-параметрів чотириполюсника [6]; аналіз методів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів активних чотириполюсників [7]; оцінка методичних похибок вимірювання S-параметрів чотириполюсника [8]; алгоритм вимірювання параметрів оптонегатронів [9]; алгоритм визначення параметрів активного чотириполюсника [10]; спосіб вимірювання нестандартних систем Z- та S-параметрів НВЧ чотириполюсників [11]; спосіб вимірювання інваріантного коефіцієнта стійкості чотириполюсника [12]; алгоритм та математична база способу вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника [13]; алгоритм та математична база способу вимірювання нестандартної системи S-параметрів в чотириполюсника [14]; алгоритм поміщення діаграми Вольперта-Смітта на комплексну площину вхідних імітансів [15]; алгоритм способу вимірювання інваріантного коефіцієнта стійкості чотириполюсника [16].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи обговорювалися на Міжнародних науково-технічних конференціях: “Мікроелектронні перетворювачі та прилади на їх основі” (Баку-Сумгаїт, 2004, 2005 рр.); “Контроль і управління в складних системах” (м. Вінниця, 2005 р.); “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2005 р.); “Современные информационные и электронные технологии” (м. Одеса, 2005, 2006 рр.); "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування" (м. Вінниця, 2005); “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (м. Севастополь, 2005, 2006 рр.); “PHOTONICS-ODS 2005” (м. Вінниця, 2005); щорічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників і студентів ВНТУ (2002-2006 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 26 друкованих праць, з яких 11 статей – у фахових журналах з переліку наукових видань, затверджених ВАК України, 11 публікацій у збірниках наукових праць міжнародних науково-технічних конференцій, 4 патенти України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, що містять 62 рисунки і 7 таблиць, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (140 найменувань) і 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 232 сторінки, з яких основний зміст викладено на 133 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, наведено відомості про публікації, впровадження, обсяг та апробацію роботи.

У першому розділі розглянуто класифікацію ПНЧ та їх параметрів. Проаналізовано методи та засоби вимірювання імітансних та хвилевих параметрів чотириполюсників, а також методи вимірювання інваріантного коефіцієнту стійкості чотириполюсників. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначено основні напрямки досліджень.

У другому розділі виконується теоретична розробка радіочастотних методів вимірювання імітансних параметрів ПНЧ.

Знайшов подальший розвиток метод “плаваючих навантажень” вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника, в якому усунено необхідність реалізації чисто реактивних імітансів навантаження для знаходження параметрів найбільшої окружності чотириполюсника. В даному методі для визначення параметрів W11 і W22 використовуються дві імітансні окружності чотириполюсника по входу, для яких активна складова імітанса навантаження ReWн>0 і рівна Wн1, Wн2, та одна імітансна окружність чотириполюсника по виходу, для якої активна складова імітанса генератора ReWг>0 і рівна Wг. Це дозволяє знизити похибки вимірювання імітансних параметрів та дозволяє використовувати цей метод в НВЧ діапазоні.

Вимірювання імітансних W-параметрів чотириполюсника в НВЧ діапазоні викликає значні труднощі, пов’язані з його потенційною нестійкістю, яка призводить до самозбудження вимірювальної установки та до неконтрольованої зміни параметрів приладу, і, як наслідок, призводить до невірних вимірів. При використанні імітансного критерію коефіцієнт стійкості характеризує відносну віддаленість дійсної складової сумарного вхідного (вихідного) імітансу чотириполюсника від точки його обернення в нуль. А оскільки залежності вхідного Wвх (вихідного Wвих) імітансу чотириполюсника від реактивної складової імітансу навантаження ImWн (генератора ImWг) являють собою окружності, то діапазон нестійкості чотириполюсника характеризується частиною імітансних окружностей, що розташована у від’ємній півплощині комплексної площини. Тому важливо знати значення параметрів ПНЧ на границі стійкості (рис. 1).

Отримано формули для визначення координат критичних точок через координати центру вхідної імітансної окружності ReWвх0, ImWвх0 та радіус вх цієї окружності, які наведені у таблиці 1.

Отримано загальні вирази для визначення значень імітансу навантаження Wн на межі стійкості чотириполюсника:

,

,

що дозволяє визначити діапазон навантажень, при яких чотириполюсник є стійким, та умови, при яких необхідно проводити вимірювання та розрахунки для того, щоб запобігти невірним результатам.

Таблиця 1

Формули для визначення координат критичних точок

№ | ReWвх | ImWвх

1 | 0

2 | ReWвх0 | ImWвх0+вх

3 | ReWвх0+вх | ImWвх0

4 | 0

5 | ReWвх0 | ImWвх0-вх

6 | 0

7 | 0

8 | ReWвх-вх | ImWвх0

Розроблено вдосконалений метод “плаваючих навантажень”, в якому вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника зводиться до вимірювання модуля |Г| та фази г коефіцієнта відбиття. Згідно даного методу, здійснюючи вимірювання, потрібно використовувати для розрахунків тільки ті значення модуля коефіцієнту відбиття |Г|, що не лежать в діапазоні від 0,8 до 1,2.

Розроблено метод вимірювання системи нестандартних W-параметрів ПНЧ, що відрізняється від існуючих меншою трудомісткістю та можливістю застосування у всьому НВЧ діапазоні.

На першому етапі вирішується задача визначення трьох W-параметрів нестандартної системи: W11, W22 і W12W21. З огляду на те, що ці параметри в загальному випадку комплексні величини, для їх визначення необхідна система із шести незалежних рівнянь. Даній вимозі відповідає система:

(1)

де: Wн1, Wн2, Wг1 - комплексні фіксовані значення імітансів навантажень та ге-нератора; Wвх1, Wвх2 - комплексні значення вхідного імітанса чотирипо-люс-ника при значеннях Wн1, Wн2 імітансів навантаження, відповідно; Wвих1 - комплексне значення вихідного імітанса чотириполюсника при значенні Wг1 імітанса генератора; W11, W22, W12, W21 - параметри імітансної матриці чотириполюсника.

Розв’язок системи (1) дозволяє одержати вирази для трьох шуканих W-параметрів:

(2)

(3)

(4)

На другому етапі за допомогою параметра W12W21 та виміряного значення максимального-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника Kms, ви-конується розрахунок значень інших імітансних параметрів нестандартної сис-теми чотириполюсника |W12W21|, |W12| і |W21|:

(5)

, (6)

. (7)

Таким чином, як випливає з (2-7), для знаходження нестандартної системи імітансних параметрів ПНЧ необхідно та достатньо провести вимірювання двох значень його вхідного імітансу Wвх1 та Wвх2 при відомих значеннях імі-тан-сів навантаження, відповідно Wн1 та Wн2, одного значення вихідного імі-тансу Wвих1 при відомому імітансі генератора Wг1 та максимально-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника Kms. Трудомісткість цих вимірювань на 50 % нижча, ніж при використанні методу “плаваючих навантажень”.

Враховуючи, що на величини Wн та Wг не накладається жодних обмежень, окрім того, що вони повинні мати дійсну та уявну складові, це також є перевагою запропонованого методу, що дозволяє використовувати його у НВЧ діапазоні та веде до зменшення похибки вимірювань.

На основі спрощеного алгоритму розрахунку приведеної відносної середньоквадратичної похибки непрямих методів радіочастотних вимірювань імітансних параметрів ПНЧ, що дозволяє використовувати довідкові значення приведених відносних похибок серійної апаратури, проведено аналіз відносних методичних похибок визначення комплексних параметрів W11, W22 і W12W21 за розробленим методом вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника на прикладі Y-параметрів, в процесі якого отримано залежності відносної похибки визначення кожного з цих параметрів від похибки визначення параметрів Yвх1, Yвх2, Yвих1, Yн1, Yн2, Yг1. Залежності для відносної похибки визначення модуля |Y11| зображено на рис. 2. Для інших параметрів залежності мають аналогічний характер.

Проведений аналіз відносних методичних похибок визначення комплексних параметрів W11, W22 і W12W21 показав: а) якщо величина сумарної похибки перевищує 10 %, то це, в більшості випадків, залежить від похибки визначення фази вхідного імітансу чотириполюсника; б) величина похибок під’єднуваних навантажень незначно впливає на результат вимірювань (в основному не перевищує 1%) і нею можна знехтувати. Це послаблює вимоги до вибору навантажень і спрощує процес вимірювань; в) величини похибок є задовільними для діапазону НВЧ (в основному не перевищують 10 % - тобто на рівні внесених штучно) і запропонований метод цілком можна використовувати для вимірювання параметрів W11, W22 і W12W21 чотириполюсників в діапазоні НВЧ.

Розроблено алгоритм відображення діаграми Вольперта-Смітта на комплексну площину з використання розробленого нового методу вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів ПНЧ, що дозволяє швидко отримувати інформацію про критичні точки стійкості чотириполюсника, про максимальні та мінімальні можливі значення імітансів чотириполюсника, про відповідність вхідних (вихідних) імітансів чотириполюсника імітансам навантаження тощо.

За допомогою розробленого методу вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника, отримуємо значення імітансних параметрів чотириполюсника W11, W22 та W12W21. Дійсна та уявна складові значення імітансного параметра W11 являють собою на комплексній площині вхідних імітансів координати початку діаграми Вольперта-Смітта (рис. 3.). Аналогічно дійсна та уявна частини імітансного параметра W22 є координатами початку діаграми Вольперта-Смітта на комплексній площині вихідних імітансів.

Кут нахилу діаграми відносно осі Ох (осі ReWвх) визначається за виразом:

.

Радіуси діаграм Вольперта-Смітта на комплексних площинах вхідних та вихідних імітансів розраховуються за формулами:

; .

Маючи ці дані, можна відобразити діаграму Вольперта-Смітта на комплексну площину за наступним алгоритмом. Спочатку на комплексній площині вхідних імітансів знаходять координати початку діаграми – координати точки W11. Через неї проводять пряму під кутом до осі Ох (осі ReWвх). На цій прямій від точки W11 в напрямку до осі Ох (осі ReWвх) відкладають подвійний радіус вх, який суміщають з центральною віссю діаграми і, таким чином, діаграма Волперта-Смітта відображається на комплексну площину вхідних імітансів. Відображення діаграми на комплексну площину вихідних імітансів здійснюється аналогічно за таким же алгоритмом.

Введення нормування вигляду:

- для вхідних імітансів:

, ;

- для вихідних імітансів:

, ;

дозволяє використовувати стандартні діаграми Вольперта-Смітта для визначення області реалізації можливих значень імітанса ПНЧ.

Розроблено новий метод визначення інваріантного коефіцієнта стійкості чотириполюсника. Алгоритм методу наступний. Спочатку вимірюють тільки два значення вхідного та одне значення вихідного імітансів чотириполюсника при відповідно двох різних, але довільних фіксованих значеннях імітансу навантаження та довільному фіксованому значенні імітансу генератора.

За формулами (2-4) розраховують комплексні значення імітансних параметрів W11, W22 та W12W21 та виділяють їх дійсні складові.

Потім за формулою (5) розраховують модуль добутку W12W21.

За виразом: ,

розраховують значення інваріантного коефіцієнта стійкості чотириполюсника.

У третьому розділі виконується теоретична розробка радіочастотних методів вимірювання хвилевих параметрів ПНЧ.

Розроблено новий метод вимірювання нестандартної системи хвилевих параметрів ПНЧ, придатний до використання в діапазоні НВЧ.

На першому етапі вирішується задача визначення трьох S-параметрів нестандартної системи: , і . З огляду на те, що ці параметри в загальному випадку комплексні величини, для їх визначення необхідна система із шести незалежних рівнянь. Даній вимозі відповідає система:

(8)

де: , , - комплексні коефіцієнти відбиття (ККВ) фіксованих значень навантажень , і генератора ; , - значення ККВ по входу чотириполюсника при значеннях , ККВ навантажень, відповідно; - значення ККВ по виходу чотириполюсника при значенні ККВ генератора; , , , - параметри матриці розсіювання чотириполюсника.

Розв’язок системи (8) дозволяє одержати вирази для шуканої частини нестандартної системи S-параметрів чотириполюсника:

(9)

(10)

. (11)

На другому етапі, за допомогою параметра та виміряного значення максимального-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника Kms, виконується розрахунок значень інших хвилевих параметрів нестандартної системи S-параметрів чотириполюсника:

(12)

, (13)

. (14)

Таким чином, як випливає з (9-14), для знаходження нестандартної системи S-параметрів чотириполюсника , , , , і необхідно і достатньо зробити вимірювання двох значень його ККВ по входу і при відомих значеннях ККВ навантаження, відповідно і , одного значення ККВ по виходу при відомому ККВ генератора і максимально-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника Kms. Трудомісткість цих вимірів значно нижча, ніж при використанні існуючих методів.

Важливою перевагою розглянутого методу вимірювання нестандартної системи S-параметрів чотириполюсника є відсутність необхідності забезпечення режиму двостороннього узгодження при вимірюванні ККВ, що знижує похибку визначення S-параметрів. Перевагою даного методу є і те, що на величини і не накладається жодних обмежень, окрім того, що вони повинні мати дійсну і уявну складові, що також веде до зменшення похибки вимірювань.

Проведено аналіз відносних методичних похибок визначення комплексних параметрів , і ПНЧ за розробленим методом, в процесі якого отримано залежності відносної похибки визначення кожного з цих параметрів від похибки визначення параметрів , , , , , . Залежності для відносної похибки визначення модуля зображено на рис. 4. Для інших параметрів залежності мають аналогічний характер.

Проведений аналіз показав: а) величина значення похибки вимірювання фази коефіцієнта відбиття суттєвіше впливає на загальну похибку, ніж похибка вимірювання модуля цього параметра; б) величина значення похибок під’єднуваних навантажень майже не впливає на результат вимірювань (в основному не перевищує 1% на частоті 2 ГГц) і нею можна знехтувати, що послаблює вимоги до вибору навантажень і спрощує процес вимірювань; в) значення похибок є задовільними для діапазону НВЧ (в основному не перевищують 20 %) і запропонований метод цілком можна використовувати для вимірювання параметрів , і ПНЧ в діапазоні НВЧ та побудови на його основі панорамного вимірювача хвилевих параметрів чотириполюсників.

У четвертому розділі розроблено вимірювальну установку (рис.5) для визначення імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ, яка включає в себе широко розповсюджені стандартні блоки, що дозволяє легко реалізувати розроблені методи вимірювання параметрів чотириполюсників на практиці. У якості вимірювача повних опорів (ВПО) використовувався фазовий вольтметр Ф2-12 та вимірювач комплексних коефіцієнтів передачі Р4-23. Для вимірювання потужності сигналу використано термісторний міст МЗ-1. Комутатори К1-К8 можуть бути як механічними, так і електричнокерованими. Вони практично не мають обмежень за фазочастотною характеристикою і швидкодією. Єдина вимога до них – низькі втрати в режимі комутації (менше 1 дБ). Резистори R1 – R3 виконують роль комплексних імітансів Wн1, Wн2 і Wг1, відповідно. Це можуть бути і низькочастотні резистори, але значення їх уявної та дійсної складових повинні у всьому частотному діапазоні вимірювань відрізнятися не менш, ніж у 2-3 рази.

Процес вимірювань полягає в наступному. У заданій точці частотного діапазону, при нейтральних положеннях комутаторів К4, К7 і К8, за допомогою комутаторів К1, К2, К3, К5 і К6 виконується вимірювання імітансів Wн1, Wн2 і Wг1 резисторів R1 – R3. Потім ВПО послідовно підключається до входу чотириполюсника при підключених на його виході резисторах R2 і R3 і виміряються значення вхідних иммитансов Wвх1 і Wвх2. На наступному етапі аналогічним чином вимірюється вихідний імітанс Wвих1 при підключеному до входу чотириполюсника резисторі R1. За результатами вимірювань з використанням виразів (2-4) знаходимо значення імітансних параметрів W11, W22 і W12W21.

Для визначення Kms чотириполюсника, використовуючи комутатори К7 і К8 при постійній потужності ВГ, вимірюється ВП потужність сигналу, що пройшов через чотириполюсник у прямому Р21 і зворотному Р12 напрямках. Використовуючи відоме співвідношення і вирази (6) та (7), визначається значення імітансних параметрів |W12| і |W21|.

Процес вимірювання хвилевих параметрів ПНЧ аналогічний до вимірювання імітансних параметрів. Тільки в даному випадку ВПО має бути замінений вимірювачем комплексних коефіцієнтів відбиття (ВККВ), в якості якого можна використати, наприклад, панорамні вимірювачі Р4-36 чи Р2-78.

Проведено експериментальну перевірку розроблених методів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ на базі біполярного транзистора КТ391, включеного за схемою з спільною базою, та на базі польового транзистора 3П321, включеного за схемою з спільним стоком, яка показала ідентичність результатів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів за розробленими методами з результатами, отриманими з використанням відомих методів, що підтверджує можливість використання розроблених методів на практиці.

У додатках наведено проміжні викладки та співвідношення, текст розробленої комп’ютерної програми для розрахунку параметрів ПНЧ за розробленими у дисертації методами їх вимірювання, частотні дослідження критичних точок чотириполюсника на базі біполярного транзистора, а також акти впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено теоретичні узагальнення і запропоновано нові шляхи вирішення наукової задачі, що забезпечують радіочастотні вимірювання імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ. У роботі вперше сформульовано й обґрунтовано методи вимірювання цих параметрів, розроблено структурні схеми вимірювальних установок, оцінено похибки і проведено чисельні і натурні експерименти по визначенню параметрів ПНЧ на базі транзисторів.

1. Розроблено вдосконалений метод “плаваючих навантажень”, в якому усунено необхідність реалізації чисто реактивних імітансів навантаження, а вимірювання імітансних параметрів чотириполюсника зводиться до вимірювання модуля |Г| та фази г коефіцієнта відбиття, що дозволило відмовитись від опосередкованих вимірювань імітансів і, як наслідок, підвищити точність визначення імітансних параметрів чотириполюсника.

2. Отримано вирази для визначення значень імітансу навантаження Wн на межі стійкості чотириполюсника, що дозволяє визначити діапазон навантажень, при яких чотириполюсник є стійким, та умови, при яких необхідно проводити вимірювання для того, щоб запобігти невірним результатам.

3. Розроблено новий метод вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів ПНЧ, в якому для знаходження нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника необхідно та достатньо провести вимірювання двох значень його вхідного імітансу Wвх1 та Wвх2 при відомих значеннях імітансів навантаження, відповідно Wн1 и Wн2, одного значення вихідного імітансу Wвих1 при відомому імітансі генератора Wг1 та максимально-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника Kms. Це дозволило знизити трудомісткість вимірювань на 50 %, в порівнянні з методом “плаваючих навантажень”.

4. Проведено аналіз відносних методичних похибок визначення комплексних параметрів W11, W22 і W12W21 за розробленим методом, який показав: а) якщо величина сумарної похибки перевищує 10 %, то це, в більшості випадків, залежить від похибки визначення фази вхідного імітансу чотириполюсника; б) величина похибок під’єднуваних навантажень незначно впливає на результат вимірювань (в основному не перевищує 1%) і нею можна знехтувати. Це послаблює вимоги до вибору навантажень і спрощує процес вимірювань; в) величини похибок є задовільними для діапазону НВЧ (в основному не перевищують 10 % - тобто на рівні внесених штучно) і метод цілком можна використовувати для вимірювання параметрів W11, W22 і W12W21 ПНЧ в діапазоні НВЧ.

5. Розроблено алгоритм відображення діаграми Вольперта-Смітта на комплексну площину з використання розробленого нового методу вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів ПНЧ, що дозволяє швидко отримувати інформацію про критичні точки стійкості чотириполюсника, про максимальні та мінімальні можливі значення імітансів ПНЧ, про відповідність вхідних (вихідних) імітансів чотириполюсника імітансам навантаження тощо.

6. Розроблено новий метод визначення інваріантного коефіцієнта стійкості чотириполюсника, який, в порівнянні з існуючими, має підвищену точність визначення інваріантного коефіцієнту стійкості чотириполюсника, яка досягається шляхом використання методу вимірювання імітансних параметрів ПНЧ, що не потребує забезпечення режимів двостороннього узгодження, короткого замкнення чи холостого ходу.

7. Розроблено новий метод вимірювання нестандартної системи хвилевих параметрів ПНЧ, придатний до використання в діапазоні НВЧ. Згідно розробленого методу, для знаходження нестандартної системи хвилевих параметрів чотириполюсника необхідно та достатньо провести вимірювання двох значень його ККВ по входу і при відомих значеннях ККВ навантаження, відповідно і , одного значення ККВ по виходу при відомому ККВ генератора і максимального-досяжного коефіцієнта підсилення чотириполюсника Kms. Трудомісткість цих вимірювань значно нижча, ніж при використанні існуючих методів.

8. Проведено аналіз відносних методичних похибок визначення комплексних параметрів , і ПНЧ за розробленим методом (в якості чотириполюсника використовувався біполярний транзистор типу КТ391, включений за схемою з спільною базою, робоча точка якого вибиралася в активній області вихідної ВАХ при Ік = 5мА, Uкб=5В), який показав: а) величина значення похибки вимірювання фази коефіцієнта відбиття має більш значний вплив, на загальну похибку, ніж похибка вимірювання модуля цього параметра; б) величина значення похибок під’єднуваних навантажень майже не впливає на результат вимірювань (в основному не перевищує 1% на частоті 2 ГГц) і нею можна знехтувати, що послаблює вимоги до вибору навантажень і спрощує процес вимірювань; в) значення похибок є задовільними для діапазону НВЧ (в основному не перевищують 20 %) і запропонований метод цілком можна використовувати для вимірювання параметрів , і ПНЧ в діапазоні НВЧ.

9. Розроблено експериментальні зразки вимірювальних установок для визначення імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ, які включають в себе широко розповсюджені стандартні блоки, що дозволяє легко реалізувати розроблені методи вимірювання параметрів чотириполюсників на практиці.

10. Проведено експериментальну перевірку розроблених методів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів ПНЧ на базі біполярного транзистора КТ391, включеного за схемою з спільною базою, та на базі польового транзистора 3П321, включеного за схемою з спільним стоком, яка показала ідентичність результатів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів за розробленими методами з результатами, отриманими з використанням відомих методів, що підтверджує можливість використання розроблених методів на практиці. Проведено частотні дослідження імітансних параметрів ПНЧ на базі біполярного транзистора КТ640, включеного за схемою з спільним колектором, та на базі польового транзистора 3П325А, включеного за схемою з спільним стоком, які дозволили визначити частотний діапазон потенційної-нестійкості для даних чотириполюсників, а також діапазон підмикаємих навантажень для забезпечення стійкості установки на окремих частотах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

АНОТАЦІЯ

Огородник К.В. Методи і засоби вимірювання імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.08 – Радіовимірювальні прилади. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця – 2007.

Дисертаційну роботу присвячено рішенню актуальної наукової задачі покращення метрологічних характеристик радіочастотних методів і засобів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників.

В дисертації наведено теоретичні узагальнення і запропоновано нові шляхи розв’язання наукової задачі, які забезпечують радіочастотні вимірювання імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників. Вдосконалено метод “плаваючих навантажень” вимірювання нестандартної системи імітансних параметрів чотириполюсника. Отримано вирази для визначення значень імітансу навантаження Wн на межі стійкості чотириполюсника. У роботі вперше сформульовано й обґрунтовано методи вимірювання імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників та метод вимірювання інваріантного коефіцієнту стійкості чотириполюсників, розроблено структурні схеми вимірювальних установок, проведено аналіз методичних похибок розроблених у дисертації методів вимірювання імітансних та хвилевих параметрів чотириполюсників, здійснено їх кількісну оцінку і проведено чисельні і натурні експерименти по визначенню імітансних та хвилевих параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників на базі польового та біполярного транзисторів з використанням запропонованих у роботі нових методів вимірювання, що підтверджено чисельним експериментом і є базою для подальшого проектування нових радіоелектронних пристроїв.

Ключові слова: імітанс, імітансні параметри, хвилеві параметри, стійкість, потенційно-нестійкий чотириполюсник, інваріантний коефіцієнт стійкості.

ABSTRACT

Ogoronyk K.V. Methods and facilities for immitance and wave parameters measuring of potentially unstable quadripoles. – Manuscript.

The thesis for obtaining a Scientific Degree of Candidate of Sciences in Technical Sciences on speciality 05.11.08 – Radio Measuring Devices. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia – 2007.

There had been considered the solution of urgent scientific issue of metrology characteristics improvement of radio frequency methods of immitance and wave parameters of potentially unstable quadripoles.

There had been suggested the theoretical generalizations and new ways for scientific task solutions providing radio frequency measuring of immitance and wave parameters of potentially unstable quadripoles. There had been improved the “floating loads” method of non standard system of quadripole immitance parameters measuring. There had been obtained expressions for the determination of the load Wn immitance value at the quadripole stableness boundary. There had been initially introduced and grounded methods for the measuring of immitance and wave potentially unstable quadripoles parameters and method for quadripoles invariant stableness factor measuring, there had been structural schemes of measuring apparatus, there had been conducted the analysis of methodical errors of developed quadripoles immitance and wave parameters measuring methods, there had been made their quantity evaluation and conducted value and location experiments on the determination of potentially unstable quadripoles immitance and wave parameters on the basis of the field transistor using the suggested new measuring methods confirmed by the numeric experiment and is the ground for further new radio electronic devices designing.

Keywords: immitance, immitance parameters, wave parameters, stableness, potentially unstable quadripole, invariant stableness factor.

АННОТАЦИЯ

Огородник К.В. Методы и средства измерения иммитансных и волновых параметров потенциально-неустойчивых четырехполюсников. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.08 – Радиоизмерительные приборы. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2007.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи улучшения метрологических характеристик радиочастотных методов и средств измерения иммитансных и волновых параметров потенциально-неустойчивых четырехполюсников.

Разработан усовершенствованный метод “плавающих нагрузок”, в котором измерение иммитансных параметров четырехполюсника сводится к измерению модуля |Г| и фазы г коэффициента отражения.

Получены выражения для определения значений иммитанса нагрузки Wн на границе устойчивости четырехполюсника, которые позволяют определить диапазон нагрузок, при которых четырехполюсник устойчив, и условия, при которых необходимо проводить измерения и расчеты для того, чтобы предотвратить неверные результаты.

Разработан новый метод измерения нестандартной системы иммитансных параметров четырехполюсника, в котором для нахождения нестандартной системы иммитансных параметров четырехполюсника необходимо и достаточно произвести измерение двух значений его входного иммитанса Wвх1 и Wвх2 при известных значениях иммитансов нагрузки, соответственно Wн1 и Wн2, одного значения выходного иммитанса Wвых1 при известном иммитансе генератора Wг1 и максимально-достижимого коэффициента усиления четырехполюсника Kms. Это позволило снизить трудоемкость измерений на 50 %, в сравнении с методом “плавающих нагрузок”. Проведен анализ относительных методических погрешностей определения комплексных параметров W11, W22 и W12W21 по разработанному методу.

Разработан алгоритм отображения диаграммы Вольперта-Смитта на комплексную плоскость с использованием разработанного