Классификация тестируемых устройств

Прежде чем установить набор подлежащих тестированию устройств, перечислить измеряемые характеристики этих устройств, необходимые для этого аппаратные и алгоритмические методы измерений и их техническое воплощение, необходимо дать классификацию тестируемых устройств (цепей). Всякая классификация может быть выполнена на различную глубину, в зависимости от цели, ради которой она проводится. В нашем случае классификация цепей должна охватывать лишь те признаки, которые существенны для структуры анализатора цепей, технических решений его компонент, алгоритмов обработки сигналов и управления прибором, эффективности его работы и т.д. Ниже предлагается вариант такой классификации.

1. Цепь может быть линейной, или нелинейной. Этот важнейший классификационный признак основан на отношении цепи к фундаментальному принципу суперпозиции:

выражающему линейность системного оператора ( – произвольные скаляры). Строго говоря, все физические системы, встречающиеся в радиотехнике, в той или иной степени нелинейны. Термин «линейная» означает всего лишь, что степень нелинейности цепи такова, что ею можно пренебречь с точки зрения принятых нами критериев, которые сами могут нами меняться в разных приложениях и ситуациях. В свою очередь, констатировав нелинейность в рамках этих критериев, мы можем углубить классификацию, например, разделив нелинейности на два вида: существенные и малые. Заметим также, что нелинейность не является имманентным свойством цепи, ее степень и само наличие могут меняться в зависимости от условий работы цепи, уровня сигналов и т.д. Например, усилитель можно считать линейным в области «малых» входных сигналов, слабо нелинейным – в области небольших «сжатий» усиления, существенно нелинейным – в области предельно больших сигналов. Другой пример – устройство может демонстрировать нелинейность пропускания на одной паре портов, и линейность – на другой.

2. Цепь называется стационарной (инвариантной во времени), если ее выходные отклики не меняются при сдвиге в целом входных воздействий во времени. То есть цепь стационарна, если из равенства

следует, что

при любом . С известной осторожностью можно считать, что стационарная система имеет постоянные во времени параметры. Обратное, вообще говоря, неверно, из-за трудности интерпретации выражения «все параметры». Например, рассмотрим линейную цепь, у которой параметры, в том числе – ширина импульсной характеристики, постоянны во времени, но форма импульсной характеристики меняется во времени; очевидно, это не стационарная цепь.

3. Нестационарные цепи, в свою очередь, можно разбить на несколько категорий. В частности, нестационарная цепь может иметь детерминированное временное поведение параметров (то есть в виде заданной функции времени; условимся такую цепь называть детерминированной), или стохастическое поведение параметров (то есть в виде случайных процессов некоторой структуры; условимся такую цепь называть стохастической). Более сложный случай возникает, когда одни параметры нестационарной цепи ведут себя детерминированно, другие – стохастически.

4. Параметры нестационарной цепи (или часть из них) могут управляться извне (детерминированно или стохастически) – такие цепи называются параметрическими, или их изменение может быть предопределено. Примером параметрической цепи является смеситель в блоке преобразователя частоты (конвертора) супергетеродинного приемника: мгновенные характеристики смесителя в тракте ВЧ-ПЧ управляются сигналом гетеродина.

5. Элементы цепи могут быть сосредоточенными или распределенными. Вся цепь также может классифицироваться по этому признаку. Понятно, что отнесение цепи или элемента к тому или иному классу зависит от соотношения характерного размера с длиной волны. Четкой границы здесь нет: объект считается сосредоточенным, если его размер много меньше длины волны, и распределенным в ином случае.

6. Цепь может считаться безынерционной или инерционной. Строго говоря, все физические системы, с точки зрения отношения их реакций ко входным сигналам, инерционны. Термин «безынерционная» означает всего лишь, что инерционность системы, выраженная через такие параметры, как «мертвое время», ширина импульсной характеристики и т.п., пренебрежима с точки зрения принятых нами критериев, которые сами могут нами меняться в разных приложениях и ситуациях.

7. В пределах заданного частотного диапазона цепь может считаться частотно селективной или частотно не селективной. Например, такие цепи, как нагрузка холостого хода (ХХ), нагрузка короткого замыкания (КЗ), резистор часто для упрощения анализа считаются неселективными в пределах некоторого частотного диапазона. Строго говоря, всякая цепь частотно селективна в любом частотном диапазоне. Выражение «частотно не селективна» означает всего лишь, что вариации параметров цепи с частотой в данном диапазоне пренебрежимы с точки зрения принятых нами критериев, которые сами могут нами меняться в разных приложениях и ситуациях.

8. В свою очередь, частотно селективные цепи можно классифицировать по типу частотной зависимости важнейших параметров. Например, коэффициент пропускания двухпортовой линейной стационарной цепи может меняться по частоте как у фильтра нижних частот (ФНЧ), фильтра верхних частот (ФВЧ), полосового фильтра (ПФ), различных видов запирающих фильтров, вырезывающего фильтра и т.п.

9. Общеизвестно деление цепей на активные и пассивные. Устройство СВЧ называется пассивным, если в его состав не входят активные преобразующие или усиливающие элементы, например, транзисторы. В противном случае устройство СВЧ называется активным

10. С электродинамической точки зрения устройства СВЧ делятся на взаимные и невзаимные. К сожалению, четкие и достаточно строгие общие интерпретации свойства взаимности возможны только на базе не введенных пока понятий, таких как матрица рассеяния, тензоры диэлектрической и магнитной проницаемости, а также на базе таких свойств, как лемма Лоренца в дифференциальной или интегральной форме и т.п. Часто поясняют свойство взаимности на примерах цепей. Например, если в радиолинии, включающей передающую и приемную антенны и атмосферный канал, приемную антенну сделать передающей, а передающую – приемной, параметры радиолинии не изменятся.

11. Цепи можно разделить на частото-неизменяющие и частото-преобразующие. К первым относятся цепи, на выходе которых несущие (опорные) частоты те же, что на входе. Типичный пример частото-преобразующей цепи – преобразователь частоты (конвертор), состоящий из смесителя, гетеродина и выходного фильтра. При подаче на вход конвертора узкополосного сигнала с несущей на выходе отфильтровывается узкополосный сигнал с несущей, равной модулю разности частот и гетеродина . Другие примеры: делитель частоты, умножитель частоты и т.д.