Измерители S-параметров взаимных четырехполюсников

 

Измерители S-параметров взаимных ЧП должны обеспечивал
дополнение к функциональным возможностям ПИКО измерение
j(w) и j₂₁(₁₂)(w). Поэтому структурная схема панорамного измерителя S-параметров взаимных ЧП синтезируется на базе cxемы.
рис. 11.10.

Расширения функциональных возможностей ПИКО можно достигнуть, если сигналы, поступающие для обработки в индикаторный блок, будут нести в себе информацию не только об амплитудах падающей и отраженной (прошедшей) волн, но и об их начальных фазах. Наиболее просто это достигается путем преобразования ча­стоты выходных сигналов НО1 и НО2 (рис. 11.10), как это делает­ся в фазометрах с преобразованием частоты (см. § 6.2).

Таким образом, амплитудные детекторы должны быть замене­ны в измерителях S-параметров на смесители, а ГКЧ дополнен преобразователем частоты. В остальном структурная схема пано­рамного измерителя S-параметров взаимных ЧП соответствует рис. 11.10, но индикаторный блок должен обеспечить воспроизведение на экране ЭЛТ любой из требуемых характеристик ЧП.

 

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.

 

ИЗМЕРИТЕЛИ S-ПАРАМЕТРОВ НЕВЗАИМНЫХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ

 

Измерение S-параметров невзаимных ЧП не имеет каких-то принципиальных особенностей, если номенклатура измеряемых параметров ограничивается элементами [S]. Необходимо лишь переориентировать ЧП в процессе измерений обеспечения поочередного (см. рис. 11.1) измерения S₁₁(jw) S₂₁(jw), S₂₂(jw) и S₁₂(jw). Хотя это и увеличивает трудоемкость измерений, автоматизация процесса измерения каждого S-параметра обеспечивается.

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.