Измерение параметров цепей с распределенными постоянными

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

 

Приборы, предназначенные для измерения параметров цепей с распределенными постоянными, классифицируются в зависимости от характера конкретных измерений и вида измеряемых величин. Для уточнения подгрупп и видов приборов охарактеризуем кратко сами цепи с распределенными постоянными и определим номенклатуру измеряемых параметров.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

 

К цепям с распределенными постоянными относятся, как известно, цепи, геометрические размеры которых соизмеримы с длиной волны распространяющихся вдоль них колебаний. Характерные примеры таких цепей — линии передачи (тракты), применяемые в диапазонах В Ч и СВЧ и являющиеся длинными ли­ниями (например, коаксиальные, волноводные и микрополосковые тракты). Пер­вичными параметрами длинных линий по аналогии с цепями с сосредоточенными постоянными являются погонные индуктивность, емкость и активное сопротивление. Однако эти параметры не имеют такого четкого физического смысла, как в цепях с сосредоточенными постоянными, и поэтому не измеряются. В то время все основные элементы ВЧ и СВЧ трактов, среди которых можно выделить оконечные (нагрузки) и проходные, являются аналогами ДП и ЧП в цепях с сосредоточенными постоянными. Эта аналогия позволяет рассматривать параметры элементов ВЧ и СВЧ трактов как параметры двух- и четырехполюсников.

Из теории длинных линий известно, что для описания свойств ДП вполне достаточно знать волновое (характеристическое) сопротивление тракта, на ко­тором он сконструирован, и комплексный коэффициент отражения в рабочем диапазоне частот. Волновое сопротивление относится ко вторичным параметрам длинных линий, полностью определяется конструкцией тракта и находится расчетным путем по его геометрическим размерам. Комплексный коэффициент отражения Г (jw) определяется как отношение комплексной амплитуды напряжения волны, отраженной от ДП, к комплексной амплитуде напряжения волны, падающей на него, и может быть представлен по аналогии с (10.1) как

 

Г(jw)=Г(w)е^jj(w⁾. (11.1)

 

Значение и характер Г (jw) позволяет оценить качество согласования полного сопротивления Z ДП с волновым сопротивлением W тракта. Количественно эта связь определяется выражением

 

Г(jw)=(Z-W)/(Z+W), (11.2)

из которого видно, что при Z=W Г(jw)=0 и в линии имеет место режим бегущей волны. Из (11.2) следует, что

Z=W*((1+Г(jw))/(1 – Г(jw)))=R+jX, (11.3)

Причём соотношение (11.3), как правило, нормируют

 

Z/W=R/W+j*(X/W),

 

и пользуются для рассчётов круговой диаграммой (диаграммой Вольперта).

Приведенные соотношения фактически уже определили номенклатуру измеряемых параметров ДП. Однако в технике ВЧ и СВЧ для оценки качества согласования очень часто пользуются значением КСВ по напряжению. КСВ является действительной величиной и определяется как отношение максима.льной (U_мах) и минимальной (U_min) амплитуд напряжения электрического поля вдоль линии

 

К_с=U_max/U_mn. (11.4)

Связь между К_с и Г(w) устанавливается соотношением

 

К_с=(1+Г)/(1 – Г), (11.5)

 

И вентильное отношение

 

В=S₁₂/S₂₁, (11.10)

где S_­12 и S₂₁ выражаются в децибелах.

Наконец, необходимо отметить, еще одну принципиальную особенность цепей с распределенными постоянными. Если цепь имеет вид протяженного тракта или многополюсника (например, сложные устройства СВЧ), то, как правило, содержит многочисленные неоднородности, разнесенные друг от друга на различные расстояния. В таких случаях возникает задача определения места, величины и характера каждой неоднородности для последующего устранения или компенсации их. Решить ее с помощью измерителей S-параметров не удается, так как результаты измерений будут характеризовать такую цепь как эквивалентный ЧП, интегрально учитывающий все неоднородности, приведенные ко входу. По­лому среди измерителей параметров цепей с распределенными постоянными должны быть и приборы, предназначенные для измерения координат и характеристик неоднородностей.

Итак, мы видим, что измерители параметров цепей с распределенными постоянными действительно должны иметь обширную классификацию. Она услож­няется тем, что в частотном диапазоне, являющемся переходным от цепей с сосредоточенными к цепям с распределенными постоянными, функции таких измерителей могут частично выполнять ИАЧХ и фазометры. Кроме того, к рассматриваемым приборам относятся и измерители ослаблений, включенные в подгруппу Д и образующие вид Д1. Большинство же измерителей параметров цепей с распределенными постоянными образует самостоятельную подгруппу Р и подразделяется на измерительные линии (Р1), измерители КСВ (Р2), Z (РЗ) и S - параметров (Р4). Самостоятельный вид Р5 образуют измерители параметров линии передачи, предназначенные для измерения координат и характеристик неоднородностей.

Методы измерения, на которых базируются приборы перечисленных видов, можно разделить на три группы: 1) основанные на анализе распределения поля стоячей волны вдоль линии передачи (приборы видов Р1 и РЗ); 2) связанные с измерением отношений напряжений падающих, отраженных и прошедших волн (приборы видов Р2, Р4 и Д1); 3) метод импульсной (временной) рефлектометрии, реализуемый в приборах вида Р5.

 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ

 

Измерительные линии (ИЛ) были первыми приборами, предназначенными для измерения параметров цепей с распределенными постоянными. Параметры и технические требования к ИЛ регла­ментируются ГОСТ 11294—74. Несмотря на ограниченные возможности автоматизации измерений по сравнению с приборами видов P2 и Р4, ИЛ продолжают оставаться традиционными измеритель­ными приборами в диапазоне СВЧ, особенно при освоении новых, диапазонов волн новых конфигураций СВЧ тракта и в ряде других фактических случаев.

 

ИЗМЕРИТЕЛИ КСВ И ОСЛАБЛЕНИЯ

Принцип работы измерителей КСВ и ослабления основан на выделении волн — падающей и отраженной от объекта измерения измерения, а также прошедшей через ЧП. Измеряется отношение сигналов, пропорциональных напряжению (мощности) этих волн. По определениям (11.1), (11.5) и (11.8) результаты таких измерений суть значения К_с или S₂₁₍₁₂₎. Рассмотрим методики измерения КCB и ослабления, а затем остановимся на принципах автоматизации этих измерений.

Измерение КСВ

Так как при измерении КСВ выделяются падающая и отражен­ная волны, измерители КСВ, базирующиеся на этом принципе, по­ручили название рефлектометров. Проще всего падающую и отраженную волны можно выделить с помощью НО. Однако в диапазоне ВЧ габариты. НО могут оказаться чрезмерно большими. В таких случаях применяют измерительные мосты с использованием в качестве образцового ДП согласованной нагрузки. Функции индикаторной части рефлектометра могут выполнять измерительные усилители (по аналогии с ИЛ) или ИО. Соответствующие структурные схемы рефлектометров приведены на рис. 11.7.

Как видно из рис. 11.7, а, поочередное подключение И к выходим детектора Д1 во вторичном канале НО1, выделяющего Р_пад, и детектора Д2, реагирующего с помощью НО2 на Р_0тр, позволяет заф иксировать показания a_пад и a_отр, пропорциональные при квадратичных характеристиках детекторов Р_пад и Р_отр. Тогда по определеию (11.1)

 

Г=Ö(a_отр/a_пад).

Если при калибровке рефлектометра значение Р_пад устанавливать, таким, чтобы a_пад соответствовало условной единице, то тогда Г = Öa_отр, и шкала И может быть проградуирована в значении Г и К_с. Операция калибровки может отсутствовать, если в качестве И воспользоваться ИО (рис. 11.7, б), автоматизирующим процесс измерения a_отр/a_пад. В этом случае выход Д2 должен быть подключён ко входу делимого ИО, а выход Д1 — ко входу делителя (см. § 3.5.5).

Параметры и технические требования к рефлектометрам регламентируются ГОСТ 16423—78. Они в основном определяются характеристиками НО и детекторных головок.

 

Измерение ослабления

Простая трансформация измерительного тракта рефлектометра превращает его в измеритель ослабления ЧП. Как видно рис. 11.8, НО2 переориентируется и включается на выходе ЧП, выделяя, таким образом, волну, прошедшую через ЧП (Р_пр). Тракт нагружается на согласованную нагрузку. В соответствии с определениями (11.6) выходные напряжения Д1 (a_пад) и Д2 (a_пр) позволяют теперь рассчитать

 

S₂₁₍₁₂₎10lg(a_пр/a_пад).

Таким образом, все приборы вида Р2 фактически являются измерителями КСВ и ослабления. Соответственно действие ГОСТ 16423—78 распространяется на режим измерения S₂₁₍₁₂₎.

Предел измерения ослабления ЧП ограничивается квадратичным участком характеристик Д1 и Д2 (S₂₁₍₁₂₎<= - 50 дБ) и в ряде случаев оказывается недостаточным. Это устраняется в специализированных измерителях ослабления ЧП, которые, как уже отмечалось, относятся к виду Д1.

Приборы вида Д1 с помощью образцового аттенюатора реализуют метод замещения на ВЧ и СВЧ. Как видно из рис. 11.9, изме­ряя ослабление образцового аттенюатора при включении и выключении ЧП таким образом, чтобы показания И оставались постоянными, можно определить значение S₂₁₍₁₂₎ как разность отсчетов по его шкале. Если ЧП сам является переменным аттенюатром, то выключать его из измерительного тракта нет необходимости.

Если ЧП сам является переменным аттенюатором, то выключать его из измерительного тракта нет необходимости. Увеличивая, например, его ослабление и соответственно уменьшая осла­бление образцового аттенюатора, можно обеспечить постоянство показаний И, проградуировав аттенюатор во всех характерных точках шкалы.

Рассмотренная методика измерения исключает влияние неквадратичности характеристики Д на диапазон и погрешность измерения S₂₁₍₁₂₎. Это позволяет расширить предел измерения S₂₁₍₁₂₎ до – (100…140) дБ.

 

 

 

Рис. 11.11. Структурная схема индикатора S-параметров в

Полярной системе координат.

 

Панорамное воспроизведение частотных характеристик S-паpаметров можно осуществлять двумя принципиально разными спо­собами: 1) в полярных координатах в виде частотной характеристики годографа вектора Г (jw) или S₂₁₍₁₂₎(jw); 2) в декартовых координатах в виде частотных характеристик Г(w) и j(w) или S₂₁₍₁₂₎ и j₂₁₍₁₂₎(w), т. е. в виде АЧХ и ФЧХ.

Индикация в полярных координатах более удобна при измерении параметров отражения S11(jw) и S22(jw), а индикация в декар­товых координатах — при измерении параметров передачи S21(jw) и S12(jw). Поэтому в индикаторных блоках измерителей S-параметров обязательно преобразование координат. Эта задача решается, сочетанием амплитудного и фазового детектирования предваритель­но обработанных (по аналогии с индикаторным блоком ПИКО) сигналов. Поскольку воспроизведение АЧХ и ФЧХ уже рассматри­валось, поясним с помощью структурной схемы рис. 11.11 работу индикаторного блока при использовании полярной системы коор­динат.

Как видно из рис. 11.11, предварительно обработанные сигналы разностной частоты W поступают на два ФД. Роль опорных сигналов ФД выполняет сигнал U_mcosWt, пропорциональный падающей волне, а входными сигналами являются сигнал AU_mcos( W t+j), пропорциональный отраженной (А = Г) или прошедшей (А=S₂₁₍₁₂₎) волне, и сигнал AU_msin( W t + j), образованный с помощью дополнительного квадратурного ФВ (см. рис. 6.6).

Выходные постоянные напряжения ФД, пропорциональные Acosj и Asinj, после усиления в УПТ подаются на отклоняющие пластины ЭЛТ. В результате положение пятна на экране ЭЛТ одинозначно определяет модуль (расстояние от центра экрана) и фазу (угловое положение пятна) измеряемого параметра. При качании частоты ГКЧ в полярных координатах будет воспроизведена частичная характеристика этого параметра. Если на экран ЭЛТ наложижить шкалу в виде диаграммы Вольперта, то автоматизируется процесс вычисления Z. Этим и объясняется удобство полярной системы координат при измерении S11(jw) и S22(jw). Погрешности измерения амплитудных параметров соответствуют ПИКО, погрешность измерения j(w) не превышает ± (12Кс + 4)°, а погрешность измерения j21(12)(w) имеет порядок ± (0,1S21(12)+0,02jx+3)0.

 

Принципиальные затруднения возникают при измерении вторичных параметров невзаимных ЧП. Действительно, из формул (11.9) и (11.10) следует, что необходимость в переориентации ЧП исключает возможность панорамного воспроизведения их частотных характеристик. Известны два пути преодоления этого принципиального недостатка автоматических измерителей S-параметров невзаимных ЧП и решения задачи автоматизации измерений вторичных параметров невзаимных ЧП: обеспечение в процессе измерений одновременного распространения парциальных составляющих энергии ИГ (в виде парциальных волн через исследуемый ЧП во взаимно противоположных направлениях, а также поочередного распространения волн через исследуемый ЧП во взаимно противоположных направлениях путем автоматической коммутации с заданной частотой направления подачи энергии ИГ в измерительный тракт.

Первый путь прямо следует из определений вторичных параметров. Для его реализации необходим кольцевой измерительный тракт с одновременной подачей в противоположных направлениях парциальных составляющих энергии ИГ. Возможны два схемных варианта такого тракта, отличающиеся способом извлечения информации: кольцевой тракт, обеспечивающий извлечение информации виде сигналов, отражающих результат интерференции парциальных волн при прохождения ими ЧП во взаимно противоположных направлениях (кольцевой тракт с интерференцией парциальных волн), а также в виде сигналов, пропорциональных каждой парциальной волне, прошедшей через ЧП в одном из противоположных направлений (кольцевой тракт с выделением каждой парциальной волны).

На примерах приборов видов Р2 и Р4 известны принципиальные достоин измерительных трактов с выделением сигналов, несущих информацию о параметрах каждой из существующих в тракте волн. Ограничимся поэтому кратким рассмотрением кольцевого тракта с выделением каждой парциальной волны.

Как видно из рис. 11.12, парциальные волны образуются путем деления энергии генератора пополам. После прохождения ЧП в противоположных направлениях они затухают в вентилях (исключается циркуляция энергии по кольцу). Информация о всех S-параметрах извлекается с помощью четырех НО, ориентированных попарно на волны, падающие на ЧП (НО1 и Н04) и прошедшие (отраженные) через него (НО2 и НОЗ). Обработка сигналов U₁...U₄ в индикаторном блоке выполняется по соответствующим алгоритмам с воспроизведением на экране ЭЛТ характеристики любого (первичного или вторичного) параметра взаимного ЧП.

Хотя рассмотренный измерительный тракт обладает универсальными возможностями, ему свойствен один принципиальный недостаток, вызванный одновременностью существования двух парциальных волн. При неидеальных параметрах элементов тракта (НО, вентили и др.), а также при рассогласовании исследуемого ЧП удваивается число источников соответствующих погрешностей, и результирующие погрешности измерения S – параметров могут стать непомерно большими.

Переход от одновременного к поочередному распространению волн через исследуемый ЧП путем автоматической коммутации направления подачи энергии ИГ в измерительный тракт устраняет указанный недостаток и позволяет реализовать коммутационно-модуляционный метод измерения, суть которого была рассмотрена в

§ 6.5. Для этого в схему кольцевого тракта (рис. 11.12) необхо­димо ввести быстродействующий электрический переключатель. Если по аналогии со схемой рис. 6.19 он управляется тактовыми импульсами УУ, а сигналы U₁, U₂ и U_3, U₄обрабатываются в индикаторном блоке синхронно с коммутацией CВЧ энергии, то автоматизация измерения любого параметра невзаимного ЧП по-прежнему обеспечивается. Однако теперь волны существуют в тракте пооче­редно, а для обработки сигналов используется одноканальная схема.

 

Неоднородности в линиях передачи большой протяженности возникают, как правило, вследствие механических и электрических повреждений. Эти неоднородности (обрыв, короткое замыкание, уменьшение сопротивления изоляции и т. п.) можно считать дискретными, т. е. сосредоточенными в определенных сечениях линии, отстоящих друг от друга на конечных расстояниях. Чем короче длительность зондирующего импульса, тем выше разрешающая способность рефлектометра. Однако возможности укорочения длительности не беспредельны. Частотные, характеристики реальных линий передачи являются причиной искажения формы распространяющихся импульсов, что при больших протяженностях имеет принципиальное значение. В практических схемах таких рефлектометров применяют зондирующие видеоимпульсы микросекундной длительности.

Зондирующие и отраженные импульсы наблюдают на экране ЭЛТ рефлектометра и измеряют время запаздывания (t₃) отраженных импульсов. Расстояние до неоднородностей определяется по формуле

 

l_x=0.5nt₃,

где v — скорость распространения электромагнитной волны в линии с учетом диэлектрической проницаемости материала линии.

 

При оценке значения каждой неоднородности необходимо измерить отношение амплитуды соответствующего отраженного импульса (U­₀) к амплитуде зондирующего (U₃). Для повышения точности этих измерений должно учитываться ослабление импульсов, определяемое погонным затуханием и расстоянием до неоднородностей. В качестве примера на рис. 11.13, а приведена эквивалентная схема разомкнутой линии передачи с плохим контактом (R1) и утечкой (R2), а на рис. 11.13, б—рефлектограмма такой линии. Видно, что импульсная характеристика реальной линии значительно сложнее идеализированного случая, учитываемого эквивалентной схемой. В линии есть вторичные и многократные отражения, образующие множество малых импульсов различной полярности. Необходимы дополнительные меры повышения объективности измерения. Наиболее распространено составление карты линии, с которой сопоставляется рефлектограмма, зарисованная (сфотографированная) с экрана ЭЛТ. Если на рефлектограмме появился новый всплеск, это свидетельствует о возникновении повреждения в линии, причем место повреждения легко «привязывается» к соот­ветствующему ориентиру.

Структурная схема рефлектометра с зондирующим импульсом представлена на рис. 11.14. Синхронизация работы всех узлов рефлектометра и задание требуемого временного масштаба осуществляются генератором тактовых импульсов.

Генератор зондирующих импульсов, запускаемый через схему задержки, форми­рует видеоимпульсы, посылаемые в исследуемую линию. Отраженные импульсы и ослабленный в определенное число раз зондирующий импульс поступают на вход УВО, усиливаются и подаются на пластины Y ЭЛТ, образуя рефлектограмму линии. Измерение tз производится с помощью схемы задержки развертки, а масштаб просматриваемого участка может изменяться регулировкой скорости развертки. Кроме того, в рефлектометре предусматривается возможность калибров­ки с помощью калибрационных меток, вырабатываемых калибратором. Эти ме­ры обеспечивают измерение l_x в диапазоне 1...10 000 м с основной погрешностью не более ± 1 % при разрешающей способности менее 1 м.

Функциональные возможности и достоинства временной рефлектометрии с зондирующими сигналами пикосекундной длительности еще только внедряются в серийную аппаратуру. В целом в ряде случаев достаточную информацию о качестве устройств СВЧ можно получить с помощью более простых и точных измерений S – параметров. Поэтому область применения импульсных рефлектометров ограничится, очевидно, исследованием характеристик трактов и устройств СВЧ конечной протяженности

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

 

Приборы, предназначенные для измерения параметров цепей с распределенными постоянными, классифицируются в зависимости от характера конкретных измерений и вида измеряемых величин. Для уточнения подгрупп и видов приборов охарактеризуем кратко сами цепи с распределенными постоянными и определим номенклатуру измеряемых параметров.