Автоматизированный измерительный комплекс на основе комплекта скалярных анализаторов цепей

Внедрение: 2016 г.

Учёные из института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН применили АЦП E14-140 в автоматизированном измерительном комплексе на основе шести измерителей КСВН серии Р2, позволяющем получать характеристики исследуемых образцов в реальном времени. Комплекс измеряет коэффициент прохождения и отражения от плоских образцов в условиях свободного пространства в диапазоне 3,5–37,5 ГГц [1].

На рисунке 1 представлены структурные схемы в режимах измерения коэффициента отражения и прохождения, слева и справа соответственно. На этом рисунке полные схемы даны для одного из шести поддиапазонов. Для остальных поддиапазонов эти схемы аналогичны. Для каждого поддиапазона используется соответствующий отдельный генератор, но измерительный блок является общим для всех поддиапазонов. При переключении поддиапазонов к единому измерительному блоку 6 подключаются детекторы (встроенные в направленные ответвители) требуемого поддиапазона.

Рисунок 1. Структурные схемы в режимах измерения коэффициента отражения (слева) и прохождения (справа): 1 – генераторный блок; 2 – направленный ответвитель падающей волны; 3 – направленный ответвитель отраженной волны; 3' – направленный ответвитель прошедшей волны; 4 – рупорная антенна; 5 – исследуемый образец; 6 – измерительный блок; 7 – АЦП E14-140; 8 – компьютер; 9 – согласованная нагрузка.

В реализованный автоматизированный измерительный комплекс из комплекта измерителей КСВН серии Р2 вошли генераторные блоки, волноводные направленные ответвители падающей и отраженной волн и один измерительный блок. Рупорные антенны, разработанные в ИРЭ РАН, трансформируют основную моду H₀₁ прямоугольного волновода на входе рупора в квазиплоскую волну на его выходе.

Процесс измерения автоматизирован, схематично это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема автоматизированной системы для измерения характеристик отражения и прохождения.

Сигнал, пропорциональный мощности, – сигнал Y; сигнал развертки – X. С измерительного блока 1, аналоговые сигналы Y и X поступают на внешний аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2. Преобразованные и оцифрованные сигналы попадают в компьютер 3. Окончательный результат выводится на монитор 4 в виде графиков или осуществляется запись графиков и массивов данных в файл. Элементы сопряжения выполнены на основе стандартного модуля АЦП L-Card E14-140. Программное обеспечение работает под управлением операционной системы Windows XP. Подпрограммы управления, сбора и представления данных написаны в LabView.
 

На рисунке 3 представлена фотография четырех линий измерительного комплекса, остальные две линии расположены на отдельной стойке и на фотографии отсутствуют.

Рисунок 3. Автоматизированный измерительный комплекс.

На рисунке 4 приведены частотные зависимости коэффициентов отражения R от поверочного образца, полученные экспериментально. Поверочный образец представляет собой плоскопараллельную диэлектрическую пластину из полистирола толщиной 4 мм.

Рисунок 4. Частотные спектры коэффициентов отражения от поверочного образца (расчет – красная линия, эксперимент – черная линия).

Из приведенных графиков видно, что имеет место хорошее совпадение результатов измерения и расчета, что подтверждает необходимую точность измерений коэффициента отражения до уровня – 25 дБ.

Точность измерений, реализованная в автоматизированном комплексе, позволяет не только успешно измерять коэффициенты отражения и прохождения различных плоских образцов, но и определять комплексную диэлектрическую проницаемость немагнитных материалов. Эти возможности были подтверждены измерением коэффициента отражения от решеток из электропроводящих элементов, а также измерением комплексной диэлектрической проницаемости резистивных пленок, используемых в радиопоглощающих структурах. Решетка с кольцевыми элементами из вольфрама была нанесена на подложку из стеклоткани методом ионно-плазменного магнетронного распыления. Форма и расположение колец показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема расположения кольцевых элементов на подложке.

На рисунке 6 представлена частотная зависимость коэффициента отражения от решетки, измеренная в диапазоне 3,5–37,5 ГГц (черная линия). На том же рисунке для сравнения дана частотная зависимость коэффициента отражения той же решетки, измеренная по рупорной методике на установке, оборудованной векторным анализатором цепей марки Agilent PNA-L N5230A (красная линия).

Рисунок 6. Частотные спектры коэффициентов отражения электромагнитного излучения от образца однослойной структуры в свободном пространстве.

Результаты работы.

На основе комплекта из шести скалярных анализаторов цепей серии Р2 и шести пар плавных рупорных антенн реализован автоматизированный измерительный комплекс для диапазона частот 3,5–37,5 ГГц. Комплекс позволяет оперативно измерять коэффициенты отражения (до уровня – 25 дБ) и прохождения (до уровня – 30 дБ) плоских образцов периодических решеток и материалов, включая радиопоглощающие материалы и резистивные пленки. Точность измерения коэффициентов отражения и прохождения была достаточной для оценки комплексной диэлектрической проницаемости тонких резистивных пленок, что подвержено сравнением с результатами независимых измерений на установке, оборудованной векторным анализатором цепей.

Источник:
Дьяконова О.А., Каленов Д.С., Казанцев Ю.Н. Автоматизированный измерительный комплекс на основе комплекта скалярных анализаторов цепей // Журнал радиоэлектроники. – 2016. – № 10. – С. 1–13.

Разработчик: Дьяконова О.А., Каленов Д.С., Казанцев Ю.Н. (Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН)