8.4.2 Номенклатура средств измерений для измерений параметров цепей свч

Средства измерений параметров цепей СВЧ объединены в группу Р− радиоизмерительных приборов и подразделяются на измерительные линии (Р1−), панорамные измерители КСВН и ослаблений (Р2−), измерители полных сопротивлений (Р3−) измерители комплексных коэффициентов передачи (Р4−), измерители неоднородностей параметров линий передач (Р5−). Кроме того, устройства с известными значениями коэффициента передачи на СВЧ (меры ослабления) входят в группу Д− радиоизмерительных приборов, которые подразделяются на аттенюаторы резистивные (Д2−), аттенюаторы поляризационные (Д3−), аттенюаторы предельные (Д4−), аттенюаторы поглощающие (Д5−).

Для измерений фазовых сдвигов, вносимых четырехполюсником на СВЧ, используют фазометры из группы ФК2−, а групповое время запаздывания (ГВЗ) − при помощи измерителей ГВЗ (Ф4−).

8.4.3 Способы измерений параметров цепей свч

Способ измерительной линии основан на исследовании распределения напряженности поля вдоль линии передачи, нагруженной на исследуемый двухполюсник, и в расчете измеряемого параметра (косвенные измерения). Способ непроизводительный и поэтому в промышленности его, как правило, не применяют.

Способ направленного ответвителя основан на выделении и измерении параметров падающей и отраженной волн при помощи направленного ответвителя с последующим их преобразованием в измеряемый параметр.

Мостовой способ измерения заключается в сравнении сопротивления двухполюсника с известными (короткозамкнутой и хорошо согласованной) нагрузками при помощи двойного Т−образного моста.

Поляризационный способ заключается в преобразовании составляющей магнитного поля в линии передачи в эллиптически поляризационную волну и измерения параметров двухполюсника через измерения параметров эллипса поляризации.

Способ импульсной рефлектомерии заключается в зондировании линии передачи импульсными сигналами с фронтами пикосекундной длительности и измерении параметров сигналов, отраженных от каждой неоднородности линии передачи.

Кроме этих, наиболее употребительных способов, известны способ модулированной поднесущей и способ двенадцатиполюсника.

Из рис. 8.21 следует, что для измерения Г_ВХ необходимо измерить отношение отраженной волны U₁ к падающей волне U₃. Их выделение осуществляют при помощи направленных ответвителей, а устройства, реализованные на этом способе, называют рефлектометрами (от reflection – отражение).

Схема измерений КСВН двухполюсника при помощи приборов Р2− показана на рис 8.22.

1 – панорамный измеритель КСВН и ослаблений (Р2−): 1а – индикаторный блок; 1б – генератор качающейся частоты; 2,3 – широкополосные направленные ответвители; 4,5 – нагрузки; 6,7 – кабели радиочастотные; 8 – исследуемое устройство (двухполюсник).

Рисунок 8.22 – Схема измерений коэффициента передачи способом направленного ответвителя

Генератор развертки прибора Р2− осуществляет линейное изменение частоты генератора качающейся частоты (1б) и перемещение луча по горизонтали электронно−лучевой трубки (ЭЛТ) индикаторного блока (1а).

Сигнал, изменяющийся по частоте, проходит к исследуемому двухполюснику 8 через основные каналы широкополосных направленных ответвителей 2,3. На выходах вторичных каналов ответвителей присутствуют сигналы, пропорциональные падающей и отраженной волнам, которые через детекторные секции поступают на измеритель отношения напряжений. Сигнал с выхода измерителя отношения поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ и, таким образом, на экране появляется изображение зависимости .

Уровень сигнала на одном из входов измерителя отношение при помощи схемы стабилизации уровня поддерживается неизменным с изменением частоты, что повышает точность работы измерителя отношения напряжений. Отсчётное устройство приборов Р2− градуируется в значениях КСВН.

Как видно из рис. 8.21 для измерения зависимости модуля коэффициента передачи четырехполюсника от частоты необходимо выделить две падающие волны − U3 и U2. Для этого необходимо изменить схему измерения так, как показано на рис.8.23

1 – панорамный измеритель КСВН и ослаблений (Р2−); 2,3 – широкополосные направленные ответвители; 4,5,9 – согласованные нагрузки; 6,7 – кабели радиочастотные; 8 – объект измерений (четырехполюсник).

Рисунок 8.23 – Схема измерений коэффициента передачи способом направленного ответвителя

Как видно из схемы, исследуемое устройство включается между направленными ответвителями, а к выходу основного канала второго направленного ответвителя подключается согласованная нагрузка. При такой схеме измерений сигнал на выходе измерителя отношения напряжений пропорционален . Отсчётное устройство индикаторного блока градуируется в единицах ослабления сигнала – децибелах (дБ).

Серийно выпускаемые приборы Р2− перекрывают диапазон частот от 20 МГц до 78 ГГц. Современные модели имеют встроенные микропроцессоры, обеспечивающие автоматическую калибровку, управление и обработку сигналов в приборе. Пределы измерений КСВН составляют 1.05 − 5 и пределы измерений ослабления − 0 30 дБ.

Наиболее полную информацию о свойствах СВЧ устройств позволяют получить панорамные измерители S−параметров (подгруппа Р4−), которые являются незаменимыми приборами при проектировании СВЧ устройств и в системах автоматизированного контроля их параметров, что особенно зримо проявляется при развитии и производстве элементов фазированных антенных решеток. Основные возможности измерителей S−параметров:

измерение усиления, ослабления, развязки, неравномерностей АЧХ, фазового угла коэффициента отражения, фазового сдвига коэффициента передачи, нелинейности ФЧХ, ГВЗ, полного сопротивления и проводимости.

В приборах типа Р4− также реализуется способ направленного ответвителя с переносом информации о модуле и фазе с СВЧ на промежуточную частоту (ПЧ). Детекторы после направленных ответвителей − фазовые. Для обеспечения точности измерительный и гетеродинный сигнал получают от одного СВЧ генератора. Диапазон частот, охватываемый приборами Р4−11,….Р4−38 − от 1 МГц до 12 ГГц. Кстu в пределах от 1.03 до 2 измеряется с погрешностью (2−5) К_СТU %. |S₂₁| измеряется в пределах (+30 – −80)дБ с погрешностью до (0.01|S| 0.3)дБ, фазовый угол – в пределах с погрешностью  ((4/ К_СТU) 3) .

Измерение неоднородностей (обрыв в линии, короткое замыкание в линии, плохое сочленение разъемных соединений и т.п.) в линиях передач заключается в определении расстояния до каждой неоднородности и ее значения путем зондирования линии передачи единичным перепадом напряжения (рис.8.24). При посылке в линию зондирующего импульса он, распространяясь по линии, частично отражается от неоднородностей и возвращается к источнику зондирующего сигнала, образуя на экране ЭЛТ рефлектораграмму линии. Примеры некоторых рефлекторограмм и соответствующих им неоднородностям представлены в табл. 8.4.

Рисунок 8.24 – Схема измерений неоднородностей линий передач

Таблица 8.4 – Некоторые рефлектограммы линий передач

Рефлектограмма	Эквивалентная схема неоднородности	Примечание
		Например, соединение линий с Ом и Ом
		Например, увеличение ширины полосковой линии
		Например, коаксиальное соединение

Если импульсному рефлектометру придать цифровой анализатор спектра, реализующий дискретное преобразование Фурье, информация из временной области может быть представлена в виде S − параметров для каждой неоднородности тракта.

Наилучшая область использования импульсных рефлектометров − проверка качества сборки трактов и качества их изготовления.

При наличии регулируемого аттенюатора с известным значением ослабления измерение ослабления исследуемого четырехполюсника можно выполнить сравнением ослаблений (рис. 8.25). Затухание образцового аттенюатора устанавливается максимальным при отсутствии исследуемого 4−хполюсника и запоминается показание индикатора .

1 – измерительный генератор (Г4−); 2 – образцовый регулируемый аттенюатор (Д3−); 3 – исследуемое устройство; 4 – индикатор (измеритель мощности М3− или измерительный приёмник П5−).

Рисунок 8.25 – Схема измерений коэффициента передачи методом последовательного замещения

После включения исследуемого 4−хполюсника в тракт, ослабление образцового аттенюатора уменьшается до того же показания показание индикатора , при этом А₀₂+А_Х=А₀₁. Следовательно, ослабление четырехполюсника равно разности показаний образцового аттенюатора при одном и том же показании индикатора: А_Х = А₀₁–А₀₂.

Данный способ реализует метод последовательного замещения.

Задачи

1 Включение аттенюатоpа в линию пеpедачи приводит к двухкpатному уменьшению мощности в согласованной нагрузке. Опpеделите ослабление, вносимое аттенюатоpом.

2 Выбеpите сеpийные аттенюатоpы для измерений:

– в коаксиальном тpакте 50 Ом в диапазоне частот 0,5...1,5 ГГц с пpеделами изменения ослабления не менее 40 дБ;

– в волноводном тpакте сечением 17х8 мм с пpеделами изменения ослабления 0...30 дБ;

– в волновом тpакте сечением 23х10 мм в качестве обpазцового аттенюатоpа. Опишите пpинцип действия выбpанных аттенюатоpов.

3 Предложите методику измерений ослабления четыpехполюсника методом последовательного замещения на частоте 10 ГГц. Выбирите серийно выпускаемые средства измерений. Изобразите схему измерений.

4 Опишите упрощенную методику измерений диаграммы направленности антенны. Изобразите схему измерений.

Вопросы для самоконтроля

1  Какие устройства относят к цепям с распределенными постоянными?

2 Какими главными параметрами описывают свойства двухполюсников?

3 В каких пределах изменяется значение модуля коэффициента отражения?

4 В каких пределах изменяется значение коэффициента стоячей волны напряжения?

5 Перечислите разновидности средств измерений, применяемых для измерений параметров цепей с распределенными постоянными.

6 Чем вызвана необходимость стабилизации мощности генератора в структурной схеме панорамного измерителя модуля коэффициента передачи четырехполюсника с направленными ответвителями?

7 Чем определяется разрешающая способность импульсного рефлектометра по длине линии передачи?