Широкосмужні малогабаритні мікрохвильові перетворювачі для вимірювання параметрів антенно-хвильовідних трактів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Севастопольський державний технічний університет

Лащенко Ірина Вікторівна

УДК621. 372. 852. 5: 621. 317. 74

Широкосмужні малогабаритні мікрохвильові перетворювачі для вимірювання параметрів антенно-хвильовідних трактів

05. 12. 07 - Антени та пристрої мiкрохвильової технiки

Автореферат

дисертації на здобуття вченому ступені кандидата технічних наук

Севастополь - 1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському державному технічному університеті (департамент радіотехніки).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Бондаренко Іван Кирилович (Севастопольський державний технічний університет).

Офіційні опоненти: - доктор фізико-математичних наук, професор Яцук Клара Прокофьевна (Харківський державний університет) - кандидат технічних наук, головний конструктор Єрмолов Павло Петрович (Пiдприємство «Вебер»).

Провiдна установа - Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський полiтехнiчний iнститут», м. Київ

Захист відбудеться «_24_» ____06______ 1999 року о 10 годинi на засіданні спеціалізованої вченої Ради К50. 052. 03 при Севастопольському державному технічному університеті (335053, м. Севастополь, Стрілецька бухта, студмiстечко, 4-й учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Севастопольського державного технічного університету.

Автореферат розісланий “_20_ “ _____05_______ 1999 року.

широкосмужний малогабаритний мiкрохвильовий перетворювач

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Вдосконалення вимірників параметрів антенно-хвильовiдних трактів радiотехнічних систем вимагає постійного поліпшення технічних характеристик мiкрохвильових перетворювачів, що є основною структурною ланкою таких вимірників. Особливий інтерес представляє розробка широкосмужніх малогабаритних, конструктивно простих і недорогих мiкрохвильових перетворювачів, які дозволяють не тільки підвищити точність вимірювання, але і використати їх як датчики вбудованого контролю параметрів антенно-хвильовiдних трактів.

Існуючі методи побудови мiкрохвильових перетворювачів відрізняються або складністю конструкторської реалізації, що має місце при використанні направлених вiдгалужувачей і подвійних хвильовiдних трійників, або недостатньою широкосмужностю у разі застосування аналізаторів розподілу електромагнітного поля в дискретних точках вздовж хвилевода.

Основна проблема при побудові широкосмужних багатодетекторних аналізаторiв поля пов'язана з необхідністю отримання малозалежних від частоти фазовий зсувів між сигналами, що відгалужуються в хвилеводи детекторних головок перетворювача.

У відомих багатодетекторних перетворювачах отримати такі фазовi зсуви між всіма сигналами не представляється можливим, що приводить до істотних частотних погрішностей.

Крім того, в існуючих багатодетекторних перетворювачах не врахований вплив розмірів щілин зв'язку на модулі і фази комплексних амплітуд хвиль, що відгалужуються в детекторні головки, що приводить до значних погрішностей у визначенні фазових зсувів між сигналами і, зрештою, до зменшення точності вимірювання параметрів антен і елементів хвильовiдних трактів. Вирішити задачу визначення оптимального поєднання всіх впливаючих чинників можна тільки за допомогою багатопараметричной оптимізації параметрів перетворювача.

Таким чином, проблема розробки методів побудови широкосмужних, малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів для вимірювання комплексних параметрів антен і хвильовiдних пристроїв, є актуальною, що має велике наукове і прикладне значення.

МЕТА І ОСНОВНІ ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Метою справжньої роботи з'явилася розробка методів побудови широкосмужних малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів і створення на їх основі високоточних автоматизованих вимірників комплексних параметрів антен і НВЧ пристроїв.

Основні задачі дослідження включали наступне:

1. Розробку методів побудови первинних перетворювачів з малозалежнимi від частоти фазовий зсувами між сигналами, що відгалуджуються в хвилеводи детекторних головок.

Теоретичне і експериментальне дослідження впливу розмірів щілин зв'язку на модулі і фази комплексних амплітуд хвиль, що відгалуджуються в хвилеводи детекторів, а також дослідження впливу варіації геометричних параметрів щілин зв'язку двох детекторних головок на частотну залежність зсуву фаз сигналів, що поступають на НВЧ діоди.

Оптимізацію геометричних параметрів щілевих елементів зв'язку з метою стабілізації фазового зсуву між сигналами в діапазоні частот хвилевода і забезпечення мінімальної частотної погрішності.

Оцінку і мінімізацію погрішностей вимірювання, зумовлених неідентичністю амплітудно-фазових характеристик детекторів, перевідображеннем від виходу генератора, нестабільністю НВЧ потужності в діапазоні частот.

Експериментальне дослідження характеристик мiкрохвильових перетворювачів і побудованого на їх основі автоматизованого вимірника комплексних параметрів антен і хвильовiдних пристроїв.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Для отримання основних теоретичних результатів були використані: метод пробної хвилі - визначення нормованої комплексної амплітуди хвилі в хвилеводі детектора; методи інтегрування трансцендентних функцій - дослідження впливу довжини щілини на модуль і фазу комплексної амплітуди хвилі; метод багатопараметричної оптимізації Хука-Джівса - визначення нормованих геометричних параметрів хвильовiдних щілевих елементів зв'язку; топологiчнi методи - визначення залежності параметрів вимірників від характеристик складаючих елементів; їімовірністно-статистичний метод - оцінка погрішностей вимірників; комп'ютерне моделювання і натурний експеримент.

НАУКОВА НОВИЗНА

При виконанні дисертації вперше отримані наступні результати:

запропоновані методи побудови широкосмужних малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів з малозалежними від частоти фазовими зсувами між сигналами, що поступають на детектори;

отримана аналітична залежність для комплексної амплітуди хвилі, збуджуючої хвилевод детектора, і для фазового зсуву сигналів в двох щілевих хвильовiдних вiдгалужувачей, що є функціями довжини хвилі і геометричних параметрів щілин: довжини, ширини, кутів нахилу, координат центрів;

визначені оптимальні нормовані значення геометричних параметрів щілин зв'язку, що забезпечують квазипостійність фазового зсуву в діапазоні частот хвилевода і мінімізацію частотної погрішності мiкрохвильових перетворювачів;

запропоновані способи корекції погрішностей, зумовлених неідентичністю амплiтудно-частотних характеристик детекторів, віддзеркаленням від генератора, нерівномірністю НВЧ потужності в діапазоні частот;

експериментально досліджені основні характеристики мiкрохвильових перетворювачів і автоматизованого вимірника параметрів НВЧ пристроїв.

ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ

Розроблені чотири варіанти широкосмужних малогабаритних конструктивно простих мiкрохвильових перетворювачів і автоматизований вимірник параметрів антенно-хвильовiдного тракту на їх основі.

Розроблена iнженерна методика розрахунку геометричних параметрів щілевих елементів зв'язку детекторних головок з первинним хвилеводом на будь-який перетин.

Розроблені методи розрахунку фазочастотних характеристик перетворювачів, мінімізуючі відхилення фазового зсуву від номінального значення в діапазоні частот хвилевода. Розроблена методика експериментального дослідження мiкрохвильових перетворювачів і вимірювального приладу.

Розроблене програмне забезпечення, що дозволяє реалізувати процедуру вимірювання і калібрування, графiчну і числову індикації результатів, діалоговий режим і інші сервісні можливості.

Результати дисертацiйної роботи впроваджені в Севастопольському державному технічному університеті, в Севастопольському КБ радіозв'язку, в Севастопольському військово-морському інституті.

ВИПРОБУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ

Основні положення дисертацiйної роботи докладалися і обговорювалися на 7 міжнародних і 2 республіканських конференціях:

5-й Міжнароднiй Кримськiй конференції ''НВЧ техніка і супутниковi телекомунікаційнi технології'', Криміко-95. - м. Севастополь, 1995;

Міжнароднiй науково-технічної конференції ''Вимірювання'', м. Каунас, 1996;

3-й Українськiй конференції ''Автоматика-96'', м. Севастополь, 1996;

6-й Міжнароднiй Кримськiй конференції ''НВЧ техніка і телекомунікаційнi технології'', м. Севастополь, 1996;

Міжнароднiй конференції ''Актуальні проблеми електронного приладобудування (АПЕП 96) '', м. Новосибірськ, 1996;

7-й Міжнароднiй Кримськiй мікрохвильовiй конференції, м. Севастополь, 1997;

Міжнароднiй науково-технічнiй конференції '' Електроніки 97'', м. Каунас, 1997;

8-й Міжнароднiй Кримськiй мікрохвильовiй конференції, м. Севастополь, 1998;

1-й науково-технічнiй конференції ВМС України «Проблемні питання будівництва ВМС, розвиток озброєння і військової техніки», м. Севастополь, 1998.

ПУБЛІКАЦІЇ

По матеріалах досліджень опубліковано 23 роботи: 5 наукових статей, 5 патентів, 1 депонований рукопис, 9 матеріалів доповідей, 2 інформаційних листка і 1 зареєстрований звіт про НДР.

СТРУКТУРА І ОБ'ЄМ ДИСЕРТАЦІЇ

Дисертація складається з введення, чотирьох розділів і висновку, списку використаних джерел і додатків.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ, ЩО ВИНОСЯТЬСЯ НА ЗАХИСТ

Методи побудови широкосмужних малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма поступаючими на детектори сигналами, що забезпечують мінімально можливу частотну погрішність.

Результати теоретичного дослідження впливу геометричних параметрів щілин зв'язку на комплексні амплітуди хвиль і на фазовий зсув між сигналами, що відгалуджуються в детектори.

Результати багатопараметричної оптимізації нормованих розмірів щілин і координат їх центрів, а також кутів їх нахилу, що забезпечують мінімізацію відхилення фазового зсуву від необхідного значення в діапазоні частот хвилевода.

Результати розробки вимірювального комплексу на основі запропонованих мiкрохвильових перетворювачів і методи корекції домінуючих погрішностей.

Результати експериментального дослідження параметрів мiкрохвильових перетворювачів і вимірювального комплексу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, виділені положення, що виносяться на захист, анотується зміст дисертацiйної роботи.

У першому розділі дисертації виконаний аналітичний огляд методів побудови первинних перетворювачів, вимірників комплексних параметрів мiкрохвильових пристроїв з точки зору використання їх як в стаціонарних заводських і лабораторних умовах, так і в приладах вбудованого контролю.

Критеріями для порівняльного аналізу були точність вимірювання, смуга робочих частот, конструктивні особливості і вартість, габарити і можливість автоматизації процесу вимірювання, функціональні можливості приладу. Проведений аналіз дозволив зробити висновок про перспективність вимірювальних комплексів, побудованих на базі багатоелементних (багатодетекторних) первинних перетворювачів, що поєднують простоту конструкції з малими габаритами, невисокою вартістю, можливістю використання як при вимірюванні коефіцієнта віддзеркалення, так і коефіцієнта передачі.

Розглянуті різні варіанти щілевих зв'язків детекторних головок з первинним хвилеводом. Для зменшення частотної погрішності вимірника в діапазоні робочих частот необхідно, щоб електрична відстань між всіма детекторами була квазипостійна в діапазоні частот. Однак, у відомих багатодетекторних перетворювачах ця умова виконується в неповному об'ємі - між деякими детекторними головками електрична відстань залежить від частоти, тому погрішність недопустимо зростає при розширенні робочої смуги частот. На фазовий зсув між сигналами на входах діодів НВЧ істотно впливають розміри щілин зв'язку (довжина і ширина). У існуючих типах перетворювачів це не враховане. Виходячи з вищевикладеного, в заключній частині розділу сформульовані задачі, направлені на досягнення основної мети роботи: знайти метод побудови мiкрохвильового первинного перетворювача з малозалежнимi від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами; дослідити вплив на фазовий зсув між двома відгалуженими сигналами довжини і ширини щілин і визначити умови, при яких фазовий зсув буде квазипостійним в діапазоні частот хвилевода і, отже, добитися зменшення частотної погрішності; розробити алгоритм обробки вимірювальної інформації, що виключає інші складаючі погрішності; розробити і дослідити вимірювально-обчислювальний комплекс.

У другому розділі проведене теоретичне дослідження щілевих елементів зв'язку, внаслідок якого отримані співвідношення для комплексних амплітуд хвиль, що розповсюджуються в хвилеводах детекторних головок, встановлених торцем на широку стінку первинного хвилевода, і аналітична залежність фазового зсуву між цими хвилями від довжини хвилі і всіх геометричних параметрів щілин, в тому числі їх довжини і ширини. Зроблена багатопараметрична оптимізація фазового зсуву, що залежить від довжини і ширини щілин, відстані між їх центрами, кутами нахилу, зміщенням центрів щілин відносно вузької стінки, з метою досягнення мінімальних відхилень фазового зсуву від номінального значення в діапазоні частот хвилевода.

Нормована комплексна амплітуда хвиля типа Н₁₀, збуджена в хвилеводi В, який встановлений торцем на широкiй стінцi основного хвилевода А (мал. 1), виражається через розподіл магнітних сторонніх струмів

, (1)

де j^м_ст - щільність стороннього магнітного струму;

(J^м_стl) - момент стороннього магнітного струму випромінювача;

V_м - магнітна поляризуємiсть отвору;

Рн - одинична потужність нормованої хвилі, що розповсюджується в хвилеводі А;

Н_В - усереднене значення напруженності магнітного поля щілини для хвилевода В

, (2)

Н_А - усереднене значення напруженності магнітного поля щілини для хвилевода А

= e^-inrdr + i e^-inr dr, (3)

K₁ = (V_м1 sin²a+V_м2cos²a) 2a₁/l_вA; K₂ = sin a cos a (V_м2 - V_м1) ;

m = (p sin a) /a₁; n = (2p/l_вА) cosa. ;

l_{вА -} довжина хвилі в хвилеводі А;

V_м1 і V_м2 - подовжня і поперечна магнітні поляризуємiстi щілин.

Підставляя (2) i (3) в рівняння (1) і вирішуючи його, отримаєм значення нормованої комплексної амплітуди хвилi . Аналогічно визначається амплітуда хвилі, що збуджується другою щілиною, розташованою дзеркально першiй і виддаленiй вздовж хвилевода на відстань Z₀.

Фазовий зсув між сигналами, що відгалужуються двома похилими щілинами, визначається наступною аналітичною залежністю

, (4)

де - нормована довжина хвилi;

а - розмір широкої стінки первинного хвилевода А;

коефіцієнт, що враховує відношення ширини щілини до її довжини

; (5)

М - коефіцієнт, що враховує довжину щілини

(6)

;

L_Н=L/2a - нормована довжина щілини.

При підстановці (6) і (5) в (4) видно, що фазовий зсув двох сигналів є функцією шести змінних

Ф = f (_в^Н, b, Z_o^H, х_о^Н, L^H, S/L). (7)

Тут - нормованi значення зміщення центрiв щілин і поперечна координата центрiв щілин, відповідно.

Метою проведеної багатопараметричної оптимізації функції Ф було визначення таких значень геометричних параметрів щілин (b, Z_o^H, х_о^Н, L^H, S/L), при яких відхилення фазового зсуву від номінального значення (наприклад, Ф_ном=90^О, або Ф_ном =45^О) було б мінімальним при зміні довжини хвилі l_в в діапазоні частот хвилевода.

Функція, що характеризує відхилення залежності фазового зсуву від довжини хвилі від прямої, запишеться вираженням:

l_вдл^Н

F = {p/2-[pZ₀^Н/l_в^Н + 2arctg (l_в^НYМ) ]}²dl_в^Н.

l_вк^Н

Тут l_вк^Н, l_вдл^Н - задані кордони діапазону оптимізації характеристики, l_в^Н - поточна координата, Z_o^H и b, х_о^Н, L^H, S/L - параметри, що оптимізуються. Максимальне число параметрів, що визначаються - п'ять, але воно може бути зменшене у разі задання певного значення деяких параметрів з конструктивних або інших міркувань, для параметрів, що залишилися, конструкцією визначаються межі зміни. Відповідно, розроблені декілька варіантів процедури оптимізації.

Програма оптимізації розроблена на основі методу Хука-Джівса. Пошук мінімуму функції складається з послідовності кроків досліджуючого пошуку навколо базисної точки, за якою, у разі успіху, слідує пошук за зразком. При пошуку за зразком використовується інформація, отримана в процесі дослідження і що визначає оптимальний напрям мінімізації функції.

Внаслідок оптимізації функції в 37% -нiй смузі частот при Ф_ном=90^О отримані наступні значення нормованих геометричних параметрів:

_opt=28. 8393^О, Z^H_opt=0. 2189, х^Н=0. 25, L^H=0. 2, S^H=0. 02.

Залежність Ф=f_opt (_в^Н) зоображена на мал. 2. Максимальні відхилення фазовий зсуву _max від Ф_ном=90^О не перевищують 1. 6^О, аналогічні розрахунки для Ф_ном=45^О дозволяють досягнути значення _max, що не перевищує 0. 8^О. Така стабілізація фазового зсуву в смузі частот сприяє зменшенню частотної погрішності вимірника.

Малюнок 2. Залежність Ф=f_opt (_в^Н)

У третьому розділі розроблена математична модель первинного мiкрохвильового перетворювача з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами і вимірювально-обчислювальний комплекс для визначення параметрів мiкрохвильових пристроїв; проаналізована погрішність вимірювання і запропоновані способи корекції домінуючих складових цієї погрішності.

Аналіз розподілу електромагнітного поля вздовж лінії і визначення комплексного коефіцієнта віддзеркалення (ККВ) здійснюється за допомогою трохсигнального первинного перетворювача, для якого послідовні фазовi зсуви між сигналами рівні 45^О. У цьому випадку для НВЧ ланцюга, що складається з первинного перетворювача, НВЧ генератора і навантаження, що досліджується, сигнали, отримані з детекторів, мають вигляд

1 + Г_х² - 2Г_х cosf_х

U₁ = k₁U² ; (8)

1 + Г_г² Г_х² - 2Г_г Г_хcos (f_х + f_г)

1 + Г_х² + 2 Г_х sin f_х

U₂ = k₂U² ; (9)

1 + Г_г² Г_х² - 2Г_г Г_хcos (f_х + f_г)

1 + Г_х² + 2 Г_х cosf_х

U₃ = k₃U² , (10)

1 + Г_г² Г_х² - 2Г_г Г_хcos (f_х + f_г)

де U - амплітуда падаючої хвилі на виході генератора НВЧ;

Гх, f_{х -} відповідно модуль і фаза комплексного коефіцієнта віддзеркалення пристрою, що досліджується;

Гг, f_{г -} модуль і фаза комплексного коефіцієнта віддзеркалення виходу генератора;

k₁, k₂, k_{3 -} коефіцієнти передачі відповідних елементів перетворювача, що залежать від перехідних послаблень щілин, амплiтудно-частотних характеристик (АЧХ) хвилеводів детекторних головок і коефіцієнтів перетворення НВЧ діодів.

При відмінності фазових зсувів між сигналами від 45^О при зміні частоти вираження дещо ускладнюються. Обробка напружень з детекторів (8-10) дозволяє виділити інформацію про комплексний коефіцієнт віддзеркалення (ККВ) пристрою, що досліджується. Погрішність вимірювання модуля і фази коефіцієнта віддзеркалення можна знизити, якщо добитися ідентичності коефіцієнтів передачі k_i (k₁k₂k₃), зменшити коефіцієнт віддзеркалення від виходу генератора Г_г, стабілізувати фазовий зсув між сигналами в діапазоні частот.

Як видно з виражень (8) і (10), фазовий зсув між сигналами з першого і третього елементів перетворювача становить 90^О. У другому розділі показано, що в діапазоні частот відхилення від цього номінального значення не перевищує 1. 6^О. Зв'язок другої детекторної головки з первинним хвилеводом здійснюється за допомогою двох щілин, виконаних ідентичними щілинам зв'язку першої і третьої головок. Центри цих щілин лежать в тих же поперечних площинах, що і центри щілин першої і третьої головок (мал. 3). Сигнал, що відгалужується в хвилевод детекторної головки Д2, буде відставати по фазі на 45^О від сигналу з Д1 і випереджати на 45^О сигнал з головки Д3. Таким чином, вдалося отримати малозалежнi від частоти фазовi зсуви між всіма сигналами, що знімаються з первинного перетворювача. Відхилення від фазового зсуву, рівного 45^О, не перевищує 0. 8^О в 37% -ний смузі частот, що дозволило більш ніж в два рази зменшити частотну погрішність в порівнянні з відомими вимірниками.

Проведений аналіз показав, що частотні погрішності вимірювання модуля і фази коефіцієнта віддзеркалення визначаються наступними вираженнями:

dГ_хf=, (11)

2sin (f_х-Df) -sinDf (1+ Г_х²) /Г_х

Df_хf = arctg - f_х, (12)

2 cosf_х-2sin (f_х-Df) sinDf

Погрішність, пов'язана з перевіддзеркаленням від генератора, рівна:

dГ_хген= 1/ [1+Г_г²Г_х²-2Г_гГ_х cos (f_х+f_г) ] - 1. (13)

На точність вимірювання також впливає неідентичність коефіцієнтів k₁, k₂, k₃ в діапазоні частот. І хоч щілини зв'язку всіх трьох детекторних головок однакові і їх АЧХ не відрізняється один від одного, нерівність коефіцієнтів пов'язана, в основному, з неоднаковими коефіцієнтами перетворення НВЧ діодів. Відносна погрішність вимірювання модуля визначається співвідношенням:

dГ_хk = ;

а абсолютна погрішність вимірювання аргументу

,

где ;

.

Вказані джерела погрішності вносять істотний внесок в результуючу погрішність, і для підвищення точності вимірювання їх потрібно виключити. З метою корекції цих погрішностей запропонований алгоритм обробки вимірювальної інформації, для реалізації якого розроблений вимірювально-

обчислювальний комплекс. Його структурна схема включає наступні основні блоки: ЕОМ, пристрій сполучення, генератор НВЧ з електронною дискретною перебудовою частоти, первинний НВЧ перетворювач, досліджуємий мiкрохвильовий пристрій.

Перед вимірюванням модуля і фази ККВ прилад калібрується на кожній з частот діапазону по узгодженому навантаженню (Г_х=Г_н=0). Каліброванi значення напружень, що знімаються з детекторів Д1, Д2, Д3 будуть відповідно рівні:

U_1к=k₁U₂, U_2к=k₂U₂, U_3к=k₃U₂. (14)

Вимірювальні (8-10) і калібрувани (14) сигнали обробляються по наступному алгоритму:

; (15)

(16)

, (17)

где К=.

(18)

Приведена вище обробка сигналів з детекторів дозволила виключити погрішності, пов'язані з неідентичністю АЧХ детекторів, зміною рівня потужності генератора в діапазоні частот, перевіддзеркаленням від генератора. Розроблене програмне забезпечення дозволяє оператору повністю керувати всим процесом вимірювань і спостерігати на екрані монітора параметри, що вимірюються в графічній і числовiй формах.

Модернізований варіант розглянутого трохщілевого перетворювача має чотири детекторні головки. Четверта головка збуджується похилою щілиною, що є дзеркальним відображенням щілини головки Д2 відносно поперечної щілини. Номінальний фазовий зсув між сигналами, що поступають на другий і четвертий детектори, становить 90^О, таким чином, між сигналами всіх сусідніх головок фазовi зсуви будуть рівні 45^О. Алгоритм обробки вимірювальних і калібруваних сигналів для отримання інформації про значення модуля і фази ККВ з чотирохдетекторного перетворювача значно простіший. Як показав аналіз, частотні погрішності вимірювання модуля і фази, приблизно, такі ж як і у вимірникові з трохщілинним перетворювачем. Запропонований і досліджений трохсигнальний чотирищілевий однодетекторний мiкрохвильовий перетворювач, який реалізовує послідовний аналіз амплитудно-фазового розподілу сигналів у хвильовiдном тракті. Вимірювально-обчислювальний комплекс, побудований на базі цього перетворювача (мал. 6), призначений для вимірювання всіх S-параметрів чотирохполюсника.

У комплекс входять мiкрохвильовий перетворювач (1), пристрій сполучення (2), генератор з дискретною перебудовою частоти (3), ПЕОМ (4), пристрій, що досліджується (5). Мiкрохвильовий перетворювач складається з двох відрізків прямокутного хвилевода, пов'язаних між собою відрізком позамежного хвилевода з симетрично розташованим в ньому НВЧ діодом, який збуджуєтся двома ідентичними парами щілин зв'язку 1-2 і 3-4. Фазовий зсув між сигналами, що відгалуджуються похилими щілинами зв'язку 1-2, (3-4), як і в розглянутому вище трохдетекторном чотирохщілинному перетворювачі, становить, приблизно, 90^О в діапазоні частот хвилевода. У щілинах встановлені p-i-n діоди, за допомогою яких може здійснюватися комутація щілин. Верхній канал навантажений узгодженим навантаженням (7). Чотириполюсник, що досліджується підключається між каналами перетворювача за допомогою U-образного 180-градусний вигину (6). Центри щілин 1 і 3 знаходяться в одній поперечній площині, а центри щілин 2 і 4 в іншій. Прилад може працювати як в режимі вимірювання коефіцієнта віддзеркалення (ККВ), так і в режимі вимірювання коефіцієнта передачі (ККП).

У режимі вимірювання ККВ щілини 3 і 4 постійно закриті. При відкритій щілині 1 і закритій щілині 2 з виходу НВЧ діода на пристрій сполучення поступає сигнал, що описується вираженням (8), при відкритій щілині 2 і закритій 1 - вираженням (10), а коли відкриті обидві щілини з виходу діода знімається сигнал, що описується вираженням (9). Обробка цих сигналів дозволяє отримати інформацію про модуль і фазу ККВ.

Малюнок. Функціональна схема однодетекторного перетворювача

У режимі вимірювання комплексного коефіцієнта передачі (ККП) задіяні всі чотири щілини. Спочатку на пристрій сполучення поступає напруга з НВЧ діода при відкритих щілинах 1 і 3 (щілини 2 і 4 закриті), потім при відкритих щілинах 2 і 4 (закриті щілини 1 і 3) і, нарешті, при всіх відкритих щілинах 1, 2, 3, 4. У кожному випадку на діод поступають сигнали падаючої, віддзеркаленої і хвилi, яка пройшла через дослiджуванний пристрiй. Сигнали, пропорційні амплітудам падаючої і відображеної хвиль поступають через щілини 1 і 2 нижніх канали перетворювача, а сигнали, пропорційні амплітуді хвилі, яка пройшла через дослiджуванний чотирохполюсник, через щілини 3 і 4 верхнього каналу. Обробка цих сигналів і проміжних результатів вимірювання ККВ дає інформацію про модуль і фазу ККП.

Погрішність вимірювання модулів і фаз ККВ і ККП з використанням однодетекторного перетворювача, приблизно така ж, як і при використанні трехдетекторного чотирехщілинного перетворювача, якщо параметри p-i-n діодів відповідають вимогам, що пред'являються.

Кожний з варинтов мiкрохвильових перетворювачів має певні переваги. У першому варіанті всі щілини мають ідентичні амплiтудно-частотні характеристики, такий перетворювач може використовуватися у вимірникові параметрів з осцилографiчною індикацією. Детекторні головки другого і третього варіантів перетворювачів мають однакові конструкції, крім того ці перетворювачі мають меншу частотну погрішність. У чотирехдетекторном перетворювачі обробка сигналів дозволяє підвищити точність вимірювання близьких до одиниці значень модулів коефіцієнтів віддзеркалення навантажень, що вимірюються. Однодетекторний перетворювач може використовуватися як для вимірювання коефіцієнта віддзеркалення, так і коефіцієнтів передачі.

У четвертому розділі розглядаються питання розробки і практичної реалізації вимірювально-обчислювального комплексу для визначення параметрів мiкрохвильових пристроїв і результати його експериментального дослідження.

Різні варіанти мiкрохвильових перетворювачів побудовані на базі первинного хвилевiда перетином 3515 мм; для детекторних головок використовувався хвилевiд перетином 2310 мм. Основними вимогами до детекторних головок були їх широкосмужность і задовільна чутливість у всьому діапазоні частот.

Використаний стандартний генератор діапазону 5, 35…8, 5 ГГц з комплекту панорамного вимірника Р2-59 з внутрішньою модуляцією на p-i-n діодах і можливістю зовнішнього управління частотою генерації. Розроблений блок управління генератором, що здійснює числову перебудову частоти. Розроблений блок сполучення забезпечує посилення, фільтрацію, детектування і аналогово-числове перетворення сигналів з первинного перетворювача. Вимірювальна інформація обробляється в ЕОМ, параметри елемента, що досліджується визначаються в числовій і графічній формі в реальному масштабі часу. Розроблене програмне забезпечення вимірювально-обчислювального комплексу. Проведене експериментальне дослідження окремих блоків і розробленого вимірювально-обчислювального комплексу загалом із застосуванням зразкових заходів, що мають погрішності: 1% по модулю і 1^О по фазі. Результати вимiрювань підтверджують проведені теоретичні дослідження. Максимальна погрішність вимірювання модуля ККВ не перевищувала 3. 5%, фази 3^О при КСХ = 2.

Вимірювально-обчислювальний комплекс перспективний для застосування в технологічних процесах контролю при серійному виробництві елементів антенно-хвильовiдних трактів, для дослідницької роботи. Розроблені мiкрохвильовiднi перетворювачі за рахунок малих габаритів можуть бути застосовані як датчики вбудованого контролю і діагностики стану параметрів НВЧ трактiв радiотехничних систем.

Додаток А - робочі програми вимірювально-обчислювального комплексу.

Додаток Б - програми оптимізації геометричних параметрів щілин з різними варіантами постійних початкових умов.

Додаток В - графік залежності сумарної погрішності перетворювача від нормованої довжини хвилі і значення модуля навантаження, що досліджується.

Додаток Г - акти впровадження і використання результатів дисертацiйної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз первинних перетворювачів вимірників параметрів мiкрохвильових пристроїв показав перспективність багатоэлементних первинних перетворювачів, що поєднують простоту конструкції і низьку вартість, малі габарити і масу. На їх основі можливе створення сучасного вимірника з програмним управлінням процесом вимірювань, корекцією погрішностей і зручним представленням результатів вимірювань.

2. Отримана формула для розрахунку фазового зсуву між сигналами, що підводяться до НВЧ діодів двох детекторних головок, що збуджуються похилими щілинами зв'язку, що враховує всі геометричні параметри щілин: довжину і ширину, кут нахилу, координати центрів щілин. Проведена багатопараметрична оптимізація з метою отримання квазипостiйного фазового зсуву в діапазоні частот хвилевода. У 37% -ний смузі частот відхилення фазового зсуву від 90^О не перевищує 1, 6^О.

Запропонований і досліджений трохсигнальный чотирохщілевий мiкрохвильовий перетворювач з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами і ідентичними амплiтудно-частотними характеристиками щілинних елементів зв'язку всіх трох детекторних головок. Відхилення від номінальних фазових зсувів, рівні 90^О і 45^О, не перевищує 1, 6^О і 0. 8^О, відповідно.

Запропонований і досліджений трохсигнальний трохщiлинний перетворювач з незмінним 90^О фазовим зсувом в діапазоні частот між двома сигналами і зсувом фаз третього сигналу, рівним (45^О0, 8^О) по відношенню до перших двох. Це дозволило більш ніж в два рази зменшити частотну погрішність.

Запропонований і досліджений чотирохдетекторний чотирохщiлинний мiкрохвильовий перетворювач, в якому номінальні фазовi зсуви між сигналами всіх сусідніх детекторних головок становлять 45^О і в 37% -ний смузі частот змінюються не більш ніж на 0, 8^О. Його частотні погрішності такі ж як і в трохщiлинному перетворювачі, а алгоритм обробки вимірювальних і калібровочних сигналів істотно спрощується.

Запропонований і досліджений трохсигнальний чотирохщiлинний однодетекторний мiкрохвильовий перетворювач, в якому реалізовується послідовний аналіз амплiтудно-фазового розподілу сигналів вздовж хвилевода, шляхом перемикання щілин зв'язку за допомогою p-i-n діодів.

Розроблена математична модель вимірника параметрів НВЧ пристроїв на основі мiкрохвильового перетворювача, яка дозволяє шляхом алгоритмічної обробки результатів вимірювання з врахуванням калiбровочних рівнянь виключити погрішності, пов'язані з перевiддзеркаленням від генератора, неідентичністю АЧХ детекторних головок, зміною рівня потужності генератора в діапазоні частот і підвищити точність вимірювання.

Розроблений і реалізований вимірювально-обчислювальний комплекс для визначення параметрів мiкрохвильових пристроїв, що включає різні варіанти мiкрохвильових перетворювачів, ЕОМ, генератор з дискретною програмною перебудовою частоти, пристрій сполучення, що забезпечує посилення, фільтрацію, детектування, аналогово-цифрове перетворення сигналів з первинного перетворювача і їх введення в ЕОМ.

Розроблене програмне забезпечення, що дозволяє реалізувати процедуру вимірювання і калібрування, панорамну і числову індикацію результатів вимірювання, діалоговий режим і інші сервісні можливості.

Проведені експериментальні дослідження окремих блоків і вимірювально-обчислювального комплексу загалом. Встановлено, що в 37% -ний смузі частот хвилевода погрішність вимірювання модуля ККВ не перевищувала 3. 5%, а погрішність вимірювання фази 3^О при КСХ = 2. Такi результати повнiстю вiдповiдають очiкуваним теоретичним оцiнкам.

Основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

Афонин И. Л., Бондаренко И. К., Лащенко И. В., Саламатин В. В. Однодетекторный измеритель комплексных коэффициентов отражения и передачи микроволновых устройств // Измерения. - Каунас. - 1996. - №1-2 (3). -С. 29-30.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Измерительно-вычислительный комплекс на основе фазочувствительного рефлектометра для исследования СВЧ узлов // Вестник СевГТУ. Вып. 5: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастопольский гос. университет - Севастополь, 1997. - С. 58-61.

Лащенко И. В., Саламатин В. В. Измеритель S-параметров волноводных устройств // Вестник СевГТУ. Вып. 5: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастопольский гос. университет - Севастополь, 1997. - С. 61-64.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Панорамный измеритель комплексного коэффициента отражения // Вестник СевГТУ. Вып. 10: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастопольский гос. университет - Севастополь, 1998. - С. 50-54.

Лащенко И. В. Учет протяженностей щелей при синтезе и анализе волноводных элементов связи. // Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника. - 1999. - №1. - С. 33-38.

Измеритель комплексного коэффициента отражения // Афонин И. Л., Лащенко И. В. ; Севастопольский государственный технический университет. - Севастополь, 1996. - 8с. - Деп. в ГНТБ Украины 14. 05. 96, № 1169 - УК96

Бондаренко И. К., Лащенко И. В., Саламатин В. В. Одноканальный измеритель модуля и фазы коэффициентов отражения и передачи СВЧ устройств. // Труды 5-й Крымской конференции СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии. - Севастополь, 1995. - С.351-354.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Встроенный измеритель параметров антенно-фидерного тракта. // Труды 6-й Крымской конференции СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии. - Севастополь, 1996. - С. 21.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Математическая модель автоматизированной системы контроля параметров микроволновых трактов. // Труды 3-й Украинской конференции «Автоматика-96». - Севастополь, СевГТУ, 1996. - С. 104-105.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Встроенный измеритель параметров антенно-волноводного тракта. // Труды Междун. Научно-техн. конф. «Электроника-97». - Каунас, 1997. - С. 14-17.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Синтез и анализ элементов связи. // Труды 7-й Крымской конференции «СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 1997. - С. 179-180.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Автоматический измеритель параметров волноводных трактов // Труды 3-й Междун. Научно-техн. конф «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-96) «. - Новосибирск, 1996. - С. 102-103.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Широкополосный измеритель модуля и фазы коэффициента отражения. // Труды 8-й Крымской конференции «СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 1998. -С. 695-697.

Евстигнеев М. П., Кузьменко А, Я., Лащенко И. В., Шахов О, М. Измерительная компьютеризированная система для определения параметров микроволновых устройств. // Труды 8-й Крымской конференции «СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 1998. -С. 698-700

Бычков А. А., Лащенко И. В. Компьютеризированный измеритель параметров антенно-волноводных трактов радиоэлектронных средств. // Труды 1-й научно-техническая конференция ВМС Украины «Проблемные вопросы строительства ВМС, развитие вооружения и военной техники». Вып. 3 - Севастополь, 1998 - С. 362-367.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Автоматизированная система контроля параметров микроволновых трактов. // Информ. листок. Симферополь, КРЦНТЭИ - № 7-97, 1997.

Афонин И. Л., Лащенко И. В. Информационно-вычислительная система измерения S-параметров микроволновых устройств. // Информ. листок. Симферополь, КРЦНТЭИ - № 19-98, 1998.

Патент Украины №17342А G01R 27/06, G01R 27/28. Измеритель S-параметров волноводного четырехполюсника / И. В. Лащенко, В. В. Саламатин (Украина). - № 95062783; Заявл. 14. 06. 95; Опубл. 01. 04. 97.

Патент Украины №15167А G01R 27/26. Измеритель добротности резонаторов / И. К. Бондаренко, И. В. Лащенко, А. Д. Плоткин. - № 95031361; Заявл. 28. 03. 95. ; Опубл. 30. 06. 97. - Бюл. № 3.

Патент Украины по заявке № 96072746 от 09. 06. 96. Измеритель комплексного коэффициента отражения. / И. Л. Афонин, И. В. Лащенко

Патент Украины по заявке № 96072730 от 09. 07. 96. Фазочувствительный рефлектометрический измеритель коэффициента отражения. / И. Л. Афонин, И. В. Лащенко

Патент Украины по заявке № 96052447 от 27. 05. 97. Смеситель СВЧ. / А. В. Мельников, И. В. Лащенко, В. В. Саламатин

Лащенко I. В. Широкосмужнi малогабаритні мiкрохвильовi перетворювачі для вимірювання параметрів антенно-хвильовiдних трактів.

Дисертація на здобуття вченої ступені кандидата технічних наук по спеціальності 05. 12. 07 - Антени та пристрої мiкрохвильової технiки

. - Севастопольський державний технічний університет, Севастополь, 1999.

Дисертацiйна робота присвячена розробці методів побудови широкосмужних малогабаритних, конструктивно простих мiкрохвильових перетворювачів з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами, призначених для високоточного вимірювання параметрів антенно-хвильовiдних трактів. На основі вказаних перетворювачів розроблена математична модель вимірника, що дозволяє шляхом алгоритмічної обробки результатів вимірювання виключити домінуючі погрішності. Отримана формула для розрахунку фазового зсуву між сигналами, що підводяться до НВЧ діодів двох детекторних головок, що збуджуються похилими щілинами зв'язку, враховує всі геометричні параметри щілин: довжину і ширину, кут нахилу, координати центрів щілин. Проведена багатопараметрична оптимізація з метою отримання квазипостійного фазового зсуву в діапазоні частот хвилевода і мінімізації частотної погрішності вимірювання. Проведені експериментальні дослідження підтвердили отримані теоретичні результати.

Ключові слова: мiкрохвильовий перетворювач, щілевий елемент зв'язку, детекторна головка, широкосмужность, фазовий зсув, коефіцієнт віддзеркалення, висока точність, вимірник комплексних параметрів, антенно-хвильовiдний тракт.

Лащенко И. В. Широкополосные малогабаритные микроволновые преобразователи для измерения параметров антенно-волноводных трактов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 12. 07 - Антенны и устройства микроволновой техники. - Севастопольский государственный технический университет, Севастополь, 1999.

Диссертационная работа посвящена разработке методов построения широкополосных малогабаритных, конструктивно простых мiкроволновых преобразователей с малозависимыми от частоты фазовыми сдвигами между всеми сигналами, предназначенных для высокоточного измерения параметров антенно-волноводных трактов.

В результате проведенного анализа показана перспективность многоэлементных первичных преобразователей, основанных на анализе электромагнитного поля в дискретных точках вдоль волновода, сочетающих простоту конструкции и низкую стоимость, малые габариты и массу. Такие преобразователи позволяют не только повысить точность измерения, но и использовать их в качестве датчиков встроенного контроля параметров волноводных трактов. Основными проблемами при построении широкополосных мiкроволновых преобразователей являлись: необходимость обеспечения малозависимых от частоты фазовых сдвигов между всеми сигналами, ответвляемыми в волноводы детекторных головок преобразователя и учет влияния размеров щелей связи. Для решения поставленных задач проведено теоретическое исследование щелевых элементов связи, в результате которого получены соотношения для комплексных амплитуд волн, распространяющихся в волноводах детекторных головок, установленных торцом на широкую стенку первичного волновода, и аналитическая зависимость фазового сдвига между этими волнами от длины волны и всех геометрических параметров щелей, в том числе их длины и ширины. Произведена многопараметрическая оптимизация фазового сдвига, зависящего от длины и ширины щелей, расстояния между их центрами, углами наклона, смещением центров щелей относительно узкой стенки, с целью достижения минимальных отклонений фазового сдвига от номинального значения в диапазоне частот волновода, что приводит к минимизации частотной погрешности измерения. Разработаны четыре варианта микроволновых преобразователей с малозависимыми от частоты фазовыми сдвигами между всеми сигналами, поступающими на детекторные головки. В трехдетекторном четырехщелевом преобразователе связь детекторных головок с первичным волноводным трактом осуществляется с помощью двух идентичных пар наклонных щелей, расположенных на широких стенках волновода. Размеры и расположение щелей каждой пары обеспечивают малозависимое от частоты электрическое расстояние между ними, номинальное значение которого равно 2. Две головки возбуждаются одинарными щелями, а третья - парой щелей. Сигнал, поступающий на третий детектор, сдвинут по отношению к первым на 4. В трехдетекторном трехщелевом преобразователе одна из детекторных головок возбуждается поперечной щелью, другая - продольной, а третья - наклонной щелью. Электрическое расстояние между первыми двумя равно 2, а между первой и третьей - незначительно отличается в диапазоне частот от 4. В четырехдетекторном четырехщелевом преобразователе добавлена дополнительная детекторная головка, возбуждаемая также наклонной щелью. В двухканальном однодетекторном четырехщелевом преобразователе реализуется последовательный анализ амплитудно-фазового распределения сигналов вдоль волновода путем переключения щелей связи. Этот преобразователь состоит из двух отрезков прямоугольного волновода, связанных между собой отрезком запредельного волновода с симметрично расположенным в нем СВЧ диодом, возбуждаемым двумя идентичными парами щелей. Переключение щелей осуществляется с помощью p-i-n-диодного коммутатора. Каждый из варинтов микроволновых преобразователей имеет определенные преимущества. В первом варианте все щели имеют идентичные амплитудно-частотные характеристики, такой преобразователь может использоваться в измерителе параметров с осциллографической индикацией. Детекторные головки второго и третьего вариантов преобразователей имеют одинаковые конструкции при меньшей частотной погрешности. В четырехдетекторном преобразователе обработка сигналов позволяет повысить точность измерения близких к единице значений модулей коэффициентов отражения измеряемых нагрузок. Однодетекторный преобразователь может использоваться для измерения как коэффициентов отражения, так и коэффициентов передачи. Разработана математическая модель измерителя параметров СВЧ устройств, на основе микроволновых преобразователей, позволяющая путем алгоритмической обработки результатов измерения исключить погрешности, связанные с переотражением от генератора, неидентичностью АЧХ детекторных головок, изменением уровня мощности генератора в диапазоне частот и повысить точность измерения. Создан высокоточный измерительно-вычислительный комплекс, включающий ЭВМ, генератор с дискретной перестройкой частоты и четыре варианта разработанных микроволновых преобразователей. Проведенные экспериментальные исследования подтведили полученные теоретические результаты.

Ключевые слова: микроволновый преобразователь, щелевые элементы связи, детекторная головка, широкополосность, фазовый сдвиг, коэффициент отражения, высокая точность, измеритель комплексных параметров, антенно-волноводный тракт.

Lashchenko I. V. Wide-band Compact Microwave Transducers For Measuring Of Antenna-Waveguide Lines Parameters

Graduate thesis on Ph. D of technical sciences on specialty 05. 12. 07 «Antennas and devices of microwave engineering». - Sevastopol state technical university, Sevastopol, 1999.

The thesis is devoted to construction methods elaboration of wide-band small constructively simple microwave transfers with weakly depending on frequency phase displacements between all of signals destined for high-precision measuring of waveguide lines parameters. On the base of stated transdusers the measuring device mathematical model is created, the dominant errors are eliminated by algorithmic processing of measuring results. The formulas for computation of phase displacement between signals, brought to SHF diodes of two detector heads, excited by sloping coupling slots is obtained taking into account all of slots geometrical parameters: length and width, inclination angle, slots centres co-ordinate. To obtain of weakly dependent on frequency phase displacement in waveguide frequencies range and minimization of frequency measuring error multiple-parameter optimization is attained. Experimental researches are confirmed theoretical results.

Key words: microwave transducer, slot coupling elements, detector head, wide-band, phase displacement, reflection coefficient, measuring device of complex parameters, high exactness.

Размещено на Allbest.ru