Введение к работе
Актуальность темы В процессе развития техники СВЧ и повышения требований к электрическим характеристикам СВЧ устройств, актуальной является проблема повышения точности измерений их электрических параметров. Поэтому при разработке, создании и промышленном выпуске радиоэлектронных средств, содержащих СВЧ – устройства, необходимо иметь приборы, позволяющие достаточно точно измерять их основные электрические параметры, такие как модуль и фазу коэффициента передачи, S – параметры в диапазоне частот (в панораме), то есть их амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Измерители параметров коэффициентов передачи и отражения СВЧ – устройств с семидесятых годов двадцатого века разделились на две группы приборов: одна – измерители скалярных параметров СВЧ – устройств, другая – векторные анализаторы цепей. Парк таких измерителей весьма широк. Их выпускают фирмы Anritsu, Agilent Technologies, Rohde & Schwarz и ряд других более мелких фирм. Панорамные измерители скалярных параметров СВЧ – устройств их коэффициентов передачи и отражения наиболее распространённый тип СВЧ – радиоизмерительных приборов, имеют ограниченный динамический диапазон измерений и умеренную точность. Однако благодаря этому они обладают малыми весогабаритными характеристиками, просты и удобны в эксплуатации.
Векторные панорамные измерители комплексных коэффициентов передачи и измерители S - параметров четырёхполюсников СВЧ имеют максимально широкий динамический диапазон измеряемых величин и весьма высокую точность измерений, но сложны в эксплуатации, обладают большими весогабаритными характеристиками и относительно дороги.
Развитие электронных средств вооружения, навигации и космической техники, работающих только в диапазоне СВЧ, приводит к необходимости постоянного расширения пределов измерений их электрических параметров и повышения точности. Внедрение в средства измерений микропроцессоров и контроллеров для производства и обработки измерений делает процесс улучшения их параметров непрерывным и актуальным.
В последнее время остро обозначилась проблема создания метрологических эталонных мер холостого хода (ХХ), короткого замыкания (КЗ) и согласованной нагрузки (СН) с целью замены ими созданных ещё в шестидесятых годах прошлого века аналогичных эталонных мер, которые по точности их аттестации и конструктивным параметрам не отвечают требованиям к эталонным мерам для проверки устройств СВЧ принятым на вооружение.
Аналогичные меры используют при аттестации собственных погрешностей измерителей S – параметров. Неточности определения коэффициентов отражения этих мер полностью определяют погрешности, которыми обладают эти измерения. Отсюда актуальной является задача поиска путей снижения погрешностей измерений панорамными измерителями S – параметров или, как их ещё называют, анализаторами цепей за счёт повышения точности определения их собственных S – параметров и поиска оптимальных схем их построения. Решению вышеперечисленных задач и посвящена данная диссертационная работа.
Объектом исследований являются устройства для измерения параметров - измерители коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.
Предметом исследований являются способы повышения точности и расширения динамического диапазона устройств, для измерения параметров - коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ
Цель исследований состоит в поиске методов повышения точности определения коэффициентов передачи и отражения измерителями параметров испытуемых четырёхполюсников СВЧ при одновременном расширении динамического диапазона измеряемых ими комплексных коэффициентов передачи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать и исследовать аналитическую модель панорамного измерителя параметров: скалярных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ с целью определения причин, ограничивающих динамический диапазон измеряемых ими амплитуд сигналов и влияющих на точность их измерений.
2. Провести анализ измерительного фазового моста СВЧ измерителя параметров комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ, для определения путей и методов расширения их пределов и снижения погрешностей измерений.
3. Исследовать измерители S-параметров четырёхполюсников СВЧ использующих рефлектометры с целью выявления причин, определяющих пределы и погрешности их измерений.
4. Исследовать влияние амплитудно-фазовой погрешности на точность измерения модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.
5. Провести анализ влияния погрешностей аттестации собственных S – параметров измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ на его точность.
6. Выполнить поиск и исследование методов повышения точности измерителя S – параметров испытуемых четырёхполюсников СВЧ за счёт снижения погрешностей аттестации его входных портов.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Основными причинами, влияющими на динамический диапазон амплитуд панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ, являются шумы и нелинейность вольтамперной характеристики его детекторных диодов, а погрешность таких измерений определяют развязки по испытательному сигналу между выходами его измерительных СВЧ мостов.
2.Найден новый способ расширения динамического диапазона амплитуд панорамного измерителя, скалярных коэффициентов передачи и отражения, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными уравнениями методом выбранных точек и разработан новый измеритель, реализующий этот способ.
3.В результате анализа измерительного фазового моста СВЧ, выявлены причины ограничивающие , пределы и погрешности измерений устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи четырёхполюсников СВЧ.
4. Проведен анализ направленного графа рефлектометров, используемых в измерителе S-параметров четырёхполюсников СВЧ, в результате чего определены пределы и погрешности их измерений.
5.Найден новый способ устранения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений четырёхполюсников СВЧ, создан новый измеритель, реализующий этот способ.
6. Разработана новая методика определения численных величин собственных S-параметров измерителя модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоединительных разъёмов его входных портов.
Научная новизна:
1. Разработан метод математического анализа структурных схем построения панорамных измерителей скалярных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ.
2. Предложен новый способ расширяющий динамический диапазон измеряемых амплитуд и повышающий точность их измерений скалярным измерителем коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ, основанный на аппроксимации его детекторной характеристики степенными функциями.
3. Разработан направленный граф измерительного фазового моста СВЧ, позволяющий рассчитывать пределы и погрешности измерений приборами для измерения комплексных параметров четырёхполюсников СВЧ.
4. Проведён анализ направленного графа рефлектометра, применяемого в измерителе S-параметров, в результате чего получено выражение для расчёта пределов и погрешностей измеряемых с его помощью комплексных коэффициентов передачи испытуемых четырёхполюсников СВЧ.
5. Предложен новый способ исключения влияния амплитудно-фазовой погрешности на результаты измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырёхполюсников СВЧ.
6. Выполнен анализ влияния погрешностей аттестации собственных S-параметров измерителя комплексных характеристик четырёхполюсников СВЧ, на основе которого, разработан новый способ расчёта численных величин собственных S-параметров, повышающий точность измерений в условиях априорной вероятности нестабильности контактов присоединительных разъёмов входных портов измерителя S-параметров.
Методы исследований, применяемые в процессе выполнения работы, включают в себя анализ цепей СВЧ методом линейных электрических цепей применительно к диапазону СВЧ, метод направленных графов цепей СВЧ, метод анализа цепей СВЧ матрицами передачи и рассеяния, способы аппроксимации вольтамперных характеристик нелинейных элементов кусочно-ломаной прямой, степенными функциями методом выбранных точек, метод наименьших квадратов. Для достижения поставленных задач использовано компьютерное моделирование, программа MathCAD 14.0, методы численного анализа.
Апробация диссертационной работы. Результаты исследований докладывались на:
1. Седьмой всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», Поведники Московской обл., 21 - 23 октября 2008 г.
2. XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2009 г.
3. Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог - Дивноморское, 2009 г.
4. XVI Международной научной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2010 г.
5. XVII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2011 г.
6. XVI Международной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог - Дивноморское, 2011 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в трёх статьях журналов, включённых в список ВАК, одна из них без соавторов лично диссертантом, по результатам выполненных исследований получены три патента РФ на способ и два патента на устройство.
Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил все этапы диссертационного исследования: провёл анализ проблемы, постановку задач, проведение научных исследований и экспериментов. Автором предложены структурные схемы построения устройств по двум патентам, натурные испытания которых проведены лично им.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка используемой литературы из 82 наименования и двух приложений.
Общий объём диссертации - 192 страниц, включая 48 рисунков и 162 формулы.
