Методы определения параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и материалов в волноведущих системах и в открытом пространстве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лупанова Елена Александровна

• Лупанова Елена Александровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Лупанова Елена Александровна

Введение

Актуальность

Цели и задачи работы

Методы исследования

Научная новизна

Практическая ценность

Практическое использование

Положения, выносимые на защиту

Обоснованность и достоверность результатов работы

Апробация работы

Глава 1. Состояние и перспективы развития методов определения параметров объектов в стандартных, нестандартных направляющих системах и открытом пространстве

Введение

1.1 Измерение параметров объектов на основе модели наблюдений с локальными спектрально-селективными составляющими

1.2 Измерение параметров объектов ЬЯТ-, ЬЯ- и Экспресс-методами

1.3 Эффект повторяемости разъемных соединений в задачах измерения параметров объектов в направляющих системах

1.4 Измерение параметров плоских образцов материалов в свободном пространстве

Вывод и постановка задач исследования

Глава 2. ЬТЯ-метод определения параметров объектов в металлических и коаксиальных волноводах

Введение

2.1 ЬТЯ- метод определения 8-параметров объектов в стандартных волноведущих системах

2.2 Определение параметров объектов в металлическом прямоугольном волноводе

2.2.1 Описание эксперимента

2.2.2 Определение коэффициента отражения со стороны коаксиальных разъемов

2.2.3 Определение коэффициентов отражения мер короткозамкнутой нагрузки, согласованной нагрузки и короткозамкнутой нагрузки через отрезок линии

2.2.4 Определение КСВ аттестованных волноводных нагрузок

2.3 Определение параметров объектов в коаксиальном волноводе с помощью ЬТЯ-метода

Выводы

Глава 3. Методы определения параметров объектов в нестандартных линиях передачи

Введение

3.1 ЬТЯ-метод определения 8-параметров объектов в нестандартных линиях передачи

3.2 Методы определения параметров объектов в нестандартном П-образном волноводе

3.3 Определение фазовой скорости в нестандартных волноведущих системах

3.4 Определение параметров полосковых линий передачи

3.4.1 Проблема определения волнового сопротивления полосковой линии

3.4.2 ЬТЯ-метод измерения ^-параметров электронных компонентов

3.4.3 Измерение волнового сопротивления в диапазоне 0,02-2,00 ГГц

3.4.4 Определение частотной зависимости волнового сопротивления методом стандарта Битти

3.4.5 Идентификация параметров схемных моделей чип-резисторов

Выводы

Глава 4. Измерение параметров плоских образцов материалов в свободном пространстве на фоне мешающих отражений

4.1 Метод измерения бистатического коэффициента отражения на фоне помех окружающего пространства

4.2 Антенный полигон для измерения бистатического коэффициента отражения от контролируемых объектов

4.3. Измерения бистатического коэффициента отражения остронаправленными антеннами

4.4 Измерения бистатического коэффициента отражения слабонаправленными антеннами

Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А. Акты внедрения результатов диссертации

131

Введение

Информацию о параметрах объектов относительно их физических границ в волноведущих системах (в стандартных и нестандартных волноводах и линиях передачи) и в открытом пространстве получают средствами косвенных измерений. Исключение влияния оснастки, используемой для подключения контролируемых объектов к анализаторам цепей, и устранение погрешностей от непрямых трасс электромагнитных волн в открытом пространстве, выполняют матричной процедурой экстракции окружающих цепей на каждой частоте. При контроле параметров объектов методом импульсной рефлектометрии, либо анализаторами цепей с опцией «временное окно» процедуру экстракции выполняют во всем диапазоне частот оконной фильтрацией результатов измерений и преобразованиями Фурье [13]. Сравнительно недавно была предложена альтернативная процедура матричного вынесения цепей с использованием всего объема данных измерений [4]. Причем поиск параметров окружающих контролируемый объект электрических цепей выполнялся не решением калибровочных уравнений в комплексной области, а итерационной процедурой вычислений по результатам измерения ключевого Ь-соединения переходов электрически длинной линией. Дальнейшее развитие предложенный подход к контролю параметров объектов в направляющих системах получил в работе [5], в которой использовано только два калибровочных измерения с отрезком длинной линии и с линиями в режиме короткого замыкания или холостого хода. Такое решение снижает, а в случае Экспресс-метода с одной калибровочной мерой исключает погрешности, вызванные эффектом повторяемости разъемных соединений и фазовой нестабильностью соединительных коаксиальных кабелей [5]. Однако поиск коэффициентов отражения со стороны коаксиальных разъемов окружающих цепей выполнялся с помощью математически не строгой процедуры, методами минимакса или наименьших квадратов, что заметно снижает ценность новых предложенных решений.

В настоящей диссертационной работе этот недостаток преодолен строгим решением калибровочной процедуры в базовых точках и сплайнами Акимы в промежуточных интервалах между ними.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы определения параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и материалов в волноведущих системах и в открытом пространстве»

Актуальность

Номенклатура изделий СВЧ электроники весьма обширна и разнообразна. К таким изделиям относятся волноводные, коаксиальные и микроэлектронные устройства генерирования, усиления, преобразования, поглощения и накоплению энергии электромагнитного поля. Способность изделий СВЧ электроники выполнять те или иные функции в широком диапазоне частот зависит от их конструкции, геометрических размеров, электрофизических свойств материалов: - диэлектрической и магнитной проницаемости, проводимости, подвижности носителей электрических зарядов и других эффектов. Причем все существующие изделия СВЧ электроники характеризуются граничной частотой, за пределами которой они теряют выполняемые ими функции. Функционально законченные устройства и микроэлектронные компоненты имеют разнообразные средства соединения между собой и с волноведущими системами, такие как коаксиальные и волноводные разъемные соединители, ленточные, плоские, шарообразные и охватывающие контакты, а стандартная аппаратура для измерения, контроля и диагностики параметров объектов имеет лишь стандартные средства соединения - коаксиальные разъемы.

Достаточно полную информацию о работоспособности и технических характеристиках устройств и элементов СВЧ техники получают с помощью векторных анализаторов цепей и, в частности, из волновых параметров рассеяния (Б-парамет-ров). Достоверность и точность измерений, контроля и диагностики Б-параметров объектов в коаксиальных каналах обеспечивается ОБМТ калибровочной процедурой во всем диапазоне частот работы прибора.

Измерения и контроль параметров изделий относительно их физических границ в нестандартных волноведущих системах, в П и Н-образных волноводах, мик-рополосковых, копланарных и щелевых линиях передачи в широкой полосе частот

электромагнитного поля связаны с проблемой исключения влияния искажающих адаптеров, используемых для соединения объекта контроля с анализатором цепей. Искажающие адаптеры состоят из переходов с коаксиального волновода на нестандартную линию передачи и отрезка нестандартной линии, в которую устанавливают контролируемое изделие. В случае измерений, контроля и диагностики параметров поглощающих покрытий, природных и мета материалов в свободном пространстве искажающие адаптеры состоят из передающей или приемной антенны и свободного пространства между антенной и контролируемым объектом. Чтобы исключить влияние искажающих адаптеров на результаты испытаний контролируемых объектов необходимо выполнить вторичную калибровочную процедуру.

Вторичная калибровка в нестандартных направляющих системах и в открытом пространстве не может быть выполнена с помощью стандартной OSMT процедуры ввиду невозможности создания режимов измерений холостого хода, идеального согласования в нестандартной линии передачи и в свободном пространстве. По этой причине необходима разработка широкополосных методов измерения, контроля и диагностики параметров изделий СВЧ электроники относительно их физических границ в различных волноведущих системах и в свободном пространстве.

Существенный вклад в развитие методов измерений и контроля параметров объектов в стандартных, нестандартных каналах и в открытом пространстве внесли зарубежные и отечественные ученые и разработчики: Adam S.F., Adamian V., Arz U., Ballo D., Beatty R.W., Веск A.C., Bryant G.H., Doerner R., Dunsmore J.P., Engen G.F., Ferrero A., Heinrich W., Hiebel M., Hoer C.A., Kuhlmann K., Marks R.B., Nicolson A.M., Oldfield B., Oliver B.M., Ridler N.M., Rumiantsev A., Rytting D.K., StumperU., Williams D.F., Абубакиров Б.А., Андреев И.Л., Андриянов А.В., Бонда-ренко И.К., Гимпилевич Ю.Б., Глебович Г.В., Губа В.Г., Данилин А.А., Евграфов В.И., Елизаров А.С., Львов А.Е., Нечаев Э.В., Никулин С.М., Пальчун Ю.А., Петров В.П., Пивак А.В., Рябинин Ю.А., Рясный Ю.В., Савелькаев С.В., Савин А.А., Щитов А.М., Хворостов Б.А., Чупров И.И., Эйдукас Д.Ю. и др.

Совершенствование методов и средств СВЧ измерений продолжается и сейчас актуальна проблема разработки новых методов решения измерительных задач в направляющих системах и в открытом пространстве, обеспечивающих расширение частотного диапазона простыми техническими средствами для широкой номенклатуры контролируемых изделий.

Цели и задачи работы

Цель работы состоит в разработке и развитии методов определения параметров объектов в стандартных и нестандартных волноведущих системах и в открытом пространстве с минимальными материальными затратами на оборудование и оснастку.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать широкополосный метод определения параметров устройств и элементов электронной техники в стандартных и нестандартных волноводах с минимальным комплектом технологически простых калибровочных мер;

— разработать метод измерения параметров пассивных и активных электронных компонентов в полосковых линиях передачи с учетом частотно-зависимого волнового сопротивления;

— разработать математическую модель определения бистатического коэффициента отражения плоских образцов материалов и поглощающих покрытий на фоне мешающих отражений;

— разработать способ измерения бистатического коэффициента отражения плоских образцов материалов и поглощающих покрытий с помощью остронаправленных и слабонаправленных антенн на фоне мешающих отражений без использования поглощающих конструкций и безэховой камеры.

Методы исследования

При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на

теории СВЧ цепей, теории функций комплексного переменного и методах компьютерного моделирования. Выводы, полученные с помощью экспериментальных методов, основываются на сопоставлении с результатами, выполненными известными методами и техническими средствами.

Научная новизна

— Разработан и исследован LTR-метод измерения параметров объектов в стандартных и нестандартных волноведущих системах.

— Разработан метод определения волнового сопротивления полосковых линий средствами измерений.

— Разработана математическая модель определения бистатического коэффициента отражения.

— Разработан и исследован способ измерения бистатического коэффициента отражения объектов с помощью остронаправленных и слабонаправленных антенн на фоне мешающих отражений.

Практическая ценность

Предлагаемые методы измерения в стандартных и нестандартных направляющих системах основаны на использовании технологически простых минимальных комплектов калибровочных мер, что позволяет существенно сократить временные и материальные затраты на получение достоверной измерительной информации об электромагнитных параметрах объектов относительно их физических границ в широком диапазоне частот электромагнитных волн.

Определение волнового сопротивления полосковых линий повышает степень достоверности получаемой информации об электромагнитных параметрах электронных компонентов.

Предложенная концепция создания компактного антенного полигона для контроля электромагнитных характеристик плоских образцов материалов и поглощающих покрытий с подавлением помех от непрямых трасс распространения

электромагнитных волн позволяет проводить испытания в обычном лабораторном помещении без использования дорогих безэховых камер.

Практическое использование

Работа выполнялась в соответствии с планом кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве». Полученные в диссертации результаты использованы:

— в АО НПО «ЭРКОН» при разработке универсальной оснастки, методов измерений и построении моделей СВЧ резисторов мощностью от 10 до 1000 Вт, СВЧ резисторов и аттенюаторов малой мощности, керамических и ферритовых чип-индуктивностей.

— при выполнении Договора №2 251/19-П_ОЭ на проведение опытной эксплуатации векторного анализатора цепей «Панорама» Р4226 между Арзамасским приборостроительным конструкторским бюро и Научно-производственной фирмой «Микран» (г. Томск).

Положения, выносимые на защиту

— ЬТЯ-метод определения параметров объектов в стандартных и нестандартных волноведущих системах (п. 3 проекта паспорта специальности 2.2.8);

— Метод определения волнового сопротивления полосковых линий средствами измерений (п. 3 проекта паспорта специальности 2.2.8);

— Математическая модель определения бистатического коэффициента отражения от плоских образцов материалов и поглощающих покрытий (пп. 4, 6 проекта паспорта специальности 2.2.8)

— Способ измерения бистатического коэффициента отражения объектов с помощью остронаправленных и слабонаправленных антенн с подавлением помех от непрямых трасс распространения электромагнитных волн (п. 3 проекта паспорта специальности 2.2.8).

Обоснованность и достоверность результатов работы

Все положения, выносимые на защиту, прошли проверку средствами автоматизированного моделирования и натурного эксперимента. Адекватность предлагаемых методов подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международном симпозиуме PIERS ROME 2019 Photonics & Electromagnetic Research Symposium, Рим 2019; 28-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь 9-15 сентября 2018; 29-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь 8-14 сентября 2019; XXV - XXVIII Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии», ИСТ-2019-ИСТ-2022, Н. Новгород 2019-2022; VII, VIII, X, XI Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург 2018, 2019, 2021, 2022; VII Всероссийской Микроволновой конференции, Москва 2020; научных семинарах кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве» Института радиоэлектроники и информационных технологий НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Глава 1. Состояние и перспективы развития методов определения параметров объектов в стандартных, нестандартных направляющих системах и открытом пространстве

Введение

В данной главе диссертационной работы рассматриваются существующие на данный момент методы определения параметров объектов в стандартных, нестандартных направляющих системах и открытом пространстве.

Рассматривается проблема калибровки векторного анализатора цепей для коррекции систематических ошибок измерения, анализируются классические (OSM, TRL) методы калибровки [1,2,6,7], а также сравнительно новые методы (LRT, LR, Экспресс, LM) [4-10]. Каждый из этих методов имеет свои недостатки, например, OSM-метод требует наличия согласованной нагрузки, но для нестандартных направляющих систем ее практически невозможно изготовить, а классический TRL-метод имеет ограничения по диапазону рабочих частот. MultiTRL-метод расширяет рабочий диапазон классического TRL-метода, но требует большого количества калибровочных мер, что значительно усиливает эффект повторяемости [1,2]. Новые LRT-, LR-, Экспресс-методы имеют общий методический недостаток в поиске коэффициента отражения со стороны коаксиальных разъемов как средней линии коэффициента отражения электрически длинной линии.

Для устранения методического недостатка относительно новых LRT-, LR-, Экспресс- методов калибровки предлагается новый LTR-метод, использующий преимущества как данных методов, так и хорошо известного TRL-метода.

Основные результаты исследований приведены в работах [9, 12, 13]

1.1 Измерение параметров объектов на основе модели наблюдений с локальными спектрально-селективными составляющими

Результат любого измерения подвержен неопределенности, характеризуемой ожидаемым статистическим отклонением от их истинного значения [2].

Неопределенность имеет случайную и системную составляющие. Современные измерительные приборы, в частности, векторные анализаторы цепей - ВАЦ, проектируются так, чтобы минимизировать случайные ошибки. В работе [2] указано несколько факторов, влияющих на такие погрешности, это тепловой дрейф, повторяемость, шум.

Для коррекции систематических ошибок измерения применяется процедура, известная как калибровка. Она позволяет определить параметры искажающих цепей. Схема четырехполюсника ошибок приведена у М. Хибеля [2] и показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Идеальный искажающий четырехполюсник с элементами ошибок

Перед основными измерениями на ВАЦ выполняются предварительные измерения калибровочных мер с заранее известными параметрами. Полученные результаты измерений оцениваются на расхождение с заранее известными значениями и в соответствие с этими данными выполняется коррекция прибора. Но даже после этой процедуры некоторые систематические ошибки могут остаться не скомпенсированными и могут быть интерпретированы как эффективные системные данные.

Одной из причин того, что измерения ВАЦ после процедуры калибровки все еще обладают неточностью, являются сами калибровочные меры. Из-за производственных ограничений их свойства будут обязательно отличаться от идеальных стандартов. Например, ранее в калибровочном процессе предполагалось наличие идеального согласования и только совсем недавно стали учитываться неидеальные

свойства согласующего элемента. М. Хибель указывает [2], что при изготовлении согласованной нагрузки в коаксиальном тракте достигается уровень обратных потерь на искажение порядка ~45 dB, на частотах до 4 ГГц.

Существует несколько способов учета не идеальности согласованной нагрузки

Использование скользящей нагрузки. Она может быть изготовлена значительно точнее. Обратные потери на отражение на ее входе могут составлять примерно 20 dB. Но у скользящей нагрузки есть недостаток - он не может быть использован на частотах ниже 2ГГц, хотя на частотах выше 8 ГГц является значительно более точным, чем обычный поглотитель.

В работе [11] предлагается новый метод калибровки ВАЦ, использующая алгоритм формирования совместных оценок частотных характеристик эффективных параметров при их разделении за счет распространения зондирующего сигнала в линии передачи. Для верификации требуется использовать нагрузку короткого замыкания - КЗ и длинную линию. Синтез алгоритма обработки получаемых верификационных измерений выполнен на основе МНК и модели наблюдений с локальными по задержке частотно-селективными составляющими.

На рисунке 1.2 [11] показана модель измерительной системы при тестировании линии с короткозамкнутой нагрузкой. Обозначения эффективных параметров: D - направленность, R - трекинг отражения, S - согласование порта прибора в режиме источника, Нижним индексом указано направление зондирования (F - прямое из первого порта во второй от англ. Forward; R - обратное от англ. Reverse). Длина линии и ее постоянная распространения обозначены с помощью l и у. Коэффициент передачи линии в обоих направлениях равен exp(-yl). Коэффициент отражения короткозамкнутой нагрузки обозначен как г5.

а)

Ь)

Рисунок 1.2 - Модель измерительной системы при тестировании короткозамкнутой линии: а) на первом порту (прямое зондирование); Ь) на втором порту (обратное зондирование)

Фильтрация разных составляющих погрешности реализуется за счет их разделения во временной области. Для преобразования во временную область используется обратное преобразование Фурье [2]. Но так как исходные частотные значения дискретны и получены на частотах с шагом А/, сигнал во временной области может быть получен с периодом Т = 1/А/. Значения в интервале -Т /2 .x /2 соответствуют тому, что называется областью неопределенности, в то время как значения вне этого интервала являются несущественными. Однако если мы выбираем не подходящий период Т, соседние значения могут исказить значения в области неопределенности и привести к эффекту Гиббса.

В работе [11] предложены оригинальные методы обработки измерений векторных анализаторов цепей, основанные на совместном оценивании частотных характеристик сигналов, разделенных во временной области по задержке. Методы позволяют оперативно решать задачу верификации систематической погрешности

измерений анализаторов цепей и задачу исключения влияния тестовой оснастки при измерении параметров электронных компонентов на печатной плате.

На рисунке 1.3 показаны характеристики погрешности оценок разных алгоритмов: L = 4 и L = 16 - оконная фильтрация с разной шириной прямоугольного окна; (К+1) =5 и (К+1) = 17 - алгоритм на основе МНК с аппроксимацией кубическими сплайнами; а также МНК с многочленами Чебышева. На рисунке 1.3 видно, что точность МНК оценок не хуже -60 дБ при том, что погрешность оценок оконной фильтрации возрастает до -40 дБ к краям диапазона переменной s. Алгоритмы на основе МНК обеспечивают близкую к потенциальной точность при s=0,1.. .0,9 и увеличение выигрыша по сравнению с оконной фильтрацией до 40 дБ и более.

Но предлагаемая в работе [11] процедура фильтрации имеет такую особенность, как зависимость получаемого результата от выбранных в процессе эксперимента параметров (например, положения, размера и формы окна, количества К+1 базовых точек и пр.). Таким образом, получается некоторое подобие эффекта неопределенности Гейзенберга - зависимость результата от способа извлечения информации, хотя при решении конкретных измерительных задач или верификации можно заранее выбрать оптимальные параметры фильтрации.

Од гО), дБ -35 £-Г

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 5

Рисунок 1.3 - СКП оценок разных алгоритмов

1.2 Измерение параметров объектов ЬЯТ-, ЬЯ- и Экспресс-методами

В работе [4] было предложено использовать электрически длинную линию вместо согласованной нагрузки. Комплексный коэффициент отражения от перехода с коаксиальной на нестандартную линию передачи определяют в условиях идеального согласования. Но как обсуждалось в разделе 1.2 изготовить идеальную согласованную нагрузку, особенно в нестандартной линии передачи, невозможно и нецелесообразно.

Рисунок 1.4 - Соединение двух коаксиально-волноводных переходов А и В отрезком I электрически длинного нестандартного волновода

Вместо использования согласованной нагрузки или скользящей нагрузки предлагается воспользоваться электрически длинной линией, соединяющей между собой два перехода. Это позволит определить их комплексные коэффициенты отражения 511 (/) и Б^/) (или направленность ^ и Эк) со стороны коаксиальных разъемов как средние линии квазипериодических функций частоты /

й/) = БЬ (/) + 52 Б2}!?ехр(' * 5п (/)+ 52 ^ ехр(- '^у/)+ • • • , 1 - Б22Б22 ехр(- г 2у/)

б 22 (/ ) = & (/) + Б12 Б ^^ г2У/) * БШ)+Б^ Б^ехр^ г 2у/) + ....

1 - Б2°2Б2ь2ехр(- г2у/)

(1.1)

Здесь у = в - га - комплексная постоянная распространения, а(/) - коэффици-

ент затухания, в(/) = 2//у (/) - фазовая постоянная, а у(/) - фазовая скорость электромагнитной волны в волноводе. На рисунке 1.5 в качестве примера приве-

дены графики частотных зависимостей реальных и мнимых частей комплексного

коэффициента отражения Б111(/) от входа каскадного соединения двух коаксиально-

волноводных переходов отрезком I электрически длинного П-образного волновода, измеренного анализатором цепей, и коэффициент отражения Б1а1(/) от перехода А

со стороны его коаксиального разъема, восстановленного как средняя линия измеренной величины

Действительная часть коэффициента отражения со стороны коаксиального разъема

I- 1 действительное - среднее

10000000000 12000000000 14000000000 16000000000

Частота, ГЦ

а)

б)

Рисунок 1.5. Графики частотных зависимостей и

а - действительная часть; б - мнимая часть

Амплитуда колебаний 5'111(/) около средней линии /), как видно из (1), определяется модулем коэффициента отражения ¿22 (/) от перехода В со стороны волновода, коэффициентом затухания а(/) и длиной I. Период колебаний /)

определяется длиной отрезка волновода. Фактически, каждый из переходов в их каскадном соединении по отношению к другому переходу выполняет функцию удаленной поглощающей нагрузки с коэффициентами отражения ¿22 (/) и ¿22 (/) •

При I й/)^^(/) 5^2(/Ь¿п(/)•

Найденные значения комплексных коэффициентов отражения от переходов со стороны их коаксиальных соединителей в принципе упрощают определение остальных неизвестных параметров. Коэффициенты отражения от переходов со

стороны нестандартной линии передачи £|2, #22 (5) и произведения прямого и обратного коэффициентов передачи и (Я) могут быть найдены из решения системы линейных уравнений с коэффициентами, полученными по результатам измерения коэффициентов отражения от переходов с отражающими нагрузками короткого замыкания и холостого хода.

2 <

Рисунок 1.5 - Переходы с короткозамкнутой нагрузкой и их сквозное соединение

ЬЯТ-метод решает эту задачу с помощью итерационной процедуры вычисления искомых величин по результатам измерения коэффициентов отражения от переходов с короткозамкнутой нагрузкой и S-параметров их сквозного соединения, как показано на рисунке 1.5 из соотношений:

Vй -

пЙ _

°22 -

( Л СТ па

па

V °12 у

V2

°12

Vй

V °12 У

ОТ аЪ °22 °11

V2

°12

ра ра _ оТ

Б21Б12 — Б21

оЪ аЪ _ аТ Б21Б12 — Б12

а °12

V °12 У

Ъ

V

а

V °12 У

(1 Б22 Б22 ) >

(1 - ^22 Б22 ) ,

Г —

па ! пЪ _

°12/ °12 —.

ой па -

(Б1й1 - ^ )(1 - Б22Га)

( Б 2й2 - Я )(1 - Б22ГЪ )

(1.2)

ой о а па па . папа °11°22 - °11°22 + °12°21

Г —■

сгй СгЪ Б22 Б11

Ъ

Пй Г>Ъ ПЪ ПЪ . ПЪ о "22 б22 — Б11б22 + Б12 Б21

Ъ

где БТ и Бт22 - коэффициенты отражения от сквозного соединения переходов, БТ и БТ - коэффициенты передачи сквозного соединения переходов, Бй и Бй - коэффициенты отражения от переходов с отражающими нагрузками короткого замыкания,

Га и Г - коэффициенты отражения от отражающих короткозамкнутых нагрузок,

S22 и s22 - коэффициенты отражения от переходов со стороны нестандартной линии передачи,

Sa, Sa, Sb2, Sbn - прямые и обратные коэффициенты передачи переходов.

LRT-метод является методом вторичной калибровки векторного анализатора цепей. Метод получил дальнейшее развитие. Так, в работах [5, 10] был предложен LR-метод определения параметров объектов в стандартных и нестандартных направляющих системах, который является логическим продолжением LRT-метода. LR-метод основан на измерении S-параметров всего лишь двух соединений: - L- и R-соединения. Вместо сквозного соединения переходов используется электрически длинная линия и соотношения (1.2) приобретают следующий вид:

Sh -S22 -

па _ S22 -

nL na S11 - S11

i çb\ S12

a

V S12 У

na Л nL _ nh S12 S22 - S11

S

a a L S21S12 - S21

21

Sh

V S12 У

S

h h L S21S12 - S12

a S12 Sh V S12 У

h S12

(1 S22S22 ) >

12

a

V S12 У

(1 S22S22),

S12/ S1

V

Гь К —s;\ - s^r )

Гз (S22 -sf, * - S22rh )

(1.3)

г -

a nRna

nR aa S11 - S11

■ Г -

Rh S22 S11

R h h h h h

S22S22 — S11S22 + S12S21

пК па па па . па па

где Б^ и Б^2 - коэффициенты отражения электрически длинной линии, Б^ и Б^2 - коэффициенты передачи электрически длинной линии, ^^ и Б22 - коэффициенты отражения от переходов с отражающими нагрузками короткого замыкания,

Гя и г - коэффициенты отражения от отражающих короткозамкнутых нагрузок,

Б%2 и б22 - коэффициенты отражения от переходов со стороны нестандартной линии передачи,

Б^2, Б£, Бь12, Бь2У - прямые и обратные коэффициенты передачи переходов.

В исследовании [5] показано, что LR-метод очень хорошо себя зарекомендовал как в стандартных направляющих системах на примере прямоугольного

волновода, так и в нестандартных на примере П-образного волновода и полосковых линий передачи.

В работах [5, 10] предлагается дальнейшее усовершенствование ЬЯ-метода, а именно Экспресс-метод. Отношение коэффициентов передачи ^г/^ определяет границу между цепями А и В. Если в качестве границы выбрать плоскость отсчета фазы, равноотстоящую от коаксиально-полосковых переходов, то в силу симметрии полосковой части цепей, отношение коэффициентов передачи можно приближенно определить как:

о^ / оЬ °12/ &12

II

Гъ И ггя -&11 > (1 - & 22 Га )

Га 22 - &Ъ1 11 - &22ГЪ )

я 22

(1.4)

Причем в качестве £п и Б22 следует взять коэффициенты отражения от коаксиально-полосковых переходов в режиме холостого хода, т.е. без контакта с отрезком электрически длинной полосковой линии передачи. В этом случае потребуется единственная калибровочная мера волнового сопротивления в виде отрезка длинной линии и два измерения -параметров контактного устройства с линией и без нее.

Таким образом, Экспресс-метод контроля предполагает всего лишь одно подключение в контактное устройство калибровочной меры и вычисление искомых параметров цепей из соотношений:

па _

0 22 =

па &12

V °12 У

&

аЪ 22

&11

оаЪ &12

&Ъ -

& 22 -

Ъ

&12

п а

V&12 У

с^аЪ па &11 - &11

&

аЪ 21

па па _ паЪ

& 21&12 — & 21

п а &12

V&12 У

(1 па с<Ъ | с<Ъ с<Ъ 1-&22&22/, &21&12

&

Ъ

&12

па

V&12 У

^ &22 &22 ),

(1.5)

с< а с<Ъ _ С аЪ 11 с<а с<Ъ \ с<Ъ п а _ С аЪ 11 с<а с<Ъ \

&21&12 — &21 V1 - &22&22/, &21&12 — &12 V1 - &22&22/

без итерационной процедуры.

Но у всех трех методов есть общий методический недостаток - определение средние линии коэффициентов отражения L-соединения. Существуют много разных алгоритмов определения средней линии, в работе [5], например, использовались средние линии, полученные методом минимакса.

При определении средней линии методом минимакса встает вопрос определения точек экстремума. Коэффициент отражения перехода представляет собой квазипериодическую функцию, экстремумом считается точка, после которой график меняет направление (с восходящего на нисходящий и наоборот). Из-за наличия шумов в измерениях график коэффициента отражения переходов содержит «ложные» экстремумы, иногда несколько подряд идущих экстремумов, из которых следует выбрать только один.

Действительная часть коэффициента отражения со стороны коаксиального разъема

0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02 -0,04 -0,06 -0,08

♦ экстремумы - Э11 действительное - среднее

_. • | • 1 . 1 1 < • • • 1 > • • > , Несколько подряд идущих экстремумов ■ ■ | ' 1 Т 1 т

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лупанова Елена Александровна, 2022 год

« // »

бов A.B. Зимёцков A.B. чкорин A.B.

тв-

2022 г.

г

Акционерное общество «Научно-производственное объединение «ЭРКОН»

^^Годсмя^

«УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор АО «НДО «ЭРКОН» Антонов А.Ю.

АКТ

О внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Лупановой Елены Александровны

«Методы определения параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и материалов в волноведущих системах и в открытом пространстве»

Комиссия в составе: председатель - директор по развитию АО «НПО

«ЭРКОН» Малышев И.Н.

Члены комиссии:

- руководитель группы разработок АО «НПО «ЭРКОН» Еремеев Ю.В.

- руководитель технической группы - главный конструктор

АО «НПО «ЭРКОН» Бормаков С.Ю.;

- начальник конструкторского бюро по специальной технологической

оснастке и оборудованию АО «НПО «ЭРКОН» Горшков A.M.

составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы «Методы определения параметров СВЧ устройств, микроэлектронных компонентов и материалов в волноведущих системах и в открытом пространстве» использованы в АО «НПО «ЭРКОН» при разработке универсальной оснастки, методов измерений и построении схемных моделей СВЧ резисторов большой и малой мощности, керамических и ферритовых чип-индуктивностей.

Использование результатов работы позволяет:

- разработать широкополосные методы контроля S-параметров элементов электронной техники в полосковых линиях передачи с минимальным комплектом калибровочных мер;

- определить собственные параметры схемных моделей электронных компонентов с учетом частотно-зависимого волнового сопротивления полосковой линии передачи, в которой проводились испытания изделий;

- разработать технические средства для осуществления контроля параметров электронных компонентов в полосковых линиях передачи.

Председатель комиссии: Члены комиссии:

Малышев И.Н. Еремеев Ю.В. Бормаков С.Ю.

те>2022 Г.

Горшков A.M.