RU2507674C2

RU2507674C2 - Method of improving accuracy of calibrating level of output signal of uhf and ehf generators

Info

Publication number: RU2507674C2
Application number: RU2012101648/08A
Authority: RU
Inventors: Олег Петрович Павловский; Павел Дмитриевич Моисеев; Лев Борисович Никифоров
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2014-02-20
Also published as: RU2012101648A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: method of calibrating the power level of an UHF or EHF generator is characterised by that calibration is carried out using two sections of a measuring channel whose length differ by λ/4·(2n+1) for n = 0, 1, 2, …, where λ/4 is the wavelength of electromagnetic oscillations in the measuring channel, which are successively connected to the output of the generator; signal power at outputs thereof is measured and the half-sum of two measurements of the power level of the output signal of the generator is calculated.

EFFECT: high accuracy of calibration in the whole microwave and millimetre wavelength range.

1 dwg

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при калибровке выходной мощности сигнала измерительных генераторов СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Под КВЧ-диапазоном понимается миллиметровый диапазон длин волн (частоты выше 30 ГГц).The invention relates to a radio metering technique and can be used to calibrate the output power of the signal of the measuring generators of the microwave and EHF ranges. The EHF range refers to the millimeter wavelength range (frequencies above 30 GHz).

Наиболее близким к предлагаемому является способ описанный в статье [1], в котором измерение полусуммы мощностей проводится по схеме, приведенной на фиг.1, где обозначено:Closest to the proposed is the method described in article [1], in which the half-power measurement is carried out according to the scheme shown in figure 1, where it is indicated:

1 - генератор1 - generator

2 - фазовращатель2 - phase shifter

3 - измеритель мощности3 - power meter

В тракте между генератором и измерителем мощности включается фазовращатель, имеющий переменный фазовый сдвиг не менее 180°. Фазовращателем, добиваются максимальных показаний измерителя мощности Р_мах и затем минимальных показаний Р_мин. Мощность генератора вычисляется по формулеIn the path between the generator and the power meter, a phase shifter is turned on, having an alternating phase shift of at least 180 °. Phase shifter, achieve the maximum readings of the power meter P _max and then the minimum readings P _min . The generator power is calculated by the formula

$P = \frac{P_{м а х} + Р_{м и н}}{2} \cdot \frac{1}{1 - {| Г_{Н} |}^{2}} . (1)$

P = \frac{P_{m but x} + R_{m and n}}{2} \cdot \frac{one}{one - {| | | G_{N} | | |}^{2}} . (one)

Указанный способ взят за прототип и имеет следующие недостатки:The specified method is taken as a prototype and has the following disadvantages:

- неприменим на верхних частотах СВЧ и в миллиметровом диапазоне длин волн из-за невозможности создания такого фазовращателя;- not applicable at high microwave frequencies and in the millimeter wavelength range due to the impossibility of creating such a phase shifter;

- уже на нижних частотах СВЧ-диапазона, где он экспериментально проверялся (частота 10 ГГц), должны учитываться потери в фазовращателе, о чем в работе не говорится;- already at the lower frequencies of the microwave range, where it was experimentally tested (frequency 10 GHz), the losses in the phase shifter should be taken into account, which is not mentioned in the work;

- на каждой частоте, если измерение мощности генератора проводится в диапазоне частот, фазовращатель должен механически настраиваться на два положения, что не позволяет автоматизировать процесс измерений.- at each frequency, if the generator power is measured in the frequency range, the phase shifter must be mechanically tuned to two positions, which does not allow automation of the measurement process.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности калибровки генераторов во всем диапазоне СВЧ и миллиметровом диапазоне длин волн.The present invention solves the problem of increasing the accuracy of calibration of generators in the entire microwave range and millimeter wavelength range.

Это достигается тем, что измерение мощности сигнала генератора проводят с использованием двух отрезков измерительного тракта с разностью длин $\frac{λ}{4} (2 n + 1)$

при n=0, 1, 2…, где

\frac{λ}{4}

- длина волны электромагнитных колебаний в измерительном тракте, которые подключают поочередно к выходу генератора и измеряют первоначально мощность на выходе одного отрезка тракта, а затем мощность на выходе другого отрезка тракта, и вычисляют полусумму двух измерений уровней мощности выходного сигнала генератора. Эквивалентная схема измерения мощности генератора приведена на фиг.2, где обозначено:This is achieved by measuring the signal power of the generator using two segments of the measuring path with a difference in length

\frac{λ}{four} (2 n + one)

for n = 0, 1, 2 ..., where

\frac{λ}{four}

- the wavelength of electromagnetic waves in the measuring path, which are connected alternately to the output of the generator and initially measure the power at the output of one section of the path, and then the power at the output of another section of the path, and calculate the half-sum of two measurements of the power levels of the generator output signal. An equivalent circuit for measuring the generator power is shown in figure 2, where it is indicated:

1 - эквивалентная ЭДС генератора;1 - equivalent emf of the generator;

2 - Z_г комплексное сопротивление выхода генератора;2 - Z _g complex resistance of the output of the generator;

3 - Z₀ волновое сопротивление тракта длиной l.,3 - Z ₀ wave impedance of the path length l.,

4 - z_н комплексное сопротивление нагрузки;4 - z _n complex load resistance;

Теоретическое обоснование способа заключается в следующем. Измерение уровня мощности выходного сигнала осуществляется ваттметром поглощаемой мощности. Наиболее широко распространенным методом построения преобразователей ваттметров, т.е. устройства с помощью которого энергия электромагнитного поля преобразуется в энергию постоянного тока, является тепловой метод (термоэлектрический и калориметрический методы). В этом случае преобразователь ваттметра можно считать нагрузкой, подключенной к источнику сигнала (генератору).The theoretical rationale for the method is as follows. The power level of the output signal is measured by a wattmeter of absorbed power. The most widely used method for constructing power meter converters, i.e. The device by which the energy of the electromagnetic field is converted into direct current energy is the thermal method (thermoelectric and calorimetric methods). In this case, the converter of the wattmeter can be considered as the load connected to the signal source (generator).

В ряде источников [2, 3] приведены математические выражения для уровня мощности сигнала на преобразователе ваттметраA number of sources [2, 3] provide mathematical expressions for the signal power level on the wattmeter converter

$P_{Н} = \frac{(1 - {| Г_{Г} |}^{2}) (1 - {| Г_{Н} |}^{2})}{{| 1 - Г_{Г} Г_{Н} |}^{2}} Р_{0} . (2)$

P_{N} = \frac{(one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) (one - {| | | G_{N} | | |}^{2})}{{| | | one - G_{G} G_{N} | | |}^{2}} R_{0} . (2)

где Г_Г, Г_Н - комплексные коэффициенты отражения генератора и нагрузки (преобразователя ваттметра).where Г _Г , Г _Н are the complex reflection coefficients of the generator and the load (wattmeter converter).

$| Г_{Г} |$

,

| Г_{Н} |

и

| 1 - Г_{Г} Г_{Н} |

- модули соответствующих комплексных величин.

| | | G_{G} | | |

,

| | | G_{N} | | |

and

| | | one - G_{G} G_{N} | | |

- modules of the corresponding complex quantities.

Величина P₀ носит название располагаемой мощности генератора, выражение для которой имеет видThe value of P ₀ is called the available power of the generator, the expression for which has the form

$Р_{0} = \frac{1}{4 R_{Г}} U_{Г}^{2} . (3)$

R_{0} = \frac{one}{four R_{G}} U_{G}_{2} . (3)

где U_Г - напряжение сигнала генератора, a R_Г - активная часть его выходного сопротивления, в общем случае комплексного. Выражение для Р₀ получается в случае когда сопротивление нагрузки преобразователя комплексно сопряжено с выходным сопротивлением генератора.where U _G is the voltage of the generator signal, and R _G is the active part of its output resistance, in the general case, complex. The expression for P _{0 is} obtained when the load resistance of the converter is complexly coupled with the output resistance of the generator.

В (2) как обычно $Г_{Г} = \frac{Z_{Г} - Z_{0}}{Z_{Г} + Z_{0}}$

,

Г_{H} = \frac{Z_{H} - Z_{0}}{Z_{H} + Z_{0}}

, гдеIn (2) as usual

G_{G} = \frac{Z_{G} - Z_{0}}{Z_{G} + Z_{0}}

,

G_{H} = \frac{Z_{H} - Z_{0}}{Z_{H} + Z_{0}}

where

Z_Г, Z_H - комплексные значения выходных сопротивлений генератора и нагрузки, Z₀ - волновое сопротивление линии передачи, на которой выполнены выход генератора и вход преобразователя ваттметра.Z _G , Z _H are the complex values of the output resistances of the generator and the load, Z ₀ is the wave impedance of the transmission line on which the generator output and the input of the wattmeter converter are made.

Выражение (2) получено при условии, когда преобразователь ваттметра подключен непосредственно к генератору [2]. Однако это условие не может быть выполнено точно, поскольку в каждом генераторе имеется отрезок линии от элемента, определяющего величину Г_Г, до выходного разъема генератора, а в преобразователе ваттметра имеется отрезок линии от разъема до термопары или до согласованной нагрузки. В [1, 4] приведено выражение для Р_Н с учетом длины отрезка, включенного между генератором и ваттметром, однако вывод его отсутствует.Expression (2) is obtained under the condition that the power meter converter is connected directly to the generator [2]. However, this condition cannot be fulfilled precisely, since each generator has a line segment from the element determining the value Г _Г to the output connector of the generator, and the power meter converter has a line segment from the connector to the thermocouple or to the agreed load. In [1, 4], the expression for P _{N is} given taking into account the length of the segment included between the generator and the wattmeter, but its conclusion is absent.

Выражение для уровня мощности в преобразователе ваттметра может быть получено при рассмотрении эквивалентной схемы, приведенной на фиг.2.The expression for the power level in the converter of the wattmeter can be obtained by considering the equivalent circuit shown in figure 2.

Для комплексных амплитуд напряжения ${\vec{U}}_{H}$

и тока

{\vec{I}}_{H}

в нагрузке справедливы выражения [5]For complex voltage amplitudes

{\vec{U}}_{H}

and current

{\vec{I}}_{H}

expressions are valid in the load [5]

${\vec{U}}_{H} = \frac{Z_{0}}{Z_{0} + Z_{Г}} \cdot \frac{1 + Г_{H}}{e^{γ ℓ} (1 - Г_{Н} Г_{Г} е^{- 2 γ ℓ})} \vec{Е} . (4)$

{\vec{U}}_{H} = \frac{Z_{0}}{Z_{0} + Z_{G}} \cdot \frac{one + G_{H}}{e^{γ ℓ} (one - G_{N} G_{G} e^{- 2 γ ℓ})} \vec{E} . (four)

${\vec{I}}_{H} = \frac{1}{Z_{0} + Z_{Г}} \cdot \frac{1 + Г_{H}}{e^{γ ℓ} (1 - Г_{Н} Г_{Г} е^{- 2 γ ℓ})} \vec{Е} . (5)$

{\vec{I}}_{H} = \frac{one}{Z_{0} + Z_{G}} \cdot \frac{one + G_{H}}{e^{γ ℓ} (one - G_{N} G_{G} e^{- 2 γ ℓ})} \vec{E} . (5)

где $\vec{E}$

- комплексная амплитуда ЭДС, γ=iα, где α - фазовая постоянная линии (рассматривается линия без потерь).Where

\vec{E}

is the complex amplitude of the EMF, γ = iα, where α is the phase constant of the line (a lossless line is considered).

Мощность сигнала в нагрузке может быть определена как половина произведения комплексной амплитуды напряжения (4) на комплексно сопряженную величину тока (5). В этом случае получимThe signal power in the load can be defined as half the product of the complex voltage amplitude (4) by the complex conjugate current value (5). In this case we get

$P_{H} = \frac{Z_{0}}{(Z_{0} + Z_{Г}) (Z_{0} + Z_{г}^{*})} \cdot \frac{(1 + Г_{Н}) (1 - Г_{Н}^{*})}{{| 1 - Г_{Г} Г_{Н} е^{- 2 j α ℓ} |}^{2}} \frac{ε_{0}^{2}}{2} . (6)$

P_{H} = \frac{Z_{0}}{(Z_{0} + Z_{G}) (Z_{0} + Z_{g}^{*})} \cdot \frac{(one + G_{N}) (one - G_{N}^{*})}{{| | | one - G_{G} G_{N} e^{- 2 j α ℓ} | | |}^{2}} \frac{ε_{0}^{2}}{2} . (6)

Заметим, что $\frac{ε_{0}^{2}}{2} = U_{Г}^{2}$

, где

U_{Г}

введено в (3).notice, that

\frac{ε_{0}^{2}}{2} = U_{G}^{}

where

U_{G}

introduced in (3).

Здесь и далее $| 1 - Г_{Г} Г_{Н} е^{- 2 j α t} |$

,

| Г_{Н} |

,

| Г_{Г} |

- модули соответствующих величин.Hereinafter

| | | one - G_{G} G_{N} e^{- 2 j α t} | | |

,

| | | G_{N} | | |

,

| | | G_{G} | | |

- modules of the corresponding quantities.

Числитель выражения (6) равен $1 - {| Г_{Н} |}^{2} + 2 J_{m} Г_{Н}$

(в знаменателе мнимости нет). Наличие в числителе мнимой части говорит о наличии в нагрузке (преобразователе ваттметра) реактивной мощности. Эта составляющая мощности не вызывает теплового эффекта в термопаре при использовании термоэлектрического преобразователя или в нагрузке при использовании калориметрического преобразователя. Поэтому вместо (6) имеемThe numerator of expression (6) is equal to

one - {| | | G_{N} | | |}^{2} + 2 J_{m} G_{N}

(there is no imaginary in the denominator). The presence of the imaginary part in the numerator indicates the presence of reactive power in the load (wattmeter converter). This power component does not cause a thermal effect in the thermocouple when using a thermoelectric converter or in the load when using a calorimetric converter. Therefore, instead of (6), we have

нn

$P_{H} = \frac{Z_{0}}{(Z_{0} + Z_{Г}) (Z_{0} + Z_{г}^{*})} \cdot \frac{1 - {| Г_{Н} |}^{2}}{{| 1 - Г_{Г} Г_{Н} е^{- 2 j α ℓ} |}^{2}} \frac{ε_{0}^{2}}{2} . (7)$

P_{H} = \frac{Z_{0}}{(Z_{0} + Z_{G}) (Z_{0} + Z_{g}^{*})} \cdot \frac{one - {| | | G_{N} | | |}^{2}}{{| | | one - G_{G} G_{N} e^{- 2 j α ℓ} | | |}^{2}} \frac{ε_{0}^{2}}{2} . (7)

Для дальнейших преобразований воспользуемся соотношениямиFor further transformations, we use the relations

$(Z_{0} + Z_{Г}) (Z_{0} + Z_{Г}^{*}) = {| Z_{0} + Z_{Г} |}^{2} = \frac{4 Z_{0}^{2}}{{| 1 - Г_{Г} |}^{2}}$

,

{| 1 - Г_{Г} |}^{2} = \frac{Z_{0}}{R_{Г}} (1 - {| Г_{Г} |}^{2})

,

(Z_{0} + Z_{G}) (Z_{0} + Z_{G}^{*}) = {| | | Z_{0} + Z_{G} | | |}^{2} = \frac{four Z_{0}^{2}}{{| | | one - G_{G} | | |}^{2}}

,

{| | | one - G_{G} | | |}^{2} = \frac{Z_{0}}{R_{G}} (one - {| | | G_{G} | | |}^{2})

,

тогда вместо (7) получимthen instead of (7) we get

$Р_{Н} = \frac{(1 - {| Г_{Г} |}^{2}) (1 - {| Г_{Н} |}^{2})}{{| 1 - Г_{Г} Г_{Н} е^{- 2 j α ℓ} |}^{2}} \cdot \frac{ε_{0}^{2}}{8 R_{Г}} \cdot (8)$

R_{N} = \frac{(one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) (one - {| | | G_{N} | | |}^{2})}{{| | | one - G_{G} G_{N} e^{- 2 j α ℓ} | | |}^{2}} \cdot \frac{ε_{0}^{2}}{8 R_{G}} \cdot (8)

Здесь $\frac{ε_{0}^{2}}{8 R_{Г}} = Р_{0}$

.Here

\frac{ε_{0}^{2}}{8 R_{G}} = R_{0}

.

В полученном выражении числитель при заданных значениях величин $| Г_{Г} |$

и

| Г_{Н} |

является постоянной величиной, а знаменатель изменяет свое значение при изменении длины отрезка

ℓ

. Подставим значения Г_Г и Г_Н в виде:

Г_{Г} = | Г_{Г} | е^{j ϕ г}

,

Г_{Н} = | Г_{Н} | е^{j ϕ н}

. Обозначим

- 2 α ℓ + ϕ_{Г} + ϕ_{Н} = ψ

. Тогда модуль знаменателя в (8) представится в видеIn the resulting expression, the numerator for given values

| | | G_{G} | | |

and

| | | G_{N} | | |

is a constant, and the denominator changes its value when changing the length of the segment

ℓ

. We substitute the values of G _G and G _N in the form:

G_{G} = | | | G_{G} | | | e^{j ϕ g}

,

G_{N} = | | | G_{N} | | | e^{j ϕ n}

. Denote

- 2 α ℓ + ϕ_{G} + ϕ_{N} = ψ

. Then the denominator module in (8) will be presented in the form

$| 1 - | Г_{Г} | | Г_{Н} | е^{j ψ} | = | 1 - | Г_{Г} | | Г_{Н} | \cos ψ - j | Г_{Г} | | Г_{Н} | \sin ψ | .$

| | | one - | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | e^{j ψ} | | | = | | | one - | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | \cos ψ - j | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | \sin ψ | | | .

Рассмотрим случай, когда sin ψ=0, что справедливо в случае, когда аргумент ψ=-2πn или ψ=-(2πn+π). В первом случае имеемConsider the case when sin ψ = 0, which is true in the case when the argument ψ = -2πn or ψ = - (2πn + π). In the first case, we have

$| 1 - | Г_{Г} | | Г_{Н} | {е^{+ j ψ} |}^{2} = {[1 - | Г_{Н} | | Г_{Г} |]}^{2} . (9)$

| | | one - | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | {e^{+ j ψ} | | |}^{2} = {[one - | | | G_{N} | | | | | | G_{G} | | |]}^{2} . (9)

Во втором случае имеем $| 1 - | Г_{Г} | | Г_{Н} | {е^{j ψ} |}^{2} = {[1 + | Г_{Н} | | Г_{Г} |]}^{2} . (10)$

In the second case, we have

| | | one - | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | {e^{j ψ} | | |}^{2} = {[one + | | | G_{N} | | | | | | G_{G} | | |]}^{2} . (10)

Если провести измерение мощности P_H1 и P_H2 при этих двух значениях аргумента, то для полусуммы (Р_H1+Р_H2)/2 получимIf we measure the power P _H1 and P _H2 for these two values of the argument, then for the half-sum (P _H1 + P _H2 ) / 2 we get

$\begin{array}{l} P_{H} = \frac{1}{2} (1 - {| Г_{Г} |}^{2}) (1 - {| Г_{Н} |}^{2}) \cdot \frac{ε_{0}^{2}}{8 R_{Г}} {\frac{1}{{(1 - | Г_{Г} | | Г_{Н} |)}^{2}} + \frac{1}{{(1 + | Г_{Г} | | Г_{Н} |)}^{2}}} = \\ (1 - {| Г_{Г} |}^{2}) (1 - {| Г_{Н} |}^{2}) \cdot \frac{1 + {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2}}{{(1 - {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2})}^{2}} P_{0} . (11) \end{array}$

\begin{array}{l} P_{H} = \frac{one}{2} (one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) (one - {| | | G_{N} | | |}^{2}) \cdot \frac{ε_{0}^{2}}{8 R_{G}} {\frac{one}{{(one - | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | |)}^{2}} + \frac{one}{{(one + | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | |)}^{2}}} = \\ (one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) (one - {| | | G_{N} | | |}^{2}) \cdot \frac{one + {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2}}{{(one - {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2})}^{2}} P_{0} . (eleven) \end{array}

Условия (9) и (10) в [2] получают при изменении частоты сигнала калибруемого генератора и измерении мощности при настройке на максимум и минимум. Однако такой способ не позволяет повышать точность калибровки генераторов, не имеющих перестройки по частоте.Conditions (9) and (10) in [2] are obtained by changing the frequency of the signal of the calibrated generator and measuring the power when tuning to maximum and minimum. However, this method does not allow to increase the accuracy of calibration of generators without frequency tuning.

Рассмотрим этот вопрос для случая, когда генератор не имеет перестройки по частоте, и проведем измерение полусуммы мощностей при произвольных значениях аргументаWe consider this question for the case when the generator does not have a frequency tuning, and we measure the half-sum of powers for arbitrary values of the argument

$ψ_{1} = - 2 α ℓ + ϕ_{Г} + ϕ_{Н} .$

ψ_{one} = - 2 α ℓ + ϕ_{G} + ϕ_{N} .

$ψ_{2} = - 2 α (ℓ + \frac{λ}{4}) + ϕ_{Г} + ϕ_{Н} .$

ψ_{2} = - 2 α (ℓ + \frac{λ}{four}) + ϕ_{G} + ϕ_{N} .

Выражение для значения Р_H=(P_H1+Р_H2)/2 имеет вид:The expression for the value of P _H = (P _H1 + P _H2 ) / 2 has the form:

$P_{H} = \frac{1}{2} (1 - {| Г_{Г} |}^{2}) (1 - {| Г_{Н} |}^{2}) \cdot P_{0} {\frac{1}{{(1 - | Г_{Г} | | Г_{Н} | \cdot e^{j ψ 1})}^{2}} + \frac{1}{(1 + | Г_{Г} | | Г_{Н} |) \cdot {e^{j ψ 2} |}^{2}}} .$

P_{H} = \frac{one}{2} (one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) (one - {| | | G_{N} | | |}^{2}) \cdot P_{0} {\frac{one}{{(one - | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | \cdot e^{j ψ one})}^{2}} + \frac{one}{(one + | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | |) \cdot {e^{j ψ 2} | | |}^{2}}} .

Опуская громоздкие промежуточные выкладки, приведем полученный результатOmitting cumbersome intermediate calculations, we present the result

$P_{H} = (1 - {| Г_{Г} |}^{2}) (1 - {| Г_{Н} |}^{2}) \cdot \frac{1 + {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2}}{{[1 + {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2}]}^{2} - 4 {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2} \cos^{2} ψ} P_{0}, (12)$

P_{H} = (one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) (one - {| | | G_{N} | | |}^{2}) \cdot \frac{one + {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2}}{{[one + {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2}]}^{2} - four {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2} \cos^{2} ψ} P_{0}, (12)

где ψ=ψ₁.where ψ = ψ ₁ .

При ψ, равном - 2πn или - (2πn+π), получаем выражение, совпадающее с (11).For ψ equal to - 2πn or - (2πn + π), we obtain an expression that coincides with (11).

Чтобы оценить выигрыш в точности калибровки по формулам (8) и (12), введем аналогично [4] выражение для погрешности измерений:In order to estimate the gain in the accuracy of the calibration using formulas (8) and (12), we introduce the expression for the measurement error similarly to [4]:

$δ P_{H} = \frac{P_{Н} - Р_{с о г л}}{Р_{с о г л}} = \frac{P_{H}}{Р_{с о г л}} - 1 (13)$

δ P_{H} = \frac{P_{N} - R_{from about g l}}{R_{from about g l}} = \frac{P_{H}}{R_{from about g l}} - one (13)

где Р_согл - мощность, отдаваемая источником сигнала в согласованную нагрузку, для которой Г_H=0. Из (8) имеемwhere P _sogl - the power given by the signal source to the matched load, for which Г _H = 0. From (8) we have

$Р_{с о г л} = (1 - {| Г_{Г} |}^{2}) \cdot P_{0}, (14)$

R_{from about g l} = (one - {| | | G_{G} | | |}^{2}) \cdot P_{0}, (fourteen)

из(8)получимfrom (8) we obtain

$\begin{array}{l} δ P_{H} = \frac{1 - {| Г_{H} |}^{2}}{{| 1 - Г_{Г} Г_{Н} е^{- j 2 α ℓ} |}^{2}} - 1 \approx (1 - {| Г_{H} |}^{2}) \cdot (1 + 2 | Г_{Г} | | Г_{Н} | \cos ψ) - 1 = \\ 1 - {| Г_{H} |}^{2} + 2 | Г_{Г} | | Г_{Н} | \cos ψ - {| Г_{Н} |}^{2} \cdot 2 | Г_{Г} | | Г_{H} | \cos ψ - 1 \approx \\ \approx - {| Г_{H} |}^{2} + 2 | Г_{Г} | | Г_{Н} | \cos ψ, (15) \end{array}$

\begin{array}{l} δ P_{H} = \frac{one - {| | | G_{H} | | |}^{2}}{{| | | one - G_{G} G_{N} e^{- j 2 α ℓ} | | |}^{2}} - one \approx (one - {| | | G_{H} | | |}^{2}) \cdot (one + 2 | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | \cos ψ) - one = \\ one - {| | | G_{H} | | |}^{2} + 2 | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | \cos ψ - {| | | G_{N} | | |}^{2} \cdot 2 | | | G_{G} | | | | | | G_{H} | | | \cos ψ - one \approx \\ \approx - {| | | G_{H} | | |}^{2} + 2 | | | G_{G} | | | | | | G_{N} | | | \cos ψ, (fifteen) \end{array}

а из (12) имеемand from (12) we have

$\begin{array}{l} δ P_{H} = \frac{(1 - {| Г_{H} |}^{2}) (1 + {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{H} |}^{2})}{{[1 + {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2}]}^{2} - 4 {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2} \cos^{2} ψ} - 1 \approx \\ \approx - {| Г_{H} |}^{2} + {| Г_{Г} |}^{2} {| Г_{Н} |}^{2} (4 \cos^{2} ψ - 1) . (16) \end{array}$

\begin{array}{l} δ P_{H} = \frac{(one - {| | | G_{H} | | |}^{2}) (one + {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{H} | | |}^{2})}{{[one + {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2}]}^{2} - four {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2} \cos^{2} ψ} - one \approx \\ \approx - {| | | G_{H} | | |}^{2} + {| | | G_{G} | | |}^{2} {| | | G_{N} | | |}^{2} (four \cos^{2} ψ - one) . (16) \end{array}

Вторые члены в (15) и (16) по аналогии с [3] целесообразно назвать погрешностями рассогласования. Проведем оценку этих погрешностей. Полагая КСВн входа преобразователя ваттметра равным 1,5 и КСВн выхода генератора равным также 1,5, получим, что значение погрешности изменяется от +8,5% до - 7,6%. Когда измерение проводится путем определения полусуммы мощностей, погрешность изменяется от +0,48% до - 0,16%.It is advisable to call the second terms in (15) and (16) by analogy with [3] the mismatch errors. Let us estimate these errors. Setting the VSWR of the input of the wattmeter converter equal to 1.5 and the VSWR of the output of the generator equal to 1.5, we find that the error value varies from + 8.5% to - 7.6%. When the measurement is carried out by determining half the capacity, the error varies from + 0.48% to - 0.16%.

Таким образом, измерение мощности выходного сигнала генератора путем измерения полусуммы мощностей позволяет существенно снизить погрешность рассогласования.Thus, measuring the power of the output signal of the generator by measuring half the power can significantly reduce the mismatch error.

Пример использования указанного способа повышения точности измерений в диапазоне миллиметровых длин волн приведен ниже.An example of the use of this method of improving the accuracy of measurements in the range of millimeter wavelengths is given below.

Традиционно измерительная аппаратура выполняется на волноводах прямоугольного сечения. Разбивка КВЧ-диапазона регламентируется стандартом [6], в котором определены поперечные размеры сечений прямоугольных волноводов. В таблице 1 приведены технические характеристики прямоугольных волноводов в осваиваемом в настоящее время участке КВЧ-диапазона.Traditionally, measuring equipment is performed on rectangular waveguides. The breakdown of the EHF range is regulated by the standard [6], in which the transverse dimensions of the cross sections of rectangular waveguides are determined. Table 1 shows the technical characteristics of rectangular waveguides in the currently being developed section of the EHF range.

Таблица 1Table 1 Технические характеристики прямоугольных волноводов сечением 2,4×1.2 и 1,6×0,8 ммTechnical characteristics of rectangular waveguides with a cross section of 2.4 × 1.2 and 1.6 × 0.8 mm Сечение волновода, мм. Диапазон частот, ГГцSection of the waveguide, mm. Frequency Range, GHz Длина волны минимально в воздухе, ммThe wavelength is minimum in air, mm Днина волны минимально в волноводе, ммThe bottom of the wave is minimal in the waveguide, mm Длина отрезкат вволноводе, ммLength cut in a waveguide, mm Потери в стенках волновода, дБ/мLosses in the walls of the waveguide, dB / m Потери сигнала в четвертьволновом отрезкеSignal loss in a quarter-wavelength segment Потери сигнала в отрезке t=5 мм, %Signal loss in the interval t = 5 mm,% КСВн фланцевого соединенияVSWR flange connection дБdb %% 2,4×1,2 78,33-118,12.4 × 1.2 78.33-118.1 2,542.54 2,992.99 0,750.75 3,53,5 0,00260.0026 0,0730,073 0,50.5 1,0331,033 1,6×0,8 118,1-178,41.6 × 0.8 118.1-178.4 1,681.68 1,9661,966 0,490.49 6,46.4 0,00320.0032 0,090.09 0,90.9 1,0701,070

Рассмотрим применение описываемого метода в диапазоне частотах 118,1-178,4 ГГц, где длина четвертьволнового отрезка составляет 0,49 мм и потери сигнала близки к 0,1%, при этом размеры фланцевых соединителей (в начале и конце отрезка) составляют 4 мм. Это означает, что реальная длина отрезка не может быть меньше (4,5-5) мм. Поэтому при использовании данного метода необходимо использовать два отрезка с увеличенной длиной. Длина первого должна быть увеличена до 4,5 мм, а второго до 4,99 мм. При проведении измерений для нахождения полусуммы мощностей первоначально производится измерение мощности сигнала с первым отрезком, затем измеряется мощность сигнала со вторым отрезком. Порядок проведения измерений может быть произвольным.Consider the application of the described method in the frequency range 118.1-178.4 GHz, where the length of the quarter-wave segment is 0.49 mm and the signal loss is close to 0.1%, while the dimensions of the flange connectors (at the beginning and end of the segment) are 4 mm . This means that the actual length of the segment cannot be less than (4.5-5) mm. Therefore, when using this method, it is necessary to use two segments with an increased length. The length of the first should be increased to 4.5 mm, and the second to 4.99 mm. When making measurements to find half the power, the signal power is first measured with the first segment, then the signal power is measured with the second segment. The measurement procedure may be arbitrary.

Использование дополнительных отрезков тракта с длиной, приближенно равной 5 мм, вносит дополнительную погрешность из-за потерь сигнала в самом отрезке. На частоте 178,4 ГГц дополнительная погрешность составляет до 0,9% (см. таблицу). Однако этой погрешностью можно пренебречь или исключить ее путем экспериментального измерения на указанной частоте.The use of additional sections of the path with a length of approximately 5 mm introduces an additional error due to signal loss in the section itself. At a frequency of 178.4 GHz, the additional error is up to 0.9% (see table). However, this error can be neglected or eliminated by experimental measurement at the indicated frequency.

Необходимо отметить, что измерение мощности с использованием двух отрезков можно провести на любой частоте рассматриваемого диапазона, что позволяет существенно повысить точность калибровки генераторов КВЧ-диапазона.It should be noted that power measurement using two segments can be carried out at any frequency of the considered range, which can significantly improve the accuracy of calibration of the EHF generators.

Аналогичный результат может быть получен при длине второго отрезка, отличающейся от длины первого отрезка на величину, кратную нечетному числу четвертей длины волны, т.е. при $ℓ = \frac{λ}{4} (2 n + 1)$

, где n=0, 1, 2… Однако величина n не должна быть значительной, так как увеличение длины отрезка приведет к необходимости учета в нем потерь сигнала.A similar result can be obtained when the length of the second segment is different from the length of the first segment by an amount multiple of an odd number of quarters of the wavelength, i.e. at

ℓ = \frac{λ}{four} (2 n + one)

, where n = 0, 1, 2 ... However, the value of n should not be significant, since an increase in the length of the segment will lead to the need to take into account signal losses in it.

Библиографические данныеBibliographic data

1. М.Е.Герценштейн, А.Н.Брянский. Погрешность измерения мощности генератора СВЧ. Измерительная техника, №6, 1956.1. M.E. Herzenstein, A.N. Bryansky. The error in measuring the power of the microwave generator. Measuring equipment, No. 6, 1956.

2. Измерения в электронике. Справочник. Под ред. доктора технических наук, профессора В.А.Кузнецова, М., Энергоатом, 1987, 512 с.2. Measurements in electronics. Directory. Ed. Doctors of technical sciences, professors V.A. Kuznetsov, M., Energoatom, 1987, 512 pp.

3. Справочник по радиотехническим приборам. Под ред. В.С.Насонова, Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы, М., «Сов. Радио», 1977, 272 с.3. Handbook of electronic devices. Ed. V.S. Nasonova, Vol. 2. Measurement of frequency, time and power. Measuring generators, M., "Owls. Radio ”, 1977, 272 p.

4. Патент Российской Федерации 2081424, кл. G01R 21/07, Способ калибровки генераторов СВЧ-сигнала. Моисеев П.Д., Холодилов Н.Н., опубл. 10.06.97, бюл. №16.4. Patent of the Russian Federation 2081424, cl. G01R 21/07, Method for calibrating microwave signal generators. Moiseev P.D., Kholodilov N.N., publ. 06/10/97, bull. No. 16.

5. И.С.Гоноровский. Основы радиотехники. Издание второе, М., Гос. издательство литературы по вопросам связи и радио, 1957, 728 с.5. I.S. Gonorovsky. Fundamentals of Radio Engineering. Second Edition, M., State. Publishing House of Literature on Communications and Radio, 1957, 728 p.

6. ОСТ4.206.000, ред. 1-77. Устройства СВЧ, каналы волноводные прямоугольные. Сечения.6. OST4.206.000, ed. 1-77. Microwave devices, rectangular waveguide channels. Sections.

Claims

A method of calibrating the power level of a generator in the microwave or EHF range, characterized in that for measuring the signal power of the generator using two segments of the measuring path with a difference in length

for n = 0, 1, 2 ..., where

the wavelength of electromagnetic oscillations in the measuring path, which are connected alternately to the output of the generator and initially measure the power at the output of one section of the path, and then the power at the output of another section of the path, and calculate the half-sum of two measurements of the power levels of the generator output signal.