4. Ma G. F., Jiang X. Y. Unscented Kalman filter for spacecraft atti tude es tim a t ion and cal i bra t ion using magneto meter measurements // Proc. 4th Int. Conf. Machine Learning and Cybernetics. Guangzhou (China). 2005. P. 506—511.
5. Soken H. E., Hajiyev C. UKF based in-flight calibration of magnetometers and rate gyros for pico satellite attitude determination // Asian J. Control. 2012. V. 14(3). P. 707—715. DOI: 10.1002/asjc.368.
6. Soken H. E., Hajiyev C. UKF-based reconfigurable attitude parameters estimation and magnetometer calibration // IEEE Trans. Aerospace Electronic Syst. 2012. V. 48(3). P. 2614—2627. DOI: 10.1109/TAES.2012.6237612.
7. Иванов Д. С., Ролдугин Д. С., Ткачев С. С., Карпенко С. О., Ивлев Н. А., Овчинников М. Ю. Анализ работы алгоритмов системы ориентации и стабилизации микроспутника «Чибис-М» // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: Матер. 3-й Всерос. науч.-техн. конф. Таруса (Россия), 2012 / Механика, управление и информатика. М.: ИКИ РАН, 2013. С. 114—131.
8. Потехин С. Г., Власенков Е. В., Комбаев Т. Ш., Павлова
А. Н. Решение задачи навигации и ориентации микрокосмического аппарата по данным о магнитном поле Земли с использованием фильтра Калмана // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: Матер. 3-й Всерос. науч.-техн. конф. Таруса (Россия), 2012 / Механика, управление и информатика. М.: ИКИ РАН, 2013. С. 160—168.
9. Jin J., Baoyin H., Li J. Attitude scheme for satellite with defective inertia characteristic // Int. J. Aircraft Eng. and Aerospace Technol. 2013. V. 85(5). P. 422—431.
10. Sekhavat P., Gong Q., Ross I. M. NPSAT I parameter estimation using unscented Kalman fitler // Proc. Am. Control Conf. N.Y., 2007. P. 4445—4451.
11. Kalman R. E. A new approach to linear filtering and prediciton problems // Trans. ASME: J. Basic Eng. 1960. V. 82. Ser. D. P. 35—45.
12. Mehra R. On the identification of variances and adaptive Kalman filtering // IEEE Trans. Automatic Control. 1970. V. AC-15. P. 175—184.
Дата принятия 02.12.2014 г.
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.317.089.6:621.317.784.023
Разработка исходного эталона мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных
линиях передачи
И. М. МАЛАЙ, В. А. СЕМЕНОВ, И. П. ЧИРКОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: Chirkov@vniiftri.ru
Представлен вариант построения исходного эталона мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных линиях передачи в диапазоне частот 30 МГц — 67 ГГц. Показано, что коаксиальные эталонные ваттметры проходного типа позволяют воспроизводить и передавать единицу мощности электромагнитных колебаний с погрешностью, необходимой для поверки наиболее точных ваттметров.
Ключевые слова: эталонный ваттметр, микрокалориметр, эффективный коэффициент отражения выхода, сличение ваттметров.
Presented a version of the original construction of the power standard of electromagnetic waves in coaxial transmission lines in the frequency range from 30 MHz to 67 GHz. It is shown that the reference power meters in coaxial transmission type allow to reproduce and transfer unit of power of electromagnetic oscillations with an accuracy required for testing the most accurate power meters.
Key words: reference power meter, microcalorimeter, equivalent reflection coefficient, сomparison power meters.
Мощность — основной параметр, характеризующий интенсивность электромагнитного излучения на сверхвысоких частотах (СВЧ). Государственный первичный эталон единицы мощности электромагнитных колебаний в волноводных и коаксиальных трактах в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц ГЭТ 26—2010 воспроизводит единицу мощности в
двух коаксиальных линиях передачи: 7/3,04 и 3,5/1,52 мм [1]. На практике для измерений мощности в диапазоне частот до 67 ГГц используют ваттметры в коаксиальных линиях 7/3,04; 3,5/1,52; 2,92/1,27; 2,4/1,04; 1,85/0,80 мм. Для обеспечения единства измерений мощности коаксиальными ваттметрами, требуется, чтобы исходный эталон обеспечивал
воспроизведение и передачу единицы в перечисленных коаксиальных линиях соответствующих диапазонов частот.
Наиболее точный метод воспроизведения единицы мощности основан на измерениях мощности СВЧ в сухом дифференциальном микрокалориметре. Последний позволяет компарировать мощность постоянного тока с мощностью электромагнитной волны частотой ^ рассеиваемых в калориметрическом преобразователе, и получить коэффициент эффективности Кэфф. Погрешность измерений Кэфф в волно-
водных микрокалориметрах слабо изменяется в диапазоне частот: например, составляет 0,4 % в диапазоне 5,64—37,5 ГГц при использовании ГЭТ 26—2010.
В коаксиальном микрокалориметре погрешность измерений Кэфф значительно увеличивается с ростом частоты и уменьшением геометрических размеров линии передачи [2]. Одна из причин этого — потери мощности в тепловой развязке. В некоторых национальных метрологических центрах ведутся исследования микрокалориметров в коаксиальной линии 2,4/1,04 мм [3—5].Однако погрешность воспроизведения единицы мощности на частоте 50 ГГц составляет около 2,5 %, что в несколько раз больше погрешности в волно-водном микрокалориметре на той же частоте [6].
Другой метод воспроизведения единицы мощности в коаксиальных трактах основан на применении волноводных калориметрических преобразователей мощности и согласующих переходов, представляющих пассивный четырехполюсник, который позволяет соединить две разные линии передачи, например, волноводную и коаксиальную или две коаксиальные линии разных геометрических размеров. Один калориметрический преобразователь с помощью соответствующих согласующих переходов в диапазоне рабочих частот может обеспечить воспроизведение единицы во всех требующихся коаксиальных линиях передачи. Его предлагается применить для исследований коаксиального эталонного ваттметра проходного типа, который впоследствии будет хранить, воспроизводить и передавать единицу мощнос-
ти в этой коаксиальной линии. Такой подход к построению эталона позволяет обеспечить единство измерений мощности во всех коаксиальных линиях передачи при минимальном количестве используемых микрокалориметров и калориметрических преобразователей. Следует заметить, что в национальных метрологических институтах Германии, Франции, Великобритании, Италии, Японии, США выполняют работы по передаче единицы мощности в коаксиальных трактах на частотах выше 26 ГГц с применением согласующих переходов.
Набор микрокалориметров и калориметрических преобразователей, имеющийся в составе ГЭТ 26—2010 и ГЭТ 167—2005, позволяет воспроизводить единицу мощности СВЧ на произвольной частоте в диапазоне 30 МГц — 53,57 ГГц. В перспективе наборы микрокалориметров, соответствующих им калориметрических преобразователей (с помощью которых устанавливается соответствие между мощностями постоянного тока и электромагнитных колебаний), переходов из линий передачи микрокалориметров в другие коаксиальные линии помогут исследованиям высокостабильных коаксиальных ваттметров проходного типа в диапазоне частот 30 МГц — 67 ГГц .
Схема исходного эталона мощности электромагнитных колебаний в коаксиальной линии 1,85/0,80 мм приведена на рис. 1. Ключевым для реализации предлагаемого эталона в коаксиальных линиях передачи является определение погрешности воспроизведения единицы мощности эталонными ваттметрами проходного типа. Исследование предложенной структуры эталона и анализ погрешности воспроизведения единицы мощности выполнены для такого ваттметра проходного типа в коаксиальной линии передачи 7/3,04 мм в диапазоне частот 0,03—18 ГГц. Калибровочный коэффициент а коаксиального эталонного ваттметра проходного типа в указанной коаксиальной линии измерен методом непосредственного сличения с калориметрическим преобразователем мощности:
а = Р,
где Рз, К
МК,
эфф
(1 - г"I2)
-1
1 - гГ
К / 1 эфф
(1)
'эфф,
мощность замещения, коэф-
Рис.
1. Схема исходного эталона мощности электромагнитных колебаний в коаксиальной линии 1,85/0,80 мм
фициент эффективности и коэффициент отражения входа калориметрического преобразователя, соответственно; Ы, ГЭфф — показания
и эффективный коэффициент отражения выхода эталонного ваттметра проходного типа [7].
Без учета фазы ГЭ методическая погрешность из-за рассогласования, возникающая при непосредственном сличении ваттметров, является доминирующей составляющей погрешности а. Для уменьшения этой составляющей при передаче единицы от ГЭТ 26—94 применяли меры волнового сопротивления в виде отрезка коаксиальной линии с воздушным диэлектриком. Мера волнового сопротивления обеспечивает изменение фазы коэффициента отражения калориметрического преобразователя мощности на 180°, что позволяет исключить влияние погрешности рассогласования на ре-
Составляющие погрешности воспроизведения единицы мощности эталонными ваттметрами проходного типа в коаксиальных линиях передачи
Источник погрешности Погрешность в коаксиальном тракте
7/3,04 мм 3,5/1,52; 2,92/1,27; 2,4/1,04; 1,85/0,80 мм
Погрешность измерения Рз 0,0001 0,0001
Погрешность значений Кэфф в диапазонах частот, ГГц 0,05—18 18—37,5 37,5—67 0,002—0,006 0,002—0,006 0,004 0,008
Погрешность измерения комплексных коэффициентов отражения ваттметров Гк и Гэфф 0,001—0,003 0,001—0,010
Погрешность измерения коэффициентов отражения ¿ц и ¿22 — 0,0003—0,0030
Погрешность измерения коэффициента передачи ¿21 — 0,004—0,008
СКО случайных погрешностей 0,0014 0,002—0,004
Границы НСП 0 у 0,002—0,007 0,005—0,017
Доверительные границы суммарной относительной погрешности воспроизведения единицы А2 (Р = 0,95) 0,004—0,008 0,008—0,021
зультат измерений. Модуль коэффициента передачи ¿21
меры волнового сопротивления рассчитывали исходя из теоретической зависимости потерь в линии передачи от изменения частоты. Исследования показали, что погрешность
2
определения ¿21 существенно влияет на результат измерений [8]. Применение двух методов измерений модуля коэффициента передачи меры волнового сопротивления
2
уменьшает погрешность измерений А ¿21 в 5
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.