Измерение параметров рассеяния устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков

На правах рукописи

Куликов Александр Борисович

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАССЕЯНИЯ УСТРОЙСТВ КОАКСИАЛЬНОГО ТРАКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕНАПРАВЛЕННЫХ ДАТЧИКОВ

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования ”Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева“

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Никулин Сергей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зенькович Алексей Вячеславович

кандидат технических наук

Налькин Максим Евгеньевич

Ведущая организация ОАО «ФНПЦ «ННИПИ ‹‹Кварц››

имени А.П. Горшкова», г. Нижний

Новгород

Защита состоится 09 февраля 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан ‹‹ ›› декабря 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Назаров А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время для измерений параметров рассеяния используются векторные анализаторы цепей. Это современные автоматизированные приборы, способные решать практически любые измерительные задачи в области анализа СВЧ цепей.

Высокие технические характеристики анализаторов обеспечиваются тремя слагаемыми: применением прецизионных направленных ответвителей, высокочувствительных измерительных приёмников с преобразованием частоты и методикой калибровки, основанной на определении параметров виртуальных цепей погрешностей.

Векторные анализаторы цепей представляют собой лабораторные приборы, что затрудняет их использование в условиях, где требуется портативность, мобильность, независимость от сетевых источников питания. Данные условия возникают при проведении измерениях в полевых условиях.

Об актуальности темы свидетельствует и появление в последнее время портативных зарубежных и отечественных моделей Agilent FieldFox N9912A и «PLANAR» ОБЗОР-TR1300/1, имеющих традиционную архитектуру.

В диссертационной работе изложены результаты исследования методов измерения, направленных на создание портативных анализаторов цепей на основе ненаправленных датчиков информационных СВЧ сигналов, как с измерительными приемниками, так и с амплитудными детекторами.

Предлагаемые решения приводят при допустимом снижении технических характеристик к заметному снижению масса-габаритных показателей портативного анализатора цепей.

Кроме того, направленные ответвители, используемые в анализаторах цепей, представляют собой дорогие, прецизионные СВЧ устройства. Ненаправленные датчики предлагается реализовать в виде малогабаритных СВЧ схем с использованием микроэлектронных резистивных компонентов, имеющих низкую стоимость. Поэтому предлагаемый подход позволяет одновременно снизить и стоимостные показатели приборов.

На этой основе можно разрабатывать малогабаритные модули под стандарты CompactPCI/PXI и с помощью технологии виртуальных приборов создавать многофункциональную аппаратуру для решения измерительных задач с возможностью учета различных климатических, механических и иных воздействий на объект измерения.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов измерения параметров рассеяния устройств коаксиального тракта на основе ненаправленных датчиков с использованием современных микроэлектронных компонентов.

Для реализации цели диссертационной работы решались следующие задачи:

- разработка метода измерения S-параметров с использованием ненаправленных датчиков и измерительных приёмников;

- разработка структурной схемы анализатора цепей с ненаправленными датчиками и измерительными приемниками;

- создание и исследование в пакете Microwave Office схемной модели ненаправленного датчика на основе микроэлектронных компонентов;

- разработка метода измерения S - параметров с использованием ненаправленных датчиков и амплитудных детекторов;

- сопоставительный анализ методов измерения параметров рассеяния, основанных на применении измерительных приемников с ненаправленными датчиками и направленными ответвителями;

- разработка макета анализатора цепей с ненаправленными датчиками;

- создание комплекса программ в среде LabVIEW и в пакете проектирования СВЧ устройств Microwave Office для управления анализатором цепей, сбора, обработки и отображения измерительной информации и моделирования работы анализатора;

- оценка погрешности измерений предложенными методами.

Методы исследования. При выполнении работы использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основываются на теории функций комплексного переменного, аппроксимации и интерполяции функций, теории СВЧ цепей, методов компьютерного моделирования (идентификации параметров моделей). Экспериментальные исследования основаны на современной технологии виртуальных приборов.

Научная новизна:

- предложен метод измерения S-параметров, основанный на использовании измерительных приёмников с ненаправленными датчиками;

- показано, что математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов;

- средствами сравнительного модельного анализа погрешностей анализаторов с измерительными приемниками показано, что в динамическом диапазоне 0...-70 дБ приборы обладают сопоставимыми характеристиками;

- предложен метод определения S-параметров на основе скалярных измерений информационных сигналов 3-мя амплитудными детекторами, отличающийся более простой технической реализацией.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы, структурные схемы, алгоритмы и программы могут служить основой для создания анализаторов цепей, выполненных как в виде отдельного устройства, так и в виде модулей в промышленных стандартах CompactPCI и PXI.

Практическое использование. Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве" по направлению "Методы и техника измерений параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и антенн". Методы измерений S-параметров, макет анализатора, комплекс программ, используются в лабораторном практикуме и проводимых на кафедре научных исследованиях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2008, г. Н.Новгород, 2008 г.,

- Восьмом международном симпозиуме "Интеллектуальные системы" (INTEL'2008) г. Н.Новгород, 2008 г.,

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2009, г. Н.Новгород, 2009 г.,

- международной научно-технической конференции "Диагностика – 2009", г. Курск, 2009г.,

- всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", г. Самара, 2009г.,

- Девятом международном симпозиуме "Интеллектуальные системы" (INTEL'2008) г. Владимир, 2010 г.,

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2010, г. Н.Новгород, 2010 г.,

- международной научно-практической конференции "Наука и образование – промышленному производству, г. Н.Новгород, 2010 г.,

- международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии " ИСТ- 2011, г. Н.Новгород, 2011 г.

Личный вклад. Автором предложены методы измерения S-параметров и схемы анализаторов цепей с ненаправленными датчиками. Проведен сравнительный анализ методов измерений и оценены погрешности, спланированы и выполнены экспериментальные исследования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения на 117 страницах. Содержит список литературы из 87 наименований, пять приложений, 92 рисунка и 6 таблиц. Общий объем работы 156 страниц.

Положения, выносимые на защиту:

- метод измерения S-параметров устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков и измерительных приёмников;

- математическое описание в виде виртуальных цепей погрешностей для анализаторов с измерительными приемниками инвариантно к типам датчиков информационных СВЧ сигналов;

- результаты сопоставительного анализа методов измерений параметров рассеяния на основе измерительных приемников с ненаправленными датчиками и направленными ответвителями;

- метод измерения S - параметров устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных датчиков и амплитудных детекторов;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи исследования, определяются новизна полученных результатов и их практическая ценность, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы основные технические характеристики векторных анализаторов цепей, имеющих традиционную архитектуру. Обосновывается целесообразность исследования и разработки портативных анализаторов цепей, построенных на ненаправленных датчиках.

С точки зрения перспектив построения анализаторов цепей, измерительные преобразователи которых выполнены с использованием ненаправленных датчиков, анализируются промышленные стандарты Compact PCI/PXI.

Во второй главе предложен метод измерения S-параметров анализатором цепей с ненаправленными датчиками и измерительными приёмниками. Показано, что математическое описание анализаторов с измерительными приёмниками в виде виртуальных цепей погрешностей, инвариантно к типам датчиков информационных сигналов. Приводятся результаты сопоставительного анализа погрешностей методов измерений.

Суть предлагаемого метода состоит в том, что измерение S-параметров можно проводить, не выделяя падающие и отраженные волны, а используя их интерференцию, которая возникает в ненаправленных датчиках.

Схема предложенного анализатора (рисунок 1, а), включает в себя: опорный датчик 6 и приемник R1, датчики 4,5 измерительных каналов c приемниками А1, А2, переключатели К1, К2 и вентильные устройства V1,V2, V3. Традиционная схема (рисунок 1, б), содержит направленные ответвители НО1 – НО4 (соединительные кабели на схемах не показаны).

а)	б)
Рисунок 1. Упрощенные схемы анализаторов цепей

В подтверждении положения об инвариантности модели к типу датчика, любой из каналов измерителей представлен в виде линейного 4-портового устройства (рисунок 2):

Рисунок 2 Модель измерительного канала

Отношение комплексных амплитуд сигналов на выходах 4 и 3, представляющих собой линейную комбинацию комплексных амплитуд падающих a и отраженных b волн в месте подключения нагрузки 2, трансформируется во входной коэффициент отражения 4-х полюсника с анализируемой нагрузкой (Г- комплексный коэффициент отражения нагрузки).

Таким образом, отношение комплексных амплитуд информационных сигналов U4/U3, выделенное с помощью измерительных приёмников, позволяет определить коэффициент отражения на входе анализируемого устройства Г. А для восстановления коэффициента передачи анализируемого устройства необходимо использовать отношение комплексной амплитуды информационного сигнала, выделенного ненаправленным датчиком второго канала, к комплексной амплитуде опорного сигнала. Следовательно, каскадное соединение виртуальных цепей погрешностей с анализируемым устройством может быть использовано для восстановления S-параметров средствами измерения с ненаправленными датчиками.

Специфика рассматриваемых моделей анализаторов проявляется в численных значениях S-параметров виртуальных цепей погрешности Sij (рисунок 3). Круговой характер частотной зависимости S – параметров объясняется наличием соединительных кабелей, а большое значение S11. в случае ненаправленного датчика – его равноценной чувствительностью к падающей и отраженной волне. Для калибровки используется стандартный набор отражающих мер волнового сопротивления и проходная мера.

анализатор ненаправленными анализатор с направленными

датчиками A1 >> B1, B2 A2 ответвителями A1 >> B1, B2 >> A2 и A1 B2

Рисунок 3. Частотные зависимости S-параметров виртуальных цепей погрешностей анализаторов

В подразделе 2.3 исследуется модель включенного в микрополосковый тракт ненаправленного датчика в виде Т-соединения СВЧ чип-резисторов. (рисунок 4).

Идея использовать ненаправленный датчик как источник информационного СВЧ сигнала связана с измерительной линией и с многозондовыми измерительными рефлектометрами.

Назначение датчика – передать часть сигнала в некоторой точке СВЧ тракта на измерительный приёмник, не нарушая условий согласования тракта, при малом вносимом ослаблении. В пакете программ Microwave Office выполнено исследование частотных характеристик датчика без учёта и с учётом паразитных параметров чип-резисторов. Показано, что датчики такого типа можно использовать в диапазоне частот до 15-20 ГГц.

Рисунок 4 Схемная модель и частотные характеристики датчика в микрополосковой конструкции

В подразделе 2.4 в пакете программ Microwave Office построены схемные модели сравниваемых анализаторов цепей и проведено моделирование процедур калибровки и измерения S-параметров полоснопропускающего СВЧ фильтра Чебышева. В предположении изоляции между каналами анализаторов -100 dB, приведены некоторые результаты сопоставительного анализа (рис. 5-6).

а)	б)
Рисунок 5. Измерение модуля S21 фильтра анализатором цепей: а) с ненаправленными датчиками, б) с направленными ответвителями

С использованием модуля статистического анализа Microwave Office. показано, что погрешности модуля и фазы коэффициентов передачи для анализаторов в пределах в динамическом диапазоне от 0 до 70 dB имеют близкие значения. В диапазоне 70…80 dB погрешность анализатора на ненаправленных датчиках в 1.5-2 раза выше.

а)	б)
Рисунок 6. Измерение фазы S21 фильтра анализатором цепей: а) с ненаправленными датчиками, б) с направленными ответвителями

Погрешности модуля и фазы коэффициентов отражения для анализаторов в пределах 0.05-0.8 сравнимы, а в диапазоне 0.8-1, погрешность анализатора на ненаправленных датчиках в 1.5-2 раза выше.

Однако габаритные показатели анализатора с ненаправленными датчиками существенно меньше. Так, размер печатного узла измерительного преобразователя с ненаправленными датчиками составит (50…70)х(15…20)х6 мм, что сопоставимо с размерами 1-го направленного ответвителя в традиционной схеме анализатора цепей.

В третьей главе предложен метод измерения S-параметров на основе измерений информационных сигналов 3-мя амплитудными детекторами в режимах одностороннего и встречного возбуждения анализируемого объекта.

Схема анализатора приведена на рисунке 7. Амплитудные детекторы в схеме анализатора представляет собой скалярные измерители. Однако при перестройке частоты источника сигнала и при наличии соединительных кабелей, в результате обработки данных, может быть извлечена информация, как об амплитуде, так и о фазе рассеянных волн, действующих на входе и выходе анализируемого устройства.

Рисунок 7. Схема анализатора цепей с амплитудными детекторами