14. Принципы и методы измерений параметров и характеристик СВЧ у. Особенности радиоизмерений на свч 1
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
15 Особенности радиоизмерений на СВЧ -1 1. Проблемы при подключении измерительной аппаратуры к иссл. устройству. Использование концепции измерительного тракта. 2. Возможность излучения из отверстий и щелей. Сложность измерений полей внутри устройств. 3. Требование согласования в соединительных линиях передачи. 4. Неоднозначность отсчета напряжения и тока в волноводных линиях передачи 5. Необходимость измерения новых параметров (матрицы рассеяния, КСВ, коэффициента отражения и пр.) 6. Сложность генерации тестовых сигналов большого уровня в широком диапазоне частот 16 Следствие -> многообразие принципов, методов и средств измерений в диапазоне СВЧ, требуется теоретический анализ методов измерений СВЧ Особенности радиоизмерений на СВЧ -2 7. Сложности усиления измерительных сигналов => приходится работать с малыми сигналами в присутствии шумов и помех 8. Ограниченный выбор невзаимных устройств, необходимых для согласования в измерительном тракте => требуется учитывать взаимодействие источников сигналов и нагрузок 9. Частотные ограничения традиционных средств измерения (ЭЛО, ЭСЧ, АС и пр.) Классификация радиоизмерительных приборов ГОСТ 15094-86 -> обозначение прибора включает: • подгруппу: буквы русского алфавита, определяют характер измерений и вид измеряемых величин; • вид: цифры (от 1 до 9), обозначающие тип измерительного прибора; • номер: (через дефис) - порядковый номер модели прибора Модернизированный прибор - добавляется русская буква в алфавитном порядке (например, В7-65А); конструктивное отличие - дополнительная цифра через дробь (например, В7-65/1); многофункциональные приборы - дополнительная буква "К" (например, СК6-13). П/гр Наименование подгруппы Г Генераторы измерительные Д Аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений М Приборы для измерения мощности П Приборы для измерения напряженности поля и радиопомех Р Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными С Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра Ф Приборы для измерения фазового сдвига и группового времени запаздывания Х Приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств Ч Приборы для измерения частоты и времени Э Измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов Основные подгруппы СВЧ приборов 19 Санкт-Петербург 2020 г. http://kepstr.eltech.ru/tor/mt ПАРАМЕТРЫ РАССЕЯНИЯ СВЧ УСТРОЙСТВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ «Измерения на СВЧ» Электронный конспект лекций А.А. Данилин МИНОБРНАУКИ РОССИИ «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ) Факультет радиотехники и телекоммуникаций, Кафедра Теоретических основ радиотехники 20 Волновые матрицы СВЧ устройств 2N-полюсник (N- портовый узел) Матричные элементы связывают КОМПЛЕКСНЫЕ АМПЛИТУДЫ!!! падающих и отраженных волн . Для описания СВЧ устройств матрицей рассеяния используются гармонические сигналы!! 21 Волновые матрицы СВЧ устройств-2 Однопортовый узел: матрица рассеяния содержит только один элемент Двухпортовый узел («четырехполюсник») 2х2= 4 элемента СВЧ тройник («шестиполюсник»): матрица содержит 3 х 3=9 элементов Многополюсник с N портами имеет матрицу с N х N= N 2 элементов 22 Нормировка волновых матриц рассеяния , 2 1 , 2 1 2 2 b P a P отр пад = = Амплитуды нормированных напряжения и тока в линиях передачи: U=a+b; I=a-b; Размерность амплитуды волны: B Ом Вт = Параметры соединительных линий : I U Z = 0 L L k z = = 2 Нормировка амплитуд волн : Волновое сопротивление - отношение напряжения к току для бегущей волны: Электрическая длина линии передачи: Матрица рассеяния 1-портового узла («двухполюсника» или СВЧ нагрузки) н a b S = = 1 1 11 [S] b 1 S 11 b 1 a 1 1 1 Коэффициент отражения нагрузки. н н н н Y Z − + = = 1 1 1 Рабочие параметры: КСВН (VSWR — [Voltage Standing Wave Ratio] ) – отн. ед [1…∞], дБ [0…∞] Обратные потери (Return Loss) н н КБВ КСВН − + = = 1 1 1 Нормированное сопротивление (проводимость ) нагрузки 20lg( ) н RL = − 24 Матрица рассеяния 2х-портового узла b 2 S 21 b 1 [S] 1 2 a 1 S 11 S 12 S 22 a 2 S 21 S 22 S 12 S 11 b 1 a 1 a 2 b 2 1 1 1 1 Рабочий параметр – ослабление или вносимые потери ) lg( 10 |) lg(| 20 , 2 1 21 P P S дБ А = − = 1 11 1 12 2 2 21 1 22 2 b S a S a b S a S a = + = + 0 2 1 11 1 a b S a = = 0 1 2 22 2 a b S a = = 0 1 1 12 2 a b S a = = Физический смысл матрицы рассеяния 4х-полюсника Для определения коэффициентов требуется согласование во всех портах (включая генератор). 0 2 2 21 1 a b S a = = Для измерения коэффициентов матрицы рассеяния подаем падающую волну в один порт и измеряем амплитуды отраженных (рассеянных) волн во всех портах. Требуется обеспечить нулевые падающие волны на всех портах, кроме активного. Вариант измерения матрицы рассеяния 4х-полюсника при возбуждении сразу двух портов двумя сигналами ([a] и [a’]). Для этого определяем наборы рассеянных волн ([b] и [b’]). Для улучшения точности можно возбуждать сразу несколько M портов и измерять рассеянные волны на всех N портах. Получим переопределенную систему уравнений M*N для расчета элементов матрицы . ' ' 1 2 2 1 11 ' ' 1 2 2 1 b a a b S a a a a − = − ' ' 1 1 1 1 12 ' ' 2 1 1 2 b a a b S a a a a − = − ' ' 2 1 1 2 22 ' ' 2 1 1 2 b a a b S a a a a − = − ' ' 2 2 2 2 21 ' ' 1 2 2 1 b a a b S a a a a − = − b 2 S 21 b 1 [S] 1 2 a 1 S 11 S 12 S 22 a 2 27 N i L k i i i 2 , 1 , = = ( ) exp( 2 ) ii ii i изм S S i = ( ) exp( ( )) ij ji i j изм S S i = + Перенос отсчетных плоскостей матрицы рассеяния 28 Преимущества волновых матриц по сравнению с матрицами Z,Y,T ⚫ Простой физический смысл элементов матрицы. ⚫ Относительно легко реализуются согласованные нагрузки при измерении коэффициентов отражения и передачи (для матриц Z и Y требуется обеспечивать КЗ и ХХ, в активных элементах они часто могут вызвать самовозбуждение и неустойчивость); ⚫ Модуль коэффициентов не меняется при сдвиге отсчетной плоскости в подводящих линиях передачи; ⚫ При изменении направления передачи матрица не меняется, надо только перенумеровать коэффициенты. Теряется понятия «вход-выход», вместо их – общее понятие «порт» ⚫ Условия геометрической симметрии узла учитываются проще ⚫ Использование направленных графов делает анализ СВЧ схем простым и наглядным Недостаток матриц рассеяния – сложность разделения падающих и отраженных волн ] [ ] [ ] [ E S S t = 29 Для N-портового СВЧ узла надо измерить N 2 комплексных чисел (2N 2 вещественных параметров). Как сократить это число? 1. Свойство взаимности многополюсника записывается как равенство матрицы рассеяния и транспонированной [S]=[S] t (или Sij = Sji ). Это сокращает число измеряемых вещественных параметров с 2N 2 до N(N+1) чисел; 2. Для N – портового устройства без потерь свойство эрмитового сопряжения матрицы дает связь модулей и аргументов Свойства матрицы рассеяния N- портового узла («2N-полюсника») = = N n ni S 1 2 1 , i =1…N. 1 ( ) 0 N ni nj n S S = = , i =1…N, j=1…N, i ≠ j. jj ii S S = 30 Свойство реактивности N- портового взаимного узла связывает модули и фазы и сокращает число измеряемых параметров до: 2 ) 1 ( N N + 3. Симметрия устройства относительно центра (оси) узла дает равенство коэффициентов отражения в диагонали матрицы , i = 1… N, j=1…N, i ≠ j. Свойства матрицы рассеяния N- портового узла («2N- полюсника»)-2 31 Всего в матрице четырехполюсника СВЧ 4 комплексных переменных (8 измеряемых параметров). •В случае взаимных устройств коэффициенты передачи равны S12 = S21 и число измеряемых параметров сокращается до 6. •Для устройств без потерь (реактивные цепи) матрица рассеяния представляет собой эрмитово-сопряженную матрицу Свойства матрицы 2-х портового узла («4х- полюсника»)-1 ] [ ] [ ] [ E S S t = t- значок транспонирования, * - символ комплексного сопряжения, [E] – единичная матрица. 2 2 2 2 * * 11 21 22 12 12 11 22 21 1, 1, 0 S S S S S S S S + = + = + = 32 Свойства матрицы рассеяния 2-х портового узла («4х-полюсника»)-2 Эрмитово сопряжение матрицы взаимного реактивного 4х полюсника дает равенства модулей диагональных и недиагональных элементов: Связь аргументов этих элементов: 33 ИТОГ: Независимые параметры реактивного взаимного 4-х полюсника: Свойства матрицы рассеяния 2-х портового узла («4х-полюсника»)-3 Для взаимного 4-х полюсника Невзаимный 4-х полюсник может иметь неравные аргументы коэффициентов передачи 34 В матрице 9 комплексных переменных (18 измеряемых параметров) Для взаимных устройств коэффициенты передачи равны Sij = Sji. Для реактивных - матрица унитарна. Свойства матрицы рассеяния 3-портового узла («6-полюсника») 0 , 0 , 0 , 1 , 1 , 1 * 12 13 * 23 21 * 32 31 2 23 2 13 2 32 2 12 2 31 2 21 = = = = + = + = + S S S S S S S S S S S S Можно ли построить согласованный реактивный 6-полюсник по всем портам? Приравняем нулю диагональные элементы матрицы: = = N n ni S 1 2 1 , i =1…N. 1 ( ) 0 N ni nj n S S = = , i =1…N, j=1…N, i ≠ j. 3 1 2 0 0 0 0 0 0 i i i e e e 2 3 1 0 0 0 0 0 0 i i i e e e 35 Поскольку отражений нет, то в силу закона сохранения энергии один из коэффициентов в равнствах модулей должен быть равен нулю. Получаем два вида матрицы идеального ЦИРКУЛЯТОРА - согласованного невзаимного устройства без потерь. НЕЛЬЗЯ построить взаимный согласованный тройник без потерь!!! Свойства матрицы рассеяния 3-портового узла («6-полюсника»)-2 Рассогласованный симметричный делитель мощности 11 22 33 S S S = = = 12 23 31 21 32 13 S S S S S S = = = = = = = S Пример: Y-сочленение трех линий передачи под углом 120° Недиагональные элементы равны в силу взаимности и симметрии узла. Условие реактивности дает: 2 2 2 1 + = 2 0 + + = 2 = − 1 / 3, 2 / 3 = − = Yн Z 1 Z 2 V o Y in Условие симметрии относительно поворота по оси 37 В матрице 16 комплексных переменных.(32 измеряемых параметров) В случае взаимных устройств коэффициенты передачи равны Sij = Sji. Для устройств без потерь (реактивные цепи) эрмитово-сопряженность дает: Свойства матрицы рассеяния 4-портового узла («8-полюсника») , 0 , 0 , 0 , 1 , 1 , 1 , 1 * 31 43 * 21 42 * 41 43 * 21 32 * 41 42 * 31 32 2 34 2 24 2 14 2 23 2 43 2 31 2 42 2 32 2 12 2 41 2 31 2 21 = + = + = + = + + = + + = + + = + + S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Система уравнений дает три варианта решения для согласованного восьмиполюсника без потерь ( НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ) Канонические матрицы взаимного согласованного 4- портового узла без потерь (НО) = 0 0 0 0 0 0 0 0 42 41 32 31 42 32 41 31 2 S S S S S S S S S = 0 0 0 0 0 0 0 0 43 42 43 31 42 21 31 21 1 S S S S S S S S S = 0 0 0 0 0 0 0 0 43 41 43 32 32 21 41 21 3 S S S S S S S S S 4 1 2 3 a·S 21 а a·S 41 a·S 31 38 |