Теоретические основы векторного анализа цепей в соответствии с МИ 3411-2013

1. Структурные схемы и модели анализаторов цепей векторных

1.1 Структурная схема анализатора цепей векторного с одним измерительным портом

На рисунке 1 приведена типичная структурная схема ВАЦ, имеющего один измерительный порт. Такой ВАЦ называют рефлектометр. Основной функцией рефлектометра является измерение комплексного коэффициента отражения Г (элемент матрицы рассеяния S_ii, где i = 1,2…).

Ниже приведено краткое описание назначения элементов структурной схемы и принципа работы.
В группу формирования сигнала входят два источника: синтезатор частот и гетеродин. Источники синхронизированы по частоте от одного опорного генератор Синтезатор частот предназначен для формирования зондирующего сигнала в диапазоне рабочих частот ВАЦ. Сигнал гетеродина, смещенный по частоте относительно зондирующего на величину промежуточной частоты, необходим для преобразования (понижения) частоты.

Группа выделения сигналов предназначена для получения падающей и отраженной от исследуемого устройства волн. Для выделения волн используют направленные ответвители или мосты. Для выделения падающей волны также применяют делители мощности.
Группа приема сигнала состоит из двух идентичных приемников: опорного и измерительного. Для радиотехнических измерений, как правило, приемники строят по супергетеродинной схеме. Они осуществляют преобразование сигналов на более низкую промежуточную частоту, усиление и фильтрацию. В состав приемников входят следующие основные элементы: малошумящий усилитель (МШУ), смеситель (СМ), фильтр нижних частот (ФНЧ), аналоговоцифровой преобразователь (АЦП) и блок цифровой обработки сигналов (блок ЦОС):

• малошумящий усилитель предназначен для приема и усиления сигналов с низким уровнем искажений;
• смеситель служит для преобразования на промежуточную частоту;
• фильтр нижних частот предназначен для фильтрации (выделения) сигналов промежуточной частоты на выходе смесителя;
• усилитель мощности предназначен для основного усиления сигналов в приемнике;
• аналогово-цифровой преобразователь служит для преобразования сигнала в цифровой вид;
• блок цифровой обработки сигналов, основными элементами которого являются полосовой фильтр промежуточной частоты и квадратурный демодулятор, предназначен для финальной фильтрации и получения на выходе приемников измерительных сигналов «a» и «b» в комплексном виде. Сигналы «a» и «b» в дальнейшем используются для решения измерительной задачи – измерения комплексного коэффициента отражения Г.

К измерительному порту подключаются однопортовые исследуемые устройств. К однопортовым устройствам (двухполюсникам) относятся согласованные и рассогласованные нагрузки¹), короткозамкнутые нагрузки и нагрузки холостого хода (в том числе меры волнового и полного сопротивлений). Кроме этого, к данному классу устройств можно отнести многопортовые устройств
При этом один из портов такого устройства должен подключаться к ВАЦ для тестирования, а оставшиеся нагружаться определенным образом. В дальнейшем все подобные устройства будем называть нагрузками. На рисунке 2 приведены примеры однопортовых устройств.

Блок управления, обработки данных и индикации отвечает за синхронную работу всех блоков, решает измерительную задачу и отображает результат в выбранных пользователем единицах измерений на экране ВАЦ. Часть функций блока может быть реализована на внешнем персональном компьютере.
Связь между комплексным коэффициентом отражения Г̇’ и комплексными сигналами a’ и b’ определяется уравнением (1).

Г’ = b’ / a’ (1)

где Г’ – комплексный коэффициент отражения (безразмерная величина);
a’ – падающая волна, В;
b’ – отраженная от нагрузки волна, В

Другие формы представления комплексного коэффициента отражения и связь его с импедансом линии передачи:

Г’ = x + iy, (2)

Г’ = ρ ∙ e^iφ, (3)

ρ_дБ = 20 ∙ lg(ρ), (4)

Г’ = (Z’_l – Z’_o) / (Z’_l + Z’_o) (5)

где х – реальная часть комплексного коэффициента отражения;
y – мнимая часть комплексного коэффициента отражения;
ρ = |Г’|= √x² + y² – модуль комплексного коэффициента отражения;
ρ_дБ – модуль комплексного коэффициента отражения, дБ;
φ = (180/π) ∙ arctg(y/x) – фаза комплексного коэффициента отражения в диапа-зоне от минус 180 до 180 градусов. Фаза определяет запаздывание отражённой волны относительно падающей;
Z’_l – импеданс нагрузки, Ом;
Z’_o – опорный импеданс, Ом.
Область определения ρ от 0 до 1, ρ_дБ – от минус ∞ до 0 дБ.

1.2 Модель анализатора цепей векторного с одним измерительным портом

Модель ВАЦ, типичная структурная схема которого представлена на ри-сунке 1, состоит из идеального измерителя коэффициента отражения и вирту-ального линейного искажающего адаптер Схематично такая модель показана на рисунке 4.

КО – коэффициент отражения; ИА – искажающий адаптер; S₁₁ – элемент матрицы рассеяния

Для упрощения в модель не включены элементы, характеризующие случайную погрешность. Предполагается, что пределы систематической погрешности будут доминирующими при расчете, и именно ими будет определяться результирующая (суммарная) погрешность.
Систематическая погрешность измерений комплексного коэффициента отражения возникает из-за наличия искажающего адаптер Свойства искажающего адаптера определены его S-параметрами (параметрами матрицы рассеяния), которые обозначены на рисунке 4 как E’_D, E’_R и E’_S. S-параметры искажающего адаптера называют ошибками. Под ошибками следует понимать некоторые величины, которые входят в частные составляющие погрешности. То есть, погрешность есть функция ряда ошибок. Ошибки имеют определенный физический смысл и моделируют отражения и искажения сигналов при прохождении цепей внутри ВАЦ, различных кабельных сборок и переходов вне его вплоть до соединителя, к которому подключаются нагрузки.

Величины E’_D, E’_R и E’_S комплексные, безразмерные, полагаются неизменными при решении измерительной задачи на каждой фиксированной частоте и могут изменяться только при изменении частоты зондирующего сигнала в рабочем диапазоне.
Связь между измеренным комплексным коэффициентом отражения нагрузки и его истинным значением определяется выражением:

перевод статьи из pdf в текстовый набор не закончен

1. Согласование определяется равенством номинальному значению волнового сопротивления линии передачи. Не путать с условием получения максимальной мощности в нагрузке, при котором импедансы выхода источника сигнала и нагрузки должны быть комплексно-сопряженными[↩]