Принцип зондирования

Обоснование принципа зондирования (зондирующие сигналы, тестируемая цепь и т.д.)

Каким принципиально способом возможно и необходимо аппаратурно анализировать цепи СВЧ? Чтобы понять, что этот вопрос не лишен содержания, обратимся к более низким частотам, на которых цепи, в основном, состоят из локальных элементов, соединенных проводниками. В этом случае существует не одна возможность аппаратного изучения структуры и свойств процессов, протекающих в цепи: можно, подключаясь к узлам цепи, измерять их потенциалы относительно некоторой точки (например, «земли») по «высокой» частоте и по ПТ; можно измерять активную и реактивную составляющую сопротивлений между парами точек, а также разность потенциалов между этими точками; можно измерять токи в ветвях цепи, подключаясь к ним трансформаторно или через размыкание ветвей; можно подавать на узлы цепи выходной РЧ сигнал от генератора и измерять потенциалы в узлах; и т.д.

Вследствие вышеперечисленных особенностей диапазона СВЧ и фактически вынужденного портового представления тракта и его элементов, множество возможностей аппаратного анализа устройств СВЧ суживается до одной-единственной: необходимо подавать на порты исследуемого устройства сигналы специальной формы от некоторого генератора и, принимая в то же время сигналы с тех же и других портов этого устройства, анализировать их параметры. Такой принцип аппаратного анализа цепей назовем принципом зондирования, подаваемые на исследуемую цепь сигналы – зондирующими сигналами (иногда в литературе, по аналогии с физиологией, их называют стимулирующими), соответствующие генераторы – генераторами зондирующих сигналов, саму исследуемую цепь – зондируемой, или тестируемой, или измеряемой, и т.д.

Зондирование однопортовой цепи

Рассмотрим принцип зондирования несколько более конкретно. Пусть сначала тестируемая цепь – однопортовая (иногда такие цепи называют нагрузками). На рис. 1.3.2 условно показано взаимодействие волн при зондировании такой цепи (такого рода иллюстрации иногда называют оптической аналогией зондировангия).

Рис. 1.3.1. Оптическая аналогия зондирования двухпортовой цепи

Падающая волна (зондирующий сигнал) от генератора подается на единственный порт цепи по аналогии со световым лучом, падающим на образец; в результате электродинамического взаимодействия внутри «черного ящика» цепи часть мощности волны рассеивается внутри цепи, остальная часть выходит в виде волны, распространяющейся в обратном направлении; эта волна интерпретируется как отраженная от того же порта. Часть этой волны ответвляется специальным устройством в приемник, с которого начинается обработка принятой волны, приводящая к оценке коэффициента отражения тестируемой цепи и эквивалентных ему характеристик.

Классический рефлектометр

Фактически мы описали устройство и действие классического рефлектометра, упрощенная скелетная схема которого приведена на рис. 1.3.2.

Рис. 1.3.2. Упрощенная структурная схема рефлектометра

Зондирование двухпортовой цепи, два способа двустороннего зондирования (илл. Балло, с. 23)

Теперь рассмотрим случай, когда тестируемая цепь имеет два порта. Реализация принципа зондирования теперь состоит из двух частей. Сначала зондирующий сигнал подается на первый порт тестируемого устройства (ТУ). Оптическая аналогия этого опыта показана на рис. 1.3.1.

Падающая волна (зондирующий сигнал) от генератора подается на первый порт цепи по аналогии со световым лучом, падающим на образец, в результате электродинамического взаимодействия внутри «черного ящика» цепи часть мощности падающей волны рассеивается внутри цепи, остальная мощность делится на две части: одна выходит через первый порт и движется в обратном направлении, она называется отраженной волной, т.к. интерпретируется как волна, отраженная от первого порта; другая выходит через второй порт и движется в прямом направлении (то есть том же, что и падающая волна от генератора), она называется пропущенной волной. Часть отраженной волны ответвляется устройством направленного ответвления в первый приемник, с которого начинается обработка отраженной волны, приводящая к оценке коэффициента отражения цепи со стороны первого порта и эквивалентных ему характеристик. Часть пропущенной волны (или вся она) ответвляется во второй приемник, с которого начинается обработка пропущенной волны, приводящая к оценке коэффициента пропускания цепи от первого порта до второго тестируемой цепи и эквивалентных ему характеристик.

Если бы рассматриваемое двухпортовое ТУ было симметричным, то были бы равны коэффициенты отражения от первого порта и от второго порта, а также коэффициенты пропускания от первого порта ко второму и от второго порта к первому. В этом случае можно было бы ограничиться зондированием со стороны первого порта и не зондировать ТУ со стороны второго порта. Однако, во-первых, существуют несимметричные двухпортовые цепи; во-вторых, даже по замыслу, по конструкции симметричная цепь на самом деле в некоторой степени несимметрична. Это объясняется случайными отклонениями геометрических факторов, электромагнитных параметров проводников и диэлектриков, портов (разъемов) и т.д. Поэтому часто необходимо измерить те же характеристики – коэффициент отражения и коэффициент пропускания – также и со стороны второго порта ТУ. Это можно сделать одним из двух способов: или «перевернуть» ТУ, то есть подключить второй порт к генератору, а первый – к приемнику пропускания; или поставить переключатели каналов генератора, приемника отражения и приемника пропускания. Упрощенная скелетная схема зондирования, реализующего второй способ, показана на рис. 1.3.3.