CC BY
59
максимального правдоподобия (ММП), используя алгоритм, предложенный в [15-18]. После нахождения оценок неизвестных параметров их можно под-
ставить в (9) и вычислить параметры гармоник исследуемых тока и напряжения, после чего можно рассчитать реактивную мощность по любой из выбранных методик.
В работе проведён обзор методик измерения реактивной мощности, используемых при коммерческом учёте электроэнергии. На его основе показано,
что при наличии гармоник основной частоты данные методики дают сильно разнящиеся результаты. Предложен метод измерения параметров гармоник, учитывающий возможные колебания основной частоты и основанный на обработке значений исследуемых тока и напряжения по ММП. Данный метод позволяет оценивать реактивную мощность в промышленных сетях переменного тока в соответствии с любым из существующих определений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gallo D. A New Methodological Approach to Quality Assurance of Energy Meters Under Non-Sinusoidal Conditions / D. Gallo, C. Landi, N. Pasquino, N. Polese // Proceedings of IMTC 2006 -Instrum. and Measur. Technol. Conf. Sorrento, Italy 24-27 April 2006, P. 1626-1631.
2. Львов, А.А. Неоднозначность методов измерения реактивной мощности в промышленных сетях переменного тока / А.А. Львов, И.И. Артюхов, М.А. Соломин // Проблемы управления, обработки и передачи информации (УОПИ-2015): сб. тр. IV Междунар. науч. конф.: в 2 т. / Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо», 2015. - Т. 2. - С. 164-172.
3. Emanuel, A.E. Power definitions for circuits with nonlinear and unbalanced loads / A.E. Emanuel, R. Langella, A. Testa // The IEEE standard 1459-2010, IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2012.
4. C. Budeanu, Reactive and fictitious powers, Rumanian National Institute, No.2, 1927.
5. Czarnecki, L.S. What is wrong with the Budeanu concept of reactive and distortion power and why it should be abandoned / L.S. Czarnecki // IEEE Trans, on Instrum. and Measur., 36(3), 834837, 1987.
6. Fryze, S. Wirk- Blind- und Scheinleistung in elektrischen stromkreisen mit nichtsinusformigem verlauf von strom und spanning / S. Fryze // Elektrotechnishce Zeitschrift, (25), 596-99, 625-627, 700-702, 1932.
7. Kimbark, E.W. Direct current transmission / E.W. Kimbark. - J. Wiley and Sons, 1971.
8. Kusters, N.L. On the definition of reactive power under nonsinusoidal conditions / N.L. Kusters, W.J.M. Moore // IEEE Trans, on Power Apparatus and Systems, 99(5), 1845-1854, 1980.
9. Shepherd, W. Definition of reactive power for nonsinusoidal systems / W. Shepherd, P. Za-kikhani // IEEE Trans, on Power Systems, 119(9), 1361-1362, 1972.
10. Sharon, D. Reactive power definition and power factor improvement in non-linear systems / D. Sharon // IEEE Trans, on Power Systems, 120(6), 704-706, 1973.
11. Czarnecki, L.S. Considerations on the reactive power in nonsinusoidal situations / L.S. Czarnecki // IEEE Trans, on Instrum. and Measur., 34(3), 399-404, 1985.
12. Arseneau, R. Practical definitions for powers in systems with nonsinusoidal waveforms and unbalanced loads: a discussion / R. Arseneau, Y. Baghzouz, J. Belanger, et.al. // IEEE Trans, on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, pp. 79-101, Jan. 1996.
13. IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities under Sinusoidal, Non-sinusoidal, Balanced or Unbalanced Conditions, IEEE 1459, 2000.
14. Svensson, S. Measurement techniques for nonsinusoidal conditions / S. Svensson. - Gothenburg, Sweden, 1999.
15. L'vov, A. Improvement of Piezoresistive Pressure Sensor Accuracy by Means of Current Loop Circuit Using Optimal Digital Signal Processing / A. L'vov, P. L'vov, R.Konovalov // Proceedings of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, February 2-3, 2016, St. Petersburg, Russia, P. 279-282.
16. Львов, А.А. Высокотемпературные датчики давления / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2-х т., 2014, Т. 2. - С. 48 -50.
17. Львов, А.А. Компенсация температурной погрешности интеллектуальных датчиков давления / А.Ю. Нико-лаенко, А.А. Львов, П.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2-х т., 2014, Т. 2. - С. 57-59.
18. Юрков, Н.К. Повышение точности расчетов методов аппроксимации / Д.Л. Петрянин, Н.К. Юрков, Ю.А. Романенко // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: T78 в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова.
- Пенза : ПГУ, 2016. - 2 том - С. 123-128.
УДК 621.396: 621.317.75
Николаенко А.Ю., Львов А.А., Львов П.А., Мельникова Н.И.
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ НА СВЧ
В статье представлен анализ современных методов, используемых для автоматических измерений на СВЧ. Обсуждаются преимущества и недостатки двух основных автоматических анализаторов цепей. Измерители, основанные на методе векторного вольтметра (ВВ), очень точны, но включают в себя большое количество дорогостоящего оборудования, поэтому они сложны и дороги. Второй метод многополюсного рефлектометра (МР) использует детекторы мощности для измерения выходных сигналов. Теоретически оборудование этого метода менее сложное и дорогое. Но калибровка МР очень сложна, так как она требует набора точно известных нагрузок. Частным случаем МР является многозондовая измерительная линия (МИЛ), точность которой меньше, но она может быть откалибрована без какого-либо точно известного калибровочного эталона. Авторами выдвинута идея комбинированного использования МИЛ. Идея состоит в объединении МР и МИЛ. Такая конструкция может быть откалибрована без использования известных нагрузок и ее точность выше, чем точность обычного МР. Обсуждаются преимущества комбинированного МР
Ключевые слова:
векторный вольтметр, многополюсный рефлектометр, многозондовая измерительная линия, комбинированный многополюсныый рефлектометр
1. ВВЕДЕНИЕ
Основной тенденцией развития автоматических измерительных систем на СВЧ является повышение точности, объективности и скорости измерительного процесса и, как следствие - появление новых методов обработки информации с применением ЭВМ.
В настоящее время для автоматического измерения комплексных коэффициентов отражения (ККО) двухполюсников применяются два широко известных метода: векторного вольтметра (ВВ) и многополюсного рефлектометра (МР) [0].
Основным преимуществом автоматических анализаторов цепей (ААЦ), основанных на методе ВВ [0, 0], является очень высокая точность измерений. Но с другой стороны, они довольно дорогие, т. к. содержат сложные схемы автоматического регулирования усиления, контуры фазовой автоподстройки частоты, фазовые детекторы и т. д. [0, 0, 0]. Кроме того, чтобы компенсировать несовершенство направленных ответвителей [0, 0-0] на каждой частоте измерения требуется набор точно известных калибровочных нагрузок.
ААЦ, основанные на многополюсном рефлектометре (МР), обладают высокой точностью и простотой конструкции из-за отсутствия аналоговых схем обработки сигналов [0, 0-0]. Но использование измерителей мощности делает уравнения МР нелинейными и препятствует оптимальной обработке сигналов данных измерений. Стабильность решения нелинейных уравнений достигается за счет использования направленных ответвителей, фазовращателей, задержек и т. д. Это приводит к увеличению стоимости данного ААЦ.
Сравнительный анализ этих методов позволяет авторам выдвинуть идею создания ААЦ, сочетающего преимущества и лишенного недостатков методов ВВ и МР. В представленной работе описывается новый метод измерения параметров СВЧ-нагрузок, включающий процедуру оптимальной цифровой обработки напряжений, снимаемых с выходов измерительных портов МР.
2. ААЦ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ВЕКТОРНОГО ВОЛЬТМЕТРА
ААЦ, основанные на методе ВВ, выпускаются серийно за рубежом. Данный метод измерения используют стандартный способ гетеродинного понижения частоты зондирующего сигнала. Структурная схема ААЦ на основе ВВ представлена на рис. 1 [0-0].
В состав измерительной цепи входят широкополосные направленные ответвители (НО) и переключатели, осуществляющие подключение ВВ на измерение отраженной или падающей волны. Отношения амплитуд и разностей фаз измеряются на низких частотах (278 кГц). В низкочастотный диапазон сигналы переносятся после двухтактного гетеро-динирования с помощью стробоскопических смесителей. Следовательно, классический ВВ, используемый в СВЧ анализаторах, состоит из двух главных устройств - блока понижения частоты (БПЧ) и блока измерения комплексных отношений (БИКО). Точное измерение отношений комплексных сигналов на СВЧ является трудной и дорогостоящей задачей.
Г
иц
ВВ
I
ПСД
А
40 а ! ИН
ь !
А
ЭВМ
Рисунок 1 - Структурная схема ААЦ на основе ВВ: Г - генератор, ИН - измеряемая нагрузка, ИЦ -измерительная цепь, ВВ - векторный вольтметр, ПСД - плата сбора данных, ЧО - «четырехполюсник ошибок», a - падающая волна, b - отраженная волна, АА - нагрузочная плоскость.
Современные гетеродинные измерители основаны на решении системы уравнений:
U = Да + Bib , (2=1,2) (1)
где Ai и Bi - комплексные коэффициенты передачи i-го канала для падающей a и отраженной b волн, соответственно; Ui -комплексная амплитуда отклика i-го измерительного канала.
Для простоты дальнейшей аналоговой обработки сигналов БПЧ добиваются, чтобы две из констант (например, Bi и A2) были равны нулю, а другие две равны по модулю. Для этого используются НО с высоким коэффициентом направленности и абсолютно идентичные каналы в БПЧ. Далее сигналы поступают
в БИКО, где формируется отношение их амплитуд, а с помощью фазового детектора выделяется сигнал, пропорциональный разности их фаз. Информация об амплитуде и фазе преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей ПСД, а затем поступает на вход ЭВМ.
Возможное несовершенство оборудования рассматриваемого ААЦ в идеале может быть скорректировано в ПК. Неидеальность измерителя рассматривается как соединение «идеального» измерителя и неидеального соединительного узла, названного на рис. 1 «четырехполюсником ошибок» [0, 0, 0]. Все возникающие погрешности учитываются с помощью определения параметров «четырехполюсника ошибок» и корректируются в ЭВМ.
ААЦ на основе ВВ обладает высокой точностью, скоростью измерений и универсальностью. Управление и обработка результатов осуществляется дистанционно ЭВМ.
Основной недостаток ААЦ на основе ВВ - очень высокая стоимость [0-0]. Измеритель содержит сложные схемы аналоговой обработки сигналов с выходов НО, сами ответвители с большим коэффициентом направленности (> 40 дБ) также очень дорогие. Сигналы поступают на вход ПСД после аналогового БИКО, поэтому в ЭВМ невозможна оптимальная цифровая обработка информации измерения. В рассматриваемом ААЦ ЭВМ используется только для управления процессом измерения и для коррекции ошибок. Калибровка ВВ основана на предположении, что параметры калибровочных нагрузок точно известны.
Высокая стоимость и сложность данных ААЦ способствовала поиску принципиально новых методов измерения на СВЧ.
3. МЕТОД МНОГОПОЛЮСНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА
Метод МР, предложенный Г. Энгеном и К. Хоером [0-0], создавался как альтернативный методу ВВ. Теоретически данный метод требует существенно меньшего объема высокоточного оборудования по сравнению с методом ВВ. Основная идея метода заключается в измерении только амплитуд сигналов на выходах измерительной цепи с помощью обычных амплитудных детекторов. Структурная схема ААЦ на основе МР представлена на рис. 2.
Рисунок 2 - Структурная схема ААЦ на основе МР: МР - многополюсный рефлектометр, Д1, Д2,..., Ды -СВЧ детекторы; обозначения остальных элементов совпадают с обозначениями на рис. 1
Сигналы с выходов детекторов оцифровываются в ПСД и вводятся в память ЭВМ, где вся последующая обработка информации производится в цифровом виде. В качестве СВЧ детекторов могут быть использованы датчики мощности, имеющие в широком динамическом диапазоне характеристики, очень близкие к квадратичным: болометры, термисторы; или диодные детекторы.
На выходах портов МР измеряются мощности, а не напряжения. Поэтому система уравнений МР является нелинейной [0], [0]-[0]:
Р^^а+В^-, (|=1,...,ЛГ) (2)
где А± и В1 - комплексные константы, характеризующие данный МР (определяются в процессе калибровки), Р± - отклик детектора, пропорциональный мощности сигнала.
Ошибки измерения комплексных амплитуд откликов измерительных плеч Р± влияют на стабильность получаемого решения. Поэтому разработчики ААЦ на основе метода МР стремятся увеличить отношение сигнал/шум на входе ПСД. Для чего устанавливается большая мощность генератора. Но в этом случае не всегда соблюдается условие квадратичности характеристик детекторов мощности. Для преодоления упомянутых недостатков данных измерителей в работах [0, 0, 0] применяется оптимальный алгоритм оценки ККО исследуемой нагрузки по методу максимального правдоподобия (ММП).
Но основная проблема применения ААЦ на основе метода МР - сложность калибровки данного измерителя. Существующие алгоритмы калибровки МР основаны на точном знании параметров калибровочных нагрузок.
Ввиду указанных недостатков высокоточные ААЦ на основе метода МР не выпускаются серийно. Кроме того, сами многополюсники имеют сложные конструкции, включающие дополнительные НО, линии задержки, фазовращатели, что противоречит основным достоинствам МР - простоте его конструкции и дешевизне. Тем не менее, ААЦ на основе МР считается более перспективным измерительным устройством по сравнению с ВВ особенно в коротковолновой части СВЧ диапазона, где точность гетеродинных измерителей невысока.
4. МЕТОД МНОГОЗОНДОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ
Метод многозондовой измерительной линии (МИЛ) [0] является частным случаем метода МР. С помощью данного метода измерения можно получить оценки ККО исследуемых нагрузок более простым с точки зрения объема вычислений способом, но при этом метод МИЛ уступает в точности методу многополюсника. Однако, процедура калибровки ААЦ на основе МИЛ очень проста и требует только одной точно известной нагрузки, что объясняется особенностями конструкции измерительной линии.
Структурная схема ААЦ на основе МИЛ идентична схеме ААЦ на основе МР (рис. 2). МИЛ представляет собой отрезок однородного СВЧ тракта (вол-новодного, коаксиального, микрополоскового исполнения) без потерь с регулярным поперечным сечением, вдоль центральной продольной оси которого располагают N зондов (Ы ^ 4). При этом зонды МИЛ не должны нарушать картины поля в СВЧ тракте, детекторы зондов, в свою очередь, должны иметь идеальные квадратичные характеристики, расстояния от зондов до нагрузки должны быть точно известными. Генератор и исследуемая нагрузка создают в СВЧ тракте стоячую волну. Сигналы на выходах детекторов могут быть представлены в следующем виде [0]:
1 О I ■
! 1 + Я ■ ехр | ]
Р = а а
, (/ = 1-----лг)
(3)
где а± - коэффициент передачи зонда 1-го канала,
- расстояние от 1-го зонда до нагрузки, Л -длина волны в тракте МИЛ.
Регулярность картины стоячей волны в СВЧ тракте обеспечивается очень слабой связью зондов с полем измерительной линии, поэтому отношение сигнал/шум на выходах детекторов МИЛ существенно меньше, чем в МР. Как следствие, точность измерения идеальной МИЛ существенно ниже точности идеального МР. Из-за низкого отношения сигнал/шум на выходе детекторов зондов МИЛ не вызвал большого интереса среди метрологов.
Но работы [0, 0] вдохнули новые идеи в умирающий метод МИЛ. Авторы предложили новый статистический метод калибровки автоматического анализатора стоячих волн. Оказалось, что процедура калибровки МИЛ может быть выполнена с использованием набора нагрузок, параметры отражения которых не обязательно должны быть точно известны. Решение полученной системы уравнений калибровки производится по методу максимального правдоподобия (ММП). В результате, можно вычислить не только неизвестные коэффициенты передачи зондов а±, но и аттестовать все прилагаемые калибровочные нагрузки.
Таким образом, ААЦ на основе МИЛ имеет преимущество перед ВВ и МР, связанное с простотой ее конструкции, простотой решения уравнений МИЛ и дешевизной ААЦ. Но точность измерения у существующих МИЛ уступает точности измерения ВВ и МР.
5. НОВЫЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА СВЧ
В работе [0] автор предложил интересную идею объединения МР и МИЛ в одном ААЦ. Структурная схема этого измерителя представлена на рис. 3.
Рисунок 3 - Структурная схема ААЦ на основе комбинированного многополюсного рефлектометра КМР, состоящего из традиционных МР и МИЛ: N -число измерительных плеч МР; Ь - число зондов МИЛ; Ы, Ь > 4; ..., ^ - известные расстояния
между зондами МИЛ и плоскостью АА.
Новая конструкция получила название - комбинированный многополюсный рефлектометр (КМР). Его главным преимуществом является возможность точной калибровки всей измерительной системы без использования точно известных калибровочных нагрузок. На первом этапе калибровки оцениваются коэффициенты передачи зондов МИЛ а± с одновременной аттестацией нагрузок из калибровочного набора. Второй этап заключается в оценке комплексных коэффициентов передачи детекторов МР на основе параметров оцениваемых нагрузок и откликов измерительных плеч МР. Примеры использования КМР в приемнике программно-конфигурируемой радиосвязи приведены в работах [0, 0].
В работах [0, 0] представлен новый метод измерения параметров микроволновых нагрузок. Он основан на использовании МР с последующим понижением частоты измерения. Структурная схема предложенного анализатора представлена на рис. 4.
Рисунок 4 - Структурная схема ААЦ на основе КМР
с понижением частоты измерения: БПЧ - блок понижения частоты; ОГ - опорный генератор; С -смесители; ПФ - полосовые фильтры
Выходы измерительных плеч КМР подключены не к измерителям мощности, а к смесителям блока понижения частоты. После гетеродинирования аналоговые сигналы звуковой частоты, пропорциональные откликам измерительных плеч, преобразуются в цифровую форму и вводятся в память компьютера. Вся последующая обработка данных производится в цифровой форме с использованием специального программного обеспечения. Здесь выходные сигналы ПСД являются линейными функциями оцениваемых параметров а и Ь, поэтому они могут быть обработаны без потери оптимальности, а параметры исследуемой нагрузки оцениваются с потенциально достижимой точностью.
Вторая часть измерителя (МИЛ) предназначена для точной калибровки МР по набору неизвестных нагрузок без использования прецизионных калибровочных эталонов. Первый этап алгоритма калибровки заключается в том, чтобы аттестовать калибровочные нагрузки. Калибровка МР выполняется на втором этапе с использованием параметров нагрузок, полученных на первом этапе. Алгоритмы измерения и калибровки состоят в оптимальной обработке откликов измерительных плеч КМР в цифровой форме в ЭВМ [0, 0].
ААЦ на основе КМР с понижением частоты измерения конструктивно более простой по сравнению с ААЦ, основанном на ВВ, т.к. устраняются все аналоговые блоки обработки данных со сложными схемами автоматического регулировки усиления, фазовыми детекторами, а также направленные от-ветвители. Практически достаточно двух каналов МР и трех каналов МИЛ, чтобы обеспечить возможность точной калибровки КМР. Кроме того, требования к точности смесителей и полосовых фильтров, используемых в блоке понижения частоты, могут быть значительно снижены, благодаря последующей оптимальной цифровой обработке напряжений на выходах измерительных плеч МР. Поэтому требуемый объем высокоточного оборудования значительно сокращается.
Принимая во внимание преимущества двух описанных анализаторов, которые используют КМР, авторы выдвинули идею их перспективного использования в высокоточных ААЦ с приемлемой стоимостью.
Так в работе [0] предложен новый бесконтактный способ измерения расстояния до плоской поверхности, основанный на применении КМР. Описаны алгоритмы измерения расстояния до зондируемой поверхности с его помощью и уточнения частоты зондирующего сигнала, которые в совокупности позволяют создать относительно недорогой и высокоточный измеритель расстояния, способный измерять координаты исследуемой поверхности с точностью до 0,01 мм и надежно работать в условиях воздействия на исследуемый объект высоких температур, например, в сталелитейной промышленности.
В работе [0] ААЦ на основе КМР с понижением частоты измерения предлагается применять в составе считывателя системы радиочастотной идентификации (РФИД) в системе сортировки и укладки для сборочных линий. По мнению авторов новый подход к построению РФИД считывателя на базе данного ААЦ позволит преодолеть одну из главных проблем развития РФИД систем, которая состоит в блокировании информационного сигнала радиометки несущим сигналом считывателя. Данный подход не требует компенсации несущего сигнала считывателя и не предполагает точного знания ККО антенны считывателя, поэтому не зависит от температуры и факторов наличия металлических объектов или жидкостей вблизи антенны считывателя, которые существенно снижают дальность считывания информации с радиометки и могут являться источником ошибок идентификации радиометок. Таким образом, повышается надежность идентификации радиометки и достигается увеличение дальности считывания без применения методов компенсации несущего сигнала.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование ЭВМ в системах измерения на СВЧ позволило снизить требования к точности используемой измерительной аппаратуры. Возникающие при этом систематические и случайные ошибки могут быть в значительной степени учтены и скорректированы ЭВМ. Предлагаемые методы измерения на СВЧ используют математические модели (1)- (3) и
не учитывают погрешности измерения напряжений и мощностей на выходах датчиков. Как следствие, применяются неоптимальные методы обработки информации измерений. Потери в точности авторы по-прежнему пытаются компенсировать применением более прецизионной и сложной измерительной аппаратуры и выбором более точных калибровочных средств, что приводит к резкому усложнению и удорожанию конструируемых высокоточных ААЦ.
Тем не менее, использование статистического подхода в алгоритмах измерения и калибровки ААЦ, основанного на использовании КМР, позволяет строить высокоточные, конструктивно простые и относительно дешевые измерители, которые не требуют точного знания параметров калибровочных нагрузок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gupta, K.C. Computer-aided Design of Microwave Circuits / K.C. Gupta, R. Garg, R. Chadha. -Dedham, MA: Artech House, 1981.
2. Warner, F. L. Microwave Network Analysers // In IEE Vacation School Lecture Notes on RF Electrical Measurement. London, Inst. Elec. Eng. 1979, pp. 21/1-21/29.
3. Chastellain, F. Looking Inside Modern Receivers / F. Chastellain, C. Botteron, P. Farine // IEEE Microwave Magazine, vol. 12, no. 2, pp. 87-98, Apr. 2011.
4. Hewlett-Packard Co. Network Analyzer Extends Frequency Coverage to 100 GHz // Microwave Journal, May, 1987, pp. 402-403.
5. L'vov, A. A New Technique for Measuring the Scattering Parameters of Two-Port Junctions with Single Multiport Reflectometer / A. L'vov, A. Muchkaev // 47thARFTG Conference Digest-Spring, pp.181-187, 1996.
6. Engen, G.F. Advances in microwave measurement science / G. F. Engen // Proceedings of the IEEE, 1978, Issue 4, P. 374 - 384.
7. Engen, G.F. Application of an Arbitrary Six-Port Junction to Power Measurement Problems / G.F. Engen, C.A. Hoer. // IEEE Trans, on Instrum. and Meas. - Vol. 21. pp. 470-474, May, 1972.
8. Engen, G.F. The Six-Port Reflectometer: An Alternative Network Analyzer / G.F. Engen // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, Vol. MTT-25, no. 12, Dec. 1977. - P. 1075-1079.
9. Semezhev, N. A Novel Parameter Estimation Technique for Software Defined Radio System Based on Broadband Multi-port Receiver / N. Semezhev, A.A. L'vov, P.A. L'vov, et.al. // Proceedings of the XI Internat. Conf. SIBC0N-2015, Omsk, 2015.
10. L'vov, A.A. Statistical estimation of the complex reflection coefficient of microwave loads using a multiport reflectometer / A.A. L'vov, A.A. Morzhakov // Proceed, of International Microwave and Optoelectronics Conf., 1995., SBMO/IEEE MTT-S, Vol. 2, P. 685-689.
11. L'vov, A.A. Statistical Approach to Measurements with Microwave Multi-port Reflectometer and Optimization of Its Construction / A.A. L'vov, R.V. Geranin, N. Semezhev, P.A. L'vov // Proceedings of Microwave and Radio Electronics Week (MAREW 2015). 14th Conference on Microwave Techniques (COMITE 2015), Pardubice, Czech Republic, April, 22 - 23, 2015, P. 179-183.
12. Caldecott, R. The Generalized Multiprobe Reflectometer and Its Application to Automated Transmission Line Measurements // IEEE Trans, on Anten. Prop.- Vol. AP-21, pp.550-554, Apr. 1973.
13. L'vov, A.A. Accuracy Improvement of the Automatic Multiprobe Transmission Line Reflectometer / A.A. L'vov, A.A. Mouchkaev, K.V. Semenov // The Automatic RF Techniques Group Conference Digest, ARFTG 47th, San Francisco, U.S.A., pp. 196-202.
14. L'vov, A.A. A method of calibrating an automatic multiprobe measurement line / A.A. L'vov, K.V. Semenov // Measurement Techniques, 1999, No. 4, P. 357-365.
15. L'vov, A.A. An Automaiec microwave load meter based onf the multi-prot junction // Measurment Techniques, 1996, No. 2, P.10-12.
16. L'vov, A.A. Multi-Port Wave-Correlator as Promising Receiver for Software Defined Radio Systems /N. Semezhev, A.A. L'vov, P.A. L'vov, E.A. Moiseykina // Proceedings of the 26th International Conference RADIOELEKTRONIKA 2016, April 19-20, 2016, Kosice, Slovakia, P. 490-494.
17. L'vov, A.A. A New Technique for Microwave Circuit Parameter Measurement / A.A. L'vov, K.V. Semenov // The Automatic RF Techniques Group Conference Digest, ARFTG 47th, San Francisco, U.S.A., 1996, P.188-195.
18. L'vov A.A. A Novel Vector Network Analyzer Using Combined Multi-port Reflectometer / A.A. L'vov, A.Y. Nikolaenko, P.A. L'vov // In Proceedings of Microwave and Radio Electronics Week MAREW 2015, 14th Conference on Microwave Techniques COMITE 2015, April 22-23, Pardubice, Czech Republic, pp. 183-186.
19. Николаенко, А.Ю. Применение РФИД ридеров на базе автоматических анализаторов цепей в системе сортировки и укладки для сборочных линий / А.Ю. Николаенко, А.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2016, Т. 1, - С.
239-242.
20. Львов, А.А. Бесконтактный измеритель расстояния до плоской поверхности на основе комбинированного многополюсного рефлектометра / А.А. Львов, П.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2016, Т. 1, - С. 69-74.
УДК 621.317:621.38
Солопекина А.А., Львов А.А., Семежев Н., Вагарина Н.С.
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ АНАЛИЗА ПОГРЕШНОСТЕЙ МНОГОПОЛЮСНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА
Целью работы является рассмотрение возможности применения метода неопределенности для расчета погрешности в современных автоматических анализаторах цепей, построенных на базе многополюсного коррелятора (МПК) (рефлектометра). Приведены соотношения для расчета неопределенностей типов А и В. Получены выражения для оценки матриц ошибок, определяющие точность калибровки МПК и измерения с его помощью. Показано, что данный метод может быть эффективно использован для оценки погрешностей современных микроволновых измерительных систем. Эффективность метода показана на примере сравнения комбинированного и традиционного МПК с использованием компьютерного моделирования. Полученные с помощью КМР неопределенности комплексного коэффициента отражения заметно ниже неопределенностей традиционного МПК. В работе подчеркивается перспективность использования комбинированного МПК для измерения параметров на СВЧ
Ключевые слова:
интервальный метод, анализ неопределенности измерений, матрицы ошибок, многополюсный коррелятор, приемник программно-конфигурируемой связи
1. Введение
Неопределенность измерения - это общее понятие, связанное с любым измерением, которое используют при необходимости принятия обоснованных решений в разных областях практической деятельности и теоретических исследований [1].
При рассмотрении неопределенности измерения нужно различать неопределенности двух различных типов. Первая обусловлена преимущественно природой самого измеряемого объекта; она оценивается с помощью высокоточных измерений. Это - неопределенность измерения в очень узком смысле, исходящая из характеристик измеряемого объекта.
Второе понимание неопределенности имеет более широкое значение: это общая неопределенность результата измерения, порождаемая многими различными причинами, в том числе и самим измеряемым объектом.
Неопределенность измерений можно оценить двумя разными способами. Это методы оценки типов A и B [1].
Статистический подход к проблеме измерения параметров СВЧ нагрузок с помощью многополюсного коррелятора (рефлектометра), основанный на методе максимального правдоподобия (ММП) и позволяющий создать очень простой и точный автоматический анализатор цепей (ААЦ), работающий в очень широком диапазоне частот был подробно изучен в работах [2-6].
На рис. 1 представлена обобщенная схема ААЦ на основе комбинированного многополюсного рефлектометра (КМПР) [9]. К входу многополюсника подсоединен генератор СВЧ сигналов Г, к выходу - набор калибровочных нагрузок НКН, а к остальным плечам подключены широкополосные измерители мощности, напряжение которых линейно зависит от мощности СВЧ сигнала. Сигналы с выходов датчиков через плату сбора данных ПСД поступают в персональный компьютер ПК, где дальнейшая обработка измерительной информации проводится в цифровой форме.
Данная схема сочетает в себе достоинства анализаторов СВЧ цепей, выполненных на основе МР (высокая точность измерения, при условии точной калибровки) и многозондовой измерительной линии (возможность точной калибровки без использования прецизионных калибровочных нагрузок).
В работе предлагается использовать метод неопределенности для решения проблемы измерения параметров СВЧ двухполюсников с помощью многополюсника, который позволит повысить точность оценивания ошибок измерения многополюсником, предложенным в [3].
Рисунок 1 - Структурная схема ААЦ на основе
КМПР
2. Измерение неопределнностей параметров СВЧ двухполюсников
Специфика рассматриваемого многополюсного рефлектометра (МР) заключается в том, что для нахождения неопределенностей параметров измеряемых пассивных двухполюсников следует использовать сигналы с датчиков, как с сильной, так и слабой связью для повышения точности измерения [10]. Но неопределенность измерений на выходе датчиков с сильной связью будет больше, чем у датчиков со слабой связью, поэтому количество полезной информации в сигналах с первых датчиков будет больше, чем у вторых. С математической точки зрения МИЛ является частным случаем МР, поэтому при обработке сигналов с датчиков со слабой связью их можно рассматривать как датчики МР с константами [4]:
Ак = ; вк = ехР{(1 л)}, (1)
но в математической модели МР с числом измерительных плеч 2N необходимо правильно расставить весовые коэффициенты, учитывающие различие в неопределенности измерений датчиков с сильной и слабой связью с полем, чтобы не нарушать эффек-
