«Измерение параметров и характеристик сверхвысокочастотных линий связи и их компонентов» МИНСК, 2008 Ч цепям) относятся цепи, геометрические размеры которых соизмеримы с длиной волны распространяющихся вдоль них колебаний.СВЧ цепи можно разбить на: двухполюсники (ДП) и четырехполюсники (ЧП). Из теории длинных линий известно, что для полного описания свойств двухполюсников (ДП) достаточно знать волновое (характеристическое) сопротивление линии (W), на котором он сконструирован, и комплексный коэффициент отражения в рабочем диапазоне частот.
Комплексный коэффициент отражения определяется как отношение комплексной амплитуды напряжения волны отраженной от ДП к комплексной амплитуде напряжения волны, падающей на него: . (1) Значение и характер позволяет оценить качество согласования полного сопротивления ДП с волновым сопротивлением тракта.Количественно эта связь определяется отношением . (2) На практике также часто пользуются значением коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) КСВН – определяется как отношение максимальной (Umax) и минимальной (Umin) амплитуд электрического поля стоячей волны в линии передачи: . (3) На рисунке 1,в показана картина стоячих волн напряжения в линии передачи СВЧ (рисунок 1,а). В этой линии имеет место интерференция падающих (Uп) и отраженных волн (U0). На рисунке 1,б показана векторная диаграмма, показывающая образование суммарного сигнала UΣ. Значения и связаны между собой следующим соотношением: . (4) Описанные выше параметры полностью определяют номенклатуру измеряемых параметров ДП. Номенклатуру измеряемых параметров ЧП составляют элементы матрицы S-параметров: , (5) Эту матрицу называют еще матрицей рассеяния. Смысл ее элементов следующий.
На приведенном ниже рисунке 2 приведена эквивалентная схема ЧП на СВЧ. Рисунок 2 Напряжение нормированные комплексные амплитуды волн, реально падающие на ЧП, отраженных от него и прошедших через него. Элементы матрицы S – параметров представляют собой комплексные коэффициенты отражения и передачи ЧП и определяются из выражений – коэффициент отражения входа ЧП; – коэффициент отражения выхода ЧП; – коэффициент передачи со входа на выход; Коэффициент передачи с выхода на вход . Для измерения описанных выше параметров на практике используется следующие приборы: Р1 – измерительные линии; Р2 – панорамные измерители коэффициентов отражения и передачи (скалярные анализаторы цепей – САЦ); Р3 – измерители полных сопротивлений; Р4 – измерители S-параметров (векторные анализаторы цепей – ВАЦ); Р5 – измерители неоднородностей линий передачи (импульсные рефлектометры). Методы измерения, на которые базируются приборы перечисленных видов можно разбить на три группы: 1) основанные на анализе распределения поля стоячей волны в линии передачи (Р1 и Р3); 2) связанные с выделением и измерением отношений направлений падающих, отраженных и прошедших волн (Р2 и Р4); 3) метод импульсной (временной) рефлектометрии (Р5). Основные методы и средства измерений параметров СВЧ цепей Обобщенная структурная схема измерителя (анализатора) СВЧ цепей Обобщенная структурная схема измерителя СВЧ цепей представлена на рисунке 3. Назначение и основные функции блоков измерителя: Генератор качающейся частоты (ГКЧ) - формирование СВЧ измерительного сигнала и управление этим сигналом; СВЧ измерительный тракт - выделение информационных СВЧ измерительных сигналов; Преобразователь информационно  измерительных сигналов - преобразование информационных  измерительных сигналов из СВЧ диапазона в НЧ диапазон; Блок измерительный: - фильтрация и усиление преобразованных сигналов; - функциональные преобразования сигналов; - управление процессом измерения; - индикация и отсчет результатов измерения.
Типы измерительных трактов и их компоненты По принципу действия схемы измерительных трактов делятся на: – интерференционные; – рефлектометрические.
Интерференционные схемы используются в измерительных линиях.
Принцип действия рефлектометрических схем основан на выделении с помощью направленных ответвителей сигналов пропорциональных мощностям падающей, отраженной и прошедшей волн. Измерительные направленные ответвители На рисунке 4,а изображен однонаправленный волноводный ответвитель, ориентированный на отраженную волну, а на рисунке 4,б – схемы сложения возбуждающихся волн. Под воздействием токов, протекающих по стенкам основного волновода щели А и В возбуждают во вторичном волноводе электромагнитной волны, которая распространяется в разные стороны от щелей.
Если энергия падающей волны Рn распространяется слева направо, то поле, возбужденное щелью А, сложится в фазе с полем, возбужденным В, так как пути пройденные ими равны и равны λв/4 (диаграмма 1). Энергия суммарного поля во вторичном волноводе поглотится согласованной нагрузкой (СН). Поля этой же волны распространяющиеся во вторичном волноводе справа налево сложатся в противофазе (диаграмма 2), так как пути, пройденные ими будут отличаться на λв/2 и если они равны, то (т.е. они взаимно уничтожаются). Таким образом энергия поля, возбуждающегося во вторичном волноводе под действием падающей волны не вызовет тока в цепи детектора.
Аналогичное рассмотрение процесса сложения полей, возбужденных щелями А и В при распространении энергии отраженной волны (диаграммы 3,4), позволяет сделать вывод о том, что ток, вызываемый в цепи детектора будет пропорциональным мощности отраженной волны . Если переориентировать направление ответвления на падающую волну, то ток детектора будет пропорционально . Основными параметрами направленных ответвителей являются – переходное ослабление, направленность и КСВН входов (выходов). Переходное ослабление – величина связи первичного и вторичного каналов направленных ответвителей.
Оно обычно выражается в децибелах и равно: . (6) В измерителях обычно используются направленные ответвители с С=10 или 20 дБ. Направленность ответвителя – величина, характеризуется «просачивание» в плечо с детектором поля неосновной волны, то есть волны, противоположной той, на которую ориентирован направленный ответвитель. Направленность также определяется в децибелах и равна: , (7) Промышленные направленные ответвители имеют направленность порядка 30…50 дБ с КСВН входов от 1,1 до 1,3. Скалярные анализаторы цепей Современные скалярные анализаторы цепей (панорамные измерители коэффициентов отражения и передачи) состоят из ГКЧ с системой автоматического регулирования мощности (АРМ), СВЧ измерительного тракта (рефлектометра), состоящего из трех последовательно соединенных направленных ответвителей и унифицированного индикатора.
Структурная схема скалярного анализатора представлена на рисунке 5. На выходе ГКИ формируется частотно и амплитудно-модулированный СВЧ сигнал постоянного уровня.
Для частотной модуляции в качестве модулирующего направления используется сигнал генератора развертки, который конструктивно входит в ГКЧ. Амплитудная модуляция обычно осуществляется напряжением типа «меандр» частоты 100 КГц от внутреннего или внешнего источника модулирующего напряжения.
Постоянство выходной мощности ГКЧ поддерживается с помощью системы АРМ, которая работает по сигналу , подаваемому из индикатора в генератор.
Использование измерителя отношений в индикаторном блоке существенно снижает требования к качеству стабилизации выходной мощности ГКЧ. ГКЧ включает в себя и блок частотных меток.
Выходные сигналы этого блока после преобразования в индикаторе воспроизводятся на изображении исследуемых характеристик в виде подвижных частотных меток.
Измерительный тракт состоит из трех направленных ответвителей (НО). НО1 ответвляет сигнал пропорциональный мощности падающей волны Рn; НО2 - мощности отраженной волны Р0; НО3 - мощности прошедшей волны Рпр. Сигналы НО детектируются квадратичными детекторами.
Выходные напряжения детекторов позволяют определить модуль коэффициента отражения: , (8) и ослабление: , (9) Для скалярных анализаторов цепей характерно применение унифицированного индикатора КСВ и ослабления, работающего на частоте амплитудной модуляции ГКЧ. Этот индикатор обеспечивает усиление сигналов пропорциональных деление их с помощью измерителя отношений, детектирование и панорамное воспроизведение на экране ЭЛТ измеряемых характеристик в линейном и логарифмическом масштабах с отсчетом значений измененных величин.
Источники погрешности скалярных анализаторов цепей: 1) неточность установки и нестабильность частоты ГКЧ; 2) неидеальность и неиндентичность направленных ответвителей; 3) погрешности индикатора; 4) неквадратичность характеристик детекторов.
ЛИТЕРАТУРА 1 Метрология и электроизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов /А.С. Сигов, Ю.Д. Белик. и др./ Под ред. В.И. Нефедова. – 2-е изд перераб. и доп. – М.: Высш. шк 2005. 2 Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007. 3 Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Б.П. Хромого. – М.: Радио и связь, 2006.