Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАССЕЯНИЯ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА НА СВЧ

Изобретение относится к физике, а именно к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ.

С развитием интегральной техники возрастает актуальность стадии проектирования гибридных интегральных схем (ГИС) и монолитных интегральных схем (МИС), поскольку экспериментальная подстройка ГИС затруднена, а МИС вообще невозможна.

Эффективное использование возможностей проектирования ГИС и МИС диктует необходимость знания полных сопротивлений диодов и параметров рассеяния транзисторов или S-параметров.

Известны следующие основные методы измерений вышеуказанных параметров:

- выделения падающей, отраженной и прошедшей волн;

- зондирования распределения поля в измерительном тракте;

- гомодинный;

- импульсной рефлектометрии.

Наиболее широко используются два первых метода.

При этом устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ, реализующие первый метод, имеют высокие технические параметры и способны работать в реальном масштабе времени, но сложны в изготовлении и дорого стоят.

В отличие от первых, устройства использующие создание различных режимов возбуждения измеряемого объекта через двенадцатиполюсные рефлектометры, менее сложны [1-4].

Так известен измеритель S-параметров невзаимного СВЧ-четырехполюсгика, содержащий последовательно соединенные генератор, вентиль, первый двунаправленный ответвитель, к первому выходу которого присоединен первый детектор, второй двунаправленный ответвитель, к второму входу которого присоединена первая согласованная нагрузка, исследуемый четырехполюсник, третий двунаправленный ответвитель, к второму выходу которого присоединена вторая согласованная нагрузка, четвертый двунаправленный ответвитель, к первому выходу которого присоединен второй детектор, а к второму выходу - первый отражающий фазовращатель, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя управляющего напряжения.

В который с целью автоматизации процесса измерений, введены второй отражающий фазовращатель, два генератора модулирующей частоты, четыре фильтра и четыре детектора низкой частоты, а также последовательно соединенные делитель мощности и присоединенные входами к соответствующим его выходам первый - четвертый амплитудные модуляторы, включенные между выходом вентиля и первыми входами первого - четвертого двунаправленных ответвителей соответственно, второй отражающий фазовращатель присоединен к второму выходу первого двунаправленного ответвителя, а управляющим входом к выходу формирователя управляющего напряжения, выходы первого и второго генераторов модулирующей частоты соединены с низкочастотными входами первого, третьего и второго, четвертого амплитудных модуляторов соответственно, к выходу первого детектора присоединены последовательно соединенные первый фильтр и детектор низкой частоты, а также последовательно соединенные второй фильтр и детектор низкой частоты, а к выходу второго детектора присоединены последовательно соединенные третий фильтр и детектор низкой частоты, а также последовательно соединенные четвертый фильтр и детектор низкой частоты [1].

Известно другое устройство, содержащее генератор СВЧ с подсоединенным к его выходу делителем мощности, два амплитудных модулятора, один из которых подключен к первому выходу делителя мощности, а другой ко второму выходу делителя мощности, два двенадцати полюсных рефлектометра, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего амплитудного модулятора, а выход является входом для подключения измеряемого СВЧ четырехполюсника.

В котором с целью увеличения динамического диапазона измерения и расширения функциональных возможностей, амплитудные модуляторы имеют одну частоту и дополнительно введены два СВЧ вентиля, каждый из которых включен между выходом модулятора напряжения и входом соответствующего рефлектометра [2].

Известен способ и устройство измерения S-параметров транзисторов СВЧ в линейном режиме, по которому выделяют падающие и отраженные волны напряжений от устройства, содержащего собственно транзистор и держатель транзистора, измеряют отношения падающих и отраженных волн при изменении разности фаз между падающими волнами в диапазоне от 0 до 360 градусов.

В устройство с целью уменьшения времени измерения и повышения точности измерения, при помощи двенадцати полюсных рефлектометров измеряют только комплексные коэффициенты отражения на входе и выходе упомянутого устройства для двух значений разности фаз между падающими волнами, затем транзистор удаляют из упомянутого устройства и измеряют комплексные коэффициенты отражения на входах коаксиально-полосковых переходов держателя транзистора, далее из схемы удаляют держатель транзистора, измеряют комплексные коэффициенты отражения выходов двенадцати полюсных рефлектометров и отношение падающих волн напряжений генератора, полученные системы уравнений решают относительно неизвестных S-параметров измеряемого транзистора и определяют S-параметры данного транзистора [3].

Известно устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсника СВЧ, содержащее двухчастотный синтезатор первого и второго СВЧ сигналов, измеряемый четырехполюсник СВЧ, двухканальный супергетеродинный приемник, состоящий из первого и второго СВЧ смесителей, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, управляющего компьютера и индикатора отношений, вход измеряемого четырехполюсника СВЧ соединен одновременно с первым выходом первого СВЧ сигнала двухчастотного синтезатора когерентных СВЧ сигналов и первым входом второго СВЧ смесителя, второй вход которого одновременно соединен с выходом второго СВЧ сигнала двухчастотного синтезатора когерентных СВЧ сигналов и вторым входом первого СВЧ смесителя, первый вход которого соединен с входом измеряемого четырехполюсника СВЧ, первый вход индикатора отношений соединен с третьим выходом управляющего компьютера, вход которого соединен с выходом индикатора отношений, а второй вход которого соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с четвертым входом индикатора отношений, второй выход управляющего компьютера соединен со входом двухчастотного синтезатора когерентных СВЧ сигналов.

В которое с целью повышения точности измерения путем снижения величины амплитудно-фазовой погрешности с одновременным контролем этой величины в него дополнительно введены первый дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из первого усилителя и первого постоянного и первого переменного резисторов, второй дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из второго усилителя второго постоянного и второго переменного резистора, дополнительный генератор, переменный аттенюатор, равноплечный делитель, вольтметр, блок управления и шесть переключателей, вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен одновременно с первым входом вольтметра выходом первого усилителя, одним из контактов первого переменного резистора и вторым выходом блока управления, первый выход которого соединен одновременно с другим контактом первого переменного резистора, входом первого усилителя и одним из контактов первого постоянного резистора, другой контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен одновременно со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя и входом переменного аттенюатора, выход которого соединен одновременно со вторыми неподвижными контактами пятого и шестого переключателя подвижный контакт которого соединен с одним из контактов второго постоянного резистора, другой контакт которого соединен одновременно со входом второго усилителя, одним из контактов второго переменного резистора и третьим входом блока управления, первый вход которого соединен с первым выходом управляющего компьютера, четвертый выход которого соединен со вторым входом блока управления, четвертый выход которого соединен одновременно с другим контактом второго переменного резистора, выходом второго усилителя, входом второго аналого-цифрового преобразователя и вторым входом вольтметра, выход которого соединен с третьим входом индикатора отношений, выход первого СВЧ смесителя соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с одним из выходов равноплечного делителя, другой выход которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя, выход второго СВЧ смесителя соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход дополнительного генератора соединен со входом равноплечного делителя, подвижные контакты первого и третьего переключателей соединены между собой [4].

Как указано выше, названные устройства менее сложны и имеют приемлемую цену.

Однако при этом требуют сложной обработки информации.

Известно устройство для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ, содержащее генератор сигнала СВЧ, измеритель частотных характеристик и интегральную схему, в составе линии передачи на входе, один конец которой соединен с измерителем частотных характеристик, а другой - с входом измеряемого четырехполюсника,

линии передачи на выходе с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, один конец которой соединен с выходом измеряемого четырехполюсника,

двух нагрузок в виде двух отрезков линии передачи, подключенных к линии передачи с помощью двух электрических ключей,

цепи обратной связи с емкостью, коммутируемой третьим электрическим ключом.

При этом в качестве измерителя частотных характеристик используют измерители модуля коэффициента отражения и модуля коэффициента передачи, а в качестве электрических ключей - pin диоды [5 - прототип].

Недостаток прототипа заключается:

во-первых, в сложности измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ, поскольку приходится измерять две частотные характеристики - модуля коэффициента отражения и модуля коэффициента передачи и

во-вторых, соответственно снижение точности измерения, поскольку суммарная точность определяется точностью измерений двух разнотипных вышеуказанных измерителей частотных характеристик,

в-третьих, использование в качестве электрических ключей - pin диодов приводит к необходимости наличия в устройстве низкочастотных фильтров питания, которые существенно его усложняют.

Техническим результатом изобретения является, упрощение и повышение точности устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ и соответственно упрощение способа измерения.

Технический результат достигается устройством для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ, содержащим генератор сигнала СВЧ, измеритель частотных характеристик и интегральную схему, в составе линии передачи на входе, один конец которой соединен с измерителем частотных характеристик, а другой - с входом измеряемого четырехполюсника, линии передачи на выходе с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, один конец которой соединен с выходом измеряемого четырехполюсника, двух нагрузок в виде двух отрезков линии передачи, подключенных к линии передачи с помощью двух электрических ключей, цепи обратной связи с емкостью, коммутируемой третьим электрическим ключом.

В устройство

дополнительно введены четвертый электрический ключ - на входе измеряемого четырехполюсника, отрезок линии передачи - в интегральную схему, резистор - в ее цепь обратной связи,

в качестве измерителя частотных характеристик используют измеритель модуля коэффициента отражения,

при этом все четыре электрических ключа выполнены в виде полевых транзисторов с барьером Шотки,

все три отрезка линии передачи выполнены длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе,

сток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе на расстоянии от входа измеряемого четырехполюсника, равном одной восьмой длины волны в линии передачи, исток соединен с одним концом дополнительного отрезка линии передачи, другой конец которого заземлен, сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе на расстоянии от выхода измеряемого четырехполюсника, равном одной восьмой длины волны в линии передачи, исток соединен с одним концом одного отрезка линии передачи, другой конец которого заземлен, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе на расстоянии от выхода измеряемого четырехполюсника, равном одной четвертой длины волны в линии передачи, исток соединен с одним концом другого отрезка линии передачи, другой конец которого заземлен, сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи соединен с линией передачи на выходе измеряемого четырехполюсника, исток соединен с одним концом резистора цепи обратной связи, другой конец которого соединен с одним концом ее емкости, другой конец которой соединен с линией передачи на входе измеряемого четырехполюсника, а на затвор каждого из четырех полевых транзисторов с барьером Шотки подают постоянное управляющее напряжение от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленного устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ, в том числе иного соединения элементов устройства обеспечит, а именно.

Благодаря:

а) использования в качестве измерителя частотных характеристик измерителя модуля коэффициента отражения,

б) введения в устройство дополнительно четвертого электрического ключа - на входе измеряемого четырехполюсника, отрезка линии передачи - в интегральную схему, резистора - в цепь обратной связи интегральной схемы:

иной - оригинальный метод определения параметров рассеяния (S-параметров) четырехполюсника, основанный на измерении только модуля коэффициента отражения и тем самым позволит использовать простые панорамные измерительные устройства отечественного производства и исключить необходимость сложной обработки результатов измерений и как следствие -

упрощение способа и

повышение точности измерения.

Благодаря выполнения всех четырех электрических ключей в виде полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ) и поскольку уравнения, описывающие их характеристики отличаются от аналогичных характеристик идеальных ключей, и при этом с одной стороны эти уравнения усложняются, но с другой стороны они могут быть решены с помощью электронно вычислительной машины (ЭВМ) и как следствие -

упрощение способа измерения и

возможность автоматизации процесса измерения параметров рассеяния.

Выполнение всех трех отрезков линии передачи одинаковыми, длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе обеспечит упрощение конструкции.

Более того последнее обеспечит расширение рабочей полосы частот при упрощении конструкции (возможность измерения параметров рассеяния посредством одного устройства вместо нескольких).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология заявленного устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ, где

- измеряемый четырехполюсник - 1,

- генератор сигнала СВЧ - 2,

- измеритель частотных характеристик - 3,

- интегральная схема - 4, в составе -

- линии передачи на входе - 5,

- линии передачи на выходе - 6,

- нагрузки в виде двух отрезков линии передачи - 7 и 8 соответственно,

- два электрических ключа - 9 и 10 соответственно,

- цепи обратной связи - 11 с емкостью - 12,

- третий электрический ключ 13,

- дополнительный четвертый электрический ключ - 14 на входе измеряемого четырехполюсника,

- дополнительный отрезок линии передачи - 15 в интегральной схеме,

- резистор - 16 в цепи обратной связи,

- источники постоянного управляющего напряжения - 17, 18, 19, 20 соответственно.

На фиг.2 дана эквивалентная схема.

На фиг.3 даны измеренные зависимости от частоты модулей коэффициента отражения.

На фиг.4 даны зависимости от частоты параметров рассеяния черырехполюсника на СВЧ.

Обоснование работы заявленного устройства для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ поясняется следующими выкладками и эквивалентной схемой (Фиг.2).

В технике СВЧ широкое распространение получили параметры рассеяния (S - параметры). Вместо токов и напряжений, применяемых в низкочастотной области, в СВЧ - диапазоне пользуются понятием падающих (a₁ и a₂) и отраженных (b₁ и b₂) волн на входе и выходе четырехполюсника соответственно. Связь между этими волнами осуществляется с помощью S-параметров.

b₁=S₁₁×a₁+S₁₂×a₂,

b₂=S₂₁×a₁+S₂₂×a₂.

Обозначим через y_i - нормированные относительно входного волнового сопротивления проводимости нагрузок устройства - двух отрезков линии, включенных на выходе измеряемого четырехполюсника.

В зависимости от положения электрических ключей K_i (K₁ и K₂) нормированная проводимость нагрузки y_i (i=1, 2, 3) может принимать несколько значений: y₁ (ключи K₁ и K₂ разомкнуты), y₂ (ключ K₁ замкнут, а К₂ разомкнут), y₃ (ключи K₁ и К₂ замкнуты).

Полная нормированная проводимость на входе четырехполюсника Y_ik определяется по измеренным на частоте f двум значениям модуля коэффициента отражения Г_ik для разомкнутого и замкнутого ключа К₄ соответственно. Здесь i=1, 2, 3, что соответствует трем значениям нормированной проводимости нагрузки y_i, а k=0 и 1. При этом, если ключ К₃ разомкнут, то k=0 и обратная связь отсутствует, если ключ К₃ замкнут, то k=1 и обратная связь включается в схему.

Проводимости Y_ik связаны с элементами нормированной матрицей проводимости измеряемого четырехполюсника y₁₁, y₁₂, y₂₁, y₂₂, нормированной проводимостью в цепи обратной связи y_oc и нормированными проводимостями нагрузок y_i формулами:

В схеме без обратной связи

В схеме с обратной связью

i=1, 2, 3.

Определяя на частоте f значения полной нормированной проводимости на входе четырехполюсника Y_ik на этой частоте для шести вариантов схем (k=0 и 1; i=1, 2, 3), подставляя эти значения в формулы (1) и (2) и решая полученную систему уравнений, определим значения элементов нормированной матрицы проводимости четырехполюсника на этой частоте:

y₁₁=-A₁/A;

y₂₂=-А₂/А;

y₁₁+y₁₂+y₂₁+y₂₂=[A₃×(y₂-Y₂₁)-y₁-Y₁₁]/(1-A₃),

где А₁=Y₁₀×Y₂₀×(y₁-y₂)+Y₂₀×Y₃₀×(y₂-y₃)+Y₃₀×Y₁₀×(y₃-у₁);

А₂=Y₁×Y₁₀×(y₂-y₃)+Y₂×Y₂₀×(y₃-y₁)+Y₃×Y₃₀×(y₁-y₂);

А=Y₃₀×(y₁-y₂)+Y₁₀×(y₂-y₃)+Y₂₀×(y₂-y₁);

А₃=[(y₂₂+y₁)×(y₁₁-Y₁₁)-y₁₂×y₂₁]/[(y₂₂+y₂)×(y₁₁-Y₂₁)-y₁₂×y₂₁.

Найденные значения элементов нормированной матрицы проводимости четырехполюсника пересчитываются в параметры рассеяния (S-параметры) по известным формулам [6, с.39].

Поскольку окончательные формулы (3) для нормированной матрицы проводимости четырехполюсника не содержат величины проводимости обратной связи y_oc, то для измерения параметров рассеяния четырехполюсника с помощью заявленного устройства отсутствует необходимость в точном задании величины y_oc и как следствие - повышение точности измерения.

Работа заявленного устройства.

На затвор ПТШ 13 в цепи обратной связи от источника постоянного управляющего напряжения 19 подается отрицательное напряжение -2,5 B, превышающее напряжение отсечки ПТШ. При этом через ПТШ 13 ток не течет и цепь обратной связи 11 разрывается (обратная связь отсутствует).

На затворы ПТШ 9 и 10 от источников постоянного управляющего напряжения 17 и 18 соответственно подается отрицательное напряжение -2,5 B. При этом через ПТШ 9 и 10 токи не текут и отрезки линии передачи 7 и 8 отключаются от линии передачи на выходе измеряемого четырехполюсника 1, то есть на выходе реализуется одна из функций интегральной схемы 4 с нормированной проводимостью нагрузки y₁, соединенной с линией передачи на выходе 6 устройства.

Для этой функции интегральной схемы 4 в рабочей полосе частот генератора сигнала СВЧ 2 с помощью измерителя частотных характеристик 3, соединенного с линией передачи на входе 5, измеряют частотные характеристики модуля коэффициента отражения: одну - при подачи на затвор ПТШ 14 на входе измеряемого четырехполюсника 1 напряжения 0 В от источника постоянного управляющего напряжения 20 и вторую - при подачи на затвор ПТШ 14 напряжения -2,5 B от того же источника постоянного управляющего напряжения.

Измеренные две частотные характеристики пересчитываются в частотные зависимости полной нормированной проводимости на входе четырехполюсника Y₁₀.

Аналогичные измерения проводятся для двух других функций интегральной схемы 4 с нормированными проводимостями нагрузки y₂ и y₃ соответственно. В результате получаются частотные зависимости полной нормированной проводимости на входе четырехполюсника Y₂₀ и Y₃₀ соответственно.

Далее на затвор ПТШ 13 в цепи обратной связи от источника постоянного управляющего напряжения 19 подается напряжение 0 B. При этом через ПТШ 13 течет ток и цепь обратной связи замыкается (обратная связь включается в интегральную схему).

Процесс измерений повторяется аналогично описанным выше.

В результате получаются еще три частотные зависимости полной нормированной проводимости на входе четырехполюсника - Y₁₁, Y₂₁ и Y₃₁ соответственно.

Полученные таким образом зависимости полных нормированных проводимостей на входе четырехполюсника - Y₁₀, Y₂₀, Y₃₀, Y₁₁, Y₂₁, Y₃₁ совместно с нормированными проводимостями нагрузок устройства - y₁, y₂, y₃, рассчитанными по двум отрезкам линии передачи 7 и 8, включенным на выходе измеряемого четырехполюсника, позволяют с помощью формул (3) определить в рабочей полосе частот параметры рассеяния четырехполюсника на СВЧ.

Таким образом, заявленное устройство для измерения параметров рассеяния четырехполюсника на СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит значительное:

во-первых, упрощение и

во-вторых, соответственно упрощение способа измерения,

в-третьих, повышение точности измерения.

Устройство может быть успешно использовано при разработке пассивных и активных устройств СВЧ, поскольку измерения могут быть проведены с помощью легко доступных и дешевых панорамных измерителей КСВН и ослабления.

Источники информации

1. Патент РФ №2010248, МПК G01R 27/28, приоритет от 12.02.92, опубл. 30.03.94.

2. Патент РФ №2233454, МПК G01R 27/06, приоритет от 02.09.02, опубл. 27.07.04.

3. Патент РФ №2361227, МПК G01R 27/28, приоритет от 22.05.07, опубл. 10.07.09.

4. Патент РФ №2377583, МПК G01R 27/28, приоритет от 10.09.08, опубл. 27.12.09.

5. Балыко А.К., Гусельников В.А., Пчелин Н.И., Юсупова Н.И. Теоретическое обоснование метода измерения S-параметров четырехполюсников. Серия 1, СВЧ-техника, выпуск 1 (469), 1997, с.36-39 - прототип.

6. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. - М.: Связь, 1971, с.29.