Харківський національний університет радіоелектроніки

Смаілов Юнус Якубович

УДК 621. 372. 865

МІКРОХВИЛЬОВІ ПАРАМЕТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ КОМПЛЕКСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННО-ФІДЕРНИХ ПРИСТРОЇВ

05.12.07 — антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків — 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гімпілевич Юрій Борисович,

Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри радіотехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Усін Володимир Ананійович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки

кандидат технічних наук, доцент

Величко Дмитро Анатолійович,

Інститут радіофізики і електроніки ім. О. Я. Усікова

НАН України (м. Харків),

старший науковій співробітник відділу обробки радіосигналів

Захист відбудеться "12" грудня 2007 р. у 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.03 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розіслано " 8 " листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. М. Безрук

Загальна характеристика роботИ

Актуальність теми. Антенно-фідерний тракт є найважливішою складовою радіотехнічної системи. Елементи цього тракту забезпечують каналізацію НВЧ енергії у режимі випромінювання і прийому радіосигналів. Основні тактико-технічні дані радіотехнічних систем істотно залежать від електричних характеристик пристроїв антенно-фідерного тракту. В теперішній час широко використовуються антені системи на основі фазованих антенних решіток (ФАР), що містять велику кількість елементарних випромінювачів. Діаграмо-утворюючі схеми таких систем містять значну кількість дільників і суматорів потужності, атенюаторів, фазообертачів, підсилювачів та інші. Тому удосконалювання методів та засобів виміру комплексних характеристик (комплексних коефіцієнтів відбиття, комплексних коефіцієнтів передачі, - параметрів) елементів антенно-фідерного тракту є актуальної задачею.

Істотний внесок у розвиток мікрохвильових вимірів внесений такими вченими як Бова М. Т., Бондаренко І. К., Волков В. М., Гімпілевич Ю. Б., Кукуш В. Д., Петров В. П.Усін В. А., Шифрін Я. С., Яненко А. П., Engen., Hoer.., Ferrero., Somlo.., Weidman.. та ін.

Вимірювальні прилади, що випускаються фірмами Hewlett-Packard (Agilent) (США), Anritsu (Японія), Tektronix (США), Микран (Росія) і ін., мають високі метрологічні характеристики, широку смугу робочих частот (від десятків мегагерц до десятків гігагерц ) і є багатофункціональними. Недоліками цих приладів є великі габарити і маса, що обмежує область їхнього використання тільки лабораторними дослідженнями і виключає застосування в польових умовах, мобільних системах і в системах вбудованого контролю. Прилади мають високу вартість, що ускладнює їхнє широке застосування в промисловості, дослідницьких організаціях і установах освіти.

Аналіз літературних джерел показав, що найбільш прості, недорогі та малогабаритні вимірники комплексних характеристик можна реалізувати на основі методів прямого детектування. Загальним недоліком вимірювальних перетворювачів, що реалізуються на основі цих методів, є істотна погрішність через розкид характеристик датчиків потужностей. Усунути зазначений недолік дозволяє комутаційний підхід, суть якого полягає у використанні одного датчика потужності, який по черзі підключається до виходів вимірювального багатополюсника. При цьому істотно підвищується точність і стабільність вимірювань.

В дисертації запропонований параметричний метод вимірювання, котрий є узагальненням комутаційного підходу та забезпечує теоретичну можливість створення безліч реалізацій структур мікрохвильових вимірювальних перетворювачів, що відкриває нові можливості синтезу та оптимізації їх параметрів. Тому актуальною науковою задачею є розробка широкосмугових, високоточних і стабільних вимірювальних перетворювачів комплексних параметрів вузлів антенно-фідерного тракту шляхом реалізації параметричного методу вимірювання, що дозволить усунути багатоканальність виміру потужності, підвищити стабільність і точність вимірювань, а також зменшити габарити і масу НВЧ перетворювачів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, представлені в дисертації, використані при виконанні як госпдоговірних, так і держбюджетних науково-дослідних робіт (НДР) на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету, проведених у рамках координаційних планів Міністерства освіти і науки України.

Дисертаційні дослідження зв'язані з наступними НДР:

1. Госпдоговірна НДР “Разработка методик испытаний электротехнических устройств и создание нестандартизованных средств испытаний” (№ ГР 0102U004845, 2003 р.) у якій автор розробив безконтактний метод мікрохвильового виміру параметрів руху деталей комутаційних пристроїв.

2. Госпдоговірна НДР “Разработка методов контроля содержания влаги в многокомпонентной смеси, загружаемой в смесительную камеру технологической линии производства кирпича” (№ ГР 0105U004340, 2006 р.), у якій автором досліджена можливість мікрохвильового виміру змісту вологи в багатокомпонентному середовищі.

3. Держбюджетна НДР “Микроволновые методы и средства контроля параметров радиотехнических систем, технологических процессов и материалов” (№ ГР 0105U007565, 2006 р.), у якій автором розроблена математична модель параметричного вимірника векторного відношення двох НВЧ сигналів.

4. Держбюджетна НДР “Исследование и разработка методов и средств миллиметрового диапазона волн для измерения электрических и неэлектрических величин” (№ ГР0104U002225, 2006 р.), у якій автор розробив калібровані алгоритми, мікрохвильовий перетворювач комплексного коефіцієнта відбиття.

Мета роботи — розробка параметричного методу виміру комплексних характеристик вузлів антенно-фідерного тракту й створення на його основі широкосмугових, високоточних і стабільних вимірювальних перетворювачів, які мають малі габарити, масу й невисоку вартість.

Основні задачі дослідження:

1. Розробка параметричного методу виміру векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів, а також алгоритмів обробки вимірювальної інформації й процедур калібрування параметричних перетворювачів по набору зразкових мір.

2. Структурний синтез параметричних перетворювачів векторного відношення на основі узагальненої математичної моделі й дослідження властивостей цих перетворювачів.

3. Розробка структурних схем виміру комплексного коефіцієнта відбиття (ККВ) мікрохвильових двополюсників і - параметрів мікрохвильових чотириполюсників на основі параметричного вимірювального перетворювача векторного відношення.

4. Дослідження метрологічних характеристик параметричного вимірника ККВ методом статистичних випробувань.

5. Проектування і виготовлення зразків мікрохвильових параметричних перетворювачів і експериментальні дослідження їхніх характеристик для доказу достовірності розробленої математичної моделі.

Об’єктом дослідження є хвильові процеси в антенно-фідерних трактах радіотехнічних систем.

Предметом дослідження є метод параметричного визначення комплексних характеристик антенно-фідерних пристроїв, алгоритми обробки вимірювальної інформації та калібрування перетворювачів, основаних на цьому методі.

У роботі застосовані наступні методі досліджень: теорія довгих ліній — при аналізі хвильових процесів у мікрохвильовому тракті; матричний метод аналізу мікрохвильових схем — при розробці узагальненої моделі параметричного перетворювача векторного відношення; численні методи — при рішенні систем вимірювальних і каліброваних рівнянь; методи лінійної алгебри — при рішенні вимірювальної системи нелінійних рівнянь; комп’ютерне моделювання — при дослідженні систем вимірювальних і каліброваних рівнянь; метод статистичних випробувань (Монте-Карло) — при дослідженні характеристик параметричного вимірника комплексного коефіцієнта відбиття; експериментальні дослідження.

Наукова новизна роботи. При виконані дисертаційної роботи вперше отримані наступні результати:

1. Розроблена узагальнена математична модель процесу виміру векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів, що представляє систему нелінійних рівнянь, що зв'язують вихідні сигнали датчика потужності з комплексними параметрами вимірюваного об'єкта та власними константами параметричного еквівалентного шестиполюсника.

2. Розроблені нові алгоритми обробки вимірювальної інформації та калібрування перетворювача, які, на відміну від відомих, не накладають обмеження на число стаціонарних становищ шестиполюсника.

3. Отримані аналітичні рішення систем нелінійних вимірювальних і систем калібрувальних рівнянь і визначені критерії вибору істинного значення вимірюваного параметра й каліброваних констант.

4. На основі розробленої математичної моделі здійснений структурний синтез параметричних НВЧ перетворювачів векторного відношення інтерференційного типу, що мають малі габарити, масу й вартість.

Практична цінність отриманих результатів.

1. Синтезовані і створені параметричні широкосмугові перетворювачі комплексних характеристик пристроїв антенно-фідерного тракту, істотно зменшені габарити, маса і вартість вимірювальних приладів при одночасному підвищенні стабільності і точності.

2. Розроблені програми моделювання вимірювальних перетворювачів, що дозволяють проводити комплексний аналіз властивостей будь-якої параметричної структури на стадії проектування, що скорочує витрати часу і матеріалів.

3. Реалізація алгоритмів на основі аналітичних рішень систем калібрувальних і вимірювальних рівнянь відкривають можливості істотного підвищення достовірності результатів і швидкодії панорамних аналізаторів НЧВ кіл.

4. Результати дисертаційної роботи впроваджені: на підприємстві ТОВ “КБ коммутационной аппаратуры” (м. Севастополь) при розробці безконтактного вимірювача параметрів руху складових частин комутаційних пристроїв; на ПП “Агрегат” (м. Ялта) при розробці пристрою контролю змісту вологи у багатокомпонентній суміші при виробництві цегли.

5. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.

Отримані чотири акти впровадження і використання результатів дисертаційної роботи.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] запропонована структурна схема пристрою для виміру комплексного коефіцієнта відбиття і засіб обробки вимірювальної інформації. В роботах [3…5, 9, 19, 21] автором отримані основні співвідношення і здійснено математичне моделювання алгоритмів калібрування мікрохвильових перетворювачів. В роботі [6] автором доведена погана обумовленість лінійної системи вимірювальних рівнянь. В роботах [7, 8] виконаний розрахунок електричних характеристик пристроїв і виконане моделювання. У роботі [10] був запропонований метод виміру векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів і структурна схема перетворювача, який реалізує зазначений метод. В роботах [11, 13, 20] автором розроблена математична модель вимірника векторного відношення двох НВЧ сигналів, а також отримані вимірювальні алгоритми і здійснено їх моделювання. В роботах [14…18] був виконаний структурний синтез перетворювачів векторного відношення і виготовлялися макети з проведенням експериментальних досліджень їх метрологічних характеристик. В роботі [23] автором запропонована методика рішення системи нелінійних рівнянь.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень представлялися та обговорювалися на конференціях: на 13-й, 14-й, 15-й, 16-й міжнародних конференціях “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (м. Севастополь, 2003, 2004, 2005, 2006 рр.); 10-й міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2003 р.); 5-й міжнародній конференції “International Conference on Antenna Theory and Techniques” (м.Київ, 2005 р.); 2-му міжнародному форумі “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития. МРФ-2005” (м. Харків, 2005 р.); 9-й міжнародній науково-технічн ій конференції “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп’ютерної інженерії TCSET'2006” (м. Львів — Славсько, 2006 р.); 7-й міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии СИЭТ-2006” (м. Одеса, 2006 р.); 7-му та 10-му міжнародних молодіжних форумах “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (м. Харків, 2003, 2006 рр.); 1-й, 2-й, 3-й міжнародних молодіжних науково-технічних конференціях “Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций” (м. Севастополь, 2005, 2006, 2007 рр.), 3-й міжнародній конференції Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals” (м. Севастополь, 2006 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 23 наукові праці, у тому числі 1 патент України и 7 статей в спеціальних виданнях з переліку ВАК України. Результати роботи опубліковані також в матеріалах 15 міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг роботи складає 180 сторінок, у тому числі: 57 рисунків на 9 сторінках, 14 таблиці на 3 сторінках, трьох додатків на 27 сторінках, списку з 111 використаних джерел на 11 сторінках.

ОСНОВНий зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, виявлені невирішені теоретичні і практичні питання, що стоять перед розробниками засобів виміру і контролю параметрів пристроїв антенно-фідерного тракту, сформовані мета і задачі досліджень. Охарактеризована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, показаний взаємозв’язок розв’язуваних задач з науковими програмами. Наведена структура дисертації й анотація її розділів.

У першому розділі проведений огляд методів і засобів виміру комплексних характеристик антенно-фідерних пристроїв і відзначено, що на основі методу прямого детектування можливе створення мікрохвильових вимірювальних перетворювачів, що мають малі габарити, масу і низьку собівартість. Серед цих методів найбільшу точність має метод калібрувального багатополюсника, при реалізації якого враховується неідеальність електричних характеристик мікрохвильових вузлів вимірювального перетворювача у режимі попередньої калібровки по зразковим мірам. Загальним недоліком калібрувальних перетворювачів багатополюсного типу є значна кількість датчиків потужностей, що приводить до істотних додаткових погрішностей таких перетворювачів через розкид характеристик датчиків потужностей. Усуває вказаний недолік комутаційний підхід, що полягає в використані одного датчика потужності, котрий по черзі підключається до виходів вимірювального багатополюсника за допомогою НВЧ комутатора.

Аналіз сучасного стану теорії і практики калібрувальних багатополюсних схем показав, що у літературі недостатньо відображені дані про параметричні перетворювачі. У зв’язку з цим наукової задачею є розробка математичної моделі параметричного методу виміру векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів і синтез структурних схем перетворювачів на основі цієї моделі.

Аналіз літературних джерел показав, що методи обробки вимірювальної і калібрувальної інформації розроблені тільки для дванадцятиполюсних і десятиполюсних вимірювальних перетворювачів. Тому актуальною задачею є розробка нових алгоритмів обробки калібрувальної і вимірювальної інформації щодо параметричного перетворювача з довільним числом стаціонарних становищ.

На основі проведеного аналізу постановлена мета і сформульовані задачі дослідження, які необхідно вирішити для досягнення цієї мети.

У другом розділі розроблена математична модель параметричного перетворювача векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів. Параметричний перетворювач описується системою нелінійних рівнянь, що зв’язують модуль і аргумент векторного відношення з вихідними напругами датчика потужності і узагальненими особистими константами, які зв’язані з елементами матриці розсіювання еквівалентного шостиполюсника:

, (1)

де — комплексні амплітуди, векторне відношення яких треба виміряти; , — узагальнена скалярна та комплексна константи, що характеризують параметричний шестиполюсник в -ому стаціонарному становищі відповідно; — кількість стаціонарних становищ.

Отримані співвідношення, які зв’язують узагальнені константи перетворювача з елементами матриці розсіювання еквівалентного шестиполюсника, що дозволяє на стадії розробки перетворювача розрахувати ці константи.

На основі розробленої моделі (1) сформована система вимірювальних рівнянь відносно модуля і аргументу векторного відношення

, (2)

де , — модуль і аргумент узагальненої комплексної константи відносно; ; ; ; .

Для дослідження властивостей систем вимірювальних і каліброваних рівнянь розроблена програма моделювання в математичному пакеті MATLAB , заснована на використанні ітераційної процедури fsolve із застосуванням методів Левенберга-Марквардта й Гауса-Ньютона. При математичному моделюванні виявлено, що для отримання точного результату рішення системи (2) відносно модуля і аргументу треба задавати початкові наближення з погрішностями менш 10% по модулю і декілька градусів по аргументу, що в реальних умовах неможливо, тому що вимірювальні параметри апріорно нам не відомі. При цьому середнє число ітерацій склало 10. Показано, що система вимірювальних рівнянь відносно нових перемінних у виді реальної і уявної частин векторного відношення має рішення при нульових початкових наближеннях із середнім числом ітерацій 4. Проведена лінеаризація цієї системи шляхом введення додаткової перемінної , що представляє квадрат модуля векторного відношення. У цьому випадку система (2) приймає вигляд:

(3)

Для рішення системи (3) застосовані методи лінійної алгебри, що підвищує швидкодію обробки вимірювальної інформації. Доказано, що при рівності модулів, а також рівності аргументів узагальнених комплексних констант перетворювача, лінійна система вимірювальних рівнянь (3) погано обумовлена та має безліч рішень.

На основі розробленої математичної моделі (1) сформована система калібрувальних рівнянь відносно скалярної і модуля, аргументу комплексної констант у вигляді:

(4)

де , — модуль і аргумент -ої міри векторного відношення відповідно; — номер міри; — число мір.

При математичному моделюванні виявлено, що система (4) має рішення відносно модулів і аргументів шуканих констант тільки при високій точності завдання початкових наближень. При цьому середнє число ітерацій склало 40. Усувається цей недолік введенням нових перемінних , , що представляють реальні і уявні частини комплексної константи і додаткової перемінної . У цьому випадку система (4) має вид:

(5)

де ; .

В результаті моделювання показано, що система (5) має рішення при нульових початкових приближеннях і вимагає в середньому 8 ітерацій При цьому можливе використання для калібрування зразкових мір, що відрізняються тільки значеннями аргументу.

На основі узагальненої математичної моделі (1) був здійснений синтез п’яти структурних схем параметричних перетворювачів інтерференційного типу, котрі збудовані на основі маніпуляції параметрів еквівалентної шестиполюсної схеми. Виявлено, що структурна схема параметричного перетворювача векторного відношення (рис.1) на основі комбінуванні маніпуляції модуля і аргументу коефіцієнтів передачі каналів інтерференційної схеми, є найкращою, тому що у цьому випадку відсутні обмеження на область припустимих значень модуля вимірюваної величини, а система лінійних вимірювальних рівнянь добре обумовлена.

На схемі (рис. ) прийняті наступні позначення: ФО фазообертач, керований сигналом ;А атенюатор, керований сигналом С суматор потужності; Д датчик потужності.

У наведеній схемі до параметрів керованого фазообертача ФО і керованого атенюатора мікрохвильового перетворювача ставляться високі вимоги, оскільки неідеальність їхніх характеристик ураховується в системі вимірювальних рівнянь через узагальнені константи й , які визначаються за допомогою калібрування по зразковим мірам.

У третьому розділі досліджені ряд перетворювачів комплексних характеристик антенно-фідерних пристроїв. Розроблені структурні схеми виміру ККВ мікрохвильових двополюсників і ККП чотириполюсників на основі параметричного перетворювача векторного відношення (ППВВ). Запропонована структурна схема параметричного аналізатору мікрохвильових кіл (рис. ), що працює в двох режимах. У першому режимі вимірюють елементі матриці розсіювання чотириполюсників (), а в другому — ().

Розглянуті в другому розділі методи обробки вимірювальної й каліброваної інформації ґрунтуються на рішенні систем нелінійних або лінійних рівнянь. Це пов'язане з рядом незручностей, а саме: у першому випадку, завдання початкових наближень і значні тимчасові витрати; у другому випадку, погана обумовленість системи при рівності модулів і рівності аргументів узагальненої комплексної константи. Для усунення зазначених недоліків запропоновані аналітичні рішення нелінійних систем вимірювальних і калібрувальних рівнянь. Це дозволило виключити застосування ітераційних методів і підвищити достовірність результатів, оскільки явне рішення дозволяє одержати всю сукупність корнів і шляхом додаткового аналізу виключити помилкові значення.

Аналітичне рішення системи вимірювальних рівнянь вигляду (1) для випадку виміру ККВ відносно його реальної і уявної частин полягає в наступному: з усієї сукупності вимірювальних рівнянь (1) вибираються пари рівнянь з індексами і (, , ), на основі яких формуються систем виду:

(6)

де , і — коефіцієнти, обумовлені через узагальнені константи перетворювача і вихідні нормовані напруги ; , — число сполучень з по друге.

Рішення систем (6) мають вигляд:

, , (7)

де , , — коефіцієнти, що розраховуються через , и .

Розроблені критерії вибору істинного рішення, був виконаний аналіз випадків, що представляють практичний інтерес і запропонована процедура виміру ККВ двополюсників.

Запропоноване рішення системи калібрувальних рівнянь для випадку виміру ККВ двополюсників, що дозволяє отримати результат в явному виді. Реальна і уявна частини узагальненої константи () визначаються співвідношеннями:

де , ; , — реальні і уявні частини ККВ -ої міри; ; ; , ; — нормовані вихідні напруги при підключенні узгодженого навантаження =0 (); , , , — скалярні коефіцієнти, що однозначно зв’язані з величинами і .

Невідомі , визначаються в результаті рішення систем рівнянь:

(8)

де , і — коефіцієнти, обумовлені через параметри калібрувальних мір і вихідні нормовані напруги .

Системи рівнянь (8) аналогічні системам рівнянь (6) і, тому вирішуються аналітичним засобом. В результаті цього рішення визначаються значення , , знання яких дозволяє розрахувати інші невідомі і . Скалярна константа визначається по формулі

.

Показано, що для реалізації процедури калібрування треба п’ять зразкових мір ККВ. Одна з цих мір має бути узгодженим навантаженням (), а інші чотири можуть бути короткозамкненими відрізками лінії передачі різної довжини.

Був запропонований спрощений варіант обробки вимірювальної та калібрувальної інформації, що реалізується в припущенні того, що в - ом стаціонарному становищу сигнал пропорційний падаючій хвилі. Для здійснення калібрування необхідно чотири зразкові міри ККВ. При цьому в склад набору мір необов’язково включати узгоджене навантаження.

Проведено дослідження метрологічних характеристик параметричного перетворювача ККВ методом статистичних випробувань для спрощеного варіанту обробки вимірювальної та калібрувальної інформації. При моделюванні були прийняті наступні вихідні значення: відносна погрішність виміру напруги дорівнювалась =±1%; погрішність атестування калібрувальних мір — по модулю =±1% і по аргументу =±10 (міри першого розряду). Закони розподілу цих погрішностей приймалися рівномірними. У результаті моделювання показано, що закони розподілу погрішності виміру модуля і аргументу ККВ близькі до нормального. При цьому середня квадратична погрішність виміру модуля при (КСХ ) складає 1,0%, а аргументу при — 0,350, що для нормального закону розподілу відповідає граничним погрішностям виміру модуля ±3,0% і аргументу ±1,050.

У четвертому розділу проведена розробка і експериментальні дослідження мікрохвильових вузлів і параметричних перетворювачів на їх основі. Зокрема, розроблені керований чотирьохрозрядний фазообертач; суматор потужності, виконаний у вигляді двокільцевого з’єднання; керовані аналоговий і дискретний атенюатори; датчики потужності.

На основі спроектованих мікрохвильових вузлів розроблені і виготовлені НВЧ вимірювальні перетворювачі комплексного коефіцієнта відбиття і комплексного коефіцієнту передачі. На рис. показаний макет перетворювача векторного відношення, а на рис. — параметричний вимірювальний перетворювач ККВ зовнішніми спрямованими відгалужувачами.

Експериментально визначені власні константи, що характеризують параметричний перетворювач. На рис. 5 і 6 показані залежності модулів і аргументів констант у смузі частот 1,1…1,8 ГГц.

Експериментальні дослідження метрологічних характеристик вказаного перетворювача здійснювалося шляхом порівняння результатів виміру зразкових навантажень з паспортними даними цих навантажень і з результатами виміру, виконаних на високоточному аналізаторі кіл Agilent N5230A. В таблиці 1 приведені результати виміру параметрів навантажені Э9-144 з комплекту мір ЭК-140. Розрахунок відносної й абсолютної похибки виміру здійснювався по формулам і відповідно, де й — модуль і аргумент ККВ зразкового навантаження.

Таблиця 1

Результати вимірювання параметрів зразкової міри Э9-144 () | Частота, МГц | Результати вимірювань | Парам. перетворювач | Agilent N5230A | ,% | ,% | 1100 | 0,343 | 308,5 | 3,0 | 3,4 | 0,341 | 305,8 | 2,4 | 0,7 | 1200 | 0,338 | 303,9 | 1,5 | 3,9 | 0,345 | 301,3 | 3,6 | 1,3 | 1300 | 0,341 | 296,6 | 2,4 | 1,7 | 0,340 | 295,9 | 2,1 | 1

1400 | 0,346 | 293,7 | 3,9 | 3,9 | 0,329 | 292,7 | 1,2 | 2,9 | 1500 | 0,32 | 292,9 | 3,9 | 1,6 | 0,334 | 289,2 | 0,3 | 4,5 | 1600 | 0,325 | 282,2 | 2,4 | 2,6 | 0,34 | 283,0 | 2,1 | 3,4 | 1700 | 0,347 | 278,0 | 4,2 | 3,5 | 0,339 | 275,3 | 1,8 | 0.8 |

Був розроблений в смужковому виконанні перетворювач комплексного коефіцієнту відбиття двополюсників з вбудованим рефлектометром (рис. 7), котрий характеризується малими габаритами, масою, високою стабільністю и точністю. В смузі частот 1,1…1,8 ГГц з кроком 0,1 ГГц експериментальне визначені особисті константи перетворювача і метрологічні характеристики. Було встановлено, що погрішність у всьому діапазоні вимірювальної величини не перевищує по модулю 4%, а по аргументу — 40 вказаної смуги частот.

Був розроблений і експериментально досліджений параметричний перетворювач НВЧ кіл, виконаний згідно з рис. 2. Дослідження метрологічних характеристик проводилися шляхом порівняння результатів виміру - параметрів атенюаторів з результатами виміру, виконаних на аналізаторі кіл PNA N5230A. У результаті цього була показана можливість виміру з його допомогою як ККВ двополюсників, так і - параметрів СВЧ чотириполюсників.

основні результати і вИсновки

У дисертації вирішена науково-прикладна задача розробки широкосмугових, високоточних і стабільних вимірювальних перетворювачів комплексних параметрів вузлів антенно-фідерного тракту на основі реалізації запропонованого параметричного методу вимірювання, що дозволяє створити малогабаритні і з низькою собівартістю прилади, призначені для лабораторних досліджень, а також для цілей технологічного й вбудованого контролю.

У результаті виконання роботи отримані наступні основні наукові й практичні результати:

1. Розроблена узагальнена математична модель процесу виміру векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів параметричним методом, що заснований на маніпуляції параметрів вимірювального шестиполюсника. Модель являє собою систему нелінійних рівнянь, що зв'язує модуль і аргумент вимірюваного векторного відношення з вихідними напругами датчика потужності й узагальнених власних констант перетворювача.

2. Отримані системи нелінійних вимірювальних і каліброваних рівнянь для довільного числа стаціонарних становищ параметричного перетворювача й досліджені особливості їхнього рішення ітераційними методами. Проведена лінеаризацію цих систем, що дозволило застосувати для рішення методи лінійної алгебри й зменшити час обробки вимірювальної інформації більш ніж в 10 разів.

3. Отримані аналітичні рішення систем вимірювальних і каліброваних рівнянь відносно як модуля й аргументу шуканої величини, так і її квадратурних складових. Сформульовані критерії вибору істинного рішення, що дозволило розробити алгоритми виміру й калібрування, що виключають помилкові коріння. Показано, що для повного калібрування необхідно використати п'ять зразкових мір незалежно від числа стаціонарних становищ. Запропоновані спрощені варіанти обробки вимірювальної й каліброваної інформації й показано, що для рішення каліброваного завдання в цьому випадку потрібно чотири зразкові міри.

4. На основі розробленої моделі здійснений структурний синтез схем вимірювальних перетворювачів векторного відношення інтерференційного типу. У результаті отримані нові схеми перетворювачів, побудовані на основі маніпуляції модулів і аргументів комплексних коефіцієнтів передачі каналів інтерференційної схеми.

5. Проведені дослідження метрологічних характеристик параметричного вимірника ККВ методом статистичних випробувань. Отримані гістограмі погрішності виміру модуля й аргументу ККО й показано, що закони розподілу цих погрішностей близькі до нормального закону. Середняквадратична погрішність виміру модуля не перевищує 1,0%, а аргументу — 0,350 при використанні зразкових мір першого розряду й цифрового вольтметра при вимірах напруг.

6. Розроблені й виготовлені в смужковому виконанні із застосуванням технології поверхневого монтажу діючі зразки наступних пристроїв: параметричного перетворювача векторного відношення, параметричного вимірника ККВ мікрохвильових двополюсників, параметричного аналізатора - параметрів мікрохвильових чотириполюсників. У результаті проведення експериментальних досліджень підтверджена достовірність розроблених математичних моделей, показана можливість одержання високих метрологічних характеристик у широкій смузі робочих частот (не менш октави) і виявлено, що при використанні мер першого розряду погрішність виміру модуля не перевищує 4 %, а аргументу — 40.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на промислових підприємствах: ТОВ "КБ коммутационной аппаратуры" (м. Севастополь) при розробці безконтактного вимірника параметрів руху деталей комутаційних пристроїв; на ПП "Агрегат" (м. Ялта) при розробці пристрою контролю змісту вологи в багатокомпонентній суміші при виробництві цегли. При цьому отримані чотири акти впровадження і використання результатів дисертаційної роботи..

Результати роботи рекомендуються для використання в промислових і науково-дослідних організаціях, що здійснюють розробку й виробництво пристроїв антенно-фідерного тракту, радіотехнічних систем різного цільового призначення, радіовимірювальної апаратури.

СПИСОК публікацій за темою дІсертації

1. Пат. 77744 Україна, МПК G01R 27/06. Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття мікрохвильових двополюсників / Ю.Б. Гiмпiлевич, Ю.Я. Смаілов (Україна). — № 20040806470; Заявлено 15.01.2004; Опубл. 15.01.2007, Бюл. № 1. — 4 с.

2. Смаилов Ю.Я. Алгоритм обработки измерительной информации многополюсных анализаторов СВЧ цепей // Материалы 7-го международного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". — Харьков, 2003. — С.190.

3. Гимпилевич Ю.Б. Смаилов Ю.Я. Линейный алгоритм определения эквивалентных комплексных констант многополюсного микроволнового рефлектометра // Збiрник материалов 10 науково-технiчноi конференцii "Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологичних процесах". —Хмельницкий.— 2003. — С.27.

4. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Калибровка коммутационных многополюсных преобразователей комплексных параметров микроволновых трактов // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. — Харьков, 2003. — Вып. 134. — C. .

5. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Линейный алгоритм определения эквивалентных комплексных констант многополюсного микроволнового рефлектометра // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Міжнародний науково-технічний журнал. — Хельницкий, 2003. — № . — С. 91-93.

6. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Условие плохой обусловленности системы измерительных уравнений 12-полюсного микроволнового преобразователя // Мат. 13-ой междун. Крымской конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. — Севастополь, 2003. — С. 666-667.

7. Широков И.Б., Поливкин С.Н., Смаилов Ю.Я. Направленный полосковый ответвитель для калибруемых измерительных устройств // Мат. 14-ой междун. Крымской конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. — Севастополь, 2004. — С. 650-652.

8. Смаилов Ю.Я. Гимпилевич Ю.Б. Моделирование характеристик управляемого СВЧ фазовращателя //Материалы 1-ой международной молодежной научно-технической конференции "РТ-2005". — Севастополь, 2005. — С. 120.

9. Гимпилевич Ю.Б. Вертегел В.В., Смаилов Ю.Я. Калибровка измерителя векторного отношения двух СВЧ сигналов // Мат. 15-ой междун. Крымской конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. — Севастополь, 2005. — С. 620-622.

10. Gimpilevich Yu.B., Smailov Yu.Ya. A method for measuring of two microwave signals vector ratio // Proceedings of the 5th International Conference “Antenna theory and techniques”. — Kyiv, Ukraine, 2005. — P. 397 - 398.

11. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Математическая модель параметрического преобразователя векторного отношения СВЧ сигналов // Материалы сборника научных трудов 2-го Международного радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”. Том VII. Международная конференция “Метрология и измерительная техника”. — Харьков: АНПРЭ, 2005. — С. 289.

12. Смаилов Ю.Я. Методика определения обобщенных констант параметрического измерителя векторного отношения двух СВЧ сигналов // Вестник СевГТУ. Сборник научных трудов. Вып.68: Информатика, электроника, связь; Севастопольский национальный технический университет. — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. — С. 192-00.

13. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Обобщенная математическая модель параметрического измерителя векторного отношения двух СВЧ сигналов // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. — 2006. — Т. 49. — Вып. № — С. 3-9.

14. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я., Алимов З.Э. Структурный синтез параметрических преобразователей векторного отношения двух СВЧ сигналов // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. — 2006. — Вып. № — С. .

15. Gimpilevich Yu.B.,Smailov Yu.Ya., Savchuk A.V. Implementation of the Block Diagrams of the Microwave Parametric Interference Transducers // Proceedings of the International Conference TCSET’2006 “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science”. — Lviv-Slavsko, Ukraine, 2006. — P. 502  503.

16. Смаилов Ю.Я., Савчук А.В., Алимов З.Э. Синтез преобразователей векторного отношения // Материалы 10-го Юбилейного международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. — Харьков, 2006. — С .

17. Смаилов Ю.Я. Савчук А.В. СВЧ преобразователь векторного отношения с параметрической амплитудной и фазовой манипуляцией // Материалы 2-ой международной молодежной научно-технической конференции "РТ-2006". — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. — С. 149.

18. Смаилов Ю.Я., Алимов З.Э. СВЧ преобразователь векторного отношения с параметрической амплитудной манипуляцией // Материалы 2-ой международной молодежной научно-технической конференции "РТ-2006". — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. — С. 150.

19. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Методика калибровки параметрического измерителя векторного отношения двух СВЧ сигналов // Материалы 7-ой Международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. — Одесса, 2006. — С. 207

20. Смаилов Ю.Я., Савчук А.В., Алимов З.Э. Обработка измерительной информации коммутационных преобразователей комплексного коэффициента отражения // Научно-технический рецензируемый журнал “Инженерный вестник”. — 2003. — Т. 21, № 3. — С. 256-259.

21. Гимпилевич Ю.Б., Смаилов Ю.Я. Алгоритм полной калибровки коммутационного преобразователя комплексного коэффициента отражения // Материалы 15-ой Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. — Севастополь, 2006. — С. 600-602.

22. Smailov Yu.Ya. Mathematical Model of the Transducer of the Complex Reflection Coefficient // Proceedings of the 3rd International Conference “Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals”. — Sevastopol, Ukraine, 2006. — P. 353-354.

23. Денисов И.Л., Плотников В.В., Смаилов Ю.Я. Решение измерительных уравнений параметрического рефлектометра // Материалы 3-ей международной молодежной научно-технической конференции "РТ-2007". — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. — С. 150.

АНОТАЦІЯ

Смаілов Ю.Я. Мікрохвильові параметричні перетворювачі комплексних характеристик антенно-фідерних пристроїв. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 — антени та пристрої мікрохвильової техніки. — Харківський національній університет радіоелектроніки, Харків, .

У дисертації вирішена науково-прикладна задача розробки широкосмугових, високоточних і стабільних вимірювальних перетворювачів комплексних параметрів вузлів антенно-фідерного тракту на основі реалізації запропонованого параметричного методу вимірювання, що дозволяє створити малогабаритні і з низькою собівартістю прилади, призначені для лабораторних досліджень, а також для цілей технологічного й вбудованого контролю.

Розроблена узагальнена математична модель параметричного методу вимірювання векторного відношення двох когерентних НВЧ сигналів, що представляє систему нелінійних рівнянь, що зв'язують вихідні сигнали датчика потужності з комплексними параметрами вимірюваного об'єкта і з власними константами параметричного еквівалентного шестиполюсника. Розроблені алгоритми обробки вимірювальної інформації та алгоритми калібрування параметричного перетворювача. Проведено структурний синтез параметричних перетворювачів векторного відношення інтерференційного типу на основі математичної моделі і досліджені їх властивості. Розроблені схеми автоматичних вимірників комплексного коефіцієнту відбиття двополюсника, комплексного коефіцієнта передачі чотириполюсника і елементів матриці розсіювання багатополюсників. Отримане рішення систем вимірювальних і калібрувальних рівнянь у явному виді. Проведене дослідження метрологічних характеристик параметричного перетворювача комплексного коефіцієнта відбиття методом статистичних випробувань.

Ключові слова: антенно-фідерні пристрої, комплексний коефіцієнт відбиття, коефіцієнт передачі, матриця розсіювання, калібрування, мікрохвильовий параметричний перетворювач.

АнНотация

Смаилов Ю.Я. Микроволновые параметрические преобразователи комплексных характеристик антенно-фидерных устройств. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 — антенны и устройства микроволновой техники. — Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

В диссертации решена научно-прикладная задача разработки широкополосных, высокоточных и стабильных измерительных преобразователей комплексных параметров узлов антенно-фидерного тракта на основе реализации предложенного параметрического метода измерения, что позволяет создать малогабаритные и недорогие приборы, предназначенные для лабораторных исследований, а также для целей технологического и встроенного контроля.

Разработана обобщенная математическая модель параметрического метода измерения векторного отношения двух когерентных СВЧ сигнала, которая представляет собой систему нелинейных уравнений, связывающих выходные сигналы датчика мощности с комплексными параметрами измеряемого объекта и с собственными константами параметрического эквивалентного шестиполюсника. Сформирована система нелинейных измерительных уравнений для произвольного числа стационарных состояний параметрического преобразователя и исследованы особенности ее решения. Проведена линеаризация этой системы путем введения дополнительной переменной, представляющей квадрат модуля векторного отношения, что позволило осуществить решение методами линейной алгебры и повысить быстродействие обработки измерительной информации. Получена также система калибровочных уравнений относительно обобщенных констант преобразователя при использовании образцовых мер векторного отношения и показано, что точное решение относительно модулей и аргументов искомых констант возможно при высокой точности задания начальных приближений.

Проведен синтез структурных схем измерительных преобразователей векторного отношения интерференционного типа на основе разработанной математической модели и исследованы их свойства. Синтезированные схемы преобразователей построены на основе манипуляции модулей и аргументов коэффициентов передачи каналов интерференционной схемы.

На основе параметрического измерителя векторного отношения разработаны схемы измерения ККО микроволновых двухполюсников и ККП четырехполюсников. Математические модели этих преобразователей представляют собой нелинейные уравнения, связывающие обобщенные скалярные и комплексные константы с выходным сигналом в -ых стационарных состояниях. Предложена структурная схема параметрического анализатора микроволновых цепей. Разработан алгоритм обработки информации в режимах измерения ККО двухполюсников и элементов матрицы рассеяния четырехполюсников.

Получено аналитическое решение системы измерительных уравнений параметрического преобразователя ККО относительно, как модуля и аргумента измеряемой величины, так и ее квадратурных составляющих. На основе этого решения проведен анализ случаев, представляющих практический интерес, разработаны критерии выбора истинного значения решения и предложен алгоритм измерения ККО двухполюсников. Получено также решение системы калибровочных уравнений параметрического измерителя ККО в явном виде. Показано, что для полной калибровки необходимо пять образцовых мер ККО. Выработаны критерии выбора истинного решения, что позволило разработать алгоритм калибровки преобразователя. Предложен упрощенный вариант обработки измерительной и калибровочной информации. Показано, что в этом случае для решения калибровочной задачи требуется всего четыре меры ККО. При этом необязательно наличие согласованной нагрузки в составе образцовых мер. Проведены исследования метрологических характеристик параметрического преобразователя ККО методом статистических испытаний. Показано, что законы распределения погрешностей измерения модуля и аргумента ККО близки к нормальному.

Ключевые слова: антенно-фидерные устройства, комплексный коэффициент отражения, коэффициент передачи, матрица рассеяния, калибровка, микроволновый параметрический преобразователь.

ABSTRACT

Smailov Y.Y. Microwave parametric transducers of the complex parameters of antenna and feeder devices. — Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science by specialty 05.12.07 antennas and microwave devices. — Kharkov National Radio Electronic University, Kharkov, 2007.

An important scientific issue of the development of the wideband, precision and stable measurement transducers of the complex parameters of antennas-feeder devices based on parametric method realization has been solved. That allows creating compact and low-cost instruments for laboratory investigations, as well as for technological and built-in control.

Generalized mathematical model of measurement parametric method of two coherent microwave signals vector ratio has been developed. The model is a system of nonlinear equations which relate output signal of power detector to the complex parameters of the device under test and proper constants of parametric equivalent six-pole. Processing algorithms of measurement information and calibration algorithms of parametric transducer have been developed. The structure synthesis of parametric interference transducers of vector ratio based on their generalized mathematical model has been carried out and their properties are investigated. The block diagrams of automatic meters of the one-port reflection coefficients, two-port transmission coefficient and elements of multi-ports scattering matrix has been developed. The solutions of systems of measurement and calibration equations in closed form are obtained. The investigations of metrological characteristics of the reflection coefficient parametric transducer using method of statistical testing are performed.

Key words: antennas, feeder, microwave devices, complex reflection coefficient, transmission coefficient, scattering matrix, calibration, microwave parametric transducers.

Підписано до друку 29.10.2007 р. Формат 6080/16

Умовн. др. арк. — 0,9

Тираж 100 прим. Зам. № 43 від 1.11.2007 р.

Редакційно-видавничий центр СевНТУ

99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 33.