Современные методы и средства измерений на высоких и сверхвысоких частотах

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего  образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В. В. ТЕРЕШКОВ
Ф. А. ЦВЕТКОВ 

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ 

И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ НА ВЫСОКИХ 

И СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону  Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.317.7(075.8)
ББК 31.221Я73           

Т35

Печатается по решению кафедры теоретических основ 

радиотехники Института радиотехнических систем и управления 

Южного федерального университета
(протокол № 5 от 31 января 2018 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой РЭСиК ДГТУ В. И. Марчук

кандидат технических наук, доцент, 

инженер ООО «СпецСтрой-Связь» С. В. Кучерявенко

Терешков, В. В.

Т35 
Современные методы и средства измерений на высоких и 

сверхвысоких частотах : учебное пособие / В. В. Терешков, 
Ф. А. Цветков ; под ред. В. В. Терешкова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2018. – 113 с.

ISBN 978-5-9275-2978-0
Учебное пособие предназначено для магистрантов Южного фе
дерального университета, изучающих метрологические дисциплины, а также для всех желающих ознакомиться с особенностями построения и использования измерителей параметров устройств СВЧ.

В пособии рассмотрены особенности проведения измерений на 

СВЧ и приборы, применяемые для таких измерений. Основное 
внимание уделено измерению параметров устройств СВЧ.

УДК 621.317.7(075.8)

ББК 31.221Я73

ISBN 978-5-9275-2978-0

© Южный федеральный университет, 2018
© Терешков В. В., Цветков Ф. А., 2018
© Оформление. Макет. Издательство   

Южного федерального университета, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
…………………………………………………………5

ТЕМА 1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ 

НА  СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ
…………………..………….8

1.1.Особенности методологии и техники измерений на СВЧ ….…8

1.2. Методы и приборы для измерения в области СВЧ
…………11

ТЕМА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЯ 

ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ СВЧ ………………………...…….15

2.1. Основные понятия цепей СВЧ
………………...……………15

2.2. Основы измерения S-параметров
…………...……….…….22

2.3. Рабочие параметры устройств СВЧ и их связь 

с S-параметрами
……………………………………….……….....27

2.4. Анализ измерительных схем СВЧ с использованием метода 

направленных графов …………………………………………..…..28

ТЕМА 3. ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ СВЧ .....35

3.1. Для чего используются анализаторы цепей
………..…...…..35

3.2. Классификация измерителей параметров цепей СВЧ ………37

ТЕМА 4. ВИДЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ 

ТРАКТОВ СВЧ
…….…………………………………………….44

4.1. Назначение и структура измерительного тракта СВЧ ………44

4.2. Сравнение коаксиальных линий и волноводов …………..….46

4.3. Коаксиальные измерительные тракты ……………………..…48

4.4. Коаксиально-волновые переходы
……………………….…..53

4.5. Волноводный измерительный тракт ……………………..…...54

4.6. Измерительный тракт для определения коэффициентов 

отражения …………………………………………………………...55

Содержание

4

4.7. Измерительный тракт для определения коэффициентов 

передачи
………………………………………….………...……….62

4.8. Узлы, используемые в измерительных трактах СВЧ …...…...67

ТЕМА 5. ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-УСТРОЙСТВ 

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАПРАВЛЕННЫХ  

ОТВЕТВИТЕЛЕЙ ...............................................................................81

5.1. Принцип разделения волн …………………………...………...81

5.2. Направленные ответвители, применяемые в измерителях 

параметров рассеяния
…………………….…………………….….83

5.3. Измерители КСВН и ослабления (скалярные анализаторы 

цепей СВЧ) ………………………….……..…………….………….90

ТЕМА 6. ПОГРЕШНОСТИ И КАЛИБРОВКА 

АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ СВЧ
……………..……………....….94

6.1. Погрешности анализаторов цепей СВЧ с направленными 

ответвителями …………………………………………………….…94

6.2. Модель погрешностей и калибровка измерительного 

тракта .................................................................................................101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ …………….108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………...…………………………110

ПРИЛОЖЕНИЕ. НАИМЕНОВАНИЯ ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ 

И ДЛИН ВОЛН, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ РАДИОСВЯЗИ, 

РАДИОВЕЩАНИЯ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ ……….……..…………111

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из наиболее интенсивно развива
ющихся областей радиоэлектроники, радиотехники и телекоммуникационных систем является техника высоких частот (ВЧ) и 
сверхвысоких частот (СВЧ). 

При этом очень часто, особенно на этапе конструировании и 

производства спроектированных устройств СВЧ,  ключевую роль 
играют экспериментальные методы исследования, настройки и 
контроля 
характеристик 
и 
параметров 
спроектированных 

устройств.  Такие экспериментальные исследования невозможны 
без измерений. Измерения используют также на этапе проектирования устройств ВЧ и СВЧ, когда для моделирования отдельных 
узлов и блоков нет достоверных расчетных данных. Поэтому можно утверждать, что без современных измерительных приборов невозможны не только научные исследования, но и опытноконструкторские 
разработки 
современных 
радиоэлектронных 

устройств.

Однако сложность современных измерительных приборов, 

большие объективные проблемы с измерениями на СВЧ, особенности создания измерительных трактов вызывают значительные 
сложности в проведении измерений на ВЧ и СВЧ, особенно – для 
молодых специалистов, недавних выпускников вузов.

Эта ситуация усугубляется тем, что значительно сократилось 

издание литературы по современным методам и способам измерений и по измерительным приборам, кроме рекламных материалов. 
К значимым событиям в этом направлении за последние 10–15 лет 
можно отнести издание книг [1–5]; однако по своему объёму (от 
400 до 800 страниц), собранному материалу и манере изложения 
все эти книги рассчитаны на опытных специалистов, а не на студентов.

Введение

6

При этом практически отсутствует учебная литература по 

этим вопросам, предназначенная для студентов радиоэлектронных 
направлений обучения. К очень редкому исключению в этой проблеме можно отнести вышедшую в 2008 г. книгу [6], материал которой был взят за основу при написании рассматриваемого учебного пособия и адаптирован к специфике подготовки наших студентов.

Данное учебное пособие предназначено для магистрантов 

Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета, изучающих дисциплины «Современные 
методы и средства измерений в радиотехнике» или аналогичные 
дисциплины, а также для всех желающих ознакомиться с особенностями построения и использования современных измерительных 
приборов, работающих в области  высоких и сверхвысоких частот.

В начале пособия (в теме 1) рассмотрены особенности техни
ки СВЧ, методология исследований этой техники при её проектировании и производстве, а также особенности проведения измерений на СВЧ и приборы, применяемые для таких измерений. 

В теме 2 рассмотрены теоретические основы таких измере
ний: понятия цепей СВЧ; S-параметры этих цепей и их связь с рабочими параметрами устройств СВЧ; применение теории направленных графов для анализа устройств СВЧ.

В теме 3 кратко рассмотрена классификация измерителей па
раметров цепей СВЧ и перечислены области их применения.        

Тема 4 посвящена измерительным трактам СВЧ. В ней рас
смотрены разновидности, назначение и структура таких трактов, 
проанализированы и сравнены волноводные и коаксиальные тракты; тракты для определения коэффициентов отражения и коэффициентов передачи; приведены основные элементы и узлы измерительных трактов. 

Введение

В теме 5 рассмотрено измерение параметров цепей СВЧ с 

помощью направленных ответвителей: принцип таких измерений; 
устройство и характеристики ответвителей и их применение.

Тема 6 посвящена погрешностям при измерении параметров 

устройств СВЧ и способам их уменьшения. В ней перечислены основные виды погрешностей при таких измерениях; проанализированы систематические погрешности; рассмотрены модели погрешностей в виде направленного графа; реализация алгоритмов калибровки для уменьшения систематических погрешностей.

В учебном пособии главное внимание уделено качественно
му описанию свойств и особенностей применения измерителей параметров сигналов и устройств ВЧ и СВЧ, а количественные данные используются, в основном, для иллюстрации. В связи с учебным характером пособия в нём даны ссылки только на книги и не 
приведены ссылки на многочисленные источники информации от 
компаний-производителей современных измерительных приборов 
и их узлов.

Авторы выражают благодарность руководителям и сотруд
никам компании «ВЕБИОН» (г. Ростов-на-Дону), а также российских представительств компаний «Keysight Technologies» и «Tektronix» за проведенные семинары и предоставленную информацию 
по современным измерительным приборам.

ТЕМА 1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИБОРЫ 

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

1.1. Особенности методологии и техники измерений на СВЧ

1.1.1.
Особенности техники СВЧ

Области сверхвысоких частот (СВЧ) посвящены разделы ра
диотехники и радиоэлектроники, касающиеся вопросов анализа, 
синтеза, создания и исследования  устройств, работающих в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц. 

Диапазон СВЧ условно делят на более узкие области: деци
метровых волн 100 ... 10 см (ультравысоких частот: 300 МГц … 
3 ГГц);  сантиметровых волн 10 ... 1 см (сверхвысоких частот: 
3 ... 30 ГГц);  миллиметровых волн 10 ... 1 мм (крайне высоких частот: 30 ... 300 ГГц).   

Следующий участок спектра (1 … 0, 1 мм) называют субмил
лиметровыми волнами (гипервысокими частотами: 300 ГГц … 
3 ТГц). Более коротковолновые участки спектра вплоть до оптического диапазона (т.е. до 3 мкм или до 100 ТГц) пока в радиотехнике 
не рассматриваются.

Наименования других, более низкочастотных областей ра
диосигналов (в частности – высоких частот, иногда называемых 
радиочастотами) приведены в приложении данного пособия. 

Главной особенностью техники СВЧ является сопостави
мость размеров исследуемых устройств и соединительных линий с 
длиной волны СВЧ-колебаний. В англоязычной литературе для 
обозначения техники СВЧ используют термин «microwaves» (микроволны), который подчеркивает важность этого обстоятельства. 

Малость длины волны приводит к тому, что размеры тради
ционных элементов радиоаппаратуры (соединительных проводников, резонансных контуров, резисторов, конденсаторов и катушек 
индуктивности)  становятся сопоставимыми с длиной волны, и все 

1.1. Особенности методологии и техники измерений на СВЧ

9

эти элементы становятся системами с распределенными параметрами. 

В технике СВЧ вместо соединительных проводников исполь
зуют линии передачи конечной длины; колебательные системы 
представляют собой объемные резонаторы; сосредоточенные компоненты заменяются на различные неоднородности в линиях передачи, расчет которых проводят методами электродинамики. 

1.1.2.
Методология исследований в области СВЧ

Теоретические исследования, расчет, анализ и проектиро
вание СВЧ-устройств базируется на теории цепей СВЧ. 

Эта теория основана на матричном аппарате описания внеш
них параметров СВЧ-устройств, использует метод декомпозиции 
для анализа сложных СВЧ-объектов и компьютерные методы для 
их моделирования. 

Для расчета параметров базовых элементов декомпозицион
ных схем используются методы прикладной электродинамики и 
численные модели СВЧ-устройств, получаемые с помощью систем 
автоматизированного проектирования (САПР). 

При конструировании и производстве спроектированных 

устройств СВЧ ключевую роль играют экспериментальные методы исследования, настройки и контроля характеристик и параметров спроектированных устройств. 

Такие экспериментальные исследования немыслимы без из
мерений. Измерения используют также в случаях, когда для моделирования отдельных узлов и блоков нет достоверных расчетных 
данных.

1.1.3.
Особенности измерения в области СВЧ

Измерения в диапазоне СВЧ («microwave measurements» –

микроволновые измерения) являются частью радиотехнических 

Тема 1. Методология и приборы для измерений на сверхвысоких частотах

10

измерений и включают в себя методы и средства для измерения:  
а) сигналов СВЧ;  б) параметров устройств (техники) СВЧ. 

При этом под измерениями в технике СВЧ обычно понимают 

экспериментальное определение параметров и характеристик закрытых, замкнутых устройств СВЧ и их узлов. 

Измерения параметров антенн СВЧ и измерения в свободном 

пространстве (в эфире) обычно относят к антенной тематике, так 
как эти измерения имеют свою специфику.

Измерения на СВЧ имеют свои особенности по сравнению с 

традиционными радиоизмерениями на более низких частотах:

1. Подключение измерительной аппаратуры к исследуемому 

устройству вызывает значительные проблемы. Поэтому необходимо конструировать элементы подключения измерительных датчиков и преобразователей к соединительным линиям, создавать специальный измерительный тракт, часто – индивидуальный для данной задачи (объекта). 

2. Излучение электромагнитных волн СВЧ из отверстий и 

щелей в измерительной аппаратуре приводит к потерям мощности 
и к искажениям сигналов. Поэтому требуется тщательное экранирование измерительных элементов и датчиков, что осложняет введение измерительных элементов в исследуемые объекты. 

3. При использовании СВЧ-линий передачи необходимо ми
нимизировать отражения волн на соединительных элементах, сгибах и концах линий, т.е. обеспечить согласование линий в измерительном тракте.

4. В волноводных линиях передачи на СВЧ существует неод
нозначность отсчета напряжений и токов.  Это требует перехода к 
мощности как единице измерения уровня сигналов. 

5. В устройствах СВЧ необходимо измерять дополнительные 

параметры: коэффициент стоячей волны, коэффициент отражения, 
параметры рассеяния.

1.2. Методы и приборы для измерения в области СВЧ

11

Кроме этого, измерения на СВЧ имеют ограничения техниче
ского свойства, обусловленные сложностями создания СВЧаппаратуры.

6. На СВЧ трудно создать измерительные генераторы доста
точной мощности, перестраиваемые в широком диапазоне частот. 

7. Практически отсутствуют измерительные усилители СВЧ
диапазона со стабильными метрологическими характеристиками, 
что приводит к сильному влиянию шумов и помех и к необходимости использовать малые уровни сигналов. 

8. Для проведения измерений очень ограничен выбор невза
имных устройств (ответвители, вентили, циркуляторы), позволяющих разделять волны разных направлений и улучшать согласование трактов. 

9. Ограниченные частотные диапазоны традиционных радио
измерительных приборов (осциллографов, вольтметров, частотомеров и др.) обуславливают необходимость создания других приборов аналогичного назначения, построенных на новых принципах 
работы (стробоскопические осциллографы, преобразователи частоты и др.).

10. Для решения конкретной измерительной задачи в диапа
зоне СВЧ нередко приходится подбирать или даже разрабатывать 
свою собственную методику измерений, а иногда и уникальную 
измерительную аппаратуру. Поэтому требуется предварительный 
теоретический и расчетный анализ измерительной схемы, особенно 
в случае расчета погрешностей.

1.2. Методы и приборы для измерения в области СВЧ

1.2.1. Методы и приборы для измерения параметров 

СВЧ-сигналов

Параметры СВЧ-сигналов измеряются методами и прибора
ми, обычными для радиоизмерений на более низких частотах.