Разработка методов и средств для измерения параметров рассеяния нелинейных СВЧ-объектов на большом сигнале Логанов, Сергей Викторович

Введение к работе

Электромагнитные колебания СВЧ-дшапазона широко используются
в радголохациг, рздаонэвпгацги, . системах, спутниковой - н
радкорэлейнса связи. Бастров развятгэ такгх систем во ивог:--а
определяется пргмбнэнкем хомпъвтэрных технологий при
проеістетовгішп еовых СВЧ-устройстз. Пэяыюнле комплексных систем
азтокатгзированого проектирования (САПР) позволило сущэствэняо
соїсратнть время, нвооходзпюэ на разработку готового изделия.
Основой катекатзтесксго оСэспопэепя САП? СЗЧ-устройстз является
математические глодали jehsShkx е нелинейных каипонэнтов,
котарыэ могут быть подучэны как расчетным путем, так ж путзн
Е5мер8Е2я параметров СВЧ~элэм9НТов с помогла автогатгзированЕКХ
нзкзрите льнах спетом. \

Актуальность теми

3 настоящее грог.ет для. нзмзронля 5-пзрг.'.:стров как дшепнкх так е езлнгкйш. СЕЧ-элэ:.ен?ов ПрПУ.ЗЕЯЯТСЯ Еетэрителыпгэ системі, построенЕнэ бз оспэбо езкторнвх волътаэтров ши 12-гголссеых роф-лекгскэтроз. КзкэрзЕнэ еэ гшра^этрез рассеяния нелинейных эледан-тов ойглдао? рядом особенностей, одной ез которнх является полнота еысшзх гашокне, поропдэсмых с&езм исслэдуешм объектом;, йз-мерктольппо сиск&ы, основанные па прпшкениг векторного, вохьтмэтра. позволжэт отфильтровать внепше гармоника, пег их реализация в коротковолновой части СВЧ-доапазона вызывает значнтздъгле затруднения. При построения івмаритедьянх систем на основе 12-пстсннх рефлоктомэтроз в их состав виютаюгея

пврастралваэшэ полосовые фгшлрн, которш Езсбходаыа для фильтрации высша гармошк. їїоатощ при нзігзнеЕпя частоты язнарс-шй полосовые фільтра дозшш бать пэрввастроеш, что снижает производительность изггоронгг.

Цель работы

Основной целью, решаог;о2 в настоящей дяссэрташш,

является разработка устройств, сбаопэчшказцгя изкорэяае паракэтров рассеяния еэляеойннз. СБЧ-сбхзхтсв, ссиованньк на измерении ташсетд, сблздщиА сеоЗсїзом частоти селекции и преднаг^зч-дНЕих для создашш автоматгавровапша азиорятельных

3 соответствии с поставленной цэльа ропагтся сладуЕиэ задача:

разработка измерителей параметров рдіосеяннк линейных п еоливвйшг 2- а 4-пагаснЕков СБЧ;

разработка кэтода калибровки контактных устройств;

исследование закона р2спрадолэвия погрешностей параметров рассеяния;

разработка алгоритма сопровождения результатов измерений S-napavarpoB оценкой ш. погрешзсти;

разработка ашгроксг^ацаонного алгоритма вычисления Солыеэ-снгнальннх пари.ютров рассеяшш Евлгнайанх эледаптсз;

создание автоматизированной систеш для измерения параметров рассеяния линейных п нелаЕаЯаых СВЧ-элзмонтов и разработка Евоохсдагаго програмг.!ного сбеслечзния. '

Катоды нооледовазвЕ

В дгосзрэтация кспользувтся злвкангк шотшгаЕшга иагздяро-звНЕя, теораг функций шкзлакснаго Еврзнонпого, тэарки. ьзраят-ностэй н катеватячзсгсоЯ статастшсн, теории шярешюстей, теории злекгркчэскпг цэяеЗ, мзіржной алг&Срк. Црэводалжд чнояэннае е натурннэ эксперименты.

Научная новззее

3 результате выпсднеагя диссертационной работы подучвкы
ноше научшэ розультв-гц:

- ргзрабстанз устройства для гзигрзЕгн изранетрсв рассеяния
Л2яь>нкх к Еэлинейнкг' 2- е 4-голгсзгкоз, оснозапгиэ яг
E?Msp>eEEz мсеностн, с-Сладаюпшз свойством ^зстотной се гостя и
цредлгзначэннн?» да», сотязнгя гвтаматзззровгншл: нгькряг&шшг
сесгэк; - _ .

- разработан мэгод калюрозка контактных устройсга, нэ
гребушй прзлэЕепгя контактного устройства с додекешш
сое динитзх'аш;

разработан ашрокстгацясшшй апгоркта шчис-тзнхя больгэ-скгнапьннх п-йргнатрсв рассеяния, . обеспэчнвапдгй уш-тач^нЕе Т0Ч3.0СТК ег оцределэЕИя;

разработал алгоритм сопровсгдэзия рззудьтатоз йзаэрзкия. парзкэтрсв рассеяния -оценкой гг погрешности, не трооукЕЕй ватасленЕя чзстзыт проязвсдниг.

Практачвская ценность

Практетесхэд ценность работы згшличаэгся в том, что предло-LBHBiio е дасоарташи. структурное схвш, шїсде е алгоритма: является основой для создавая новых автоыатлзярсЕаншх састем, сбесЕочавзгвзк 2г:лорбЕК8 царамэтров рассаянзя нэлггзлагсс СВЧ-осъ~ еетсв. Разрзботзк комплекс програма, сбегоечаваипаЯ фушааоинро-занЕэ взмэрителъаоЯ: системы и обработку результатов измерений.

Практическое использование

Работа БЫЕслнялась в соогва-гстЕШ с планом основне научных гссгедованза Езгегородского государственного технического университета по- проблема "йсследовзяав и разработка устройств СВЧ я функциональной шкрсэлэктрсники*, а текеэ в ссответстзнз с планом хоздоговорных НИР.

Реализация в проыкплеаности_2

2 а Є Д р 9 2 2 Є

Результати работы использована при вшолеэнее научнснЕСслэдсватэльаш: рабо? в Пргвдзшском конструкторском "бвро и Еаучна-шгслэдеватааьскса институте езузсжгзльшх сгстэи (г. Н.Нозгсрод }.. - .

Езэдрениэ подтверждено ссотвэтстзугщкст актами.

Апробация работы

Основино результата работа догладывались г "обсуздажсь ни Кэвдународной нвучно-тэшпескоа конференции "Актуадьшв проблемы

ЗЛЗКТрОННОГО Приборостроения ", V. НОВООТСЕрСК, 1992 Г., Е2

Всэсоезенх научно-технических конференциях: "Развитие и внедрение новой техники радлоприенакх устройств и обработки сигкзлог", г. Горький, 19S9 г.,"Современные проблей фззспзмерптельнси технар з ее пртюнзЕиз", г. Крзсясярсг., 158$ г., "Исследование и разработка совремэнннх радиоэлектронных элвментсз е устройств", г. Рига, 1990 г., "Измерения и контроль при автоматизация прокз-ВОДСТБ9НЕЫГ процессов'', г. Барнаул, 1991 г., "Мзтаиатичэсксэ ко~ дэлированиэ и САП? радиоэлектронных г. вэтиаяптэльзтз; спетом СЗЧ и КЗЧ на ОКС. г. Волгоград, 19Э1 г.^"Твэрдотвл.-зая елоктрглгкь СВЧ", г. Киев, 1990 г.; на рс-гпепальшх научно-тохеичоскзх ксЮ-реніїпях: "Достигання родтазлзктроігг-з л азтжзтпки - прогрс-ссу інюизводстзз а заучішх иесхедозакй", т. Свердловск, 1987 г., Т.ододж учение производству радиоэлоктронсп ПрОГССГ-ЛЗЕНОЗТЛ", г.

ГОрЬКЕЕ, 19S7 r.,"COSpC.V5-SHb^,8 МЄТОДІ раДОИЗКерЭНИг В ДИДП330И9

34 в СЗЧ", г. Новосибирск, 1991 г., ыолодех уздккх п сягапгшлгетоз Волго-Вятского psniona, 1939 г.

Публикации

По основним результатах диссертационной работы опубликовало 15 пэчатп^х работ и получено 9 авторских ошщзтолъстз яг. езебрз такие. Результата диссертационной работа отрезэш; е двух зтчетгх по ЕИР.

Структура х а б ь в и работы

Дяссерташя состоит из введеная, пята глав, заключения а содержит 125 стр. мзпижшистюгс текста 2 4-4 .рисунка на 42 страницах, лз ща 107 стр. основного ссдзрсаігля, а та&пщ, список ллгзратурц 2П 101 ЕЗШ.!ЭЕСзанйя ей 11 страницах и ггрялокзиая на 2

:трашп-гз..

S.3 ЗІ53Ї? 3 К Е о с я г о я

- структурные сгеїві ИБквритолва параметров рассэянля
линейных а неланейнкх 2- z 4-по.твсеиков и алгоритмі ах
^ункцаснароваиая; .

.- Уйчад калибровки контактна устроЗстз;

алгоритм сопровождения розультатоз їсшреяай параметров рассеяния оценкой их погрешности, еэ трэбукй вечисдэейя частных производных;

атгрохсимзциоЕнаа алгоритм вычисления ЕЭЗтж'СолызэсагЕадь-ннх параметров рассзяния ввлшз2ннх ' 4-еолюонихов, позголяздка пошсмть точность sx определения;

алхсратшческое и тюграіаиое сСвсгечение функционирования аЕтоазтазирозянЕоЯ кзкзрптвльзюЗ системе а обработка результатов 2змврениа.

Зо азедвЕИЯ обоснована актуальность хєіеі, сфр-муджроваш цель я задачі рзбота. Екяздеяа научная новизна »

практическая ценность полученных результатов, пркводэны основные полоазнЕЯ, вынесенные на защиту.

В первой главе дается аналитический обзор математических коде-лва активных элементов для рэгима большого, сигнала. Рассмотрены частотные катода измерения больше сигнальных параметров., рассеяния (БПР) нелинейных СЗЧ-чегнрэхполюснйков подраздзляекыэ на два класса: двухчастотяке ж двухсигнальннэ, которые_по виду зоддирупзих сигналов можно разделить на группа:

с пр2«9неЕ5їзк синусоидальных сигналов;

с прЕйНбЕием модулированных сигналов;

с применением отраженного сигнала;

с прсгненгем дополнительного колобагля.

Рассмотрены извостшэ реализации скотом для измэрзния БПР к ОТМЄЧЄПО, ЧТО ОСЯОЕШК их недостатком является ногтожнюст-учета нелинейной илтерфаровмии падайсих зола.

Рассматривается боль^оситаалкиая нэтотатичосхая модель на основе гэств параметров рассеяния, позволятаая учесть зависимость отклика нелинейного 4-полюсника от сдвига фаз падащих волн.

. Приведены ютода калибровки контактных устройств, пэ тро-бупдкв полной информации об образцовых нагрузках.

На основа проведенного агллгтического обзора сформулированы задачи исследования.

Во второе глав разработаны устройства, обес-нечизЗЕсие измерение параметров рассеяния нелинейных 2- 2 4-голюсеиков, основанные на измерении кхящости, обладателе свойством частотной селекции к предназначенные для создания автоматизированных татшрете льнах систем.

Основой разработана»! измерктелод является суммирование моногарцонетеского управляемого по фазо спорного колебания x(t)-= tfcoa(wt-HJ) с шлигармонгческгьи линейная комОингцаяма падащнх з отражении волн, шзиднх адедупшй вид

7(t) = С COS( (Л + ф ) -і- 5 CjCOSl lat + ф₁ ), - (I)

где ш - частота колабзлзй, D, 5 - аылитуда и фаза опорного колебания, С - амплитуда колебангя парвсЯ гармошка ганбно2 комбинации, ф - фаза колебания пэргой гармошки яо отноланив к x(t), с,' (р_А - амплитуды е 5азк внсхпх гармоник, S - часто виста гармонии, порождаемых нсмвдуеынм нелинейным объектом.

В загистюсти от состояния опшгаателей измерителя комплексного коэффициента отрагення (КНО) (ряс. I) с помсцыс ваттметра измеряются следующие мсцеостн:

?, = 0.5 В² , (2)

?_г = 0.5 С² +Р_г, ,.' . (3)

,Р₃ = 0.5 q С^г + P_r2 , < (4)

?_л = 0.5 С² + 0.5 D² + CU COS ф + ?_г1- , (5)

Р₅ = 0.5 q²C² + 0.5 D² + qCU соз( ф + S ) + Р_гг , '(6)

где Р_г1 , ?_гг -' сумкарше мощности высших гармоник.

15з соотнсЕзннг (5) ж (6), с учетом (2)-(4) кллсляются слодупциэ ездвдшы:

С cos ф = <Р_Г Р₂- Р₁ )//2Р, ', (7)

?,- Р,- Р. - 2а/22, С cos ф ссз в

С sin ф = ——³- - .¹ ... -_t ^ч ! _ (8)

q /2Р_} від S

Так как комплексная амплитуда колебания x(t) иропорцаоЕальна гкплзтудэ падаидэг волш, а ксмплэхсная амплитуда y(t) - линейной

/О

Н02

_{- а}

_{ПГ D}

Оті» 0т2, ОтЗ - СЗЧ о'п-иготатеяЕ, НОГ, HD2 - кшрзалашыэ отзэтвктэллД' - СЗЧ ваттметр, X - гсследуаьый объект, КГ, ИЗ, КЗ - гнбрядаые моста.

?ВО. 1

::с!.'.С2нацнп гмплктуд пздаЕщгх к стрзгэнЕЫГ вола, то вычисление

комплексного коэффициента Ь-раг^нил (ККО) производятся по формул

Г =. К, С/В - К, , (S)

гдэ К , IL, - ха.таоровочныэ констачтн, а отксяонгэ С/П вычисляется

по формуле ' -

С/П = С cos /-/1^ + і С sin

, 3 другхз: устроЗствах для взиоревгя . ККО, разрабстенш^. Б

дяссертащш, используется формула

З ЇСГ0рс2- р - ОТЕОПОШІЄ ХСМПЛЄКСЕЇЇХ аМШЕЗуД ДВУХ ЛЗНЭЙШХ

жяаЗинацаа падавдя 2 отрзхзшьа волн, подученное с помокше ззмзрвЕЕЯ сооїветстЕрсах мощЕостаа.

?азрсботаняао такаргтвла ККО разлпазгсся по способам Зсркгрсзанля лнзеЗках коыбинвцаЗ падасцгх г отразэЕзах ваш, способу детектирования г количеству вспользуб'АЫХ взттмзгрсз.

Измарзтель еолывсзгнальяых параметров рзесояняя кь ссно'ВЕог rapsoEEO обаслзчгвзэт возможность согласования асслэдуэыого объекта с покодьа настроЁкз согласупшх трансформаторов а изьзрешя как стандартно* катрзпа рессакния, таз-: 2. S-паргьэтрсз какматгчеокоЗ ноде.тл шла

! " . v <*²>

&_z = S_ai((J,ju,|) а, 4 S^tu.lujku, tS^^lc^a-expOSi?,) , где (р₁ - начальная Саза первой гар/лкзки волны а, .

йзмортга&ль пар&іютров рассеяния ка гар-юнЕкзх основан на сут.сдрсЕЯ^н соотвргствущеЛ: гармоники опорного колебания с полигср^.оЕяэсхй.чш ліінойгса.а комЗингісшін падажцзх z отрзілкннх вола при coxpsi-вшш рогзмз ъозбуздонгя еолишйеого 4-аодзккика ш иерЕоЗ гар:ошко. Вццелоїшз соотЕзтотвуідаа гармоники опорного їюлобгнпя осусоствлязтся С ГЮІ.Ї0ЦЬВ полосового Слльтра.,

Калкбровкв разработаншх г.зм5рцтелз параметров рассэяшк явллэтся ТИЕЕЧЫ02 калгсроЕіоа вокторного Еодъткэтра к основана нз ЕОДг-ютанзи ВМ9СТ0 исследуемого объекта двух (upz аеаользован/П фэртулы (9)) еле. трох (при аспользовгнаїї opayjui (10) 3 образцсвах

НаГруЗОК С 23ВЭСТНЫЫ ККО.

/

Пра азііоревзи нараійтрсв ейденэйннх СБЧ объектов греОузтся знать уровень падашзй голна ! -а- ! С зтсз цзгкз спрвдояязтся дсаолякгодьная кадрировочная константа ирп подкдглегаа шэсто асслоду8.'.:ого объекта образцового взттаэтаз. Лсказангэ образцового загагатра ?₀ связано с уровнем гютапровакно* задаггзЯ зсдш ооотаоиэниэм

дозволяет контролировать уровень- дадапгей еэден з - процесса дзиеранаЗ по фзр:.<уде

гдэ Г - ХНО ясслэ дуемого сбъекда.

Разработанная мэтодгка наисрсвка коятактяыг устройств основана нз том, что налгчкэ узла стояч»2 годна, зхвязадентно подхлзчению з даннув точку ксроткозаяснутей нагрузка, Псзтсгзу роаляззцяд корогкозаикпутсЯ ногрузкя ттрсяздоддтся зода^єЗ да вход л гадод днняд таро дачи падзпцпс водн одинаковой агдихтудн. 2рд згс,\; гэстоешокоеиэ уела стоящей водші опрздехкзтея с ГОЖГ.ЬД ДНОД2, ВХДНЧЭЕПЭГО В "УТЗЧКУ". ПрДКЯЕЗЕЭ д22*яггзе:-:зго упраквшм чувствдто.лъдостъю ддода путом ЇЇОДГіДЗ ШСТСШШОГО

рзссеянгя. Цель исследования состояла е оцэаке Сласти законов распределения погредшостей S-пзраштрав к нормальному закону. Данная оценка проведена двумя методами:

1. Вычислением параметров обобщэЕного вкспонэЕцаальЕого распределения;''

2. Постановкой' гипотеза о нормальном распределение с выч2М9нг»м критерия согласия Пирсона.

Полученные параыагрк оОоодэнеого _зксзононцкалъного распределения показывает, что го своем свойствен закона распредэлвния З-сара^тров занимают' промэкуточнов полсгэнаэ аа^ду заковок распредел-энгя Лапласа к нормальним законом Гаусса.

Разработанный алгоритм сопровождения результатов кзм&рэ-зей.оцоексй 21 аогроЕШОсти основав на пргмененнг ' мотода эквг-бзлэнтшх вознушзЕкг (КЗЗ). K3S, такеэ как к узтод частных производных, использует рззлогбше функции в ряд Тейлора z изжет использовать более двух члэное рззлогэная, ко <5оз факткчесюто

БЫЧ2СЛ0ЕЯЯ 43CTEKZ ІГрСііЗЕОДНіг..

Ыат8матическс& огкдашш JL, рэзулътата у, .2 элемента

^5 ' -

ковариационной катраш ь_ „ (J, 1 = 1,...,с) на основа данного

кзтодз еичясдявтся по йорыулам

гдэ с, п - рззмзрностг векторов результатов z аргументов,

СООТБвТСГВбЗНО, 6 В9ЛЭТЕНЫ У.. ЛОЛуЧвЕК С ПОМОЩЬЮ БКЧНСІЄНПЯ

результатов для аргументов, содержащих экьгзалэнтЕкз возыуаэшк. Црнведенї результаты сравнения U33 с ыетодоа частині.

{А

производит 2 мэтодси, основаним нз свойствах распродолепля Kcnz на примере вачислвЕия оцзнка средяеквадратачЕого атклснелая ККО, показавшие болаэ высокую гфїектизность призданоЕИЯ *ЮЗ.

С яомсаьв разработанного алгоритма проведена сцепка
погропяоста кзлпСеоенл хоитаятвого устройства для разлачшг
наборов образцовых нагрузок. Получению результат псказнзаат,
что в-заэт-сккосга от априорно! ЗЕфаркагда а -залшспгэ модуля
коефйпшонта отрагйкгя гсслвдуэмсго объекта мозвт бить знбрая
забор образцовых нагрузок, обесяэчягагцяЗ мянямальнуз

погрешность петэревЕЗ.

В чэтзертоЗ глава представлена автсматззгро-ванная система (рис. 2) для измерения пара:,язтров рассэлния диеє2-

ЕКХ Л НЭЛЯЕ9ЙЕЫХ 2- 2 +-ПОЛЗЗСН2КОВ. РЗССКОГрвШ ВОПРОСЫ S9

функцпоЕ-гоовакая, калибровки а сопровсздвяия результатов ззмо-ренай одаззой тле пегретности. Списана структура прагракмаого обеспечения азмєритальїюа система.

Прязэдзк алгоритм шчяслзния ВНР, сстовзшшй на измерения коїШлвксЕнз. азяинтуд падаяцкх а отрааёйЕэх волн при" ззкэяэпия фазы одесй 23 падзпцпх волн от 0 до 260.град. На основа подученных значений ясишткснах акплиг/д золе с покещьз метода яаимзньших кзгдратсв решатся нэсоэ-.:зстяая сгстэиа линейных уравнений,- лскс?.2нл параметрами з которой являйся песть комплокош. параметров рассеяния нелинейного 4-поласника.

З а я ї о 2 главе приведеш результата пзт:эранип
яараглетроз рассеяния длпэЗеых а язлдеэйзнх СЗЧ-объектоз.

Получзнкно результаты пзі<:орошйї гарекзгрез pacesяеня линейных 2- я 4-еолэвсвиксв- свидвтельстзуат о достаточно высокой точности разработанной язу.эрятэльзо2 тостекы. Результати «адасревхз

/5"

Структура АИС

Г^¹

_J

j ~

3 г

НО 1

X

НО 2 , -J

\-

& ^

_и

_и

со

_р

!_

_U

"ЦТ

ІК.1

ІВШ.1

\

^

ю«а

MDC7

_{її! (Л}

сумматор

сумматор

2 I

W2

Рис 2

контактного устройства логзбпксаз)? позмсхносгь иримвЕЗЕЗя эиз-вз-юютсро короткого зашкания з качество ооразссвсз нагрузка.

X - зкстеримегаал^ые точки; "

0 - ,тіоч<ц', пол/«кнь.а с п»дацья кс5ади (Ш

:ис. З

Ио.пучоЕпцо результати показывает, что ігри утелзчбЕпа моїїностя "эжзхцэа волна зектср Ъ, 'із комплексной плоскості зїєсто окрузноста апсшзз? sjktcc, которая пезет Сыть спзсац с тхкозьа модэлл (12). Такти образом, згоденга дзуг дспо.'гяте.'ПзНіЕ. з-парзмзтрев созгояяєт 7стреня?ь г-йгедачасдуз :ісгрог2ссть

f?

четирехвлеыэжгнаг юдеяа, досшганцув ЗСК.

ЦргвадзЕигэ результаты сввдэтельотвувт о работоспособности разрЕЗогннныд мэтодоз е. средств для измерение параметров рассеяны нзлинейных СБЧ-объектоь.