Введение к работе
Актуальность темы
Современные методы и средства измерений в области СВЧ обладают значительной точностью и обширными функциональными возможностями За счет применения в анализаторах цепей, особенно за рубежом, новых технологий, существенно расширена область измерений Интеграция аппаратных реализаций и методов цифровой обработки позволила увеличить гибкость процесса измерения и улучшить результаты измерений с помощью фильтрации
Миниатюрные элементы используются практически в любом изделии В области СВЧ малые размеры обладают значительным преимуществом малыми паразитными параметрами и способностью работать на очень высоких частотах Широкополосные миниатюрные изделия выпускаются серийно как в России, так и за рубежом, и предназначены для использования в основном в микрополосковых трактах
Современные анализаторы СВЧ цепей, наоборот рассчитаны на измерение параметров в стандартных коаксиальных или волноводных каналах Такие анализаторы могут быть использованы для измерения параметров резистивных структур в нестандартном канале, но при условии, что чип-элемент установлен в контактное устройство, позволяющее подключить объект измерения к анализатору Использование контактного устройства приводит к возникновению ошибки, заключающейся в том, что анализатор измеряет параметры всего контактного устройства, а не самого миниатюрного элемента Следовательно, кроме средства измерения — анализатора цепей, необходим набор соответствующих методов обработки, позволяющих отделить окружающие цепи в измеренных анализатором параметрах и получить, таким образом, необходимые параметры миниатюрного элемента
Существующие анализаторы цепей способны измерять параметры объекта с очень высокой точностью Это справедливо как для высокоточных анализаторов на направленных ответвителях, выпускаемых западными производителями Anntsu-Wiltron, Hewlett-Packard (США), R&S и другими,
\
так и для приборов, построенных на двенадцатиполюсных рефлектометрах Однако до сих пор не было выработано единой методологии повышения точности измерений в микроволновом диапазоне, и не была сформулирована задача оптимизации измерительной системы на СВЧ, где в качестве критерия оптимальности выступала бы достигаемая точность измерений Как следствие этого, анализ точностных характеристик проектируемой измерительной системы становится возможным только после изготовления ее макета, что существенно тормозит скорость проектирования и увеличивает его стоимость
Разработка новых методов обработки измеренной информации ведутся в основном в области цифровой фильтрации В области СВЧ также широкое применение нашли матричные методы обработки Однако каждый метод работает только в рамках узкой специализированной задачи, поскольку для его применения принимается множество условий и допущений В частности, для измерений параметров объекта, закрепленного в регулярных линиях, в диапазоне частот, как правило, применяют метод временного окна, трудно поддающийся автоматизации и работающий с быстро меняющимся сигналом во временной области В то же самое время для восстановления параметров объекта по измерениям, полученным на одной частотной точке, применяют матричные методы обработки Единого алгоритма восстановления параметров не существует, следовательно, задача разработки и реализации методов и средств измерений интегральных резистивных элементов, позволяющих максимально автоматизировать процессы измерения и последующей обработки информации, не теряет своей актуальности
Цель работы состоит в разработке методов и средств компьютерной обработки измерений резистивных структур, полученных с помощью анализаторов цепей в стандартных каналах, их интеграции с современными средствами математического моделирования и пакетами анализа, реализации виртуального измерительного комплекса на базе одного из пакетов
математического моделирования и технологии управляемого программного обеспечения
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
исследовать существующие методы обработки данных и средства измерений в области СВЧ, выбрать тип анализатора, наиболее подходящий для измерения волновых параметров резистивных интегральных структур в контактном устройстве,
провести моделирование электрической структуры анализатора цепей с 12-полюсными рефлектометрами, реализовать алгоритм калибровки и измерения с помощью современных компьютерных технологий, оценить погрешность разработанных алгоритмов,
разработать метод компьютерной обработки для восстановления коэффициента передачи и отражения микрополоскового аттенюатора, сравнить его с традиционными методами, оценить погрешность,
разработать виртуальный прибор LabView для восстановления волновых параметров микрополосковьгх аттенюаторов, провести модельные и натурные испытания образцов микрополосковых аттенюаторов
Методы исследования. 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, методах компьютерного моделирования (включая имитационное моделирование и идентификацию параметров моделей) Выводы, полученные с помощью экспериментальных методов, основываются на статистических оценках
Научная новизна
1 Предложен, исследован и реализован метод компьютерной обработки данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния, работающий в частотной области Алгоритм способен восстанавливать элементы волновой матрицы рассеяния неизвестного
четырехполюсника по результатам измерений контактного устройства, включающего в себя помимо объекта измерения четырехполюсники погрешностей, состоящие из переходов различного типа и соединительных линий передачи для подключения объекта к анализатору цепей Концепция алгоритма заключается в применении алгоритма спектрального анализа к результатам измерений в частотной области и анализе «виртуального спектра» коэффициента отражения от контактного устройства, представляющего собой распределение всей совокупности отраженных волн по запаздыванию Для получения результата необходимо провести измерения коэффициента отражения от контактного устройства с установленным в него объектом измерения и эталонным объектом Метод разработан как альтернатива методу «временное окно», использует простой фильтр гладких функций и позволяет оценить результат еще до проведения основной фильтрации
Предложена и реализована технология построения виртуального измерительного комплекса на базе двенадцатиполюсных рефлектометров как средства измерения параметров контактного устройства с установленным резистивным элементом
Реализованы алгоритмы калибровки и измерения в рамках виртуального измерительного комплекса на базе концепции идентификации параметров моделей Пакет прикладного моделирования использовался не только как среда создания схемотехнических моделей, но и как среда выполнения для таких операций как калибровка рефлектометра и измерение коэффициента отражения подключенного объекта При этом разработанные алгоритмы могут работать как на модельном уровне, так и в связке с векторными и двенадцатиполюсными анализаторами цепей
Разработан виртуальный прибор LabView, предназначенный для восстановления коэффициента отражения и передачи микрополосковых аттенюаторов
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки программного обеспечения для автоматизированного анализатора СВЧ цепей в стандартном коаксиальном канале, а также позволяют измерить параметры чип-резисторов и аттенюаторов для гибридных интегральных СВЧ устройств с поверхностным монтажом элементов
Практическое использование
Работа выполнялась в соответствии с планом кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве" Полученные в диссертации результаты использованы при выполнении проекта РФФИ № 05-02 08075 «Исследование возможности создания интеллектуальных систем измерения и обработки сигналов», ОАО НПО «ЭРКОН» в ОКР «Поглотитель» и «Микрочип» при испытаниях характеристик чип-резисторов и аттенюаторов, а также в учебном процессе НГТУ в лабораторном практикуме по дисциплине «Интеллектуальный анализ СВЧ цепей и антенн»
Обоснованность и достоверность результатов работы Все положения, выносимые на защиту, прошли проверку на соответствие с теорией на модельном уровне Адекватность предлагаемых в работе моделей подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований Основные результаты работы реализованы в виртуальном макете анализатора СВЧ цепей на базе комплекса программ математического моделирования Программный комплекс использовался в связке с компьютерной моделью анализатора и анализатором цепей ZVK фирмы R&S
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на
VIII Нижегородской сессии молодых ученых, Н Новгород, 2003,
Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород - Арзамас, 2003,
VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004, Новосибирск, 2004,
ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, 2004,
НТК «Информационные системы Средства, технологии, безопасность», Нижний Новгород, 2005,
III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004,
Международной НТК информационные системы и технологии ИСТ-2006, Нижний Новгород, 2006,
Международной НТК «Информационные системы и технологии (ИСТ-
2007)», Нижний Новгород, 2007
Публикации По теме диссертации опубликовано 12 работ
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения,
