close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование радиотехнических устройств микроволнового диапазона с улучшенными функциональными характеристиками на основе многополюсных измерительных преобразователей

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Пологрудов Виктор Петрович Шифр научной специальности: 05.12.04 - радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Шифр второй научной специальности: 05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов
На правах рукописи
Пологрудов Виктор Петрович
Разработка и исследование радиотехнических устройств микроволнового
диапазона с улучшенными функциональными характеристиками на
основе многополюсных измерительных преобразователей
Специальность:
05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,
материалов и изделий
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Омск 2012
1
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
бюджетном учреждении высшего профессионального
образования
«Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и
информатики».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Малинкин Виталий Борисович.
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор
Петров Виктор Петрович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Майстренко Василий Андреевич
кандидат технических наук, профессор
Шахов Владимир Григорьевич
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Сибирский государственный
аэрокосмический университет имени
академика М.Ф. Решетнева»
Защита состоится 29 ноября 2012 г. в __________ час. на заседании
диссертационного совета Д 212.178.01 в при федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального
образования «Омский государственный технический университет» по адресу:
г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного
технического университета.
Автореферат разослан _____ __________2012 г.
Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим
отправлять по адресу: г. Омск, пр. Мира, 11, Омский государственный
технический университет, ученому секретарю диссертационного совета
Д 212.178.01.
Ученый секретарь
диссертационного совета
В.Л. Хазан
2
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Разработка
и
исследование
радиотехнических
устройств
микроволнового
диапазона
с
улучшенными
функциональными
характеристиками
на
основе
многополюсных
измерительных
преобразователей обусловлено требованиями к точности количественной
функциональной оценки электрофизических параметров устройств как для
исследований, проектирования, контроля параметров при производстве, так и
в эксплуатации. Развитие науки и техники, широкое и динамичное внедрение
передовых достижений ставит задачи унификации и обеспечения
взаимозаменяемости деталей и узлов изделий, повышения качества
изготовления выпускаемых изделий и их технологичности, а также
количественного описания физических явлений. Развитие техники связи,
военной и космической техники, ГЛОНАС, навигации, решение научных и
прикладных задач в сопряженных областях науки и техники микроволнового
диапазона диктуются современными требованиями. Расширение диапазона
частот твердотельных микроволновых приборов с широким внедрением
последних и, соответственно, поточным и высокотехнологичным
производством микроволновых элементов и изделий их использующих,
предъявляет ряд требований к метрологическому обеспечению в области
микроволнового диапазона.
Эти требования, в общем случае, являются противоречивыми.
Повышение точности измерения требует учета, оценки и уменьшения
доминирующих составляющих погрешности, что приводит к усложнению
процедуры измерения и увеличению времени и стоимости измерения.
Обеспечение высокой повторяемости результатов измерений влечет за
собой повышение требований к конструкции исследуемых элементов и
измерительных трактов, к точности изготовления и повторяемости от изделия
к изделию их электрофизических параметров. В свою очередь конструкция
элементов определяется рядом требований исходящих как из
конструирования самих элементов и изделий, так и метрологической
оснастки (идентичностью соединителей и переходов, точностью и
идентичностью используемых калибровочных мер, возможностью оценки
параметров соединителей и т. д.).
Обеспечение современных требований к результатам измерений
достигается идентичностью электрофизических параметров испытуемого
объекта с эталоном. Его физическая часть определяется калибровочными
мерами и аппроксимацией их параметров в область измеряемых величин. Это
предъявляет конструктивные требования к объекту измерения, соединителям
и цепи в целом. К этому следует отнести и однозначность определения
параметров объекта измерения вычислительными процедурами.
Достижение высокой скорости измерения параметров, при заданной
точности их определения, возможно только при автоматизации измерений.
3
Вся совокупность измерительных преобразователей, безусловно, в той или
иной степени, пригодна к автоматизации.
Автоматизация измерений, в свою очередь, накладывает определенные
требования к измерителю параметров в целом и к измерительным
преобразователям и мерам волнового сопротивления. Традиционно
автоматизация измерения параметров микроволновых устройств развивалось
по нескольким направлениям. Эти направления определялись достижениями
в области механики, химии и технологии (увеличение точности и
идентичности изготовления элементов, технологической оснастки и их
электрофизических параметров), в области конструирования (модификация
старых или разработка новых конструкций элементов и устройств в целом),
совершенствованием измерительных процедур и их автоматизацией. С
появлением вычислительных средств повышение точности измерения
параметров
микроволновых
устройств
определилось
разработкой
алгоритмических методов на основе сложных вычислительных процедур.
Благодаря алгоритмическим методам уменьшаются требования к
параметрам измерительного преобразователя и упрощается механическая
часть калибровочной процедуры. При этом параметры измерительных
преобразователей в диапазоне рабочих частот и амплитуд испытательных
сигналов и измеряемых величин вычисляются в процессе калибровки
измерителя в целом. Внесенные в измерения погрешности, обусловленные
неидеальностью параметров измерительных преобразователей, исключаются
использованием математической модели измерителя с ее преобразованием в
измерительные уравнения.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование
радиотехнических устройств микроволнового диапазона с улучшенными
функциональными
характеристиками
на
основе
многополюсных
измерительных преобразователей.
Для достижения цели диссертационной работы были рассмотрены и
решены следующие задачи:
1.
На базе теории микроволновых цепей создана и исследована
математическая модель многополюсных измерительных микроволновых
преобразователей для алгоритмических методов измерения, позволяющая
произвести исследования структуры преобразователей, определить их
внутренние параметры и создание на этой базе измерителей параметров
отражения микроволновых устройств радиотехники;
2.
Созданы и исследованы методы повышения точности измерения
параметров отражения и методы калибровки многополюсных анализаторов
цепей для измерения коэффициента отражения;
3.
Произведен анализ основных погрешностей разработанных
измерителей при использовании алгоритмических методов измерения и
калибровочных устройств на основе метода оценки погрешности измерения,
не зависящего от функции распределения ошибки;
4.
Создана аппаратура для высокоточного измерения параметров
отражения и произведено её экспериментальное исследование.
4
Методы исследования основаны на использовании теории
микроволновых цепей, теории матриц, теории графов, статистических
методов оценки полученных результатов и вычислительных технологий.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1.
Создана и исследована математическая модель 2-n полюсного
измерителя параметров микроволновых цепей на основе алгоритмических
методов измерения;
2.
Созданы и исследованы алгоритмические методы улучшения
характеристик измерительных преобразователей микроволнового диапазона
для измерения параметров отражения и методов калибровки измерителей на
основе 2n-полюсного преобразователя, позволяющие минимизировать
погрешность измерения с точностью до неисключаемого остатка в виде
систематической погрешности;
3.
На основе метода оценки погрешности измерения, не зависящего
от функции распределения ошибки, произведен анализ основных
погрешностей измерителей параметров отражения;
4.
На основе теоретических разработок и полученных практических
результатов доказана эффективность разработанных методов.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена
использованием математического аппарата микроволновых цепей, теории
матриц, теории графов и результатами эксперимента.
Практическая ценность
По результатам
работы была создана аппаратура анализа
микроволновых устройств, используемая на целом ряде предприятий.
Созданные
и
исследованные
в
работе
методы
анализа
радиотехнических устройств микроволнового диапазона с улучшенными
функциональными
характеристиками
на
основе
многополюсных
измерительных преобразователей использованы при проектировании и
создании аппаратуры высокоточного измерения параметров микроволновых
устройств.
Результаты работы внедрены в ОАО «Мегафон», учебный процесс
ФГОБУ ВПО СибГУТИ и в НИИ «Радио», г. Москва..
Результаты работы отражены в отчетах по хоздоговорным темам
(Радий-4, Ракета, Рекорд)
Апробация работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме
диссертации
докладывались
на:
Областных
научно-технических
конференциях посвященных дню радио в г. Новосибирске в 1983-1989г.;
Всесоюзной НТК Радиотехнические измерения в диапазоне высоких (ВЧ)
частот и сверхвысоких (СВЧ) частот в 1984 г. в Новосибирске; IV
Всесоюзном симпозиуме «Методы теории идентификации в задачах
измерительной техники и метрологии» в 1985 в г. Новосибирске;
Региональной
научно-технической
конференции
«Радиотехнические
измерения в диапазоне высоких (ВЧ) частот и сверхвысоких (СВЧ) частот» в
1986г. в Новосибирске; VII Всесоюзной конференции «Метрология в
5
радиоэлектронике» в 1988 г. в п. /о Менделеева; Международной научнотехнической конференции «Передача энергии переменным током на дальние
и сверхдальние расстояния» в 2003 в г. Новосибирске; Российской НТК
“Информатика и проблемы телекоммуникаций” в 2009 г. в г. Новосибирске;
Российской НТК “Современные проблемы телекоммуникаций” в 2012 г. в г.
Новосибирске.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 5 статей в
изданиях из перечня ВАК РФ, 3 патента на изобретения, 5 отчетов НИИР, 21
тезисов докладов на международных, всесоюзных и областных
конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения,
списка использованных литературных источников и приложений. Работа
изложена на 135 страницах основного текста, содержит 2 таблицы, 30
рисунков, списка из 109 наименований литературных источников и
приложения.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы.
В первом разделе проведен анализ развития техники измерений
параметров отражения устройств радиотехники и связи и постановка задачи.
Определены объекты измерения, их параметры в исследуемом
параметрическом
пространстве.
Рассмотрена
обобщенная
модель
многополюсного измерителя параметров отражения. Разработана и
исследована структура многополюсных измерительных преобразователей.
Из теории микроволновых цепей известно множество моделей
устройств. В основе всех моделей лежит совокупность свойств, проявляемых
микроволновыми устройствами при воздействии на них электрических
сигналов. В данной работе для анализа использована система S-параметров.
Обобщенная математическая модель ненагруженного устройства с 2n парами
полюсов в S пространстве в матричном виде описывается следующим
выражением
S a
i , i=1,2, …n;
b
i
i
где:
ai и
b i
S
(1)
векторы-столбцы падающих и прошедших
(отраженных) волн;
- S-матрица рассеяния, характеризующая
i
внутренние параметры 2n-полюсника.
Данная модель определяет ясность физической интерпретации
параметров S-матрицы и характеризует согласованность объекта измерения с
измерительной цепью, описываемой также S-матрицей. S-матрица называется
матрицей рассеяния, а S-параметры – параметрами рассеяния.
Применяя теорию СВЧ-цепей определим обобщенную модель
многополюсного измерительного преобразователя как систему линейных
6
уравнений, связывающих выходной сигнал, входной сигнал, параметры
объекта измерения и внутренние параметры измерительного преобразователя,
используя функциональное дробно-линейное свойство цепей (систем).
Многополюсный измерительный преобразователь представим как
обобщенный многополюсник, с одним или несколькими подключенными
генераторами и индикаторами и одним объектом измерения (рис.1).
b1
bm
b2
a1
a2
2n-полюсник
н
an
a i - падающая волна i–го генератора
b j - прошедшая волна j – го индикаторного выхода
н - коэффициент отражения объекта измерения
Рисунок 1 – Обобщенная функциональная схема многополюсного
измерителя комплексного коэффициента отражения
Амплитуды волн индикаторных выходов для выбранной пары
генератор – индикатор в нормированных параметрах однозначно
определяются выражением
A н B ik
bi ik
a k , где: i 1 m , k 1 n ,
1 н C ik
A ik , B ik , C ik
эквивалентные
нормированные
(1)
параметры
многополюсного измерительного преобразователя,
н - коэффициент отражения объекта измерения.
Система уравнений (1) является математической моделью обобщенного
многополюсного измерительного преобразователя и не зависит от
структурной организации многополюсника и определяет базовый принцип
измерения с функционально неопределенным датчиком. К измерительным
полюсам подключены индикаторы комплексных величин.
В случае применения индикатора скалярных величин измеряется
мощность на измерительных выходах. При этом мощность Pi
пропорциональна bi
2
и математическая модель имеет вид
7
bi
2
2
A ik н B ik
2
a k .
1 н C ik
(2)
Данная модель определяет базовый принцип измерения с
функционально неопределенным датчиком. К измерительным полюсам
подключены индикаторы скалярных величин.
Для системы с двумя генераторами и известным фазовым сдвигом i
между сигналами генераторов и скалярным индикатором математическая
модель имеет вид
Pi bi
2
2
A1 н B1
A 2 н B 2
ji
a1 a 2
.
1 н C1
1 н C 2
(3)
При изменении i изменяется амплитудное распределение поля в
датчике. Зависимость мощности на измерительном выходе от разности фаз
сигналов генераторов определяется выражением
2
2
P(i ) bi (i ) k 1 N 2 N cos( N i ) ,
N , i
относительно н ,
где
(4)
- модуль и фаза комплексной функции датчика
k - модуль комплексного коэффициента преобразования датчика.
Данная модель определяет базовый принцип измерения с
функционально неопределенным датчиком и двухсигнальный генератором с
известным фазовым сдвигом.
Модели, описываемые выражениями (1), (2), (3) имеют решения при
ниже представленных калибровочных процедурах, разработанных в
диссертации.
Рассмотрены измерители на базе восьми, десяти и двенадцати
полюсных измерительных преобразователей с векторными и скалярными
индикаторами, определены граничные условия. Определены в общем виде
калибровочные и измерительные уравнения. Проведен обобщенный анализ
методов калибровки и принципов построения измерителей коэффициентов
отражения.
Уравнение (1), (2), (3) билинейны относительно свойств исследуемого
объекта Г n . Обобщенное решение этого уравнения является сложной
задачей, при решении которой необходимо определить обобщенные
параметры
A i , B i , C i
измерительного преобразователя по показаниям
индикатора комплексных или скалярных величин bi .
Для решения поставленных задач исследования применимы методы
измерения и принципы построения многополюсных измерительных
преобразователей.
8
Проанализирована обобщённая модель n-полюсного функционально
неопределенного измерительного преобразователя с индикаторами скалярных
величин. Анализ произведен для первого измерительного выхода, что
является справедливым и для любого другого. Для анализа рассмотрен
сигнальный граф двенадцатиполюсного измерительного преобразователя.
A , B , С
Для определения
получена система трех независимых
линейных уравнений с тремя неизвестными. Это обеспечивается
калибровочной процедурой, состоящей из измерения трёх заранее известных
нагрузок 1 , 2 3 . При этом получаем систему уравнений относительно
измеренных величин
N С N
A
B
1
1
1
1
A2 B N 2 С 2 N 2 .
(5)
A 3 B N 3 С 3 N 3
Решая (5) относительно параметров A , B , С находим их значения.
Во втором разделе созданы и подвергнуты анализу измерители
параметров микроволновых цепей на основе многополюсных измерительных
преобразователей.
При
определении
собственных
параметров
многополюсного преобразователя, как правило, приходится сталкиваться с
проблемой неоднозначности корней в нелинейных калибровочных
уравнениях или с проблемой вырождения матрицы коэффициентов системы
линейных калибровочных уравнений. В этом разделе описаны методы
решения задачи нахождения собственных внутренних параметров
преобразователей и параметров отражения объекта исследования.
Представлены калибровочные и измерительные процедуры их реализующие.
Создан и представлен метод калибровки детекторных измерителей мощности.
Создан и представлен метод исключения параметров контактного устройства
при измерении импедансов транзисторов микроволнового диапазона.
В диссертации созданы методы повышения точности измерения
параметров отражения радиотехнических устройств микроволнового
диапазона на основе многополюсных измерительных преобразователей с
улучшенными функциональными характеристиками.
В частном случае, для направленных ответвителей рассмотрены пути
уменьшения погрешности измерения обусловленной рассогласованием и
ненаправленностью для векторного индикатора (ДК1-12). Применяя правило
Мезона, получены обобщенные уравнения измерения коэффициентов
отражения четырехполюсника S 11 , S 22 (рис. 2).
9
изм
U1
S
Г г
U2
(1)
S33
(1)
S23
S
(1)
13
(1)
31
(1)
S32
Е г
изм
(1)
S22
S13( 2 )
( 2)
S31
( 2)
S32
(1)
S21
S11(1)
( 2)
S33
( 2)
S21
S22( 2)
S11( 2 )
S12(1)
S23( 2)
S
( 2)
12
н
E - напряжение генератора; - комплексный коэффициент
j
j
j
j
j
j
j
j
j
отражения генератора; S11 , S 21 , S22 , S12 , S31 , S33 , S13 , S32 S23 - элементы
S11( 2)
()
S 11
изм матрицы рассеяния внутреннего эквивалентного шестиполюсника; коэффициент отражения измерителя (ДК1-12); Н - коэффициент отражения
нагрузки; U j - напряжение на выходе измерительного преобразователя, j=1,2
Рисунок 2 - Сигнальный граф схемы двухзондового (восьмиполюсного)
измерителя
Параметры A , B , C определены из системы уравнений (5).
Решая совместно систему калибровочных уравнений (5) определено
действительное значение комплексного коэффициента отражения нагрузки
N N 3 N N 2 K 2 K 3 N 3 N 2 N N 1 K1 K 2 N 2 N 1 N N 3 н K 1 K 3 1
, (6)
K 1 N 2 N 3 N N 1 K 2 N 3 N 1 N N 2 K 3 N 1 N 2 N N 3 где N , N 1 , N 2 , N 3 , измеренные значения комплексных
коэффициентов отражений калибровочных устройств и нагрузки.
Выше приведенное решение основано на алгоритмической модели nполюсника и аналогично позволяет производить анализ десяти- и
двенадцатиполюсных измерительных преобразователей.
В диссертации представлены:
Созданный метод повышения точности измерения параметров
отражения с восьмиполюсным измерительным преобразователем и его
сигнальный граф. Данный метод внедрен в НИИР, г. Москва, шифр «Радий3».
Созданный метод десятиполюсного измерителя параметров
отражения на основе измерительной линии. Данный метод внедрен в НИИР,
г. Москва, шифр «Радий-3», «Ракета», «Рекорд».
Созданный метод измерения, реализованный на основе
обобщенного неидеального трехзондового измерительного преобразователя.
10
Следует отметить, что n – полюсные измерители обладают тем недостатком,
что всегда необходимо поддерживать постоянным уровень падающей волны в
процессе измерения. В целях исключения данного недостатка систему
уравнений нормируют относительно показания индикатора мощности,
подключенного к одному из дополнительных зондов. Данный метод внедрен
в НИИР, г. Москва, шифр «Радий-3», «Ракета», «Рекорд».
Созданный Метод калибровки и измерения, который использует
подвижные согласованную и короткозамкнутую нагрузки в качестве
калибровочных элементов. Данный метод внедрен в НИИР, г. Москва, шифр
«Радий-3», «Ракета», «Рекорд».
Созданный Метод калибровки и измерения использующий не
подвижную согласованную и подвижную короткозамкнутую нагрузки в
качестве калибровочных элементов. Данный метод внедрен в НИИР, г.
Москва, шифр «Радий-3», «Ракета», «Рекорд».
Созданный Метод калибровки и измерения параметров
отражения, реализующий измерительный преобразователь с переменными
параметрами и функциональная схема его реализующая. Авторское
свидетельство SU 1677660 А1. Данный метод внедрен в НИИР, г. Москва,
шифр «Радий-3», «Ракета», «Рекорд».
Созданный метод калибровки и измерения параметров отражения
двойного двенадцатиполюсного измерителя. Авторское свидетельство SU
1760475 А1. Данный метод внедрен в НИИР, г. Москва, шифр «Радий-3»,
«Ракета», «Рекорд».
Созданный метод калибровки детекторов мощности n-полюсного
измерителя на базе двенадцатиполюсного рефлектометра. Авторское
свидетельство SU 1478151 А1. Данный метод внедрен в НИИР, г. Москва,
шифр «Радий-3», «Ракета», «Рекорд».
Созданный Метод исключения контактного устройства при
измерении импедансов транзисторов. Данный метод внедрен в НИИР, г.
Москва, шифр «Рекорд».
Выше приведенное решения основаны на алгоритмической модели nполюсника и аналогично позволяют производить анализ любых n-полюсных
измерительных преобразователей.
В третьем разделе проведен анализ основных погрешностей измерения
параметров отражения. Рассмотрены методы анализа погрешностей
измерителей параметров отражения.
Огромный вклад в анализ погрешностей при алгоритмическом
определении параметров устройств микроволнового диапазона внесла
научная школа В.П. Петрова, к которой принадлежит соискатель.
При оценке метрологических характеристик измерителя в целом
необходимо учитывать все доминирующие составляющие погрешности с их
законами распределения. Законы распределения составляющих погрешности
измерения параметров микроволновых устройств, как правило, арксинусные.
При этом обобщенные рекомендации ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 избыточны и
влекут неоправданные стоимостные и технические затраты. В диссертации
11
приняты известные положения, что при использовании алгоритмических
методов измерения и калибровочных устройств, рациональнее использовать
метод оценки погрешности измерения не зависящий от закона функции
распределения ошибки. Известно, что все функции распределения
погрешности с погрешностью не более 6% сходятся в одной области с
доверительным интервалом, равным 0,95. Дальнейшие исследования,
проведенные в диссертации, основаны на данном положении. Это привело к
тому, что при расчете СКО появился поправочный коэффициент, равный 1,8,
что является достаточным для определения погрешностей не только для
рабочих средств измерения, но и для государственных эталонов.
В этом разделе были исследованы погрешности калибровочных
элементов, которые и определяют тот потенциальный предел минимальной
погрешности измерения, который может быть достигнут при оптимальном
выборе параметров калибровочных элементов.
Решение задачи оценки суммарной погрешности, в данной работе,
построено на методе приближенного представления плотности вероятности
суммарных погрешностей ортогональными полиномами.
Суммарное среднеквадратическое отклонение (СКО) σ для
известных законов распределения определяется как
2
F 2
σi
σ (7)
i 1,...,n ,
i 1 xi где: i – частные составляющие погрешности;
F – функция влияния.
Суммарное среднеквадратическое отклонение не зависит от вида
задания частных составляющих погрешности.
Критерием допустимой равнозначности погрешностей является
n
i n
i2
2
i
,
(8)
При выполнении условий неравенства (8) среднеквадратические
значения частных составляющих считаем близкими между собой. В этом
случае доминирующая погрешность отсутствует. При невыполнении данного
условия, i - доминирующая.
При количестве частных составляющих декомпозированной суммарной
погрешности более:
n 5 , для 1 1,2 ,
(9)
n 10 , для 1,9 2,0 ,
(10)
где - коэффициент эксцесса.
В диссертации проведен анализ влияния погрешностей соединителя,
измерителя мощности, погрешности аттестации калибровочных мер и
структуры измерительного преобразователя. Анализ произведен на основании
метода Монте-Карло и метода Моментов.
12
Методом Моментов определены частные составляющие значения СКО
измеряемой величины при малом количестве элементов статистического
массива для доверительного интервала 0,95, что в большинстве случаев
является достаточным.
6 6
н
Pj
Pj ,i
н
0 , 95 Н 1,8 j 4 Pj P3 1,8P3 i 0 Pj ,i P3,i 1,8P3,i
j 4 , 5, 6
,
(11)
1
н Кi
н 2
6 6 Кi 1,8 i 0 Кi 1,8 i 0 Кi
Оценка среднеквадратического отклонения определенная выражением
(11) не зависят от законов распределения, что в большинстве случаев
определяет ее преимущественное использование. При больших объемах
выборки для аналогичных преобразований применяется метод Монте-Карло.
В четвертом разделе представлена и практически исследована
созданная на основании вышеприведенных исследований аппаратура для
измерения
параметров
отражения
радиотехнических
устройств
микроволнового
диапазона
с
улучшенными
функциональными
характеристиками.
В разделе показано, что одной из доминирующей погрешностей
измерения является погрешность обусловленная нестабильностью частоты
измерительных генераторов. Для устранения влияния этой погрешности в
разделе была рассмотрена разработанная для этих целей схема стабилизации
частоты в рабочем диапазоне частот с использованием системы система
фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Функциональная схема системы ФАПЧ приведена на рис. 3.
1
СВЧ
сигнал
5
2
3
4
Сигнал
управления
1 – генератор микроволнового диапазона; 2 – тройник; 3 – частотомер; 4
- фазовый детектор; 5 - генератор опорного сигнала
Рисунок 3 - Функциональная схема системы ФАПЧ
Система ФАПЧ построена на принципе переноса спектра
микроволнового
сигнала
на
промежуточную
частоту.
Перенос
осуществляется импульсным стробоскопическим смесителем переносчика
частотомера. При этом производится высокоточное измерения частоты
13
сигнала. Сигнал, с выхода стробоскопического смесителя подается на
фазовый детектор, где сравнивается по фазе с опорным сигналом. Сигнал
ошибки подается на управляющий вход генератора.
Управление фазовым состоянием сигнала генератора производится за
счет разности частот сигналов f на входах фазового детектора в интервале
времени t . По окончании интервала t происходит коррекция частоты
генератора. За время t происходит набег фазы
360
t tf ,
n
(12)
где n – коэффициент деления частоты (коэффициент преобразования).
Делитель частоты это многоустойчивый фазовый элемент, с n –
устойчивыми состояниями фазы
360
.
n
Таким образом, при набеге частоты f за время t в системе ФАПЧ
вырабатывается сигнал ошибки, который, воздействуя на частоту генератора
и приводит последнюю к одному из ближайших устойчивых состояний.
Неисключенная систематическая погрешность составляет не более 0,01 до
верхней частоты проводимого исследования, равной 56 ГГц.
изм,i
0,015
изм 0,01
0,012
0,009
изм 0,33
0,006
изм 1
0,003
1
2
3
изм f изм
4
5
6
7
8
9
10
i
I – номер измерения
Рисунок 4 - Зависимость интерполированной погрешности измерения
изм от модуля ККО исследуемого двухполюсника при оптимальных
параметрах измерительного преобразователя при натурном эксперименте
На основе разработанной математической модели микроволнового
тракта с восьмиполюсным измерительным преобразователем создана
14
автоматизированная установка для измерения параметров отражения, в
основу которой положена установка для поверки аттенюаторов ДК1-12.
изм от
Зависимость интерполированной погрешности измерения модуля ККО исследуемого двухполюсника при оптимальных параметрах
измерительного преобразователя при натурном эксперименте на частоте 4
ГГц представлены на рис. 4.
Зависимость интерполированной погрешности измерения изм от
модуля ККО исследуемого двухполюсника при оптимальных параметрах
измерительного преобразователя при натурном эксперименте на частоте 4
ГГц представлен на рис. 5.
Экспериментальные данные обобщены и приводятся как конечный
результат исследований интерпретирующих области применимости
основоположений
и
направлений
исследований.
Подтверждение
положительных вычислительных и натурных экспериментальных работ.
изм
3,0
2,4
изм 0,33
1,8
изм 1
1,2
0,6
1
2
3
изм f изм
4
5
6
7
8
9
10
i
i–номер измерения
Рисунок 5 - Зависимость интерполированной погрешности измерения
изм от модуля ККО исследуемого двухполюсника при оптимальных
параметрах измерительного преобразователя при натурном эксперименте на
частоте 4 ГГц
Как видно на рис. 4, и 5 погрешности измерения параметров отражения
не превышают значений 0,015 и 3 . Аналогичные экспериментальные
исследования приведены для всех основных составляющих погрешностей.
15
Основные результаты работы и выводы
1.
Созданы и исследована математическая модель 2-n полюсного
измерителя параметров микроволновых цепей на основе алгоритмических
методов измерения;
2.
Созданы и исследованы методы улучшения характеристик
измерительных преобразователей микроволнового диапазона для измерения
параметров отражения и методов калибровки измерителей на основе 2nполюсного преобразователя, позволяющих минимизировать погрешность
измерения с точностью до неисключаемого остатка в виде систематической
погрешности;
3.
На основе метода оценки погрешности измерения, не зависящего
от функции распределения ошибки произведен анализ основных
погрешностей измерителей параметров отражения;
4.
На основе теоретических разработок и полученных практических
результатов доказана эффективность созданных методов.
Публикации по теме диссертационной работы
1.
Пологрудов В.П. Рясный Ю.В. Журавлева О.Б. Метод
исключения структурных параметров контактного устройства при измерении
импедансов транзисторов СВЧ. Техника средств связи, Серия РИТ, выпуск 2,
Москва 1989г., стр. 55-60. 2.
Пологрудов В.П. Борисов А.В., Журавлева О.Б., Мульдевиц М.К.,
Петров В.П., Рясный Ю.В. Автоматизированная установка для измерения
параметров оконечных и проходных устройств СВЧ в технике связи. Труды
Государственного НИИ «Радио», Москва 1983г, №3, стр. 83-88. 3.
Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б., Мирошкин Д.Г.,
Хлоповский Е.Г. Автоматизированный 12-полюсный рефлектометр Техника
средств связи, серия РИТ, Москва 1985г, №7, стр. 117-122. 4.
Пологрудов В.П., Петров В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б.
Анализ методов калибровки 12-полюсного рефлектометра Измерительная
техника, 1985г. №10,стр. 40-41. 5.
Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Оптимизация
структуры
двенадцатиполюсных
измерительных
преобразователей.
Измерительная техника, 15.04.1988г. 6.
Пологрудов
В.П.,
Рясный
Ю.В.,
Журавлева
О.Б.
Двенадцатиполюсный рефлектометр. Авторское свидетельство №1478151,
08.01..89г. 7.
Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Способ
определения
комплексного
коэффициента
отражения.
Авторское
свидетельство, №1677660, 15.05.1991г. 8.
26
Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Способ
калибровки двойного 12-полюсного анализатора цепей. Авторское
свидетельство №1760475, 08.05.1992г. 16
9.
Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод
калибровки 12 – полюсных измерителей коэффициентов отражения.
Региональная
научно-техническая
конференция
«Радиотехнические
измерения в диапазоне высоких (ВЧ) частот и сверхвысоких (СВЧ) частот».
Тезисы докладов ВНТК, 25-27 апреля 1986г., Новосибирск. Тезисы докладов.
10. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Анализ методов
измерения комплексных коэффициентов отражений на основе зондовых
измерительных преобразователей. Министерство связи СССР Ленинградский
электротехнический институт связи «Радиотехнические системы связи»
Сборник научных трудов учебных институтов связи г. Ленинград, 1989г. стр.
95-101.
11. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод
калибровки двух 12-полюсных измерителей параметров рассеяния. XXXI
Областная научная конференция посвященная дню радио. Новосибирск,
1988г.стр. 121.
12. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Оптимизация
структуры многополюсных измерителей комплексных коэффициентов
отражений Областная конференция, г. Новосибирск. Тезисы докладов.
01.88г.. Посвященная дню радио. Стр. 122.
13. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Дульцева Ю.А. Параметрический
синтез диодных детекторов СВЧ. XXXI Областная научная конференция
посвященная дню радио. Новосибирск, 1988г.стр. 122.
14. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод
исключения контактного устройства при измерении импедансов транзисторов
СВЧ. XXX Областная научно-техническая конференция посвященная 70летию великой октябрьской социалистической революции и дню радио. 24-26
апреля 1987г. Тезисы.
15. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В. Математическая модель метода
калибровки детекторов мощности 12-полюсного измерителя. 10-12.09.1985г.
IV Всесоюзный симпозиум «Методы теории идентификации в задачах
измерительной техники и метрологии» тезисы докладов 10-12 сентября 1985
г. Новосибирск УДК 621.396.
16. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Анализ модели
12-полюсного измерителя S-матрицы транзисторов // Методы теории
идентификации в задачах измерительной техники и метрологии: 4 Всесоюз.
симпоз. Тез. докл. – Новосибирск, 1985. – С. 131-132.
17. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод
калибровки 12-полюсного измерителя комплексных коэффициентов
отражений. В кн.: Радиотехнические измерения в диапазоне высоких (ВЧ) и
сверхвысоких (СВЧ) частот. Тезисы докладов ВНТК, 12-14 сентября 1984,
Новосибирск, с. 13.
18. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Многополюсные
измерители комплексных коэффициентов отражений. 25-27.10.1988г.
VIIВсесоюзная конференция «Метрология в радиоэлектронике», п/о
Менделеева, 18.03.1988г. стр. 64
17
19. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Параметрический
синтез многополюсных измерительных преобразователей анализаторов цепей
СВЧ. 25-27.10.1988г. VIIВсесоюзная конференция «Метрология в
радиоэлектронике», п/о Менделеева, 25-27.10.1988г. стр. 64
20. Пологрудов В.П., Калмыков А.И., Каспер Г.Г. Информационноизмерительная система анализа СВЧ цепей. XXVII Областная научнотехническая конференция посвященная дню радио. Новосибирск, 1984г.
21. Пологрудов В.П., Калмыков А.И. Система ФАПЧ для
стабилизации СВЧ генераторов при работе с установкой ДК1-12. XXVI
Областная научно-техническая конференция посвященная дню радио.
Новосибирск, 1983г.
22. Пологрудов
В.П.,
Хлоповский
Е.Г..
Организация
многомашинного вычислительного комплекса «Ракета» XXVIII Областная
научно-техническая конференция посвященная 40-летию победы и дню
радио. Новосибирск, 1985г. Тезисы докладов
23. Пологрудов
В.П.,
Рясный
Ю.В.,
Журавлева
О.Б.
Двенадцатиполюсный измеритель параметров СВЧ устройств. ТУИС.
22.02.1989г.
24. Пологрудов В.П., Журавлева О.Б. Автоматизированная установка
для измерения ККО с двенадцатиполюсным рефлектометром диапазона
частот 17,44-26,0 ГГц. XXXII Областная научно-техническая конференция
посвященная дню радио, Новосибирск, 1989г.
25. Пологрудов В.П. Синтезатор частот диапазона 17,44 – 37,0 ГГц.
XXXII Областная научно-техническая конференция посвященная дню радио,
Новосибирск, 1989г.
26. Пологрудов В.П., Яшунская Н.В. Организация и планирование
эксперимента при разработке двенадцатиполюсного измерителя ККО
диапазона частот 17,44-26,0 ГГц. XXXII Областная научно-техническая
конференция посвященная дню радио, Новосибирск, 1989г.
27. Пологрудов В.П., Рясный Ю.В., Журавлева О.Б. Метод
калибровки 12-полюсного измерителя комплексных коэффициентов
отражения // Методы и средства измерения электромагнитных характеристик
материалов на ВЧ и СВЧ: Тез. докл. 5 Всесоюз. Науч. – техн. конф. –
Новосибирск, 1984. – С. 137-138.
28. Пологрудов В.П., Пальчун Ю.А. Методы анализа измерителей
параметров отражения с использованием функций поправки // Информатика и
проблемы телекоммуникаций: Тез. докл. 5 Российская. Науч. – техн. конф. –
Новосибирск, 2009. – Том 1, С. 154-156.
29. Отчет о научно – исследовательской работе «Разработка и
исследование методов и средств точных измерений коэффициентов
отражений в коаксиальных волноводах в диапазоне частот 12 – 18 ГГц»
Шифр «Радий 4» Отчет промежуточный. НЭИС, 1982г.
30. Отчет о научно – исследовательской работе «Разработка и
исследование методов и средств точных измерений коэффициентов
18
отражений в коаксиальных волноводах в диапазоне частот 12 – 18 ГГц»
Шифр «Радий 4» Отчет заключительный. НЭИС, 1983г.
31. Отчет о научно – исследовательской работе Разработка
измерителя импедансов активных устройств СВЧ диапазона. Разработка 12полюсного измерителя, интерфейса и согласующего трансформатора. Шифр
«Ракета» Промежуточный отчет. НЭИС, 1984г.
32. Отчет о научно – исследовательской работе Разработка
измерителя импедансов активных устройств СВЧ диапазона. Разработка 12полюсного измерителя, интерфейса и согласующего трансформатора. Шифр
«Ракета» Заключительный отчет. НЭИС, 1985г.
33. Отчет о научно – исследовательской работе Разработка и
исследование методов и средств для измерения комплексного коэффициента
отражения в диапазоне частот 18-36 ГГц. Шифр «Рекорд» НЭИС, 1987г.
34. Пологрудов В.П., Пальчун Ю.А. Малинкин В.Б., Владимирова
С.В. Анализ высокочастотных методов измерения параметров отражения в
коаксиальных трактах. // Современные проблемы телекоммуникаций: Тез.
докл. Российская. Науч. – техн. конф. – Новосибирск, 2012. – Том 1, С. 154156.
- Публикации в изданиях из перечня ВАК РФ
19
Пологрудов Виктор Петрович
Разработка и исследование радиотехнических устройств микроволнового
диапазона с улучшенными функциональными характеристиками на
основе многополюсных измерительных преобразователей
Автореферат
Подписано в печать ___. ____. 2012. Формат 60х84/16.
Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman. Усл. Печ. Л. 1,0.
Уч.-изд. л. 0,75. Тираж 100 экз. Заказ №______________
Отпечатано на ризографе в ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»
630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.
20
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
76
Размер файла
428 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа