Метрологическая служба ПриСТ предлагает:

Москва: +7 495 777-55-91
Санкт-Петербург: +7 812 677-75-08
Екатеринбург: +7 343 317-39-99

ИНФОРМАЦИЯ » Статьи, публикации, обзоры » Измерение волнового сопротивления коаксиальных трактов

 
Измерение волнового сопротивления коаксиальных трактов

Автор / источник:

Пивак А.В. к.т.н.


Издавалась:

Журнал «Мир измерений» № 3 2007 г.


Измерения волнового сопротивления коаксиальных трактов

Измерения волнового сопротивления коаксиальных трактов

к.т.н. А.В. Пивак, ЗАО «Прист»

Измерения волнового сопротивления трактов, а также коэффициентов отражения (КО) или стоячей волны (КСВН) как параметров, характеризующих волновое сопротивление тракта, являются одними из краеугольных для метрологии радиоизмерений высшей точности. Не так широко применяемые в повседневной практике по сравнению с другими видами радиоизмерений, измерения волнового сопротивления тем не менее непосредственно обеспечивают качество характеристик электромагнитной энергии. Именно волноведущие тракты представляют собой материальную основу, по которой распространяется электромагнитное колебание, и используются в любой радиоаппаратуре СВЧ диапазона. Стремительное развитие технологий в этой отрасли за последние годы привело к тому, что национальным метрологическим институтам различных стран приходится разрабатывать новые варианты  эталонов волнового сопротивления для преодоления возникшего отставания от практики. В России решение данного вопроса сталкивается со следующими проблемами.

1. Происходит постепенное увеличение частотного диапазона, используемого в современной технике, с одновременным переходом с волноводных трактов в коаксиальные. Если 20 лет назад серийные измерительные приборы работали в коаксиальных трактах на частотах до 18 ГГц и в волноводных трактах в диапазоне частот 18 – 40 ГГц, то теперь серийные приборы работают в коаксиальных трактах до 40…60 ГГц. Кроме того, разработаны коаксиальные тракты на диапазон частот до 110 ГГц. Коаксиальные тракты отличает от волноводных большее удобство в работе (во-первых, их рабочий диапазон частот начинается от постоянного напряжения, во-вторых, они более гибки и просты при изготовлении коммутационных устройств). Однако, метрология воспроизведения и передачи размеров единиц различных величин в коаксиальных СВЧ трактах развивалась на базе волноводных эталонов, от которых происходил переход в коаксиальные с потерей в точности. Сейчас ведутся работы по разработке соответствующих эталонов непосредственно в коаксиальных трактах.

Для метрологического обеспечения измерителей волнового сопротивления в стране разработан Государственный эталон и поверочная схема в коаксиальных трактах 7/3,04; 16/7; 16/4,6 и 3,5/1,52 мм в диапазоне частот от 0,01 до 18 ГГц (МИ 1700-87). Коаксиальные тракты этих сечений, а также сечения 2,4/1,04 мм стандартизованы по ГОСТ 13317-89, но свыше 18 ГГц пока метрологически не обеспечены, хотя такая необходимость есть. Необходимость вызвана возрастающим использованием в России импортных средств измерений, работающих в коаксиальных трактах свыше 18 ГГц. Наиболее освоен сейчас диапазон частот до 50 ГГц, что подтверждается проведением международных сличений EUROMET.EM.RF-S16.

Проблемой, связанной с увеличением частотного диапазона коаксиальных трактов, является то, что изготовление как серийных, так и эталонных средств измерений в этих трактах возможно лишь в нескольких странах мира (США, Германия, Япония, Великобритания). Например, все участники сличений использовали при измерениях векторные анализаторы цепей одного и того же типа (Agilent 8510), что ведет к потере некоторой независимости в национальных системах обеспечения единства измерений.

Кроме этого, существует проблема механической совместимости стандартизованных отечественных и импортных коаксиальных разъемов (таблица 1), связанная не столько с геометрией трактов, сколько с параметрами резьбовых соединений (метрические и дюймовые резьбы). Например, импортный разъем  «вилка» типа N не совместим с отечественным разъемом «розетка» типа 7/3,04 мм, а в обратную сторону механическая совместимость есть.

Коаксиальные тракты с волновым сопротивлением 50 Ом Таблица 1
Обозначение тракта
по зарубежной классификации
Обозначение тракта
по ГОСТ  13317-89
Внутренний диаметр
внешнего проводника
Верхний предел
рабочего диапазона частот
16/7 мм II 16.0 мм 7.5 ГГц
Тип N III 7.0 мм 18 ГГц
Тип SMA IX 3.5 мм 26.5 ГГц
Тип K Нет 2.92 мм 40 ГГц
Тип Q I 2.4 мм 60 ГГц
Тип V Нет 1.85 мм 75 ГГц
Тип W Нет 1.0 мм 110 ГГц

2. Современные измерители коэффициента отражения для повышения точности измерений используют предварительную калибровку. Увеличение точности приборов достигается путем устранения неидеальности измерителей (ненаправленность, рассогласование, нелинейность) с помощью полной математической коррекции при калибровке по образцовым мерам комплексного коэффициента отражения.
Идеология калибровки была описана и у нас в стране, и за рубежом еще в 70-ые годы прошлого века, но за отсутствием необходимости в прецизионных рабочих средствах измерения КО и трудоемкостью калибровки применялась в основном только в эталонах. Встраивание микропроцессоров в измерительную технику и повышение их производительности позволило использовать алгоритмы калибровки для рабочих векторных панорамных измерителей КО. При этом погрешность таких рабочих измерителей после калибровки по набору мер сопоставима с уровнем 1-ого…2-ого разряда государственной поверочной схемы. Такая ситуация разрывает сложившуюся в стране систему передачи размера единицы волнового сопротивления: Государственный эталон – образцовые нагрузки – измерители КО; и «подтягивает» измерители коэффициента отражения вверх по поверочной схеме. Исчезновение промежуточного звена в поверочной схеме создает проблему при поверке измерителей. В качестве калибровочных мер обычно используются согласованные нагрузки, отрезки трактов, меры холостого хода и короткого замыкания. Такой набор отличается от стандартного набора поверочных мер (представляют собой согласованные и рассогласованные нагрузки). Поэтому  вышеперечисленные калибровочные нагрузки из комплекта измерителей не воспринимаются пока в России в качестве мер для поверки. т.к путем прямых измерений процедура поверки измерителя с ними не осуществима. С другой стороны размещение еще одного дополнительного уровня поверочной схемы между Государственным эталоном и уровнем 1-ого разряда тяжело с технической точки зрения. Существует неустраняемый  источник систематической погрешности при измерениях нагрузок из-за неповторяемости в разъемах, который на сегодня можно оценить как ±(0,001…0,002) по коэффициенту отражения [1].

Например, при сравнении результатов измерений значений КСВН нагрузок Э9-143 и Э9-144, полученных при аттестации по 1-ому разряду на государственном эталоне и при измерениях на векторном анализаторе цепей Agilent E5070B, откалиброванном по штатному калибровочному комплекту, была получена сходимость результатов в пределах 0,5 % во всем диапазоне частот. При этом максимальная разница значений КСВН нагрузки Э9-144 (КСВН=2,0) при четырех подключениях с поворотом на 90 градусов составила 0,45 % от номинального значения нагрузки (частота 2 ГГц). Т.е передача размера единицы таким измерителям возможна только от вторичных и государственного эталона.

3. Алгоритмы калибровки допускают использование не только мер короткого замыкания, холостого хода и отрезков линий, но также любых других мер с известными значениями модуля и фазы коэффициента отражения. Однако, в зарубежных автоматических анализаторах цепей программы по расчету поправочных коэффициентов, определяемых в процессе калибровки, основаны на математических моделях калибровочных мер, которые отличаются от принятого в России формата. Данные аппроксимирующие модели позволяют находить значения модуля и фазы коэффициент отражения калибровочной меры на любой частоте рабочего диапазона и соответственно калибровать измеритель во всем диапазоне частот (рисунок 1), в отличие от принятой в России системы аттестации образцовых мер только на фиксированных частотах по модулю и фазе коэффициента отражения. Таким образом, для использования отечественных образцовых нагрузок в качестве калибровочных мер необходим пересчет приписанных им значений комплексного коэффициента отражения в параметры модели, которые необходимы для ввода в программы автоматической калибровки измерителей. Такой пересчет основан на взаимосвязи коэффициента отражения и комплексного сопротивления, что частично снимает проблему, изложенную в пункте 2, но только в том диапазоне частот, который соответствует пункту 1.

Рисунок 1 - Модель калибровочной меры (КЗ, ХХ, согласованная нагрузка или нагрузка произвольного импеданса): волновое сопротивление Z0, время задержки линии передачи tз, потери в линии передачи за счет скин – эффекта Rп, краевая емкость меры холостого хода C, паразитная индуктивность меры короткого замыкания L

Рисунок 1 - Модель калибровочной меры (КЗ, ХХ, согласованная нагрузка или нагрузка произвольного импеданса): волновое сопротивление Z0, время задержки линии передачи tз, потери в линии передачи за счет скин – эффекта Rп, краевая емкость меры холостого хода C, паразитная индуктивность меры короткого замыкания L

Существуют различные варианты решения вышеперечисленных проблем. Остановимся на наборе решений, который способен дать результат в короткие сроки и без существенных материальных затрат. Во-первых, необходимо узаконить в масштабах страны использование метода измерения КСВН поверяемых нагрузок путем компарирования с образцовыми нагрузками, где в качестве компаратора используется векторный измеритель цепей, по образцовым нагрузкам проводится его калибровка, а погрешность метода определяется в основном погрешностью образцовых мер. Иллюстрацией такого подхода служат следующий эксперимент. С использованием  алгоритма калибровки «3К1И» [2] были проведены измерения на установке ДК1-16 с набором направленных ответвителей сечения 7/3,04; 16/7 и 16/4,6 мм. В качестве калибровочных и измеряемых нагрузок использовались нагрузки из комплектов ЭК9-140 и ЭК9-180, аттестованных на Государственном эталоне единицы волнового сопротивления в коаксиальных волноводах ГЭТ 75-87 по 1 разряду. Результаты измерений показали, что отличие результатов измерения нагрузок с КСВН = 2 от результатов аттестации на государственном эталоне не превысило значений ±(0,6…1,5) % по КСВН и ±(0,7…1,5)о по фазе КО в диапазоне частот (1…4) ГГц. Таким образом, необходимо будет отдавать в поверку только калибровочные нагрузки, а не дорогие и габаритные измерители.

Во-вторых, необходимо расширить применение в качестве калибровочных и образцовых мер расчетных стандартов волнового сопротивления, которые привязаны к основным единицам системы СИ: метру, секунде, амперу. К таким мерам относятся коаксиальные воздушные линии передачи или волноводные планарные короткозамыкатели. Используемые в России подвижные нагрузки типа Э9-145 используют комбинацию воздушной линии и поглощающего подвижного клина. Они удобнее в работе, чем воздушные линии (т.к центральный проводник имеет поддержку), но менее точны из-за неповторяемости подвижной части. Кроме этого, в отличие от воздушных линий затруднена их децентрализованная поверка по геометрическим размерам, т.к они являются неразборными. В настоящий момент в России изготавливаются воздушные линии до 40 ГГц в коаксиальном тракте 2,4 мм с КСВН не более 1,005…1,01 с учетом остаточного КСВН разъемов. При этом действительное значение КСВН может быть определено путем измерения геометрических размеров внешнего и внутреннего проводников, а также длины линии для фазовых измерений.

В-третьих, необходимо внедрить методику поэлементного определения остаточных погрешностей векторных измерителей цепей после их калибровки. Методика давно утверждена в Европе в качестве директивы EA-10/12, использует для расчетов следующую модель погрешностей анализатора цепей после калибровки : UVRC = D + TГ + МГ2 + RVRC , где UVRC – показания анализатора цепей, Г – измеряемый коэффициент отражения, D – эффективная направленность, T -  нелинейность измерителя, М – эффективное согласование входа, RVRC – случайные составляющие погрешности, и заключается в   определении эффективных направленности и коэффициента отражения входа измерителя после калибровки с помощью воздушной линии по модели рисунка 2.

Рисунок 2 – Модель поэлементного определения параметров измерителя

Рисунок 2 – Модель поэлементного определения параметров измерителя

Расчеты параметров основаны на следующем эффекте. Если векторный анализатор цепей откалиброван правильно, то добавление идеальной воздушной линии без потерь между входом измерителя и калибровочной мерой не приведет к изменению измеренного измерителем значения модуля коэффициента отражения калибровочной меры по сравнению с процедурой калибровки (изменится только фаза). Если калибровка проведена не идеально, то возникнет остаточная погрешность. Остаточную погрешности можно измерить, благодаря изменению фазовых соотношений между вектором остаточной погрешности и вектором параметров калибровочной меры из-за вставленной воздушной линии. При качании частоты  измерителя будет происходить постоянное изменение фазы, приводящее к эффекту пульсации измеряемого значения в диапазоне частот. По амплитуде полученных пульсаций можно провести оценку остаточной погрешности измерителя после калибровки. При этом погрешность   полученной оценки, вызванная погрешностью самой воздушной линии, находится в пределах 0,002…0,003 по коэффициенту отражения для коаксиальных трактов до 40 ГГц, что позволяет поверять все серийные измерители. Нижняя частота, на которой применима данная методика, ограничена сверху частотой 1 ГГц. Это связано с ограниченной длиной воздушных линий (для частоты 1 ГГц требуется длина 300 мм)  и неоднозначностью расчета волнового сопротивления линий по геометрическим размерам из-за скин-эффекта. Для оценки параметров измерителей до 1 ГГц используют сосредоточенные резистивные нагрузки, аттестованные на постоянном токе или низкой частоте. Это позволяет связать  измерения комплексных сопротивлений на низких частотах (до 100 МГц) и измерения волновых сопротивлений на высоких частотах.

Таким образом, предложенный набор решений сможет в кратчайшие сроки и при минимальных затратах создать в России систему метрологического обеспечения измерений волновых сопротивлений в коаксиальных трактах в наиболее востребованном диапазоне частот до 40 ГГц, а также заложить основы для обеспечения других видов высокочастотных измерений в коаксиальных трактах: мощности СВЧ и ослабления (отношения мощностей).

Литература:
  1. A. Jurkus and U. Stumper: National Standards and Standard Measuring Systems for Impedance and Reflection Coefficient. Proceedings IEEE, Vol. 74 (1986), S. 39-45.
  2. Каменецкий М. И. Анализ методов измерения полного сопротивления на направленных ответвителях. Измерительная техника. 1980. №7.

Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. Технические характеристики средств измерений неутвержденного типа могут быть изменены без предупреждения.
На нашем сайте работает система коррекции ошибок Orphus. Обнаружив неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет получено администратором сайта. Спасибо за помощь!