Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения S-параметров четырехполюсников СВЧ, предназначенных для включения в микрополосковую линию

Изобретение относится к радиоизмерительной технике СВЧ и может быть использовано для измерения S-параметров четырехполюсников, предназначенных для включения в микрополосковую линию (МПЛ).

Известен двухсигнальный способ измерения S-параметров транзисторов (см. статью Mazumder S.R. Two-signal method of measuring the large-signal S-parameters of transistors / IEEE Trans. – 1978. – Vol. MTT-26, No 6. – P. 417–420), выбранный за аналог, который основан на одновременной подаче на вход и выход транзистора зондирующих сигналов и соответственно, формируемых делителем мощности, с последующим измерением двухсигнальных ККО

(1)

на входе и выходе транзистора, для различных относительных сдвигов фаз (где изменяется от до ) зондирующих сигналов и , а также измерением относительных возбуждений в виде отношения амплитуд зондирующих сигналов и при непосредственном соединении входов измерительных каналов анализатора и тех же относительных сдвигах фаз этих зондирующих сигналов; - мнимая единица. Решение системы уравнений (1) позволяет определить измеренные S-параметры транзистора.

Способ может быть реализован двумя двенадцатиполюсными рефлектометрами, подключенными к общему синтезатору зондирующих сигналов и , полученных посредством деления мощности сигнала одного генератора и сдвига фазы одного из зондирующих сигналов . В целом такая структура рефлектометров образует анализатор.

Недостатком известного способа является то, что он предполагает, что измерительные каналы анализатора, измеряющего S-параметры, согласованы, то есть нагрузочные ККО от этих входов при их непосредственном соединении равны нулю . В реальности из-за их неидеальности они не согласованы . Это приводит к существенной и неконтролируемой погрешности измерения S-параметров.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности сходных признаков является двухсигнальный способ измерения S-параметров транзисторов (см. статью Li S.H., Bosisio R.G. Automatic analysis of two-port active microwave network / Electronics Letters. – 1982. – Vol. 18, No 24. – P. 1033–1034) транзисторов, выбранный за прототип. Он основан на одновременной подаче на вход и выход транзистора зондирующих сигналов и соответственно, формируемых делителем мощности, с последующим измерением двухсигнальных ККО (1) на входе и выходе транзистора, для двух различных относительных сдвигов фаз ( ) зондирующих сигналов и , а также измерением относительных возбуждений в виде отношения амплитуд зондирующих сигналов и при непосредственном соединении входов измерительных каналов анализатора и тех же относительных сдвигах фаз этих зондирующих сигналов; - мнимая единица.

Решение системы уравнений (1) позволяет определить измеренные S-параметры транзистора в виде:

, , (2)

, .

Способ может быть реализован анализатором.

Недостатком известного способа является то, что он предполагает, что измерительные каналы анализатора, измеряющего S-параметры, согласованы, то есть комплексные коэффициенты отражения от их входов (нагрузочные ККО) при их непосредственном соединении равны нулю . В реальности из-за их неидеальности они не согласованы . Это приводит к существенной и неконтролируемой погрешности измерения S-параметров.

Задачей заявляемого способа является повышение точности измерения S-параметров четырехполюсников в рассогласованных измерительных каналах анализатора.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения S-параметров четырехполюсников СВЧ, предназначенных для включения в микрополосковую линию, заключающемся в том, что четырехполюсник включают в анализатор, далее измеряют двухсигнальные комплексные коэффициенты отражения на входе и выходе при двух различных относительных сдвигах входного и выходного зондирующих сигналов, а также измеряют двухсигнальные комплексные коэффициенты отражения при непосредственном соединении входов входного и выходного измерительных каналов анализатора встык с последующим определением S-параметров четырехполюсника, согласно изобретению дополнительно измеряют односигнальные комплексные коэффициенты отражения на входе и выходе четырехполюсника при поочередной подаче на них соответственно входного и выходного зондирующих сигналов, а также односигнальные комплексные коэффициенты отражения входного и выходного измерительных каналов анализатора при непосредственном соединении их измерительных входов встык при поочередной подаче на них соответственно выходного и входного зондирующих сигналов, кроме того, к анализатору подключают сдвоенный согласованный микрополосковый калибратор и дополнительно измеряют его комплексные коэффициенты отражения при поочередной подаче на него входного и выходного зондирующих сигналов, с последующей нормировкой S-параметров четырехполюсника, измеренных в коаксиальных измерительных каналах анализатора, относительно волнового сопротивления этого калибратора.

Введение новых отличительных признаков в известный способ в сочетании с известными признаками обеспечивает достижение поставленной задачи - повышение точности измерения S-параметров четырехполюсников, предназначенных для включения в микрополосковую линию, и положительного технического результата - повышение экономической эффективности систем автоматизированного проектирования усилителей и автогенераторов СВЧ. Исключение какого-либо из новых введенных отличительных признаков нарушает целостность предлагаемого способа и приводит к невозможности достижения поставленной цели и положительного технического результата.

Предлагаемый способ поясняется 2 чертежами.

На фиг.1 показано: а - сигнальный граф нагруженного четырехполюсника;

б - сигнальный граф непосредственного соединения плоскостей i-i (i=1,2) измерительных входов анализатора встык.

На фиг.2 показана эквивалентная схема замещения КП при подключении к нему согласованного микрополоскового калибратора.

Математическое описание способа. Для определения двухсигнальных ККО (1) на входе и выходе четырехполюсника, включенного в рассогласованные с нагрузками измерительные каналы анализатора, представим четырехполюсник в виде сигнального графа, показанного на фиг. 1а, где индексация по m для простоты упущена.

Используя правило не касающихся контуров, определим сигналы возбуждения и плоскостей входа и выхода четырехполюсника:

; (3)

; ,

где и - ККО входного и выходного измерительных каналов анализатора в плоскостях подключения к ним четырехполюсника (нагрузочные ККО) и то же ККО в индексации по j. Измерение нагрузочных ККО и осуществляют при непосредственном соединении плоскостей входов входного и выходного измерительных каналов анализатора встык.

Взяв отношение (3), получим:

. (4)

Для определения относительных возбуждений (4) представим анализатор при непосредственном соединении плоскостей входов его входного и выходного измерительных каналов встык, как показано на фиг.1б.

В этом случае сигналы возбуждения и определим в виде:

; . (5)

Взяв отношение (5), получим

;

откуда

; , (6)

где - двухсигнальные ККО, измеряемые при непосредственном соединении плоскостей входов входного и выходного измерительных каналов анализатора встык при тех же двух различных относительных сдвигов фаз и зондирующих сигналов и .

Кроме того, определим односигнальные ККО на входе и выходе четырехполюсника. Полагая в (4) , найдем

. (7)

Применяя к сигнальному графу, показанному на фиг.1а, правило не касающихся контуров, определим комплексные коэффициенты прямой и обратной передачи четырехполюсника

, (8)

где - определитель

. (9)

Вынося поочередно первые два члена и определителя (9) и осуществляя свертку согласно (7), получим другой его вид

. (10)

Определитель (10) обладает фундаментальным свойством - устанавливает связь и -параметров четырехполюсника через его ККО , что позволяет из (10) и (7) определить значение этих параметров. Для определения - и -параметров можно использовать измеренные ККП (8) или, как в нашем случае, двухсигнальные ККО (4).

Из равенства последних двух членов определителя (10) найдем

, (11)

где и - коэффициенты:

, . (12)

Подстановка (11) в (7) при с исключением произведения дает

. (13)

Решение двух уравнений (4) при и относительно и при и относительно позволяет определить эти S-параметры:

, (14)

.

Таким образом, выражения (11), (13) и (14) устанавливают связь измеренных ККО , и с S-параметрами четырехполюсника, нормированными относительно волнового сопротивления коаксиальных мер, используемых при калибровке анализатора.

Для нормировки S-параметров (11), (13) и (14) четырехполюсника, измеренных в коаксиальных измерительных каналах анализатора к волновому сопротивлению МПЛ, в которую будет включен этот четырехполюсник при его эксплуатации, необходима дополнительная калибровка анализатора расчетным микрополосковым согласованным калибратором или же двумя отрезками МПЛ (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68), волновое сопротивление которых должно соответствовать волновому сопротивлению МПЛ в которую будет включен четырехполюсник. Так, например, согласованный калибратор содержит МПЛ, которая, с одной стороны, нагружена на согласованную резистивную нагрузку, а с другой, снабжена ленточным выводом. Подключение такого калибратора в плоскости i – i входа коаксиального контактного устройства (ККУ) (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68) показано на фиг. 2, где - волновое сопротивление отрезка МПЛ, нагруженного на согласованную нагрузку с сопротивлением .

В процессе дополнительной калибровки анализатора измеряют ККО микрополоскового, например, согласованного калибратора в плоскостях i – i его подключения к ККУ. Плоскости i – i физически совпадают с вспомогательными плоскостями , где ККО . Введение плоскостей обусловлено существованием между плоскостями i – i и четырехполюсников с -параметрами рассеяния (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68). Эти четырехполюсники характеризуют неоднородность, которая существует в плоскостях i – i подключения МПЛ к ККУ. Сами неоднородности обусловлены конструктивным различием МПЛ и ККУ.

По измеренным ККО определяют -параметры рассеяния:

(15)

i = 1, 2,

где - волновое сопротивление ККУ, равное волновому сопротивлению коаксиальных мер, используемых при калибровке анализатора.

Нормировка -параметров (15) и, следовательно, последующая нормировка измеренных S-параметров (11), (13) и (14) первоначально нормированных относительно волнового сопротивления коаксиальных мер, используемых при калибровке анализатора, может быть осуществлена относительно произвольного волнового сопротивления расчетного согласованного микрополоскового калибратора, выбранного для калибровки анализатора.

С учетом -параметров (15) S-параметры (11), (13) и (14) четырехполюсника можно представить в виде каскадного соединения . Тогда -параметры четырехполюсника, нормированные относительно волнового сопротивления расчетного согласованного микрополоскового калибратора, используемого при дополнительной калибровке анализатора, можно определить из выражений (см. статью Савелькаев С.В. Коаксиальное контактное устройство / Измерительная техника. – 2005. – № 5. – С. 65–68):

(16)

где

Для S-параметров коаксиальных узлов .

Реализация предлагаемого способа. Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Исследуемый четырехполюсник включают в анализатор и измеряют двухсигнальные ККО (4) на его на входе и выходе , а также измеряют односигнальные ККО (7) на входе () и выходе () четырехполюсника при поочередной подаче на них соответственно входного и выходного зондирующих сигналов, а также односигнальные нагрузочные ККО (7) входного () и выходного () измерительных каналов анализатора при непосредственном соединении входов этих измерительных входов встык при поочередной подаче на них соответственно выходного и входного зондирующих сигналов, кроме того, измеряют двухсигнальные ККО (6) при непосредственном соединении плоскостей входов входного и выходного измерительных каналов анализатора встык при тех же двух различных относительных сдвигов фаз и зондирующих сигналов и , после чего к анализатору подключают сдвоенный согласованный микрополосковый калибратор и измеряют его односигнальные ККО (7) при поочередной подаче на него входного и выходного зондирующих сигналов, с последующим определением относительных возбуждений (6) и S-параметров четырехполюсника (11), (13) и (14) и нормировкой (16) S-параметров четырехполюсника, измеренных в коаксиальных измерительных каналах анализатора, относительно волнового сопротивления этого калибратора.

Технический результат: точное измерение S-параметров устройств СВЧ обеспечивает повышение экономической эффективности проектирования этих устройств за счет сокращения цикла опытно-конструкторских работ в 1,5-2 раза, что достигается за счет необходимости многократной технологической коррекции опытного образца этих устройств.