facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Page translation
 

САМОКАЛИБРУЮЩИЙСЯ КРЕСТООБРАЗНЫЙ АНАЛИЗАТОР КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ

САМОКАЛИБРУЮЩИЙСЯ КРЕСТООБРАЗНЫЙ АНАЛИЗАТОР  КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
Vladimir Karlov, ph.d. of technical science, associate professor

Dnipropetrovsk National University named after O. Gonchar, Ukraine

Championship participant: the National Research Analytics Championship - "Ukraine";

the Open European-Asian Research Analytics Championship;

Разработана конструкция крестообразного анализатора с внутренней самокалибровкой индикаторов мощности на подвижный аттенюатор, который размещается в выходном измерительном плече образцового крестообразного рассеивателя с расчетными параметрами. Погрешность измерения комплексного коэффициента отражения не более 6%.

Ключевые слова: миллиметровый векторный анализатор, самокалибровка, коэффициент отражения.

 

1. Постановка задачи.

Векторные анализаторы цепей (ВАЦ) миллиметрового диапазона длин волн относятся к основному классу  измерительных приборов и находят широкое применение, как при исследовании цепей с распределенными параметрами, так и при разработке специализированных встроенных измерительных комплексов [1].

Первичные измерительные преобразователи известных многополюсных конструкций “six-port”  микроволновых рефлектометров (SPR) имеют следующие основные отличительные особенности [2]:

  • – между выходным плечом генератора и входным фланцем исследуемого двухполюсника вводится пассивное согласованное “six-port”  СВЧ соединение;
  • – параметры-константы векторного суммирования первичной опорной волны генератора и вторичной волны, которая отражается от исследуемой неоднородности с неизвестным комплексным коэффициентом отражения (КО), должны являться “только” функциями коэффициентов матрицы рассеяния (КМР) “six-port” соединения (SPJ);
  • – индикаторы мощности (ИМ) вынесены в выходные согласованные плечи  “six-port”  соединения;
  • –  из-за использования в конструкции измерительного преобразователя (ИП)  согласованных делителей мощности математическая модель анализатора строится на основе теории цепей, которая позволяет реализовать качественную оценку основных характеристик  преобразователя;
  • – SPR с согласованным многоплечим преобразователем реализуют метод “калибруемых  рефлектометров”.  Для получения 1% погрешности измерения  комплексного КО SPR предварительно надо откалибровать с использованием не менее четырех широкополосных двухполюсных эталонов.

В отличие от согласованных SPR в E-плоскостном крестообразном преобразователе между выходным плечом генератора и входным фланцем исследуемого двухполюсника вводится рассогласованное многоплечее соединение: четырехплечая неоднородность двух волноводных линий передач, которые пересекаются в одной плоскости – Е-крест (ЕК) [3].

В измерительном преобразователе анализатора Е-крест используется, как образцовый рассеиватель с расчетными коэффициентами матрицы Sij. Поскольку в методике измерения комплексного КО Г коэффициенты Sijкрестообразного делителя используются, как коэффициенты рассеивания измерительного преобразователя, то предварительная калибровка заключается в градуировке индикаторов мощности с использованием только одной согласованной нагрузки, которая подключается к выходному фланцу прибора.

Целью исследования является разработка конструкции крестообразного анализатора, которая позволяет осуществлять калибровку-градуировку индикаторов мощности без отсоединения неизвестной исследуемой нагрузки с комплексным КО Г.   Все сопутствующие публикации к статье представлены на сайте < https://www.researchgate.net >[V.A. Karlov].

2. Результаты экспериментальных исследований.

На рис.1 представлена упрощенная структурная схема анализатора.

На рис.2 представлены экспериментальные результаты тестирования по модулю КО измерительного волноводного канала анализатора в сечениях 1, 2, 3, 4 (рис. 1).

Как видно из рис.1, конструкция анализатора отличается от известной конструкции [4] тем, что между фокусирующим фазовращателем cавтоматизированным блоком управленияF  и выходным фланцем прибора дополнительно введен согласованный аттенюатор cавтоматизированным блоком управления A.

В анализаторе используются щелевые конструкции фазовращателя и аттенюатора. В продольную щель вдоль широкой стенки прямоугольного волновода фазовращателя механически водится пластина из слюды, а в аттенюаторе вводится пластина с поглощающим покрытием.

Блок управления A реализует два рабочих режима аттенюатора: “калибровка”  или аттенюатор “закрыт”  и   “измерение” – аттенюатор “открыт”.

В режиме “калибровка” поглощающая пластина аттенюатора полностью введена в волноводный канал. Затухание аттенюатора равно более 50 ДБл и он эквивалентен “согласованной” нагрузке, которая находится в сечении 1 (рис.1).

В режиме “ измерение ” поглощающая пластина аттенюатора полностью выводится из волноводного канала и он эквивалентен “согласованному”  отрезку линии передачи.

 

Рис.1. Структурная схема анализатора cконтрольными сечениями 1,2,3,4

Рис.2. Тестирование измерительного канала анализатора в сечениях 1, 2, 3,4

 

Анализ источников погрешностей измерения комплексного КО Г  от неизвестной нагрузки проводился в 8-ми миллиметровом диапазоне длин волн. Сечение прямоугольного волновода равно 7.2 мм на 3.4 мм.

На рис.2 представлены экспериментальные результаты тестирования добавленной волноводной конструкции от сечения 1 до сечения 3 в измерительный волноводный канал анализатора на частоте 27 ГГц.

Методика тестирования:

  • 1. Режим работы анализатора “непрерывный” со скоростью измерения 100 мс на одно значение комплексного КО.
  • 2. Режим работы аттенюатора – “измерение”. Поглощающая пластина аттенюатора полностью выводится из волноводного канала.
  • 3. В открытый фланец прибора (сечение 3) сквозь канал аттенюатора вводится скользящий  согласованный волноводный клин и размещается в сечении 1.
  • 4. Проводится калибровка прибора на введенный в сечение 1 скользящий клин с последующим измерением КО от введенного согласованного клина.
  • 5. Повторяемость измерения модуля КО от введенного клина в сечение 1 представлена на графике рис.2 точками с N=1,2, …, 150. Как видно из рисунка повторяемость модуля  КО от введенного клина не более  Г1=0.005.
  • 6. Измеряется модуль КО Г3 от “открытого” аттенюатора. Скользящий согласованный клин перемещается в сечение 3. Результаты измерений представлены на графике рис.2 точками N=150, …, 290. Модуль КО не более Г3=0.015.
  • 7. Измеряется модуль Г2 КО при плавном увеличении затухания аттенюатора от 0 ДБл  до максимального значения (точки N=290, …, 400). Модуль КО увеличился от Г2=0.013 до  Г2=0.03.
  • 8. Аттенюатор переключается в режим “измерение” и осуществляется  повтор измерения модуля КО Г3 от “отрытого” аттенюатора (точки с N=400, …, 600). Модуль КО не более Г3=0.015.
  • 9.  Измеряется модуль КО Г3 от образцового согласованного клина. Скользящий волноводный клин удаляется из входного фланца прибора и в сечение 3 вводится образцовый согласованный клин.  Согласно результатам измерения  с N=600, …, 700 модуль КО  не более Г3=0.02.

Согласно представленной методике, измерение модуля КО от имеющихся неоднородностей в конструкции измерительного плеча анализатора проводились при сохранении градуировочных коэффициентов индикаторов мощности, которые были получены при калибровке прибора на скользящий согласованный клин, который предварительно был введен в сечении 1.

Из результатов тестирования измерительного волноводного канала анализатора получено:

  • а) при калибровке анализатора на “закрытый” аттенюатор (режим “калибровка”) модуль КО аттенюатора не более Г2=0.03, КСВН=1.06;
  • б) когда аттенюатор переведен в режим “измерение” модуль КО от добавленной волноводной конструкции (между сечениями 1 и3) равен не более Г3=0.02, КСВН=1.04   .

Методика нахождения погрешности измерения комплексного КО от исследуемой нагрузки Г  следующая:

  • 1. На первом этапе исследований калибровка прибора вначале проводилась на согласованный клин, который размещался в сечении 1 анализатора, с последующим измерением КО от скользящего клина, который перемещался от сечения 1 в прямоугольном волноводе с использованием микрометрического винта
  • 2.  На втором этапе исследований, не удаляя подвижный клин из волноводного канала, проводилась перекалибровка прибора на “закрытый” аттенюатор с  последующим повторным измерением КО от тех же положений скользящего клина.

На рис. 3 представлены результаты измерения модуля (а) и фазы (б) КО от подвижного клина без фокусировки анализатора. Фазовращатель находится в фиксированном положении “нуль” градусов.  Каждое положение отражателя измерялось в ждущем режиме два раза.

На рис. 4 представлены аналогичные результаты измерения модуля (а) и фазы (б) КО от подвижного клина с фокусировкой анализатора на исследуемую неоднородность.

Измерения проведены на частоте 27 ГГц, которая использовалась и при анализе источников погрешностей измерения комплексного КО.

Рис. 3. Измерение модуля (а) и фазы (б) от неизвестной подвижной нагрузки при калибровке анализатора на внешний согласованный клин и при самокалибровке анализатора в режиме без фокусировки

Рис. 4. Измерение модуля (а) и фазы (б) от неизвестной подвижной нагрузки при калибровке анализатора на внешний согласованный клин и при самокалибровке анализатора в режиме с фокусировкой

 

Согласно рис. 3 проведено измерение модуля (а) и фазы (б), примерно, 33-ех положений (с шагом перемещения равным 0.5 мм) подвижного клина при смещении “к генератору”,  с последующим измерением тех же 33-х положений при возвратном перемещении клина “от генератора”.  На графиках  рис. 3 измеренные значения представлены точками с N=1 …132. Точка с N=133 соответствует перекалибровке  анализатора на  “закрытый”  аттенюатор с последующей  проверкой измерения КО от “согласованного”  аттенюатора-нагрузка. После переключения аттенюатора в режим “измерение” точками с N=134 … 265 представлены аналогичные результаты измерения комплексного КО от подвижного клина.

Как следует из результатов измерений,  которые представлены на рис. 3, модуль КО от исследуемой неоднородности и при калибровке на внешний согласованный клин, и при самокалибровке на “закрытый” аттенюатор измерен с погрешностью 6.5%  Г= 0.47 +-0.03, а смещение фазы измерено с погрешностью в 5 градусов.

На рис. 4 представлены результаты аналогичных измерений модуля (а) и фазы (б) КО от подвижного клина с фокусировкой анализатора на исследуемую неоднородность. Как следует из результатов измерений, которые представлены на рис. 4, модуль КО от исследуемой неоднородности измерен с погрешностью 4%  Г= 0.46 +-0.02, а смещение фазы измерено с погрешностью в 5 градусов. То есть, данная систематическая погрешность при измерении КО фокусировкой анализатора на неизвестную неоднородность не устраняется.

Выводы.

Как следует из результатов исследований, из-за добавления конструкции аттенюатора в измерительный канал анализатора результаты измерений модуля КО содержат систематическую погрешность равную, примерно,  6%.  Величина данной систематической погрешности  присутствует и при калибровке анализатора на дополнительную внешнюю согласованную нагрузку, и при самокалибровке  анализатора на введенный аттенюатор.

Предложенная методика самокалибровки анализатора незаменима в тех случаях, когда при текущих измерениях комплексного КО невозможно подключить согласованную нагрузку при калибровке к фланцу анализатора. Например, при измерении вибраций от внешних неоднородностей, когда к фланцу анализатора подключена в трудно доступных местах согласованная рупорная антенна; когда выходной измерительный канал анализатора погружен в исследуемую жидкость и необходимо перекалибовать анализатор на новой частоте генератора и в других случаях.

 

Литература:

  • 1. K. Staszek, S. Gruszczynski, K. Wincza, “Theoretical Limits and Accuracy Improvement of Reflection-Coefficient Measurements in Six-Port Reflectometers” Microwave Theory and Techniques, IEEE Trans. on, vol. 61, no. 8, pp. 2966-2974, 2013.
  • 2.  G.F. Engen, “The Six-Port Reflectometer: An Alternative Network Analyzer” IEEE Trans. MicrowaveTheoryTech., vol. 25, pp. 1075-1080, 1977.
  • 3. Bartashevckiy, E. L., Borulko, V. F., Karlov, V.A., Lusokon, V. V., Slavin, I. V. (1992). А.С. USSR №1814076, cl. G 01 R 27/06. The device for measurement of complex reflection.
  • 4. Патент на корисну модель України 62293, МПК: G01R27/32. Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття. – Заявл. 10.01.2011; опубл. 25.08.2011, Бюл. №16/25.08.2011; автор Карлов В.А, заявник Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара.
0
Your rating: None Average: 8.3 (4 votes)
Comments: 5

Elena Artamonova

Уважаемый Владимир Анатольевич, подготовлен отличный доклад по развитию и совершенствованию характеристик конструкции анализатора, ранее Вами запатентованному. Убедительны приведенные в работе результаты экспериментальных исследований. Дальнейших успехов!

Ersoy, Sezgin

Your Honor The scientific contribution of vibrational studies is increasing. Your work in this area will make a significant contribution to the literature. Good luck

Vladimir Karlov

Уважаемый Михаил Юрьевич, благодарю Вас за внимание к моей исследовательской работе и добрые пожелания. К сожалению, в моем распоряжении имеется элементная база 60-х годов прошлого столетия. Надеюсь, что профессиональные разработчики реализуют предложенную конструкцию на более высоком техническом уровне. Владимир Карлов.

Treschalin Michail Yuriyevich

Уважаемый Владимир! Вы решили практически нужную задачу с допустимым уровнем погрешности. Очередной раз желаю повсеместного внедрения Ваших разработок. С уважением М.Ю. трещалин

Babayev Naqibullo Habibullayevich

Доклад Владимира Карлова очень интересная. Для установления адекватности результатов измерений необходимо проведение дополнительных исследований в реальных производственных условиях. Оценка 8 балов. С уважением Накибулло Бабаев
Comments: 5

Elena Artamonova

Уважаемый Владимир Анатольевич, подготовлен отличный доклад по развитию и совершенствованию характеристик конструкции анализатора, ранее Вами запатентованному. Убедительны приведенные в работе результаты экспериментальных исследований. Дальнейших успехов!

Ersoy, Sezgin

Your Honor The scientific contribution of vibrational studies is increasing. Your work in this area will make a significant contribution to the literature. Good luck

Vladimir Karlov

Уважаемый Михаил Юрьевич, благодарю Вас за внимание к моей исследовательской работе и добрые пожелания. К сожалению, в моем распоряжении имеется элементная база 60-х годов прошлого столетия. Надеюсь, что профессиональные разработчики реализуют предложенную конструкцию на более высоком техническом уровне. Владимир Карлов.

Treschalin Michail Yuriyevich

Уважаемый Владимир! Вы решили практически нужную задачу с допустимым уровнем погрешности. Очередной раз желаю повсеместного внедрения Ваших разработок. С уважением М.Ю. трещалин

Babayev Naqibullo Habibullayevich

Доклад Владимира Карлова очень интересная. Для установления адекватности результатов измерений необходимо проведение дополнительных исследований в реальных производственных условиях. Оценка 8 балов. С уважением Накибулло Бабаев
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.