На правах рукописи

Ладур Александр Анатольевич

ЭЛЕКТРОННЫЙ КАЛИБРАТОР

ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗАТОРА ЦЕПЕЙ

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2013 2

Работа выполнена в ЗАО «Научно-производственная фирма «Микран» и в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Малютин Николай Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, начальник научного управления ТУСУРа

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Бабак Леонид Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры компьютерных систем в управлении и проектировании ТУСУРа Сержантов Алексей Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБУН «Институт физики им. Л.В. Киренского» СО РАН, г. Красноярск

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу:

634050, г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «_» _ 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу:

ученому секретарю диссертационного совета Д 212.268.01 Филатову А.В., 634050, г. Томск, проспект Ленина, 40.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.268. доктор технических наук, профессор А.В. Филатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время наблюдается стремительное развитие радиоэлектронных средств в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Прогресс в современной радиоэлектронной технике невозможен без опережающего развития радиоизмерительной техники. Анализаторы цепей относятся к важнейшим средствам измерения параметров электрических цепей и устройств СВЧ-диапазона. Наиболее сложными являются векторные анализаторы цепей (ВАЦ), которые позволяют за одно присоединение измерить амплитудные и фазовые параметры в частотной и временной области исследуемых устройств (ИУ) в коаксиальных и волноводных СВЧ-трактах или монолитных интегральных схем на пластине при работе в комплексе с зондовыми станциями.

Теоретический аппарат измерений на СВЧ и описание современных аппаратных средств анализа цепей в системном виде представлены в монографии Андронова Е.В. и Глазова Г.Н. Наиболее полно рассмотрена теория преобразования сигналов, спектрального анализа СВЧ-цепей, принципы построения векторных анализаторов цепей в монографии и работах Гусинского А.В., Шарова Г.А. и Кострикина А.М. Фундаментальные основы и практические реализации векторных анализаторов цепей подробно изложены в работах Beatty R.W., Хибеля М., Ballo D., Пивака А.В., Румянцева А., Чупрова И.И., Adam S.F. и др.

Существенный вклад в развитие векторных импульсных анализаторов цепей внесли Семенов Э.В., Малютин Н.Д., Лощилов А.Г.

Для обеспечения точных измерений цепей необходимо провести калибровку векторного анализатора и коррекцию измеряемых данных. Наиболее широко используемыми в настоящее время являются семейства калибровок векторных анализаторов цепей SOLT (Short (англ.) – короткозамкнутая нагрузка (КЗ), Open – нагрузка холостого хода (ХХ), Load – согласованная нагрузка (СН), Thru – перемычка между портами) и TRL (Thru – перемычка между портами, Reflect – мера отражения, Line – линия передачи между портами), основанные на 10- и 8- параметрических моделях векторного анализатора цепей соответственно.

В работах Губы В.Г., Савина А.А. представлены классификация и анализ методов калибровки, рассматриваются погрешности измерений, модели ошибок и калибровка ВАЦ. Различные семейства калибровок, их особенности и применение, модели ВАЦ рассмотрены в работах Хибеля М., Rytting D., Rumiantsev A., Ridler N., Ballo D., Ostwald O., Fitzpatrick J. и др.

Для определения ошибок калибровки проводится процедура верификации.

Вопросы верификации рассмотрены в работах Beatty R.W., Maury M.A., Simpson G.R., Хибеля М., Ballo D. Методики факторной верификации описаны Губой В.Г., Савиным А.А.

Для калибровки векторных анализаторов цепей традиционно используются наборы калибровочных механических мер. Типовой набор калибровочных механических мер может комплектоваться в зависимости от потребностей пользователя, типа проводимой калибровки или класса обеспечиваемой калибровки.

Информацию о составе и особенностях калибровочных наборов, описание мер представляют производители в каталогах, технической документации и публикациях. Общая информация рассматривается в работах многих вышеперечисленных авторов, так как калибровка неразрывно связана с применением ВАЦ.

Требования к механическим нагрузкам определены и закреплены в государственных и международных стандартах. Использование механических мер обеспечивает высокую точность калибровки, но имеет ряд недостатков: высокая трудоемкость и длительность процесса калибровки; требование к высокой квалификации персонала; большая вероятность ошибки оператора; повышенный износ калибровочных мер, соединителей кабеля и портов анализатора.

Недостатки калибровочных механических мер отсутствуют у электронного калибратора (ЭК), позволяющего проводить калибровку в течение нескольких минут при минимальном количестве действий оператора. Таким образом, ЭК представляет собой наиболее перспективный инструмент калибровки векторного анализатора цепей. Его создание требует решения обширного спектра вопросов калибровки, разработки и технологии производства. Вопросы электронной калибровки рассматриваются в технической документации, описаниях, патентах и публикациях производителей электронных калибраторов. Из отечественных устройств можно отметить электронные калибраторы компании ООО «Планар» ACM6000T и ACM8000T, но их рабочий диапазон ограничен частотой 6 и 8 ГГц соответственно.

Принцип работы калибратора состоит в последовательном подключении к измерительным портам нагрузок с импедансами, соответствующими определенным калибровочным нагрузкам (далее нагрузка). Применяемые методы электронной калибровки подобны методам, используемым при калибровке механическими мерами. Дополнительным способом повышения точности автоматической калибровки может быть использование нескольких нагрузок в каждом диапазоне частот, что обеспечивает избыточную информацию для определения значений погрешности.

Цель работы Исследование и оптимизация схемы и конструкции СВЧ-блока калибратора, разработка серийного электронного калибратора, определение максимальной погрешности векторного анализатора цепей с учетом влияния точности характеризации и температурной нестабильности нагрузок калибратора.

Задачи исследования Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.

1. Экспериментальное исследование нагрузок калибратора в частотной области при воздействии линейного частотно-модулированного сигнала с дискретной перестройкой по частоте и во временной области в режиме импульсного воздействия.

2. Разработка моделей электронного калибратора в режиме четырехполюсника и двухполюсника на основе расчетно-экспериментального метода при моделировании нагрузок калибратора с использованием полученных частотных и импульсных характеристик.

3. Экспериментальное исследование температурной зависимости характеристик нагрузок электронного калибратора.

4. Оптимизация схемы и конструкции СВЧ-блока на основе расчетноэкспериментального метода и результатов экспериментальных исследований;

определение минимального времени выхода на режим.

5. Подтверждение соответствия требуемой точности измерения векторным анализатором цепей, калиброванным с использованием разработанного калибратора, путем проведения поверки согласно методике, утвержденной ГЦИ СИ ФГУП «СНИИМ».

6. Разработка метода определения максимальной погрешности измерения коэффициента отражения векторным анализатором цепей с учетом влияния точности характеризации и температурной нестабильности частотных характеристик нагрузок электронного калибратора.

Методы исследования Для решения перечисленных выше задач применялись методы математического моделирования, моделирования на основе современных САПР, экспериментальные исследования с использованием аттестованных средств измерений, импульсный метод измерения. При создании моделей нагрузок электронного калибратора использовался расчетно-экспериментальный метод экстракции параметров элементов устройств. Проверка основных теоретических положений осуществлялась на основе экспериментальных исследований макетов и опытных образцов.

Научная новизна 1. Предложен метод и алгоритм экстракции эквивалентных параметров элементов электронного калибратора, основанный на комбинировании частотных измерений, сверхширокополосной рефлектометрии и моделировании. Показано, что экстракция параметров из экспериментальных данных и вариация их значений при моделировании позволяют существенно уменьшить рассогласование результатов эксперимента и моделирования.

2. Проведены оригинальные исследования температурных зависимостей частотных характеристик нагрузок электронного калибратора, позволившие выявить причины и устранить нестабильность частотной характеристики нагрузки короткого замыкания путем схемно-конструктивной оптимизации, а также количественно определить температурную зависимость характеристик нагрузок калибратора.

3. Предложен метод определения максимальной погрешности измерения коэффициента отражения векторным анализатором цепей после калибровки с использованием электронного калибратора, учитывающий влияние погрешности характеризации и температурную зависимость частотных характеристик нагрузок калибратора.

Практическая ценность 1. Разработан и внедрен в серийное производство электронный калибратор векторного анализатора цепей. В результате исследований определено время выхода на режим, при котором отклонение частотных характеристик нагрузок не превышает минус 50 дБ с течением времени. Разработанный электронный калибратор защищен патентом на полезную модель № 126845.

2. Предложенный метод экстракции параметров электронного калибратора реализован при построении моделей электронного калибратора в режиме четырехполюсника и двухполюсника, которые позволяют определить влияние каждого элемента схемы и конструкции СВЧ-блока на частотные характеристики нагрузок электронного калибратора, отслеживать влияние технологических и конструктивных отклонений при отработке конструкции и в серийном производстве.

3. Применение метода определения максимальной погрешности векторного анализатора цепей после калибровки с использованием электронного калибратора, учитывающего влияние погрешности характеризации и температурной нестабильности частотных характеристик нагрузок, позволяет сформулировать требования к калибровочным нагрузкам для обеспечения необходимой точности измерений.

Реализация и внедрение результатов исследования Работа выполнена в научно-производственной фирме «Микран» (департамент информационно-измерительных систем) и в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники на кафедре радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга (РЭТЭМ). Материалы работы обсуждались на кафедре РЭТЭМ и в СКБ «Смена» ТУСУРа.

Результаты диссертационной работы использовались при разработке электронного калибратора ЭК2-20, внедренного в серийное производство, для векторного анализатора цепей Р4М-18 производства «НПФ «Микран».

Апробация результатов Основные положения и результаты докладывались:

• на всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений электрических величин», г. Туапсе, 2007;

• международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2011;

• международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо), г. Севастополь, 2012, 2013.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Реализация метода экстракции эквивалентных параметров элементов электронного калибратора на основе комбинирования частотных измерений, сверхширокополосной рефлектометрии и моделирования позволяет уточнить структуру и параметры элементов эквивалентной схемы и уменьшить рассогласование модуля коэффициента передачи, измеренного экспериментально и полученного при моделировании, в режиме «на проход» до 0,5 дБ.

2. Экспериментальные исследования режимов работы электронного калибратора при изменении температуры и вариации параметров элементов в режиме короткого замыкания позволяют выделить элементы, обладающие наибольшим влиянием на стабильность режимов калибратора, и путем схемноконструктивной оптимизации снизить нестабильность частотной характеристики калибратора в режиме короткого замыкания с минус 28 дБ до минус 47 дБ в рабочем диапазоне температур от 15 до 35 °С.

3. Разработанный метод определения максимальной погрешности измерения коэффициента отражения векторным анализатором цепей, калиброванным с использованием электронного калибратора, основанный на методиках факторной верификации после выполнения калибровки и определения уровня неисключенной систематической погрешности, учитывающий экспериментально полученные данные о погрешностях и температурной нестабильности частотных характеристик нагрузок калибратора, позволяет определить максимальную погрешность измерений векторным анализатором.

Личный вклад соискателя Все приведенные в диссертации материалы получены соискателем или при его непосредственном участии.

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе в 2 журналах, включенных в перечень ВАК.

Получен патент на полезную модель «Электронный калибратор векторного анализатора цепей» № 126845. Подана заявка на изобретение «Определение ориентации подключения электронного калибратора к векторному анализатору цепей» № 2012141918.

Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, приложений, списка литературы, включающего 166 источников, изложена на 151 странице и поясняется 112 рисунками и 4 таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, изложены научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ развития векторных анализаторов цепей, рассмотрены погрешности измерения, основные модели векторных анализаторов цепей, наиболее распространенные семейства калибровок, методы верификации. Рассмотрены механический и автоматический способы калибровки, структура и состав электронного калибратора. На основе материалов раздела сформулированы задачи исследования.

Принцип работы электронного калибратора заключается в следующем.

Программный комплекс ВАЦ управляет подключением нагрузок к измерительным портам анализатора, обрабатывает измеренные данные, сравнивает их с эталонным описанием этих нагрузок, затем находит факторы систематической погрешности, которые используются для проведения коррекции последующих измерений.

В калибраторе реализуется калибровка семейства SOLT в частотном диапазоне до 20 ГГц и используется четыре нагрузки для каждого порта (холостой ход (ХХ), короткое замыкание (КЗ), согласованная (СН), рассогласованная (РН)), а также известный адаптер в виде режима «на проход» (рисунок 1).

В качестве калибровочного описания ЭК используется табличное описание нагрузок, предотвращающее потери точности, по сравнению с полиномиальным способом описания калибровочных мер.

Для контроля калибровки используется режим аттенюатора (АТТ, см. рисунок 1), который включается после оконРисунок 1 – Схема СВЧ-блока калибратора чания процедуры автоматической калибровки.

Электронный калибратор (рисунок 2) состоит из СВЧблока (1), плат управления (2), соединителей (3) и корпуса (4). Основой электронного калибратора является СВЧ-блок.

Во втором разделе решается задача построения моделей СВЧ-блока калибратора в режимах четырехполюсника и двухполюсника, имитирующих соответственно двухпортовый режим (режим «на про- Рисунок 2 – Электронный калибратор:

ход») и однопортовые нагрузкоаксиальные переходы, 4 – корпус ки (ХХ, КЗ, СН).

В основе проведенных исследований данного раздела лежит расчетноэкспериментальный метод, впервые предложенный Мещановым В.П., развитие которого позволило сформулировать и реализовать метод экстракции параметров с использованием экспериментальных данных, полученных посредством измерений векторным анализатором цепей и импульсным векторным анализатором при сверхширокополосном импульсном воздействии.

В процессе разработки метода экстракции эквивалентных параметров элементов калибратора оказалось невозможным применить процедуру математического исключения параметров цепей (англ. de-embedding), которая позволяет устранить влияние других элементов на результат измерений параметров объекта исследований. В этом состоит специфика решаемой задачи. В метаматематическом смысле анализ эквивалентной схемы с целью определения недостающих параметров элементов приводит к неоднозначности решения, а с точки зрения физики – к потере адекватности волновых процессов, получаемых на модели и в реальной конструкции ЭК.

Общий алгоритм метода включает следующие этапы его реализации после проектирования и изготовления прототипа калибратора.

1. Накопление экспериментальных данных о частотных характеристиках ЭК в режиме «на проход» и «на отражение» (режим четырехполюсника и режимы двухполюсника), полученных с помощью векторного анализатора цепей, калиброванного с использованием механического набора мер.

2. Получение экспериментальных данных о характеристиках ЭК при сверхширокополосном импульсном воздействии: отклика в режиме «на проход» и отклика в виде рефлектограмм в режимах двухполюсника (ХХ, КЗ, СН).

3. Построение модели электронного калибратора первого приближения в виде эквивалентных схем для указанных выше режимов его работы, расчет частотных характеристик устройства.

4. Анализ расчетных и экспериментальных частотных характеристик и отклика на воздействие сверхширокополосным импульсом с целью выявления максимального расхождения и определение параметров, в наибольшей степени влияющих на ошибки в расчетах, путем варьирования значений параметров элементов эквивалентной схемы. При этом предпочтение отдается варьированию параметров, определяющих потери в схеме «на проход».

5. Решение задачи экстракции параметров, изменение которых характеризуется наибольшим изменением потерь в схеме «на проход».

6. Анализ рефлектограмм с целью определения координат точек существенного отражения и определения характера импеданса элементов, представляющих неоднородности в тракте передачи сигналов в ЭК.

7. Повторение процедуры экстракции параметров элементов, существенно влияющих на отражения в режиме работы ЭК «на проход».

8. Повторное выполнение алгоритма для определения значений параметров элементов электронного калибратора в режимах двухполюсника (ХХ, КЗ, СН) с учетом значений, полученных при построении модели ЭК в режиме четырехполюсника.

9. Анализ частотных характеристик электронного калибратора по результатам экстракции эквивалентных параметров элементов. Определение влияния конструктивных и технологических допусков или отклонений на частотные характеристики нагрузок электронного калибратора, при необходимости доработка конструкции и требований к сборке СВЧ-блока электронного калибратора.

Рассмотрим результаты основных этапов реализации предложенного метода.

Измерения частотных характеристик нагрузок электронного калибратора проводились с помощью векторного анализатора цепей Agilent E8364B, калиброванного с использованием набора механических мер Agilent 85052C, обеспечивающего высокоточную калибровку семейства TRL. Для ЭК в режиме «на проход» частотные зависимости модуля коэффициента отражения (КО) и модуля коэффициента передачи (КП) приведены на рисунке 3. КО и КП определялись по формулам где S11 и S21 – элементы матрицы рассеяния.

Измерения во временной области выполнялись на установке, включающей (рисунок 4): персональный компьютер; генератор видеоимпульсов на базе задающего генератора GZ1105DLP2 и формиро- Рисунок 3 – Частотные зависимости модуля вателя отрицательного им- коэффициента отражения и передачи, измеренные с пульса GZ1117DN-35 производства Geozondas; резистивный согласованный тройник PSPL 5372; аттенюаторы (ATT1 и ATT2) Mini-Circuits BW-S20-2W263+; стробоскопический осциллограф Tektronix DSA 8300 со стробоскопическим смесителем 80E04. Исследуемое устройство включается между аттенюатором ATT2 и выходом тройника. При такой схеме можно наблюдать импульсные отраженные сигналы (рефлектограммы) и сигнал по схеме «на проход». Рефлектограммы содержат дополнительную информацию о неоднородностях в тракте СВЧ-блока электронного калибратора. Верификация путем искусственного внесения неоднородности позволяет идентифицировать причины и точку рассогласования. Точная информация о точках локализации и характере проявления отражения дает преимущество при уточнении эквивалентной модели. Результаты исследования с помощью сверхширокополосного импульсного воздействия представлены на рисунке 5, где отмечены зондирующий (1), отраженный (2) и прошедший (3) сигналы, а также отражения от неоднородностей в тракте (4) и (5), обусловленные переходами между микрополосковыми линиями в виде перемычек.

Рисунок 4 – Структурная схема эксперимен- Рисунок 5 – Импульсные характеристики тальной установки импульсных измерений калибратора в режиме «на проход»

Принципиальная схема СВЧ-блока не учитывает топологические и конструктивные особенности СВЧ-тракта электронного калибратора, поэтому возникает проблема точного моделирования. Результаты моделирования электронного калибратора в режиме «на проход» по принципиальной схеме с учетом микрополосковых линий и идеального коаксиально-микрополоскового перехода имеют значительные расхождения с экспериментальными данными. Так, разница между расчетными и экспериментальными значениями модуля КП увеличивается с ростом частоты и достигает 3 дБ (рисунок 6), а разница между максимальными уровнями коэффициентов отражения составляет 9 дБ. Рисунок 6 – Расчетная и экспериментальная частотные В результате анализа экспериментально полученных частотных и импульсных характеристик, а также модели первого приближения разработана модель в виде эквивалентной схемы электронного калибратора в режиме «на проход», учитывающая основные факторы, влияющие на частотные зависимости коэффициентов отражения и передачи (рисунок 7).

Рисунок 7 – Эквивалентная схема режима «на проход» электронного калибратора Поэтапная реализация метода по разработанному алгоритму экстракции позволила определить количественные значения параметров элементов схемы:

частотно-зависимые погонные сопротивления и проводимости микрополосковых линий, параметры перемычек, паразитные емкости неоднородностей на входе и выходе ЭК.

Результаты моделирования эквивалентной схемы, учитывающей основные влияющие факторы, имеют качественное и количественное совпадение с экспериментальными данРисунок 8 – Частотные зависимости модуля и фазы ными (рисунок 8). Макси- коэффициента передачи калибратора в режиме мальная разность модулей «на проход» после экстракции основных параметров передачи составляет не более 0,5 дБ, а разница фаз КП не превышает 7°, при этом максимальные уровни коэффициента отражения практически совпадают по величине, а локальные минимумы отражения совпадают по частоте.

По такому же алгоритму с учетом значений параметров, полученных при построении модели ЭК в режиме четырехполюсника, определены значения параметров его элементов в режимах двухполюсника (ХХ, КЗ, СН). Полученные частотные характеристики также имеют хорошее качественное и количественное совпадение.

Таким образом, построена модель электронного калибратора для всех режимов работы и показано, что реализация метода экстракции эквивалентных параметров элементов электронного калибратора на основе комбинирования частотных измерений, сверхширокополосной рефлектометрии и моделирования позволяет существенно уменьшить рассогласование данных эксперимента и расчета.

Третий раздел посвящен исследованию температурной нестабильности нагрузок электронного калибратора и схемно-конструктивной оптимизации параметров нагрузок для обеспечения требуемой точности калибровки, определению времени выхода на режим и проведению поверки векторного анализатора цепей, калиброванного с использованием электронного калибратора, для подтверждения его соответствия техническим условиям.

При испытаниях макета электронного калибратора была выявлена существенная зависимость точности измерения векторным анализатором цепей от температуры окружающей среды и времени с момента включения электронного калибратора. Вследствие этого возникла необходимость исследования электронного калибратора и обеспечения требований к калибровке в диапазоне рабочих температур согласно техническим условиям на ВАЦ, т.е. от 15 до 35 °C.

Путем экспериментальных исследований определена температурная нестабильность однопортовых и двухпортовых нагрузок электронного калибратора.

Отклонение КО и КП рассчитывалось по формуле где (T ) – отклонение КО (КП) при изменении температуры;

S и S – значение комплексных КО (КП) при температуре 1 и 2.

Исследование калибратора в режиме «на проход» показало, что (T ) КО и КП имеет максимальное значение минус 46 и минус 43 дБ соответственно, что является невысоким показателем стабильности, но не оказывает существенного влияние на калибровку, так как возможно применение алгоритмов калибровки с «неизвестным адаптером». Отклонение КО и КП в режиме «аттенюатор» показывает высокую стабильность меньше минус 50 дБ в диапазонах температур 15 – 25 °C и 25 – 35 °С. Исследование однопортовых нагрузок показало, что нагрузка холостого хода и согласованная нагрузка имеют отклонение КО не хуже минус 50 дБ в обоих диапазонах изменения температуры.

Нагрузка короткого замыкания имеет отклонение, достигающее значения минус 28 дБ на частоте 1,8 ГГц при изменении температуры от 25 до 35 °C (рисунок 9, а). Из рисунка 9, б видно, что изменение модуля коэффициента отражения в диапазоне температур от 10 до 50 °C достигает 1 дБ на частотах 1,3 – 2,5 ГГц. Это существенно влияет на калибровку с использованием ЭК. В диссертации решена задача уменьшения (T ) КО в режиме КЗ.

Рисунок 9 – Частотная зависимость отклонения коэффициента отражения (а) и модуля коэффициента (б) нагрузки короткого замыкания при изменении температуры Путем анализа конструкции и измеренных характеристик установлено, что резонанс образован контуром емкости конденсатора и паразитной индуктивности соединительных перемычек в цепи короткого замыкания по СВЧ, а смещение центральной частоты резонанса с изменением температуры обусловлено изменением емкости. В целях исключения или снижения температурной зависимости частотных характеристик нагрузок калибратора предложены схемные и конструктивные варианты решения задачи повышения температурной стабильности.

Вследствие отсутствия данных о температурных зависимостях значений параметров элементов проведена схемно-конструктивная оптимизация на основе расчетно-экспериментального метода. Исследовано несколько макетов. При этом достигнуто улучшение температурной стабильности частотной характеристики нагрузки КЗ. Отклонение составило не хуже минус 47 дБ при изменении температуры на 10 °C (рисунок. 10, а), а изменение самой частотной характеристики не превысило 0,2 дБ при изменении температуры на 10 °С (рисунок 10,б).

Рисунок 10 – Частотная зависимость отклонения коэффициента отражения (а) и модуля коэффициента отражения (б) нагрузки короткого замыкания при изменении Для работы в режиме температурного баланса, при котором частотные характеристики калибровочных нагрузок не изменяются или изменяются несущественно со временем, проведены исследования по определению времени выхода на режим. Исследования выполнялись с использованием нагрузки, частотная характеристика которой наиболее зависима от изменения температуры, т.е. нагрузки короткого замыкания. Измерялись характеристики нагрузки КЗ в нормальных условиях сразу после подключения (0 мин) и через 5, 10 20, 30, 45, 60, 75, 90, 120 мин. Отклонение частотной характеристики с течением времени представлено на рисунке 11, а. Максимальное отклонение в интервале от 30 до 60 мин и от 30 до 120 мин составляет менее минус 50 дБ, что говорит от высокой частотной стабильности КО нагрузки КЗ уже после 30 мин с момента включения электронного калибратора (рисунок 11, б).

Для обеспечения выхода на режим достаточно 30 минут с момента включения калибратора в нормальных условиях, что является удобным временем, так как рекомендованное время прогрева векторного анализатора цепей Р4М- согласно техническим условиям составляет также 30 мин.

Рисунок 11 – Отклонение частотной зависимости коэффициента отражения нагрузки короткого замыкания с течением времени (а) и в интервалах 30–60 и 30–120 минут (б) Проведены испытания на соответствие требуемой точности измерений сертифицированного векторного анализатора цепей Р4М-18, калиброванного с использованием электронного калибратора Р4М-ЭК2-20-13Р-13, путем проведения поверки анализатора согласно методике, утвержденной ГЦИ СИ ФГУП «СНИИМ» 08.03.2011, что зарегистрировано протоколом.

Таким образом, в результате проведенных исследований и схемноконструктивной оптимизации разработан электронный калибратор, обеспечивающий калибровку, соответствующую требованиям технических условий на ВАЦ, и определено время выхода на режим, по прошествии которого поддерживается более высокая стабильность частотных характеристик ЭК.

В четвертом разделе предложен метод определения максимальной погрешности измерения коэффициента отражения векторным анализатором цепей с учетом влияния точности характеризации нагрузок калибратора и температурной нестабильности нагрузок. Метод основан на факторной верификации и определении уровня неисключенной систематической погрешности измерений комплексного коэффициента отражения, описанных в работе Савина А.А. и Губы В.Г., а также на исследовании влияния точности характеризации мер калибровочного набора на погрешность измерений однопортового векторного анализатора цепей, изложенном в работе Губы В.Г. Новизна метода заключается в учете температурной нестабильности каждой нагрузки, а также комбинировании и использовании наиболее точных способов определения количественных параметров на каждом этапе.

Метод реализуется по следующему алгоритму.

Проведение калибровки векторного анализатора цепей Agilent E8364B с использованием набора калибровочных мер Agilent 85052C, обеспечивающего высокоточную калибровку семейства TRL.

Проведение факторной верификация ВАЦ после TRL-калибровки с использованием воздушной линии 50 Ом из верификационного набора мер Agilent 85053B.

Характеризация нагрузок электронного калибратора Р4М-ЭК2-20 с помощью векторного анализатора цепей Agilent после TRL-калибровки.

Измерение исследуемой рассогласованной нагрузки из сертифицированного набора мер Н/М-18-3,5 мм векторным анализатором цепей после TRL- и электронной калибровки.

Определение дополнительных факторов, влияющих на частотные характеристики нагрузок калибратора, в данном случае температурной нестабильности, которая количественно была определена в третьем разделе.

Расчет максимальных эффективных факторов систематической погрешности измерения ВАЦ, калиброванного с использованием нагрузок ЭК, охарактеризованных в п. 3 данного алгоритма, с учетом погрешности описания (п. 2) и температурной зависимости частотных характеристик нагрузок (п. 5).

Расчет максимальной погрешности КО рассогласованной нагрузки, сравнение с экспериментально полученными данными и пределами погрешности измерения ВАЦ.

В результате реализации метода получены эффективные факторы систематической погрешности ВАЦ после TRL- и электронной калибровки (таблица 1), а также рассчитаны максимальные значения эффективных факторов систематической погрешности после электронной калибровки (рисунок 12).

Таблица 1 – Эффективные факторы систематической погрешности Эффективный фактор TRL-калибровка Из рисунка 12 видно, что наихудшие значения рассчитанных максимальных эффективных факторов соответствуют частоте 14 ГГц. Воздействие температуры также оказывает значительное влияние на эффективную направленность и рассогласование. Анализ полученных данных показал, что наиболее значимым фактором ухудшения параметров ВАЦ в диапазоне 12,5 – 15 ГГц является разность фаз калибровочных нагрузок ХХ и КЗ, которая достигает 0° на частоте 14,5 ГГц, когда фазы КЗ и ХХ совпадают (рисунок 13).

На рисунке 14 представлены измеренные частотные зависимости модуля КО произвольной нагрузки после TRL- и электронной калибровки, рассчитанная максимальная погрешность КО этой нагрузки после электронной калибровки с учетом температурной нестабильности. Рассчитанная максимальная погрешность с учетом температурной нестабильности превышает допустимые пределы погрешности измерения ВАЦ в Рисунок 12 – Рассчитанные частотные зависимости погрешности векторного анализатора цепей после стей. Измеренная частотэлектронной калибровки отражения нагрузок холостого хода и короткого замыкания Рисунок 14 – Частотные зависимости модуля коэффицифазовых частотных хаента отражения рассогласованной нагрузки, рассчитанной максимальной погрешности и пределов допустимой погрешности измерения коэффициента отражения и КЗ или использованием векторного анализатора другой комбинации нагрузок, не имеющих пересечения фазовых характеристик в данном диапазоне частот, а также снижением температурной зависимости нагрузок ЭК.

Таким образом, реализация метода позволяет оценить влияние уровня модуля коэффициента отражения, соотношения фаз КО нагрузок ХХ и КЗ, погрешности описания и температурной зависимости частотных характеристик модуля КО на эффективные факторы систематической погрешности и максимальную погрешность измерения коэффициента отражения векторным анализатором цепей. Искусственная вариация частотных зависимостей модуля и фазы коэффициента отражения позволяет определить требования к проектируемым нагрузкам электронного калибратора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие научные и практические результаты.

1. Предложен метод экстракции параметров элементов электронного калибратора, основанный на расчетно-экспериментальном методе и комбинировании измерений в частотной и временной области.

2. Разработаны модели электронного калибратора в режиме двухполюсника и четырехполюсника, учитывающие схемные и конструктивные особенности СВЧ-блока калибратора.

3. Показано, что экстракция параметров из экспериментальных данных и вариация их значений при моделировании позволяют существенно уменьшить рассогласование данных эксперимента и моделирования.

4. На основе реализации расчетно-экспериментального метода и экспериментальных исследований температурной зависимости однопортовых и двухпортовых нагрузок электронного калибратора выявлена существенная температурная зависимость частотной характеристики калибратора в режиме короткого замыкания. Проведен комплексный анализ причин температурной нестабильности нагрузки короткого замыкания.

5. Экспериментально определено время выхода на режим, при котором отклонение частотных характеристик нагрузок с течением времени составляет не более минус 50 дБ.

6. Проведена схемно-конструктивная оптимизация электронного калибратора, в результате которой достигнута температурная нестабильность нагрузок не хуже минус 47 дБ.

7. Предложен и экспериментально подтвержден метод определения максимальной погрешности измерений векторного анализатора цепей, калиброванного с использованием электронного калибратора, учитывающий точность описания и температурную нестабильность нагрузок. Путем вариации параметров нагрузок можно определить требования к нагрузкам электронного калибратора для обеспечения требуемой точности измерений векторным анализатором цепей. Предложенный метод распространяется на последующие разработки электронных калибраторов и ВАЦ.

8. Разработан и внедрен в серийное производство электронный калибратор векторного анализатора цепей. Разработанный электронный калибратор защищен патентом на полезную модель №126845.

9. Подтверждено соответствие требуемой точности измерений сертифицированного векторного анализатора цепей Р4М-18, калиброванного с использованием электронного калибратора Р4М-ЭК2-20-13Р-13, путем проведения поверки анализатора согласно методике, утвержденной ГЦИ СИ ФГУП «СНИИМ» 08.03.2011.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Губа В.Г., Ладур А.А., Савин А.А. Классификация и анализ методов калибровки векторных анализаторов цепей // Доклады ТУСУР. – 2011. – № 2 (24).

– С. 149–155.

2. Бомбизов А.А., Ладур А.А., Лощилов А.Г., Малютин Н.Д., Мисюнас А.О., Семенов Э.В., Фатеев А.В., Усубалиев Н.А. Векторный импульсный измеритель характеристик цепей и проводных систем // Приборы. – 2007. – № 9. – С. 28–31.

3. Пат. на полезную модель 126845 Российская Федерация, МПК G01R 35/00. Электронный калибратор векторного анализатора цепей / Губа В.Г., Дроботун Н.Б., Ладур А.А., Савин А.А., Синогин М.В., Ульянов В.Н.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Научно-производственная фирма «Микран». – № 2012136060; заявл. 21.08.2012; опубл. 10.04.2013, Бюл.

№10.

4. Ладур А.А., Бибиков Т.Х., Малютин Н.Д., Лощилов А.Г. Метод экстракции параметров электронных калибраторов для векторных анализаторов цепей СВЧ-диапазона, основанный на комбинировании сверхширокополосной рефлектометрии и моделирования // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо ’2013): материалы 23-й международ. конф., Севастополь, Украина, сентябрь 2013 г. – Севастополь: Вебер, 2013. ISBN 978-966-335C. 944–946.

5. Ладур А.А. Электронный калибратор векторного анализатора цепей // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо ’2012): материалы 22-й международ. конф., Севастополь, Украина, сентябрь 2012 г. – Севастополь: Вебер, 2012. ISBN 978-1-4673-1199-1. – C. 839–840.

6. Разработка и внедрение технологических основ системного проектирования и производства аналогово-цифровой СВЧ-аппаратуры для телекоммуникаций, радиолокации и приборостроения на основе собственной GaAs элементной базы. Пояснительная записка по договору №74/10 в рамках договора от 07.09.2010 г. № 13.G25.31.0011 с Минобрнауки России в рамках Постановления Правительства РФ № 218. – Томск: ТУСУР, 2010. – 657 c.

7. Разработка основ синтеза методом «выращивания» 2D- и 3D-топологий, нерегулярных микрополосковых структур, управляемых интегральных устройств ВЧ- и СВЧ-диапазонов и их экспериментальное исследование: научнотехнический отчет о выполнении 3-го этапа гос. контракта от 12.08.2009 № П 690. Г.р. 01200961363. – Томск: ТУСУР, 2011. – 149 с.

8. Разработка основ синтеза методом «выращивания» 2D и 3D топологий, нерегулярных микрополосковых структур, управляемых интегральных устройств ВЧ- и СВЧ-диапазонов и их экспериментальное исследование: научнотехнический отчет о выполнении 2-го этапа гос. контракта от 12.08.2009 № П 690. Г.р. 01200961363. – Томск: ТУСУР, 2010. – 181 c.