Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Оценка рассогласования передающей линии при температурном воздействии

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-15-20

Полный текст:

Аннотация

В статье представлена методика и результаты оценивания рассогласования передающей линии при проведении измерений частотно-зависимых параметров радиоэлектронной аппаратуры комплексов и систем военного назначения в условиях климатических испытаний.

Для цитирования:


Лячин В.С. Оценка рассогласования передающей линии при температурном воздействии. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(2):15-20. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-15-20

For citation:


Lyachin V.S. Estimating transmission line mismatch under thermal exposure conditions. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(2):15-20. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-15-20

1. Введение

Современные возрастающие требования к образцам вооружения и военной техники диктуют производителям необходимость совершенствования всего цикла разработки, производства и испытаний изделий. Расширяющаяся география использования военной техники определяет важность переосмысления подходов к климатическим испытаниям электронной аппаратуры комплексов и систем военного назначения. На этом этапе немаловажно и метрологическое обеспечение, в том числе установление неопределенности измерения параметров электронной аппаратуры в условиях климатических испытаний, что позволяет избежать ложной приемки или ложной отбраковки продукции [1]. Целью исследований, изложенных в рамках данной статьи, является установление закономерностей влияния температурной неоднородности среды, возникающей из-за зонирования области проведения испытаний, на степень рассогласования измерительной линии.

Передающие линии испытательного стенда при измерении частотно-зависимых параметров испытываемой аппаратуры вносят свой вклад в погрешность и неопределенность результатов измерений. При рассмотрении и анализе систем передач, работающих по кабелю, за направляющую систему, как правило, принимают модель однородной линии. В реальных условиях соединительная линия может иметь неоднородности, что влияет на передаваемый полезный сигнал. Подобные неоднородности, отражающие часть полезного сигнала, могут описываться коэффициентами отражения (Г). Их влияние на результаты измерений пропорционально числу элементов измерительной схемы, а также зависит от ряда внешних воздействующих факторов [2].

В данной статье приведена методика оценивания рассогласования передающих линий для оценочных измерений, которые являются первым этапом современного измерительного процесса. Во время оценочных измерений грубо определяются некоторые характеристики исследуемого устройства, а также измерительной схемы, для дальнейшей оптимизации измерения. Это позволяет сэкономить время, а также избежать ошибок и неверных результатов [3].

2. Оценка рассогласования

Для оценки рассогласования передающей линии были выполнены измерения по схеме, представленной на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема установки для измерения параметров передающей линии

Измерения проводились в два этапа. На первом в камере устанавливались нормальные климатические условия (НКУ). Исследуемый СВЧ-кабель, нагруженный на согласованную нагрузку и подключенный к векторному анализатору цепей, был пропущен транзитом через климатическую камеру. Местами прохождения кабеля сквозь стенку камеры являлись шлюзы с эластичными термозаглушками. При такой схеме температурное воздействие влияет только на кабель, не затрагивая параметры нагрузки. Векторный анализатор калибровался; данные о величинах коэффициента стоячей волны (КСВ), а также о полном импедансе цепи фиксировались. Так как в этот момент система максимально согласована, то коэффициент отражения от нагрузки принимался равным Г0. Показания векторного анализатора цепей отображены на рисунке 2.

Рис. 2. Параметры КСВ и импеданса в НКУ

На втором этапе температура в климатической камере опускалась до требуемой и кабель выдерживался в течение времени, необходимого для установления постоянной температуры по всей его длине. В рамках выполненных исследований длительность переходных процессов определялась экспериментально на основе статистической стабильности и повторяемости результатов измерений.

На рисунке 3 можно выделить отличия характеристик передающей линии с температурным переходом от линии, находящейся в НКУ. Маркер КСВ, установленный на фиксированной частоте, переместился от пучности к узлу, что означает изменение её фазы. Значение КСВ выросло с U1 = 1,0262 до U2 = 1,1152. Импеданс, представленный на круговой диаграмме Вольперта – Смита, также изменился. Вещественная часть уменьшилась с Ω1 = 51,289 Ом до Ω2 = 50,595 Ом, а мнимая – перешла из емкостной половины круговой диаграммы при –j230,39 мОм в индуктивную при j5,4551 Ом. Это объясняется тем, что характеристики той части кабеля, которая находится в камере, изменились.

Рис. 3. Параметры КСВ и импеданса при пониженной температуре среды

Совокупность всех изменений можно выразить через дополнительный коэффициент отражения Гt , который является эквивалентом всех отражающих неоднородностей, возникающих на участках измерительной линии, находящейся внутри камеры. Из вышеуказанных величин можно вычислить Г0, а также Гобщ = f{Г0, Гt } [4]:

(1)

(2)

Известно, что для единичного коэффициента отражения коэффициент передачи Кп = 1 – Г. По формуле 8 из [5] коэффициент затухания системы , откуда следует, что . Так как коэффициент затухания – величина обратная коэффициенту передачи, получаем, что коэффициент передачи системы неоднородностей [5]. Исходя из этого, если в линии передачи присутствует несколько последовательных коэффициентов отражения и известно лишь их результирующее значение (Гобщ), то предлагается рассматривать его как:

. (3)

Используя формулу (3), можно представить Гобщ = 1 – (1–Г0) (1–Гt) и вычислить Гt = 0,042.

Коэффициент отражения Гt зависит от протяженности части передающей линии, подверженной воздействию температурной неоднородности. В таблице 1 представлены результаты измерений импеданса кабеля с волноводной нагрузкой, которые демонстрируют ухудшение параметров передачи при увеличении длины кабеля, находящегося в камере.

Таблица 1

Результаты экспериментального исследования импеданса кабеля

Представленные результаты получены на кабельных сборках Huber + Suchner моделей Sucotest 18RF и Sucotest 18 Armored и векторном анализаторе Rohde&Schwarz ZVA24. Стоит отметить, что неоднократные измерения также показали увеличение эффекта рассогласования на армированных кабельных сборках, предназначенных для сложных условий эксплуатации и имеющих дополнительные защитные слои для повышения их прочности и помехоустойчивости. Это происходит из-за того, что диаметр диэлектрических слоев данных кабелей превышает диаметр стандартных кабельных сборок более чем в два раза. Из-за этого изменение их погонных размеров под воздействием температуры происходит сильнее, а следовательно, и изменение импеданса более значительно. Отличие значений параметров линии до температурного воздействия и после восстановления нормальной температуры составляет не более 5 %. Достоверность представленных выводов подтверждается повторяемостью результатов, полученной в серии экспериментов.

3. Практический эффект

Значение коэффициента отражения, возникающего в коаксиальном кабеле при значительном температурном переходе, рассчитанное в данной статье, по своей величине находится в том же порядке, что и коэффициенты отражения входных и выходных разъемов измерительных приборов. Следовательно, параметр Гt также необходимо учитывать при измерениях, проводящихся в климатических камерах со сквозными линиями передачи.

Практический эффект можно рассмотреть при расчете неопределенности измерения коэффициента передачи ИУ.

По схеме, представленной на рисунке 4, неопределенность измерения коэффициента передачи δG в НКУ равна [2][6]:

(4)

Первое слагаемое под корнем в формуле (4) отвечает за согласование при калибровке, два других – за согласование при измерении. Так как при воздействии температуры на участки линии передачи, находящиеся в камере (на рисунке 4 выделены синим цветом), параметры передачи становятся отличными от калибровочных, то можно выразить эти изменения через дополнительные коэффициенты отражения ГΩ1 и ГΩ2. Для расчета обновленной неопределенности по формуле (4) ГA1 заменяется на Гa1 = 1 – (1 – ГA1) (1 – ГΩ1) и ГA2 – на Гa2 = 1 – (1 – ГA2) (1 – ГΩ2) по формуле (3). При ГA1 = ГA2 = 0,11 δG = 0,24. В то же время при появлении ГΩ1 = ГΩ2 = 0,042 δG = 0,29. Наблюдается увеличение неопределенности измерения на 20 %.

Рис. 4. Схема измерения коэффициента передачи испытываемого устройства (ИУ) в климатической камере

Для понимания важности изменения неопределенности можно рассмотреть следующий пример. Если ИУ должно иметь коэффициент усиления не менее 3дБ, а точность измерения составляет ±0,24 дБ, то только изделие с коэффициентом передачи 3,24 дБ или выше может быть принято по результатам испытаний. С другой стороны, если точность будет ±0,29 дБ, то порог коэффициента передачи для приемки повысится до 3,29 дБ, что при прочих равных увеличит количество отбраковываемых изделий. Более подробно вопрос установки приемочного интервала, полей допуска и защитной полосы рассмотрен в [1].

Общие правила и пути уменьшения рассогласования при измерениях указаны в [7]. Однако в случае линий передачи, проходящих через температурные неоднородности, следует также рассмотреть следующие варианты:

а) калибровка с охлажденными кабелями. Довольно сложно осуществимый на практике путь, по причине необходимости помещения калибровочных нагрузок в климатическую камеру (где под воздействием температуры их импеданс изменится), а также манипуляций с замерзшими кабелями, которые при пониженной температуре становятся хрупкими и подверженными повреждениям;
б) использование шлюзов. Создание отдельных шлюзов или трасс с подогревом для передающих линий для уменьшения длины кабеля, подвергающегося пониженной температуре;
в) опираясь на результаты экспериментальных измерений, следует учитывать тот факт, что усиленные кабельные сборки, в том числе армированные и помехозащищенные, более подвержены эффекту рассогласования при значительном температурном переходе. Следовательно, их использование должно быть обоснованным, а при отсутствии значительных помех или механических воздействий на передающие линии их необходимо заменять на стандартные высокочастотные кабели.

Также следует отметить, что в [3] представлены различные методы коррекции рассогласования схемы (например, измерения во временной области), однако эти методики имеют ряд ограничений и представлены лишь в некоторых моделях измерителей, не реализующих многие виды измерений (например, измерение коэффициента шума Y-методом, измерение спектральной плотности фазового и амплитудного шума).

Перед проведением измерений ИУ предлагается проводить оценивание использующихся кабелей по схеме, представленной на рисунке 1. Длина части кабеля, находящегося в климатической камере, при этом должна соответствовать длине части кабеля, который будет расположен в камере при измерении параметров ИУ. В таком случае будет получена возможность заранее оценить степень рассогласования выбранной передающей линии при заданном значении испытательной температуры, после чего использовать эти данные при расчете неопределенности измерений.

Список литературы

1. Оценивание данных измерений – Роль неопределенности измерений при оценке соответствия // Объединенный комитет по руководствам в метрологии. 2012. URL: http://www.coomet.org/DB/isapi/cmt_docs/2017/12/7HHG12.pdf (дата обращения 15.11.2020).

2. Скалярный анализ цепей с помощью измерителей мощности серии U2000 с шиной USB // Keysight Technologies Inc. 2011. URL: https://kt-spegroup.ru/articles/skalyarnyy-analiztsepey-s-pomoshchyu-izmeriteley-moshchnostiserii-u2000-s-shinoy-usb/ (дата обращения 15.11.2020).

3. Дансмор Дж. П. Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2019. 736 с.

4. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1980. 152 с.

5. Тишков П. В. Влияние неоднородностей на характеристики абонентской линии // Доклады БГУИР. 2008. № 1. С. 29–37.

6. Noise figure measurement accuracy: The Y-factor method// Keysight Technologies Inc. 2019. URL: https://www.keysight.com/ru/ru/assets/7018-06829/application-notes/5952-3706.pdf (дата обращения 15.11.2020).

7. Как минимизировать погрешности измерений и оценить погрешность, вызванную рассогласованием // Keysight Technologies Inc. 2014. URL: https://spegroup.ru/wiki/kakminimizirovat-pogreshnosti-izmereniy-i-otsenitpogreshnost-vyzvannuyu-rassoglasovaniem.html (дата обращения 15.11.2020).


Об авторе

В. С. Лячин
Северо-Западный региональный центр концерна ВКО «Алмаз – Антей»; Акционерное общество «Завод радиотехнического оборудования»
Россия

Лячин Виктор Сергеевич – аспирант НОЦ; инженер-электроник
Область научных интересов: испытания вооружений и военной техники, комплексов и систем военного назначения. 

Санкт-Петербург



Для цитирования:


Лячин В.С. Оценка рассогласования передающей линии при температурном воздействии. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(2):15-20. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-15-20

For citation:


Lyachin V.S. Estimating transmission line mismatch under thermal exposure conditions. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(2):15-20. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-15-20

Просмотров: 89


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)