Способ калибровки двухканального супергетеродинного приемника в измерителе комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты
METHOD FOR CALIBRATING TWO-CHANNEL SUPERHETERODYNE RECEIVER IN METER OF COMPLEX TRANSMISSION AND REFLECTION COEFFICIENTS OF MICROWAVE DEVICES WITH FREQUENCY CONVERSION

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при калибровке измерителей комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты.
Известен способ измерения комплексных коэффициентов передачи четырехполюсников СВЧ, основанный на сравнении двух когерентных сигналов, один из которых пропускают через испытуемый четырехполюсник с последующим гетеродинным преобразованием этих сигналов в двухканальном супергетеродинном приемнике, содержащем на входах два СВЧ смесителя (Абубакиров Б.А., Гудков К.Г, Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. с. 108-109). Одним из устройств, в котором реализуется указанный способ является векторный анализатор цепей (ВАЦ), который позволяет измерять комплексные коэффициенты передачи и отражения (S-параметры) линейных многополюсников. Например, ВАЦ для измерения S-параметров линейных четырехполюсников состоит из источника зондирующих сигналов, пары рефлектометров, четырехканального векторного вольтметра и двух измерительных портов. Известно, что собственные S-параметры измерительных портов ВАЦ являются одними из составляющих погрешности при измерениях с помощью ВАЦ S-параметров и должны учитываться. (Абубакиров Б.А., Гудков К.Г, Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. с. 145). Для определения (измерения и вычисления) собственных S-параметров измерительных портов ВАЦ применяют процедуру калибровки.
Известен способ калибровки ВАЦ, основанный на использовании трех эталонных нагрузок: холостого хода (XX), короткого замыкания (КЗ), согласованной нагрузки (СН), называемый в литературе SOL (от англ. Short, Open, Load) (см. В.Г. Губа, А.А. Ладур, А.А. Савин Классификация и анализ методов калибровки векторных анализаторов цепей // Доклады ТУСУРа - №2 (24) - ч. 1 - 2011). Способ заключается в том, что с помощью ВАЦ, порты которого требуется откалибровать, проводят измерения комплексных коэффициентов отражения трех эталонных нагрузок КЗ, XX и СН, присоединяя их по очереди к каждому из калибруемых портов. Сравнивая измеренные комплексные коэффициенты отражения нагрузок КЗ, XX и СН с их эталонными значениями, которые известны заранее, определяют собственные S-параметры каждого из измерительных портов ВАЦ.
Однако указанные выше способ измерения комплексных коэффициентов передачи четырехполюсников СВЧ и способ калибровки ВАЦ не могут быть использованы для измерения комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Это связано с тем, что у таких устройств сигналы на входе и выходе лежат в различных частотных диапазонах и сравнение этих сигналов по фазе теряет смысл. При этом отсутствие информации о фазочастотной характеристике не позволяет определить комплексные коэффициенты передачи и групповое время запаздывания СВЧ-устройств с преобразованием частоты.
Известны способы измерения комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты в которых устранены указанные недостатки.
Известен способ определения комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты с помощью ВАЦ (пат. РФ №2029966, МПК G01R 27/28, опубл. 27.02.1995). Этот способ заключается в преобразовании выходного сигнала промежуточной частоты исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты в СВЧ-сигнал, частота которого равна частоте сигнала на его входе, с помощью обратновключенного СВЧ-устройства с преобразованием частоты, и измерении с помощью ВАЦ модуля и фазы общего суммарного коэффициента передачи исследуемого и опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты. Измеряя совокупно таким способом три пары СВЧ-устройств с преобразованием частоты в определенном сочетании становится возможным определить (измерить и вычислить) комплексный коэффициент передачи исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты. При этом для осуществления способа из измерительного оборудования используется только ВАЦ, и он может быть откалиброван указанным выше способом калибровки. Основным недостатком способа является необходимость как минимум четырех циклов соединения-разъединения на СВЧ.
Этот недостаток имеется и способе, который содержит минимум два цикла соединения-разъединения на СВЧ определения коэффициентов передачи четырехполюсников с преобразованием частоты (а.с. 1596278, МПК G01R 27/28, опубл 30.09.1990). С помощью измерительного фазового моста измеряют суммарный коэффициент передачи испытуемого и опорного четырехполюсников с преобразованием частоты соединенных последовательно, а затем, также при помощи измерительного фазового моста, измеряют разностный коэффициент передачи испытуемого и опорного четырехполюсников с преобразованием частоты соединенных параллельно. После этого, вычисляют коэффициент передачи испытуемого четырехполюсника с преобразованием частоты. Способ достаточно сложен в технической реализации и слабо поддается автоматизации.
Погрешность измерения фазы комплексного коэффициента передачи СВЧ-устройства с преобразованием частоты в указанных способах увеличивается с ростом частоты входного сигнала испытуемого четырехполюсника, за счет нестабильности контактных СВЧ-соединений.
1
2
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения угла сдвига фаз СВЧ-устройства с преобразованием частоты в котором осуществляют преобразование выходного сигнала промежуточной частоты исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты в СВЧ-сигнал, частота которого равна частоте сигнала на его входе, с помощью обратновключенного опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты (пат. РФ №2621368, МПК G01R 27/00 (2006.01), опубл. 02.06.2017). Измеряют с помощью ВАЦ суммарный угол сдвига фаз Σϕ исследуемого и опорного СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Затем измеряют разность Δϕ угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов. После этого измеряют разность Δϕ угла сдвига фаз опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов. Окончательно по формуле вычисляют значение угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты.
Этот способ реализуется с помощью устройства, состоящего из ВАЦ и двухканального супергетеродинного приемника (пат. РФ №2524049 G01R 27/28 (2006.01), опубл. 27.07.2014). При этом постоянство присоединения СВЧ-трактов СВЧ-устройств с преобразованием частоты к портам ВАЦ и перенос всех переключений в низкочастотный диапазон промежуточной частоты с помощью двухканального супергетеродинного приемника позволяют избежать погрешностей, обусловленных нестабильностью СВЧ-соединений. В таком устройстве калибровка ВАЦ осуществляется, например, способом «SOL» с помощью эталонных нагрузок. Однако для калибровки двухканального супергетеродинного приемника необходимо заранее измерить собственные S-параметры его внутренних трактов. При этом поскольку такой приемник содержит гетеродинное преобразование частоты, одну часть S-параметров необходимо измерять в диапазоне СВЧ, а другую часть - в диапазоне промежуточных частот.
1
2
Измеренные таким способом собственные S-параметры двухканального супергетеродинного приемника учитывают в дальнейшем при измерении с его помощью величин Δϕ и Δϕ. Такой способ калибровки двухканального супергетеродинного приемника существенно усложняет процесс измерений Кроме того на практике невозможно технически обеспечить идентичность каналов, поэтому результаты вычислений будут содержать набег фазы, обусловленный различной электрической длиной трактов промежуточной частоты двухканального супергетеродинного приемника, что снижает точность измерений и может требовать выравнивания длины трактов путем введения дополнительных фазовращателей.
Техническим результатом предлагаемого способа калибровки двухканального супергетеродинного приемника в измерителе комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты является увеличение точности измерений, а также упрощение процесса измерений, уменьшение числа необходимых для проведения калибровки операций.
ОК
ИК
Для достижения технического результата предлагается способ, включающий измерение разности Δϕ угла сдвига фаз опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов и измерение разности Δϕ угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов.
Для этого:
Т
- присоединяют опорное СВЧ-устройство с преобразованием частоты в измерительный канал двухканального супергетеродинного приемника измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Измеряют разность фаз ϕ между сигналом промежуточной частоты, получаемым от опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты в измерительном канале, и опорным сигналом, получаемым от генератора опорных сигналов;
ОК
- затем присоединяют опорное СВЧ-устройство с преобразованием частоты в опорный канал двухканального супергетеродинного приемника измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Измеряют разность фаз Δϕ между сигналом промежуточной частоты, получаемым от опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты в опорном канале, и опорным сигналом, получаемым от генератора опорных сигналов;
K=
T
ОК
- вычисляют калибровочный параметр ΔϕΔϕ-Δϕ, который выражает неидентичность измерительного и опорного каналов двухканального супергетеродинного приемника измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты;
1
ИК
- присоединяют исследуемое СВЧ-устройство с преобразованием частоты в измерительный канал двухканального супергетеродинного приемника измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Измеряют разность Δϕ между сдвигом фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазой когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов;
- вычисляют разность Δϕ углов сдвига фаз между исследуемым СВЧ-устройством с преобразованием частоты и опорным СВЧ-устройством с преобразованием частоты по формуле:
ИК
К
ОК
Δϕ=Δϕ-Δϕ-Δϕ.
Т
ОК
К
Заявленный способ отличается от прототипа тем, что измерению разности Δϕ углов сдвига фаз между исследуемым СВЧ-устройством с преобразованием частоты в измерительном канале и опорным СВЧ-устройством с преобразованием частоты в опорном канале предшествует измерение разности фаз ϕ между сигналом промежуточной частоты, получаемым от опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты в измерительном канале, и опорным сигналом, получаемым от генератора опорных сигналов, а затем измерение разности фаз Δϕ между сигналом промежуточной частоты, получаемым от опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты в опорном канале, и опорным сигналом, получаемым от генератора опорных сигналов, а также вычисление калибровочного параметра Δϕ, который используют при вычислении разности Δϕ углов сдвига фаз между исследуемым СВЧ-устройством с преобразованием частоты и опорным СВЧ-устройством с преобразованием частоты.
За счет использования предлагаемого способа появляется возможность определить неидентичность измерительного и опорного каналов двухканального супергетеродинного приемника, исключить ее влияние на измерения, за счет чего увеличивается точность измерений.
На фиг. 1 изображена схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ, на фиг. 2 представлена схема подключения устройств для определения относительной длины измерительного канала.
Для осуществления способа используют устройство, состоящее из измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты 1, в которое входят: ВАЦ 2 и двухканальный супергетеродинный приемник 3. ВАЦ 2 имеет первый 4 и второй 5 порты. Двухканальный супергетеродинный приемник 3 содержит: гетеродин 6, исследуемое СВЧ-устройство с преобразованием частоты 7, опорное СВЧ- устройство с преобразованием частоты 8, первый 9, второй 10 и третий 11 переключатели, векторный вольтметр 12 и генератор опорных сигналов 13.
Первый порт 4 ВАЦ 2 связан с портом радиочастоты RF (англ. Radio Frequency - радиочастота) исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7, гетеродинный порт LO (англ. Local Oscillator - гетеродин) которого связан одновременно с гетеродином 6 и гетеродинным портом LO опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8. Порт промежуточной частоты IF (англ. Intermediate Frequency - промежуточная частота) исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7 связан с подвижным контактом первого переключателя 9, второй неподвижный контакт которого связан с первым неподвижным контактом третьего переключателя каналов 11. Второй порт 5 ВАЦ 2 связан с портом радиочастоты RF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8, порт промежуточной частоты IF которого связан с подвижным контактом третьего переключателя 10, второй неподвижный контакт которого связан со вторым неподвижным контактом третьего переключателя 11. Первые неподвижные контакты первого 9 и второго 10 переключателей соединены между собой. Подвижный контакт третьего переключателя 11 соединен с первым входом векторного вольтметра 12, второй вход которого связан с выходом генератора опорных сигналов 13. При этом для описания работы устройства назовем участок тракта от первого порта 4 ВАЦ 2 до первого входа векторного вольтметра 12, во втором положении подвижного контакта первого переключателя 9 и первом положении третьего переключателя 11, - измерительным каналом, а участок тракта от второго порта 5 ВАЦ 2 до первого входа векторного вольтметра 12, во втором положении подвижных контактов второго 10 и третьего 11 переключателей, - опорным каналом.
Рассмотрим сначала работу устройства без применения калибровки.
1
1
2
3
1
2
u
3
3
с
3
ИК1
ИК2
3
ИК3
ИК
Первый 9 и второй 10 переключатели переводят во второе положение, а третий переключатель 11 переводят в первое положение. Испытательный СВЧ-сигнал с частотой ƒ через первый порт 4 подают на порт радиочастоты RF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ в исследуемом СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 7, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от гетеродина 6 на вход LO исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7, преобразуется в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ со сдвигом фаз ϕ. Сигнал промежуточной частоты ƒ с порта промежуточной частоты IF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7 через первый 9 и третий 11 переключатели поступает на первый вход векторного вольтметра 12, где сравнивается с таким же по частоте ƒ когерентным опорным сигналом, поступающим от генератора опорных сигналов 13 и имеющим начальную фазу ϕ. От порта промежуточной частоты IF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7 до первого входа векторного вольтметра 12 сигнал промежуточной частоты ƒ приобретает дополнительные фазовые сдвиги ϕ, ϕ обусловленные ненулевой электрической длиной трактов промежуточной частоты измерительного канала. Кроме этого, в начальную фазу сигнала промежуточной частоты ƒ входит сдвиг фаз ϕ, обусловленный электрической длиной СВЧ-тракта, соединяющего гетеродин 6 и порт LO исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7. В результате этого векторный вольтметр 12 измеряет разность фаз Δϕ:
1
1
2
3
1
2
о
3
3
с
3
ОК1
ОК2
3
ОК3
ОК
Затем третий переключатель 11 переводят во второе положение. Испытательный СВЧ-сигнал с частотой ƒ через второй порт 5 подают на порт RF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ в опорном СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 8, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от гетеродина 6 на порт LO опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8, преобразуют в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ со сдвигом фаз ϕ. Сигнал промежуточной частоты ƒ с порта промежуточной частоты IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8 через второй 10 и третий 11 переключатели поступает на первый вход векторного вольтметра 12, где сравнивают с таким же по частоте ƒкогерентным опорным сигналом, поступающим с выхода генератора опорных сигналов 13 и имеющим начальную фазу ϕ. На пути от порта промежуточной частоты IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8 до первого входа векторного вольтметра 12 сигнал промежуточной частоты ƒ приобретает дополнительные фазовые сдвиги ϕ, ϕ обусловленные определенной электрической длиной трактов промежуточной частоты опорного канала. Кроме этого, в начальную фазу сигнала промежуточной частоты ƒ входит сдвиг фаз ϕ обусловленный электрической длиной СВЧ-тракта, соединяющего гетеродин 6 и порт LO опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты. В результате этого векторный вольтметр 12 измеряет разность фаз Δϕ:
u
о
После этого вычисляют разность выражений (1) и (2) для получения разности Δϕ угла сдвига фаз ϕ исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 7 и угла сдвига фаз ϕ опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8 в виде:
ИК
ОК
Как видно, в правой части выражения (3) известны лишь слагаемые Δϕ и Δϕ. Остальные слагаемые неизвестны. Эти слагаемые определяют электрическую длину трактов промежуточной частоты. В случае если оба канала двухканального супергетеродинного приемника 3 идентичны друг другу либо их длины измерены заранее, то сумма этих неизвестных слагаемых будет равна нулю либо известна заранее и выражение (3) можно легко вычислить. Поэтому далее применяют процедуру калибровки, которую проводят следующим образом.
1
1
2
3
1
2
3
3
3
ИК1
ИК2
3
ИК3
Т
Исследуемое СВЧ-устройство с преобразованием частоты 7 заменяют опорным СВЧ-устройством с преобразованием частоты 8, эта замена показана на фиг. 2. Таким образом устанавливают опорное СВЧ-устройство с преобразованием частоты 8 в измерительный канал. Первый 9 и второй 10 переключатели переводят во второе положение, а третий переключатель каналов 11 переводят в первое положение. Зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ через первый порт 4 ВАЦ 2 подают на порт RF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ в опорном СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 8, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от гетеродина 6 на порт LO опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8, преобразуют в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ. Сигнал промежуточной частоты ƒ с порта промежуточной частоты IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8 через первый 9 и третий 11 переключатели поступает на первый вход векторного вольтметра 12, где сравнивается с таким же по частоте ƒ когерентным опорным сигналом, поступающим от генератора опорных сигналов 13. На пути от порта промежуточной частоты IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8 до первого входа векторного вольтметра 12 сигнал промежуточной частоты ƒ приобретает дополнительные фазовые сдвиги ϕ, ϕ, обусловленные определенной электрической длиной трактов промежуточной частоты измерительного канала. Кроме этого, в начальную фазу сигнала промежуточной частоты ƒ входит сдвиг фаз ϕ, обусловленный электрической длиной СВЧ-тракта, соединяющего гетеродин 6 и порт LO опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 8. В результате этого векторный вольтметр 12 измеряет разность фаз ϕ:
Опорное СВЧ-устройство с преобразованием частоты 8 устанавливают обратно в опорный канал, а исследуемое СВЧ-устройство с преобразованием частоты 7 устанавливают обратно в измерительный канал.
ИК
Выполняют измерения Δϕ
ОК
Выполняют измерения Δϕ
Т
ОК
К
Используя полученные значения ϕ и Δϕ вычисляют калибровочный параметр Δϕ:
ИК
ОК
К
К
Используя полученные значения Δϕ, Δϕ, Δϕ вычисляют разность фаз Δϕ аналогично по формуле (3), но с учетом уже известного калибровочного коэффициента Δϕ:
За счет использования предлагаемого способа калибровки, устраняется погрешность измерений, вызванная неидентичностью измерительного и опорного каналов двухканального супергетеродинного приемника в измерителе комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты.
Предлагаемый способ является новым, применимым при калибровке измерителей комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты, заявляемая совокупность существенных признаков удовлетворяет критерию изобретательский уровень, т.е. предлагаемый способ является охраноспособным.