Методы компьютерной обработки при измерении параметров резистивных свч структур
На правах рукописи
Беднов Антон Владимирович МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТИВНЫХ СВЧ СТРУКТУР 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2007 2
Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Никулин Сергей Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Андриянов Александр Владимирович кандидат технических наук, Пугин Михаил Викторович Ведущая организация ФГУП «Нижегородский научно исследовательский институт радиотехники» (ФГУП ННИИРТ)
Защита состоится 23 мая 2007 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.165.01 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.
Автореферат разослан «» апреля 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Калмык В.А.
Актуальность темы Современные методы и средства измерений в области СВЧ обладают значительной точностью и обширными функциональными возможностями. За счет применения в анализаторах цепей, особенно за рубежом, новых технологий, существенно расширена область измерений. Интеграция аппаратных реализаций и методов цифровой обработки позволила увеличить гибкость процесса измерения и улучшить результаты измерений с помощью фильтрации.
Миниатюрные элементы используются практически в любом изделии.
В области СВЧ малые размеры обладают значительным преимуществом:
малыми паразитными параметрами и способностью работать на очень высоких частотах. Широкополосные миниатюрные изделия выпускаются серийно как в России, так и за рубежом, и предназначены для использования в основном в микрополосковых трактах.
Современные анализаторы СВЧ цепей, наоборот рассчитаны на измерение параметров в стандартных коаксиальных или волноводных каналах. Такие анализаторы могут быть использованы для измерения параметров резистивных структур в нестандартном канале, но при условии, что чип-элемент установлен в контактное устройство, позволяющее подключить объект измерения к анализатору. Использование контактного устройства приводит к возникновению ошибки, заключающейся в том, что анализатор измеряет параметры всего контактного устройства, а не самого миниатюрного элемента. Следовательно, кроме средства измерения — анализатора цепей, необходим набор соответствующих методов обработки, позволяющих отделить окружающие цепи в измеренных анализатором параметрах и получить, таким образом, необходимые параметры миниатюрного элемента.
Существующие анализаторы цепей способны измерять параметры объекта с очень высокой точностью. Это справедливо как для высокоточных анализаторов на направленных ответвителях, выпускаемых западными производителями Anritsu-Wiltron, Hewlett-Packard (США), R&S; и другими, так и для приборов, построенных на двенадцатиполюсных рефлектометрах. Однако до сих пор не было выработано единой методологии повышения точности измерений в микроволновом диапазоне, и не была сформулирована задача оптимизации измерительной системы на СВЧ, где в качестве критерия оптимальности выступала бы достигаемая точность измерений. Как следствие этого, анализ точностных характеристик проектируемой измерительной системы становится возможным только после изготовления ее макета, что существенно тормозит скорость проектирования и увеличивает его стоимость.
Разработка новых методов обработки измеренной информации ведутся в основном в области цифровой фильтрации. В области СВЧ также широкое применение нашли матричные методы обработки. Однако каждый метод работает только в рамках узкой специализированной задачи, поскольку для его применения принимается множество условий и допущений. В частности, для измерений параметров объекта, закрепленного в регулярных линиях, в диапазоне частот, как правило, применяют метод временного окна, трудно поддающийся автоматизации и работающий с быстро меняющимся сигналом во временной области. В то же самое время для восстановления параметров объекта по измерениям, полученным на одной частотной точке, применяют матричные методы обработки. Единого алгоритма восстановления параметров не существует, следовательно, задача разработки и реализации методов и средств измерений интегральных резистивных элементов, позволяющих максимально автоматизировать процессы измерения и последующей обработки информации, не теряет своей актуальности.
Цель работы состоит в разработке методов и средств компьютерной обработки измерений резистивных структур, полученных с помощью анализаторов цепей в стандартных каналах, их интеграции с современными средствами математического моделирования и пакетами анализа, реализации виртуального измерительного комплекса на базе одного из пакетов математического моделирования и технологии управляемого программного обеспечения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. исследовать существующие методы обработки данных и средства измерений в области СВЧ, выбрать тип анализатора, наиболее подходящий для измерения волновых параметров резистивных интегральных структур в контактном устройстве;
2. провести моделирование электрической структуры анализатора цепей с 12 полюсными рефлектометрами, реализовать алгоритм калибровки и измерения с помощью современных компьютерных технологий, оценить погрешность разработанных алгоритмов;
3. разработать метод компьютерной обработки для восстановления коэффициента передачи и отражения микрополоскового аттенюатора, сравнить его с традиционными методами, оценить погрешность;
4. разработать виртуальный прибор LabView для восстановления волновых параметров микрополосковых аттенюаторов, провести модельные и натурные испытания образцов микрополосковых аттенюаторов.
Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории СВЧ цепей, теории функций комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, методах компьютерного моделирования (включая имитационное моделирование и идентификацию параметров моделей). Выводы, полученные с помощью экспериментальных методов, основываются на статистических оценках.
Научная новизна 1. Предложен, исследован и реализован метод компьютерной обработки данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния, работающий в частотной области. Алгоритм способен восстанавливать элементы волновой матрицы рассеяния неизвестного четырехполюсника по результатам измерений контактного устройства, включающего в себя помимо объекта измерения четырехполюсники погрешностей, состоящие из переходов различного типа и соединительных линий передачи для подключения объекта к анализатору цепей. Концепция алгоритма заключается в применении алгоритма спектрального анализа к результатам измерений в частотной области и анализе «виртуального спектра» коэффициента отражения от контактного устройства, представляющего собой распределение всей совокупности отраженных волн по запаздыванию. Для получения результата необходимо провести измерения коэффициента отражения от контактного устройства с установленным в него объектом измерения и эталонным объектом. Метод разработан как альтернатива методу «временное окно», использует простой фильтр гладких функций и позволяет оценить результат еще до проведения основной фильтрации.
2. Предложена и реализована технология построения виртуального измерительного комплекса на базе двенадцатиполюсных рефлектометров как средства измерения параметров контактного устройства с установленным резистивным элементом.
3. Реализованы алгоритмы калибровки и измерения в рамках виртуального измерительного комплекса на базе концепции идентификации параметров моделей. Пакет прикладного моделирования использовался не только как среда создания схемотехнических моделей, но и как среда выполнения для таких операций как калибровка рефлектометра и измерение коэффициента отражения подключенного объекта. При этом разработанные алгоритмы могут работать как на модельном уровне, так и в связке с векторными и двенадцатиполюсными анализаторами цепей.
4. Разработан виртуальный прибор LabView, предназначенный для восстановления коэффициента отражения и передачи микрополосковых аттенюаторов.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки программного обеспечения для автоматизированного анализатора СВЧ цепей в стандартном коаксиальном канале, а также позволяют измерить параметры чип-резисторов и аттенюаторов для гибридных интегральных СВЧ устройств с поверхностным монтажом элементов.
Практическое использование Работа выполнялась в соответствии с планом кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве". Полученные в диссертации результаты использованы при выполнении проекта РФФИ № 05-02 «Исследование возможности создания интеллектуальных систем измерения и обработки сигналов», ОАО НПО «ЭРКОН» в ОКР «Поглотитель» и «Микрочип» при испытаниях характеристик чип-резисторов и аттенюаторов, а также в учебном процессе НГТУ в лабораторном практикуме по дисциплине «Интеллектуальный анализ СВЧ цепей и антенн».
Обоснованность и достоверность результатов работы. Все положения, выносимые на защиту, прошли проверку на соответствие с теорией на модельном уровне. Адекватность предлагаемых в работе моделей подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований. Основные результаты работы реализованы в виртуальном макете анализатора СВЧ цепей на базе комплекса программ математического моделирования. Программный комплекс использовался в связке с компьютерной моделью анализатора и анализатором цепей ZVK фирмы R&S.;
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
VIII Нижегородской сессии молодых ученых, Н. Новгород, 2003;
Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород - Арзамас, 2003;
VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004, Новосибирск, 2004;
ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, 2004;
НТК «Информационные системы. Средства, технологии, безопасность», Нижний Новгород, 2005;
III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004;
Международной НТК информационные системы и технологии ИСТ-2006, Нижний Новгород, 2006;
Международной НТК «Информационные системы и технологии (ИСТ 2007)», Нижний Новгород, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 65 наименований и 4 приложений. Общий объем работы — 95 страниц.
На защиту выносятся:
управляемая модель анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами в пакете прикладного моделирования Microwave Office;
реализация алгоритма калибровки 12-полюсного рефлектометра методом идентификации параметров моделей в среде Microwave Office;
метод восстановления волновых параметров четырехполюсников по результатам измерений в стандартном канале «спектральное окно»;
виртуальный прибор LabView для восстановления коэффициента отражения и передачи микрополосковых аттенюаторов.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.
Первая глава посвящена обзору и критическому анализу существующих методов автоматизированного измерения волновых параметров рассеяния СВЧ материалов и устройств. В главе рассмотрены различные подходы к измерительному процессу и последующей обработке получаемых данных в области СВЧ. Измерения проводятся в частотной или во временной области с использованием соответствующего типа рефлектометров, данные обрабатываются с помощью матричных методов и алгоритмах, основанных на преобразовании Фурье. Проведена параллель между измерительным процессом и математическим моделированием при использовании автоматизированных анализаторов цепей, рассмотрены вопросы интеграции процессов моделирования и измерения на базе современных программных пакетов. Рассмотрены критерии выбора типа анализатора цепей, необходимые для измерения параметров резистивных структур. Основываясь на результатах проведенного анализа, поставлены задачи, решаемые в последующих главах работы.
Во второй главе реализован механизм обработки измерительной информации в рамках современного пакета прикладного моделирования.
Программы, предназначенные для моделирования в области СВЧ, обладают богатыми функциональными возможностями, позволяющими автоматизировать процесс создания и настройки схемотехнических моделей.
Одной из наиболее перспективной особенностью пакетов прикладного моделирования является встроенный алгоритм параметрической оптимизации в пространстве параметров разрабатываемой модели. В работе представлена модель двенадцатиполюсного рефлектометра (рисунок 1). Модель использует PORT PORT PORT PORT P=3 P=4 P=5 P= Z=50 Ohm Z=50 Ohm Z=50 Ohm Z=50 Ohm 2 2 2 SUBCKT SUBCKT SUBCKT SUBCKT ID=S2 ID=S ID=S3 ID=S NET="Zond" NET="Zond" NET="Zond" NET="Zond" 1 1 1 TLIN TLIN TLIN ID=TL3 ID=TL2 ID=TL ATTEN ID=U1 Z0=50 Ohm Z0=50 Ohm Z0=50 Ohm R=50 Ohm EL=45 Deg EL=45 Deg EL=45 Deg PORT LOSS=2 dB F0=1 GHz F0=1 GHz F0=1 GHz P= Z=50 Ohm PORT P= Z=50 Ohm Рисунок 1. Модель рефлектометра встроенный в программный пакет метод гармонического анализа в совокупности со специальными схемотехническими элементами виртуального измерения напряжений на информационных каналах рефлектометра. Это дает возможность параметрам модели более точно соответствовать характеристикам реального измерителя и избавляет от необходимости принятия множества допущений, характерных для классического моделирования. На базе полученной модели рефлектометра построен виртуальный измерительный комплекс, управляемый как вручную, так и автоматически с помощью разработанной внешней процедуры. В рамках пакета моделирования реализован алгоритм калибровки рефлектометра с использованием встроенного в пакет метода оптимизации. Калибровка с помощью оптимизационной процедуры основана на определении констант i и qi по известным Vij (отношениям мощностей в информационных каналах к мощности в опорном канале рефлектометра) минимизацией целевой функции (1), где V – измеренное значение, и q – калибровочные параметры рефлектометра, Г – коэффициенты отражения от калибровочных мер, индекс i определяет информационный канал рефлектометра, j – калибровочную меру, k – частотную точку окна калибровки.
Пакеты прикладного моделирования в области СВЧ предполагают работу с электрическими схемами, что выгодно отличает их от традиционных программ математического моделирования. Преимущества схемотехнического представления в том, что появляется возможность включения параметров схем в целевую функцию и комбинирования схемотехнического и традиционного математического способов представления функции оптимизации. В работе рассмотрены принципы формирования целевой функции схемотехническим и комбинированным (с помощью формул и параметров схем) способами.
Оценка достоверности получаемого результата калибровки выполнена посредством реализации процедуры измерения в рамках того же программного пакета и определении среднеарифметической и среднегеометрической погрешностей калибровки и измерения.
В третьей главе предложен алгоритм обработки измеренной информации с помощью преобразования Фурье. Как правило, характеристики, измеренные l1 l Sx Sа Sb Sm Рисунок 2. Схема контактного устройства анализатором цепей, относятся не к измеряемому объекту, а к системе, включающей сам объект измерения и контактное устройство для подсоединения к анализатору цепей (Рисунок 2).
Элементы подключения образуют «четырехполюсники погрешностей» с волновыми матрицами рассеяния Sa и Sb. Контактное устройство описывается волновой матрицей рассеяния Sm. Необходимость такого контактного устройства вызвана тем, что подавляющее большинство приборов СВЧ разрабатываются и поставляются в миниатюрном исполнении, а измерительные приборы имеют стандартные коаксиальные разъемы.
Аналитически измеряемый коэффициент отражения может быть представлен следующим образом:
(2), где А и B — S-параметры коаксиально-полосковых переходов, S x — S параметры анализируемого устройства, |Sx| — определитель матрицы, — частота, 1, 2 — постоянные запаздывания.
В работе предложен и реализован метод восстановления волновых параметров рассеяния неизвестного объекта по результатам измерений, проведенных в контактном устройстве с объектом измерения и эталонным объектом:
, где.
Метод рассматривается как альтернатива алгоритму фильтрации Спектр Объект Re Спектр Объект Im S11 «временное окно». Суть метода Объект Re Объект Im Plot заключается в обработке спектра Plot 60 Plot данных, измеренных в частотной Plot Plot Plot области. Согласно формуле (2), все Plot Plot 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 члены геометрической прогрессии Plot Отсчеты Рисунок 3. Виртуальный спектр являются функциями частоты и позволяют восстановить всю совокупность волн, отраженных от составных элементов четырехполюсников погрешностей и измеряемого объекта. Первое слагаемое ряда (2) — это медленно меняющаяся гладкая функция частоты, второе — имеет определяющую (основную) частоту колебаний 2 1, третий член — 2( 1+ 2) и так далее. Следовательно, если рассматривать спектр математической функции (2), выделение нужного слагаемого сводится к фильтрации соответствующей ему составляющей амплитудного спектра (Рисунок 3). Используя прямоугольное окно, можно исключить из рассмотрения спектральные максимумы, отличные от второго, и получить, тем самым, искомые величины S11*. В главе рассмотрен алгоритм восстановления коэффициента отражения (параметр S11 матрицы рассеяния) и коэффициента передачи (параметр S21). Алгоритм фильтрации «спектральное окно» можно использовать при проведении измерений диаграммы направленности антенн в условиях мешающих отражений.
Метод «спектрального окна» — альтернатива алгоритму фильтрации «временное окно», поэтому для оценки достоверности полученного результата в работе проведена оценка погрешности восстановления при фильтрации обоими методами (Рисунок 4). Возникшие погрешности восстановления измеряемой величины связаны, прежде всего, с тем, что исходные данные заданы на ограниченном интервале частот. На границах S11 S11 Измерение с неизвестным объектом Измерение с неизвестным объектом 1,4 1, Измерение с эталоном Измерение с эталоном 1,2 Эталон 1,2 Эталон Неизвестный объекта 1,0 Неизвестный объекта 1, Plot Plot 0, 0, Plot Plot 0, Результат обработки 0, Результат обработки 0,4 Plot 0,4 Plot Виртуальный фильтр объекта 0,2 Виртуальный фильтр объекта 0, Виртуальный спектр объекта Виртуальный спектр объекта 0, Виртуальный фильтр эталона 0, 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4, Виртуальный фильтр эталона Виртуальный спектр эталона 1, 1,0 1,2 1,4 1,6 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4, Частота Частота Виртуальный спектр эталона Блок фильтров Идеальный резултат обработки Блок фильтров Идеальный резултат обработки Plot а) б) Режим прибора Объект Эталон Plot Режим Plot прибора Объект Эталон Нижняя граница Верхняя граница Нижняя граница Верхняя граница Рисунок 4. Распределение погрешности восстановления при использовании Plot Нижняя граница Верхняя граница Нижняя граница Верхняя граница Plot Реальная Plot Plot фильтров «спектральное окно» а) и «временное окно» б) Реальная Plot Plot Мнимая Plot Plot Мнимая Plot Комплексный 5 23 5 18 Plot Комплексный 5 23 5 18 Plot Plot 10 12 9 этого интервала анализируемая функция имеет разрывы, которых не Временной Plot Plot 10 12 9 Временной Plot Plot Блок отображения результатов Plot Plot существует в случае теоретических идеальных измерений в бесконечном Блок отображения результатов Результат фильтрации Расширение частотного диапазона Plot 24 Plot Результат фильтрации Расширение частотного диапазона Показать расширенный диапазон Идеальный результат Plot 25 Plot Показать расширенный диапазон диапазоне частот. Использование преобразования Фурье в случае Идеальный результат Plot Метод расширения Plot Погрешность Метод Plot расширения Нулями STOP Plot Погрешность PlotНулями 28 Plot STOP Plot ограниченного частотного диапазона приводит к появлению краевых эффектов вблизи границ. Уменьшение краевых эффектов возможно путем экстраполяции исходных данных за пределы рабочего диапазона частот с последующей обработкой данных в расширенном диапазоне.
Четвертая глава посвящена анализу характеристик микрополосковых аттенюаторов методом спектрального окна. Модель контактного устройства содержит коаксиально-полосковый переход, две полосковые линии длиной 2l и l и аттенюатора или эталонного объекта (Рисунок 5).
2l 2l l Аtt Sа Sа а) б) Рисунок 5. Модель измерительной системы для определения параметров аттенюатора: а) измерение с эталоном, б) измерение с аттенюатором.
Волна, прошедшая через коаксиально-полосковый переход и линию передачи, частично отражается от измеряемого аттенюатора, проходит через вторую линию передачи, отражается и, еще раз пройдя через вторую линию, аттенюатор и переход возвращается в анализатор цепей. Плоскость отражения от аттенюатора пространственно отделена от плоскости измерения анализатора и от короткого замыкания линиями передачи, что позволяет использовать метод спектрального окна.
а) б) Рисунок 6. Панель управления: выбор источника данных а) и виртуальный спектр б) для измерений с аттенюатором и эталоном.
Виртуальный прибор LabVIEW можно разделить на две части:
виртуальная панель управления прибором и блок-диаграмма, обеспечивающая функциональные возможности прибора. Панель управления прибором построена с помощью двух вкладок: для выбора входных файлов с данными (Рисунок 6,а) и для установки параметров фильтра и просмотра результата обработки (Рисунок 6,б).
Панель управления виртуальным прибором сочетает в себе как традиционный интерфейс передних панелей, так и пользовательский интерфейс, позволяющий «связывать» виртуальный прибор с входными данными, выбирать файлы и режимы работы прибора. Программа представляет собой набор вложенных виртуальных приборов LabView, каждый из которых выполняет определенную функцию и может использоваться повторно. Каждый виртуальный прибор, входящий в схему, полностью автономен. Как и традиционные приборы, он получает входные данные, выполняет необходимые действия и выдает результат своей работы.
Этот результат, в свою очередь, используется другим виртуальным прибором, при условии совпадения входного и выходного типов данных (Рисунок 7).
Рисунок 7. Блок-диаграмма «спектральное окно».
Виртуальный прибор предназначен для обработки коэффициентов отражений, полученных с помощью векторного анализатора R&S; ZVK или модели анализатора цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами, рассмотренной выше. Обмен данными между анализатором и виртуальным прибором осуществляется через файловую структуру операционной системы.
Входные файлы преобразуются во внутреннюю структуру с помощью разработанных виртуальных приборов (Рисунок 8).
Рисунок 8. Преобразование файлов ASC анализатора ZVK Оценка работы рассмотренного выше виртуального прибора получена с помощью моделирования. В качестве объекта измерения выбран микрополосковый аттенюатор с ослаблением 2 децибела и фазовой задержкой 5 градусов. Аттенюатор подключается к анализатору СВЧ цепей с помощью контактного устройства (Рисунок 9,а). Для выяснения возможности использования метода спектрального окна в реальных условиях, в схему введены элементы, моделирующие паразитные параметры коаксиально полоскового перехода, потери в линии передачи. В стандартном канале в диапазоне частот 0,1-20 ГГц такой аттенюатор (Рисунок 9,б) имеет коэффициент передачи 2±0,1 дБ, а коэффициент отражения на уровне 0,1.
PHASE ID=P A=5 Deg S=0 Deg ATTEN PORT ID=U1 F=10 GHz PORT CAP P= P=1 R=75 Ohm Zo=75 Ohm ID=C Z=50 Ohm MSUB C=0.1 pF Z=50 Ohm LOSS=-1.82 dB Er=3. H=0.5 mm COAX ID=CX1 T=0.05 mm Di=1.5 mm Rho= Do=3.5 mm Tand=0. L=10 mm ErNom=3. MLIN SUBCKT MLIN ER=1 ID=TL1 ID=S1 ID=TL2 Name=SUB PORT TAND=0. P=1 W=1.2 mm NET="Attenuator" W=1.2 mm Z=50 Ohm RHO=1 L=134 mm L=69 mm 1 2 1 CAP 3 4 ID=C1 CAP ID=C C=0.03 pF C=0.03 pF а) б) Рисунок 9. Схема контактного устройства а) и аттенюатора б).
Виртуальный спектр контактного устройства с установленным аттенюатором (Рисунок 10, сплошная линия) и отражающей эталонной мерой (Рисунок 10, пунктирная линия) графически показывает распределение амплитуды сигнала по задержкам. Первый спектральный максимум имеет одинаковую амплитуду в обоих измерениях и показывает, какая часть волны отразилась в точке подключения конденсатора, моделирующего не идеальность коаксиально-полоскового перехода. Амплитуда второго спектрального максимума различна: в случае подключения аттенюатора она мала, характеризуя его коэффициент отражения, а в случае эталонного короткого замыкания велика, характеризуя полное отражение. Третий спектральный максимум присутствует только в измерении с аттенюатором и характеризует отражение волны от короткого замыкания с учетом прохождения через аттенюатор в прямом и обратном направлении.
S 1100, 1000,0 2-й максимум 900, 3-й максимум 800, 700, 600,0 1-й максимум 500, 400, 300, 200, 100, 0, 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1, за д е рж к а Рисунок 10. Виртуальный спектр контактного устройства с установленным аттенюатором (сплошная) и короткозамкнутым эталоном (пунктирная) Уже на данном этапе можно оценить коэффициент передачи и отражения аттенюатора. Поскольку второй спектральный максимум характеризуют отражение в точке подключения аттенюатора (или эталонного короткозамыкателя), соотношение этих амплитуд является оценкой коэффициента отражения от аттенюатора. Амплитуда спектрального максимума при установленном короткозамыкателе составляет 1010, при установленном аттенюаторе — 150. Оценка коэффициента отражения от аттенюатора примерно 0.15. Это среднее значение модуля коэффициента отражения от аттенюатора во всем диапазоне частот.
Аналогичную оценку можно получить и для коэффициента передачи.
Для этого необходимо проанализировать амплитуду второго спектрального максимума при подключении проходной эталонной меры и третьего спектрального максимума при подключении аттенюатора.
S S 2, 0, 2, 0,6 1, 1, 0,5 0, 0, 0, -0, -1, 0, -1, -2, 0, -2, -3, 0, -3, -4, 0, 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20, 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20, частота частота Рисунок 11. Модуль и фаза восстановленного коэффициента отражения аттенюатора Результат восстановления модуля и фазы коэффициента отражения аттенюатора в диапазоне частот соответствуют их оценкам и моделируемым значениям (Рисунок 11). Погрешность восстановления модуля не превышает 0.1, а фазы – 0.2 радиан без учета эффекта Гиббса.
Аналогично для коэффициента передачи (Рисунок 12) погрешность восстановления модуля не превышает 0.1, а фазы – 0.2 радиан также без учета эффекта Гиббса.
S S 0, -1, -1, -1, -1, 0, -1, -2, -2, -0, -2, -2, -2, -0, -3, 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20, 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20, частота частота Рисунок 12. Модуль и фаза восстановленного коэффициента передачи аттенюатора Измерение на модельном уровне показывает достаточно неплохие результаты. Для натурных испытаний микрополосковых аттенюаторов было изготовлено контактное устройство, для измерений микрополосковых аттенюаторов в стандартном коаксиальном канале 3,5/1,5 используя векторный анализатор R&S; ZVK. Измерению подвергался аттенюатор ПР1-1 2 с вносимым ослаблением 2 дБ и рабочим диапазоном частот до 20 ГГц. В процессе испытаний на частотах от 2 до 2.5 ГГц в анализаторе цепей S S 0, 1, -0, 0, -1, 0, -1, 0,7 -2, 0,6 -2, -3, 0, -3, 0, -4, 0, -4, 0,2 -5, -5, 0, -6, 0, 0,0 2000000000,0 4000000000,0 6000000000,0 8000000000,0 12000000000, 0,0 2000000000,0 4000000000,0 6000000000,0 8000000000,0 10000000000,0 12000000000, частота частота происходил сбой, поэтому результат восстановления получился несколько искаженным.
Рисунок 13. Модуль восстановленного коэффициента передачи и отражения аттенюатора Восстановленный модуль коэффициента отражения аттенюатора (Рисунок 13) менее 0.1. На частотах близких к 2.5 ГГц проявляется резкий скачек, вызванный сбоем в анализаторе при измерениях. Восстановленное ослабление соответствовало заявленной величине 2 dB. Погрешность восстановления ±0.5 дБ.
Одним из наиболее важных преимуществ метода «спектрального окна» является работа с гладкими функциями. При использовании «временного окна» фильтрации подвергается СВЧ сигнал во временной области, а он, как известно, представляет собой функцию с достаточно крутыми фронтами и спадами. В противовес этому применение метода «спектрального окна» позволяет проводить фильтрацию амплитудного спектра, который является гладкой медленно меняющейся функцией. Очевидно, что фильтрация во втором случае является более простой задачей, особенно при использовании автоматизированных систем обработки данных. Кроме того, спектральное окно позволяет проводить оценку среднего значения восстанавливаемого параметра по амплитудному виртуальному спектру.
Основные результаты и выводы по работе В результате выполнения диссертационной работы решены задачи, связанные с моделированием анализатора цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами и созданием программного обеспечения для восстановления коэффициента отражения и передачи пассивных взаимных устройств в микрополосковом канале по результатам измерений в стандартном коаксиальном канале:
1. Предложена технология использования системы математического моделирования Microwave Office для создания виртуального анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами:
a. проведено моделирование анализатора СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами в ППМ Microwave Office, которое позволило проводить измерения на модельном уровне;
b. реализована калибровка анализатора СВЧ цепей методом идентификации параметров моделей с погрешностью алгоритма калибровки на модельном уровне не более 0.2 %;
c. разработано программное обеспечение для управления виртуальным анализатором, позволяющее эффективно проводить калибровку и измерения S-параметров на модельном уровне.
2. Предложен новый метод компьютерной обработки измеренных данных, предназначенный для восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников в частотной области:
a. разработан метод восстановления волновых параметров рассеяния четырехполюсников на базе преобразования Фурье как альтернатива методу временного окна. Алгоритм позволяет работать с гладкими медленно меняющимися функциями амплитудного спектра, что выгодно отличает его от метода временного окна. Кроме того, возможна предварительная оценка среднего значения восстанавливаемого параметра по амплитудному виртуальному спектру.
b. Проведено сравнение фильтрации данных методами «спектральное окно» и «временное окно», подтвердившее достоверность результатов нового метода. Метод спектрального окна дает несколько иное распределение погрешности, однако он меньше подвержен эффекту Гиббса, а средняя погрешность двух сравниваемых методов одинакова.
3. Предложен алгоритм восстановления коэффициента отражения и передачи интегрального микрополоскового аттенюатора по результатам измерений, полученным в стандартном коаксиальном канале:
a. разработана модель контактного устройства для проведения измерений на модельном уровне с помощью виртуального анализатора, которая позволила без изготовления макета получить результат измерения в стандартном коаксиальном канале с учетом не идеальности коаксиально-полоскового перехода, линий передачи и паразитных параметров в точках крепления чип-элемента;
b. разработан виртуальный прибор LabView, позволяющий провести восстановление коэффициента передачи и отражения аттенюатора по измерениям коэффициента отражения контактного устройства с погрешностью не более 0.1 по модулю и 0.2 радиан по фазе;
c. проведена серия испытаний и восстановлений волновых параметров аттенюаторов по результатам измерений коэффициентов отражений контактных устройств векторным анализатором R&S; ZVK.
Результаты восстановления показали хорошую согласованность аттенюаторов (модуль S11 не более 0.1) в диапазоне частот от 0.1 до 12 ГГц.
Основные публикации по теме диссертации Беднов А.В., Никулин С.М. Восстановление результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна" Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении" ("ПТ-2003"), Нижний Новгород Арзамас, Беднов А.В., Никулин С.М., Кудрявцев А.М., Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна", Материалы VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004 в 7 томах, т.3 с. 58-64, Новосибирск, Никулин С.М., Беднов А.В., Кудрявцев А.М., Хилов В.П., Методы и средства восстановления параметров СВЧ антенн по результатам измерений на фоне мешающих отражений, ВНТК "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств", Нижний Новгород, Беднов А.В., Кудрявцев А.М., Никулин С.М. Цифровая обработка результатов СВЧ измерений методом "спектрального окна", Датчики и системы, №6, Москва, 2004, с. 30 – Беднов А.В., Кудрявцев А.М., Никулин С.М., Хилов В.П., Измерение параметров антенн с использованием интеллектуального анализатора СВЧ цепей, тезисы докл. и сообщений III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004, с. 184.
Беднов А.В., Кудрявцев А.М., Малышев И.Н., Никулин С.М., Моделирование интеллектуально-измерительной системы в Microwave Office / Информационные системы и технологии ИСТ-2006, тезисы докладов Международной НТК, 2006, с. 52- Беднов А.В. Проектирование программного обеспечения измерительного комплекса, Труды НГТУ. Сер. Информационные технологии. Н.Новгород:
НГТУ, 2006. Вып.3. С.105-109.
Беднов А.В. Измерение параметров микрополосковых аттенюаторов методом спектрального окна, Труды НГТУ. Сер. Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. Н.Новгород: НГТУ, 2006.
Вып.11. С.83-89.
Беднов А.В. Восстановлене коэффициента передачи микрополоскового аттенюатора методом спектрального окна // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007): Материалы междунар. науч. техн. конф.– Н.Новгород: НГТУ, 2007.С. Беднов А.В. Графический интерфейс пользователя измерительной системы окна // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007): Материалы междунар. науч. техн. конф.–Н.Новгород: НГТУ, 2007.С.143.
Беднов А.В. Калибровка двенадцатиполюсного рефлектометра методом идентификации параметров модели // Информационные системы и технологии (ИСТ-2007): Материалы междунар. науч. техн. конф.– Н.Новгород: НГТУ, 2007.С.80.
Подписано в печать 17.04.2007. Формат 60 84 116. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Типография ОАО ПКФ «Кварц» 603078, г. Нижний Новгород, ул. Московское шоссе, 213а.