Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблема измерений волновых параметров на СВЧ и обзор существующих методов измерений 12
1.1.Введение 12
1.2 Специфика измерений на СВЧ и анализ существующих автоматических измерителей комплексного коэффициента отражения и комплексного коэффициента передачи 13
1.2.1 Измерение параметров нагрузок 14
1.2.2 Анализаторы цепей 19
13 Выводы и постановка задач исследования 25
ГЛАВА 2 Исследование и разработка малогабаритного широкополосного рефлектометра 28
2.1. Введение 28
2.2 Исходные соотношения. Постановка задачи 28
2.3 Зондовая секция на основе датчика электромагнитного поля 30
2.4 Зондовая секция с комбинацией зондов электрического и магнитного взаимодействия 36
2.5 Анализ основных параметров зондовых структур 42
2.6 Направленный датчик 46
2.7 Методика разработки широкополосного рефлектометра на основе зондов электрического и магнитного взаимодействия 46
2.8 Реализация зондового рефлектометра с рабочей полосой частот 1-4 ГГц 52
2.9 Калибровка рефлектометра в полосе частот 59
2.9. Выводы 70
ГЛАВА 3 Исследование и разработка методов восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников с помощью многополюсных рефлектометров 71
3.1. Введение 71
3.2 Анализ исходных соотношений, постановка задачи 71
3.3 Разработка метода восстановления S-параметров при амплитудном детектировании 73
3.3.1. Учет рассогласования тракта 73
33.2 Восстановление отношения падающих волн 73
3.3.3 Режимы возбуждения для измерения четырехполюсников 74
3.3.4 Процедура вычисления волновых параметров рассеяния 75
3.3.5 Докалибровка анализатора цепей для измерения волновых
параметров рассеяния при амплитудном детектировании 80
Измерение коэффициента отражения от рефлектометра 80
Измерение отношения первичных падающих волн 81
3 Л Разработка метода восстановления S - параметров при гомодинном детектировании 82
3.4.1 Разработка измерительной процедуры при гомодинном детектировании 82
3.4.2 Докалибровка анализатора цепей для измерения коэффициента передачи при гомодинном детектировании 85
3.5 Выводы , 86
ГЛАВА 4 Реализация и исследование характеристик анализатора СВЧ цепей 89
4.1. Введение 89
4.2 Особенности реализации и экспериментальные исследования измерителя комплексного коэффициента отражения на основе многополюсного рефлектометра 89
4.2.1 Основные принципы построения измерителя комплексного коэффициента отражения 89
4.2.2 Реализация и экспериментальное исследование измерителя комплексного коэффициента отражения 93
4.3 Особенности реализации и экспериментальные исследования анализатора СВЧ цепей на основе многополюсных рефлектометров 98
4.3.1 Основные принципы построения анализатора СВЧ цепей с многополюсными рефлектометрами в режиме амплитудного детектирования 98
4.3.2 Экспериментальные исследования анализатора СВЧ цепей с амплитудным детектированием 101
4.4 Особенности аппаратной реализации гомодинного режима измерений 105
4.5 Перспектива промышленной реализации анализатора цепей с многополюсными рефлектометрами 107
4.6 Выводы 110
Заключение 111
Литература
- Специфика измерений на СВЧ и анализ существующих автоматических измерителей комплексного коэффициента отражения и комплексного коэффициента передачи
- Зондовая секция на основе датчика электромагнитного поля
- Разработка метода восстановления S-параметров при амплитудном детектировании
- Особенности реализации и экспериментальные исследования измерителя комплексного коэффициента отражения на основе многополюсного рефлектометра
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие САПР СВЧ, автоматизация производства СВЧ элементов, повышение качественных показателей разрабатываемых устройств, сокращение сроков разработки электронных изделий требуют создания новых точных и высокопроизводительных средств измерений. В настоящее время точность существующих анализаторов СВЧ цепей во многом достигается за счет использования дорогих высококачественных СВЧ узлов, которые в последнее время практически достигли своего совершенства, что, по всей видимости, вызвало определенный застой в области развития СВЧ измерений, наметившийся в последние несколько лет.
На протяжении длительного времени проблеме упрощения СВЧ тракта автоматических измерителей уделяется весьма пристальное внимание. Были разработаны методы калибровки тракта, направленные на повышение точности измерений при смягчении требований к качеству узлов. При этом широкое развитие получают такие методы, которые позволяют автоматизировать процесс калибровки и измерений.
В 1972 - 1973 гг. вышли в свет публикации Р. Калдекотта, Г. Энгена и К. Хоера, которые выдвинули принципиально новую идею многополюсного рефлектометра, один вход которого возбуждаегся от источника СВЧ сигнала, к другому подключается измеряемое устройство, к ост&іьньїм - детекторы СВЧ мощности. Рефлектометр может быть выполнен как на направленных ответвителях, так и на основе ненаправленных (зондовых) ответвителях (датчиков). Данный метод вызвал большой интерес и подвергся самым серьезным исследованиям как за рубежом (Д. Вудс, С. Ли, Дж. Хантер, П. Шомло, У. Штумпер, П, Проберт, Дж. Карролл, Г. Риблст, Е. Хансон, Р. Бозисио, Н. Эль-Дееб), так и в СССР и странах СНГ (СЮ. Латников, СМ, Никулин, А.Н. Салов, Ю.В. Рясный, СА. Колотыгин, В,3. Маневич, И.И, Чуприн, В.А. Яцкевич, Э.М. Шейнин, И.К. Бондаренко, Ю.Б. Гампилевич, Ю.И. Царик). Несмотря па значительные достигнутые успехи, никто из
исследователей не смог до конца преодолеть всех трудностей, связанных как с калибровкой датчиков рефлектометра, так и с созданием конкурентоспособного (по сравнению с приборами с преобразованием частоты) серийного анализатора СВЧ цепей - это либо высокая стоимость систем на основе широкополосных направленных ответвителей, либо узкая полоса потенциально недорогих зондовых структур.
Применение высокопроизводительной вычислительной техники позволяет коренным образом изменить характер проведения эксперимента, перенеся обработку большого количества измерительной информации на ЭВМ. Для эффективной реализации возможностей компьютера, данные должны претерпевать как можно меньше этапов предварительной обработки, В противном случае, компьютер имеет возможность лишь управлять процессом измерений, выполняя рутинные операции, а погрешность, внесенная в первичную измерительную информацию цепями аналоговой обработки, остается практически нескомпенсированной и по-прежнему определяется качеством СВЧ узлов. Таким образом, возникает задача разработки методов измерений, принципиально ориентированных на применение мощной современной вычислительной техники. Для удешевления прибора целесообразно ориентироваться на персональные компьютеры, стоимость которых в условиях массового производства существенно ниже, чем стоимость специализированной вычислительной системы такого же уровня вычислительной мощности.
В настоящее время в России сложилась такая ситуация, что находящиеся в эксплуатации скалярные и векторные анализаторы СВЧ цепей морально и физически устарели, новые образцы серийно не выпускаются и весьма недешевы, а приборы зарубежного производства имеют стоимость, делающую их практически недосягаемыми для отечественных потребителей. На этом фоне наиболее актуальной представляется задача создания принципиально нового прибора, не имеющего в своем составе дорогостоящих СВЧ компонент, обладающего достаточно широким спектром функциональных возможностей, пригодного для решения большого круга
инженерных задач. И, что очень важно, прибор должен быть максимально автоматизирован.
Цель работы состоит в разработке методов и средств измерений волновых параметров рассеяния четырехполюсников в стандартном канале, ориентированных на автоматизацию процесса измерения, оптимальную обработку' измерительной информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследование и разработка малогабаритного широкополосного рефлектометра на основе ненаправленных (зондовых) датчиков;
разработка методов и алгоритмов калибровки рефлектометра для проведения измерений в режиме качания частоты;
разработка метода и эффективных алгоритмов измерения параметров взаимных и невзаимньтх четырехполюсников;
оценка требований к узлам и исследование достижимых погрешностей измерения*
Методы исследовании. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории СВЧ цепей, теории функций комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, матричных методах, методах компьютерного моделирования (включая метод эквивалентных схем, имитационное моделирование). Для построения моделей и проверки их адекватности по большому числу параметров использовался эмпирический метод на основе натурного макетирования. Научная новизна
1. Предложена, исследована и разработана концепция синтеза малогабаритного широкополосного многополюсного рефлектометра. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение позволяют проводить параметрический синтез рефлектометра на основе широкополосных зондов электрического и магнитного взаимодействия;
Предложен и исследован метод калибровки многополюсного рефлектометра для проведения измерений при качании частоты;
Предложен, исследован и разрабоган высокоэффективный метод измерения волновых параметров рассеяния взаимных и невзаимных четырехполтос никои;
Предложен принципиально новый способ расширения динамического диапазона измерений коэффициента передачи методами многополюсной рефлектометрии, основанный на сочетании режимов амплитудного и гомодинного детектирования;
Сформулированы основные требования к узлам прибора, приведены оценки достижимых пределов и погрешностей измерений
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки узлов и программного обеспечения для автоматизированного анализатора СВЧ цепей в стандартном коаксиальном канале.
Практическое использование. Работа выполнялась в соответствии с планом работы лаборатории СВЧ измерений кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве" при ФГУП "Специальное конструкторское бюро радиоизмерительной аппаратуры". Результаты работы внедрены в ФГУП "Специальное конструїсторское бюро радиоизмерительной аппаратуры" при разработке серийного автоматизированного анализатора СВЧ цепей с многополюсными рефлектометрами. Акт внедрения содержится в Приложении 1.
Обоснованность и достоверность результатов работы. Все положения, выносимые на защиту, прошли экспериментальную проверку-Адекватность предлагаемых в работе моделей подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований. Основные результаты работы реализованы в экспериментальном макете анализатора СВЧ цепей.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
"Методы и средства измерений физических величин", V Всероссийская научно-техническая конференция. Н. Новгород, HI'ГУ, 2000;
- Научно-техническая конференция факультета информационных
^ систем и технологий, Н. Новгород, НГТУ, 2001;
"Физика и технические приложения волновых процессов'1, Международная научно-техническая конференция, Самара, СГУ, 2001;
Научно-техническая конференция факультета информационных систем и технологий, Н. Новгород, НГТУ, 2002;
,тНовыс технологии в радиоэлектронике и системах управления", Международная паучно-техн. конф., Н. Новгород, 2002;
"Голубая Ока'1, 7-я Нижегородская сессия молодых ученых. Н. Новгород, 2002 г;
"Актуальные проблемы электронного приборостроения", VI Международная научно-техн. конф, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, 2002;
"Будущее технической науки Нижегородского региона", региональный молодежный научно-технический форум, Н Новгород, 2002;
- "Голубая Ока", 8-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н.
Новгород, 2003.
Публикации. Но теме диссертации опубликовано 14 работ, получены 2 свидетельства на полезные модели.
*
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка из 124 наименований и приложения. Общий объем работы - 125 страниц.
На защиту вы постится:
1. Малогабаритный широкополосный многополюсный рефлектометр
Метод калибровки многополюсного рефлектометра в полосе частот
Способ реализации широкополосных зондов
Метод измерения волновых параметров рассеяния
четырехполюсников с помощью многополюсных рефлектометров
Способ измерения отношения падающих волн и собственного коэффициента отражения от рефлектометра
Способ расширения динамического диапазона измерений коэффициента передачи за счет применения гомодинного детектирования
Специфика измерений на СВЧ и анализ существующих автоматических измерителей комплексного коэффициента отражения и комплексного коэффициента передачи
На частотах до 300 МГц получили распространение измерители полных проводимостей на основе двойного Т-моста. Метод был предложен Вудсом более 50 лет назад [58, 73]. Двойной Т-мост содержит две параллельные Т-образные цепи, выполненные в виде жесткой коаксиальной конструкции и которые содержат катушку индуктивности, перестраимаемый коаксиальный конденсатор, высокостабильный резистор, измерительное плечо. Одно плечо моста подключается к СВЧ генератору с низким уровнем фазовых шумов, другое - к нуль-детектору, высокая чувствител ьность которого достигается применением гетеродинного преобразования частоты. Верхняя граничная частота такой системы относительно невысока и ограничена влиянием паразитных параметров элементов конструктива.
Измерительные линии
Первыми измерителями параметров нагрузок на частотах свыше 300 МГц были измерительные линии (ИЛ) [13, 26, 56]. ИЛ представляет собой регулярный разрезной коаксиальный или волноводный тракт, вдоль которого перемещается электрический зонд, подключенный через частотно-перестраиваемый резонатор к линейному или квадратичному детектору. ИЛ позволяют проводить широкую номенклатуру измерений с высокой точностью, однако из-за трудности автоматизации измерений и большого времени измерений такие приборы используются только в метрологических службах. Заметный вклад в развитие этого направления техники СВЧ измерений внесли сотрудники СНИИМ Каменсцкий М.И., Берхоер А.Л., Шейнин Э.М., Хворостов Б.А. и др. под руководством профессора, д.т.н, Петрова В.П.
Многозондовые измерительные линии
В современном понимании многозондовые ИЛ и многозондовые (многополюсные) рефлектометры - это практически одно и то же. В отличие от традиционных ИЛ, многозондовая ИЛ не содержит частотно-перестраиваемых элементов связи, что делает ее потенциально более простой в изготовлении, менее дорогой и поволяющей автомагизировать процедуру измерений. Единственная разница между многозондовой ИЛ и многозондовым рефлектометром заключается в математическом описании системы [3, 24, 25, 30, 82, ПО]. Измерительная линия, по определению, имеет практически идеальный регулярный тракт и ненаправленные датчики, в то время как многополюсный рефлектометр -это абстрактное пассивное устройство, к одному входу которого подключается СВЧ генератор, второму - исследуемая нагрузка, остальным - детекторы СВЧ мощности [1, 2, 5, 6, % 12, 23, 45, 95, 109]. Внутри рефлектометра тракт не обязан быть реіулярньш, а датчики могут быть как ненагтраленными, так и иметь направленность на падающую или отраженную от нагрузки волну.
Исходя из вышесказанного, многозондовая ИЛ, имея более простое математическое описание при изначальном допущении об идеальности ее элементов, требует жесточайших технологических ограничений, что идет вразрез с концепцией снижения стоимости прибора.
Основной недостаток известных ФОНДОВЫХ рефлектометров - их узкополосность. Это обусловлено, в первую очередь, их структурой которая не позволяет иметь хорошую устойчивость результатов измерений к шумовым воздействиям в широкой полосе частот. Кроме того, в таких рефлектометрах использовались датчики мощности с 50-омным входом, что ІІЄ позволяло иметь зонд с приемлемыми динамическим диапазоном и входным импедансом в широкой полосе частот. Известны теоретические разработки зондовых структур, потенциально обеспечивающие достаточно широкую полосу частот. Однако ряд нерешенных проблем, в частности, проблема синтеза широкополосного зонда, не позволила обеспечить желаемую широкополосность. Значительный вклад в разработку этого направления техники СВЧ измерений внесли У. Штумпер, С А. Колотыгин, А.А. Львов и сто коллеги [10, 24, 25, 30, 59,60, 61, 62, 119].
Рефлектометры на направленных ответвитслях
Самый простой (теоретически) способ измерить отношение комплексных амплитуд отраженной и падающей волн - выделить их направленными ответвитслями (НО), и затем измерить их скалярное или векторное отношение путем переноса на более низкую частоту. Такой подход получил широкое распространение прежде всего из-за высокой скорости измерений, высокой чувствительности, достигнутой многоступенчатым тетеродинированием, и отсутствия принципиальных проблем с математическим описанием и калибровкой, как, например, в методе двенадцатиполюсника.
Ограничение по динамическому диапазону вызвано конечной направленностью ответвителей и рассогласованием тракта. Эти же факторы определяют предельно достижимую точность измерений, Разработаны методики, позволяющие расширить динамический диапазон таких приборов. Метод настройки НО на высокую направленность [581
Зондовая секция на основе датчика электромагнитного поля
Во второй главе исследуются возможности реализации широкополосного зондового рефлектометра. Предлагаются и анализируются зондовые структуры, обладающие устойчивостью к шумовым воздействиям в достаточно широкой полосе частот. Исследуются вопросы оптимального синтеза систем зонд-детектор мощности с зондами различного типа взаимодействия. Предлагается процедура синтеза широкополосного зондового рефлектометра, исследуются возможности его конструктивной реализации. Разрабатывается процедура калибровки рефлекгометра дли проведения измерений в полосе частот. В процессе исследований особое внимание уделяется разработке методов и алгоритмов, позволяющих свести проблему оптимального синтеза рефлектометра до уровня инженерных задач.
Для разделения спектра решаемых задач рефлектометр разбит на функциональные блоки (рис. (2.1)): развязывающее устройство (например, ферритовый вентиль), зондовую секцию и направленный датчик. Зондовая секция представляет собой СВЧ линию передачи, расположенные с некоторым интервалом зонды различного вида взаимодействия и детекторы СВЧ мощности. Напряжения на выходах зондов определяются соотношением волн прямого и обратного направлений в линии и амплитудой падающей волны и R общем виде описываются системой уравнений: 2Л) і/д,=а,-І іЧг-Ч(і2, где а.[ - действительные, qi - комплексные константы, определяемые структурой рефлектометра, Г - комплексный коэффициент отражения от нагрузки в плоскости калибровки, а - комплексная амплитуда падающей волны / - номер детектора. В случае ненаправленных датчиков q l. Далее под фазочастотной характеристикой (ФЧХ) зонда подразумевается фаза комплексной константы q.
Чтобы сохранялось постоянство констант рефлектометра при подключении различных нагрузок, выход генератора должен быть развязан. Развязка обеспечивается вентильным устройством. Чтобы восстанавливать комплексный коэффициент отражения достаточно точно при наличии шума в напряжениях детекторов, система уравнений (2.1) должна быть хорошо обусловлена в рабочей полосе частот. Графически это интерпретируется как наибольшее удаление констант q друг от друга на комплексной плоскости [52].
Для обеспечения эффективной компьютерной обработки система уравнений (2.1) представляется в виде: (2.2) Ujit=\a\2 {аг\1\2 firReT + угІтГ + е где fti=-2 Req, --2-Imq, =q . Система уравнений (2.2) решается методами линейных матричных операций. Решение ее будет однозначно, если рефлектометр содержит четыре зонда. При количестве зондов более четырех система (2,2) может быть решена методом наименьших квадратов для избыточных систем.
Ограничение рабочей полосы частот зондовых структур вызвано несколькими факторами. Во-первых, это обусловленность системы уравнений (2.1), которая определяет способность рефлектометра восстанавливать комплексный коэффициент отражения и амплитуду падающей волны при наличии шума на ныходах усилителей продетектировапных СВЧ сигналов. Влияние шумов сведено к минимуму, когда расположение зондов оптимально, что труднодостижимо в широкой полосе частот. Во-вторых, зонды имеют неравномерную амплитудно-частотную характеристику. Слишком большая неравномерность АЧХ зондов приводит к непомерно жестким требованиям к шумам и динамическому диапазону усилителей и цепей обработки усиленных сигналов. В-іреіьих, зонды имеют, в общем случае, сложную зависимость входного импеданса от частоты. Зонд с конечным импедансом шунтирует СВЧ линию передачи, что приводит к направленном} характеру взаимодействия зондов с линией, большому коэффициенту отражения от рефлектометра, труднопредсказуемому поведению констант q, в полосе частот, большой частотной неравномерности мощности зондирующего СВЧ сигнала.
Таким образом, комплексная задача синтеза широкополосного рефлектометра может быть разделена на отдельные задачи: - исследование и разработка широкополосных зондов; - разработка зондовой секции; - разработка рефлектометра.
Отметим, что такое разделение в некоторой мере условно, однако оно позволяет выявить характерные проблемы и наиболее полно учесть влияние различных факторов.
Известны зонды электрического и магнитного взаимодействия. Фазочастотная характеристика таких зондов равна удвоенной электрической длине линии от зонда до нагрузки, и изменяется пропорционально частоте. Предлагаегся способ уменьшения скорости изменения ФЧХ зонда за счет использования зонда «электромагнитного» взаимодействия. В основу зонда положена идея датчика электромагнитного поля в свободном пространстве, предложенная Хиловым В,П. [54]. Зонд выполнен л виде пегли, связанной с СВЧ линией передачи и нагруженной на детекторы с небольшим входным импедансом [33, 34, 35].
Разработка метода восстановления S-параметров при амплитудном детектировании
Наличие вентильных устройств на входах рефлектометров позволяет выделить "первичные" падающие волны, которые не зависят (с точностью, і определяемой развязкой вентильных устройств) от параметров измеряемого устройства. Значения комплексных амплитуд падающих волн на входах измеряемого устройства получаются вследствие многократных переотражений первичных падающих волн от рефлектометров и входов измеряемого устройства, и находятся как сумма геометрической прогрессии из формул: где а/ и а2 - падающие волны на входах измеряемого устройства, aw и а?о -первичные падающие волны. Таким образом, если известно отношение первичных падающих волн, то имеется возможность восстановить отношение падающих волн на входах измеряемого устройства,
Для измерения S и и S22 четырехполюсника нет необходимости фиксировать взаимодействие падающих волн, и, следовательно, возбуждать оба входа устройства. Они могут быть измерены при одностороннем возбуждении, с учетом переотражений от рефлектометров. Причем, реализация этой идеи позволяет потенциально измерять Si і и S22 с максимально высокой точностью, характерной для измерения коэффициента отражения, практически не зависящей от ослабления. Для измерения коэффициентов прямой и обратной передачи необходимо возбудить оба входа четырехполюсника. Схема измерений для трех приведенных режимов показана на рис. 3.1. Процедура измерений описывается системой из четырех уравнений: где ри pi У - измеренные коэффициенты отражения первым и вторым рефлектометром соответственно, Sjj - волновые параметры рассеяния измеряемого устройства, Грь Гр2 - коэффициенты отражения от рефлектометров. Теперь основная проблема состоит в том, как решить эту систему.
Как видно, система (3.2) нелинейная. Решить ее желательно таким способом, чтобы передать точность измерения коэффициентов отражения pi, в точность восстановленных параметров Su и S - Система решается в два этапа. На первом этапе итерационно решается система уравнений: (\)Ру -ЛП+- , i-s22-rPl i-surpl (Ъ)ру -р2 =Sn-p2 +S22-px -Sn S21+S2l-Sl2, откуда находятся Sn, S22, Si S . Алгоритм решения представлен на рис, 3.2. На втором этапе ранее найденные Su и S22 используются для вычисления S!2 и S2b исходя из уравнений (3.23, 3.24). При измерении априорно взаимных устройств можно исключить погрешность, вызванную неточным определением отношения падающих волн:
Применение итерационного алгоритма связано с проблемой сходимости при различных значениях измеряемых параметров и устойчивости получаемого решения к случайным отклонениям в измеренных коэффициентах отражения.
Определим норму сходимости: d\{i)=\su(Q-sn(i-iX, (34) d2{i)=\S22(i)-S22(i-l)[ i=\...N, где І - номер итерации, N - количество итераций; Sn(0), S22(0) - начальные приближения. Исследование сходимости решения сводится к рассмотрению зависимостей dl(i)t d2(i) при различных значениях измеряемых S-парамєтров. В качестве исходных значений определим;
Как видно из приведенных графиков, процедура сходится при различных значениях измеряемых параметров, что позволяет использовать предложенный алгоритм для измерения практически любых видоц устройств.
Особое внимание следует обратить на измерение параметров усилителей. При большом усилении точность начального приближения может оказаться недостаточной для обеспечения сходимости итераций. Это вызвано влиянием переотражений, возникающих вследствие не очень качественного при измерении параметров вентиля с развязкой 40 дБ согласования рефлектометров. То есть, максимальное значение измеряемого усиления ограничено точностью согласования рефлектометров. На рис. 3.6 приведена зависимость максимального измеряемого усиления от модуля коэффициента отражения от рефлектометра при S2=-20 дБ. Приведенная зависимость позволяет сформулировать требования к качеству согласования рефл ектометров.
Особенности реализации и экспериментальные исследования измерителя комплексного коэффициента отражения на основе многополюсного рефлектометра
Так, если необходимо различать реальную и мнимую части комплексного коэффициента отражения на уровне 0.01, то это требует, с небольшим запасом» не менее 12000 ступеней квантования АЦП-Определим основные требования к усилителям продетектированных сигналов рефлектометра. Основная особенность усилителей состоит в необходимости сжатия динамического диапазона выходного сигнала. Это обусловлено тем, что АЦП обеспечивает оцифровку напряжений с минимально требуемой разрешающей способностью лишь в оіраниченном динамическом диапазоне. Назовем его коэффициент неравномерности выходного напряжения усилителя - Коьа. Так, если применяется 14-разрядный АЦП (количество уровней квантования 16000), а минимально допустимое количество уровней 12000, то требуемая разрешающая способность буде г обеспечена при изменении выходного напряжения усилителей в Кєьіх ІЗ раза,
В случае, когда отсутствует частотная зависимость коэффициентов преобразования зондов, отсутствует неравномерность мощности зондирующего сигнала, не требуется измерять параметры усилителей (измерение усилителя приведет к дополнительной неравномерности), то и не возникает проблем с обеспечением высокой разрешающей способности в широком динамическом диапазоне. При наличии перечисленных факторов, если не применять специальных мер, то в некоторых частотных точках уровни сигналов на входе АЦП окажутся недостаточными, что приведет к снижению разрешающей способности детекторов и, следовательно, потере чувствительности рефлектометра, что вызовет увеличение погрешности измерений.
Проблема может быть решена несколькими способами. Во-первых, можно увеличить количество разрядов АЦП. Однако, при этом резко снижается быстродействие, увеличивается стоимость комплектации, ужесточаются требования к питающему напряжению и усложняется разводка печатных плат. Во-вторых, можно сжать динамический диапазон выходного напряжения усилителей. Этого можно достичь за счет применения логарифмического усилителя, усилителя с управляемым коэффициентом усиления, переключаемого ступенчатого аттенюатора. Наиболее предпочтительным оказывается третий вариант, поскольку при этом обеспечивается наибольшая точность преобразования с учетом влияния изменения температуры и неизбежного дрейфа параметров элементов с течением времени. Каждая ступень усиления/ослабления может быть откалибрована методами многополюсной рефлектометрии. Это резко снижает требования к повторяемости резистивпых цепей ослабления в разных каналах рефлектометра.
Таким образом, задача сжатия динамического диапазона выходного напряжения усилителя сводится к расчету количества и уровней ступеней ослабления. Допустим, если коэффициент суммарной неравномерности выходного напряжения зонда Кс=16, коэффициент неравномерности выходного напряжения усилителя Квых=1,2, то уровни ослабления соответственно будут: 1.2, 1.4, 2, 4 раза.
Уровень шума на выходе усилителя должен быть не более половины разряда АЦП. Уровень шума входного каскада определяется исходя из наибольшего коэффициента усиления.
Для апробации и отработки идей многополюсной рефлектомстрии был собран макет измерителя комплексного коэффициента отражения в стандартном коаксиальном канале сечением 7/3. В макете используется 12-разрядный АЦП, работающий на уровне 1000 ступеней квантования. Усилители обеспечивают уровень шума порядка половины разряда. При таких параметрах, в соответствии с ранее приводимыми оценками, следует ожидать случайной погрешности измерений реальной и мнимой частей коэффициента отражения порядка 0.03. Шумы квантования могут быть снижены, если реализовать многократное измерение и усреднение напряжений с выходов детекторов.
Для экспериментальной оценки систематической и случайной погрешностей измерения используются нагрузки с известным коэффициентом отражения: подвижный коаксиальный короткозамыкатель, подвижный рассогласованный коаксиальный клин. При многократном измерении фиксированной нагрузки па комплексной плоскости получается облако рассеяния коэффициента отражения, анализ которого позволяет оценить случайную погрешность измерений, При перемещении подвижной нагрузки на комплексной плоскости получается окружность, центр которой должен находиться в начале координат, а радиус определяется параметрами нагрузки. Рассмотрение окружностей, построенных по результатам измерения различных нагрузок, позволяет оценить погрешность измерения в различных точках комплексной плоскости.
