УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ СВЧ
DEVICE TO MEASURE COMPLEX COEFFICIENTS OF TRANSMISSION AND REFLECTION OF MICROWAVE QUADRIPOLES

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.
Известно устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, состоящее из двухчастотного синтезатора когерентных первого и второго испытательных СВЧ сигналов, испытуемого четырехполюсника СВЧ, двухканального супергетеродинного приемника, состоящего из первого и второго СВЧ смесителей, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, управляющего компьютера, индикатора отношений, первого дискретно регулируемого операционного усилителя, состоящего из первого усилителя и первого постоянного и переменного резисторов; второго дискретно регулируемого операционного усилителя, состоящего из второго усилителя и второго постоянного и переменного резисторов; дополнительного генератора, переменного аттенюатора, равноплечного делителя, вольтметра, блока управления и шести переключателей (патент РФ, №2377583 МПК G01R 27/28). Наличие соответствующих связей между деталями позволяет повысить точность измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ за счет снижения амплитудно-фазовой погрешности путем деления динамического диапазона амплитуд испытательных сигналов СВЧ на равные динамические поддиапазоны амплитуд, для каждого из которых эта погрешность нормируется. Однако при этом не учитывается амплитудно-фазовая погрешность, возникающая в первом и втором смесителях СВЧ, которая, как показывают экспериментальные исследования, может достигать нескольких десятков градусов. Для учета этой погрешности необходимо знать сдвиг фаз, вносимый смесителем СВЧ в испытательный сигнал при гетеродинном преобразовании его частоты и зависящего от амплитуды этого сигнала.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение точности измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ за счет учета амплитудно-фазовой погрешности, возникающей в первом и втором смесителях СВЧ.
Для достижения технического результата предлагается в устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, содержащее двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных СВЧ сигналов, испытуемый четырехполюсник СВЧ, двухканальный супергетеродинный приемник, имеющий первый и второй СВЧ-смесители, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, управляющий компьютер, индикатор отношений, первый дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из первого усилителя, первого переменного и первого постоянного резисторов, второго дискретно регулируемого операционного усилителя, состоящего из второго усилителя и второго переменного и второго постоянного резисторов, дополнительного генератора, переменного аттенюатора, равноплечного делителя, вольтметра, блока управления и шести переключателей, дополнительно ввести первый и второй ампервольтметры, вычислитель и четыре переключателя.
В заявленном устройстве вход испытуемого четырехполюсника СВЧ соединен одновременно с первым выходом первого испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов и первым неподвижным контактом второго переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсника СВЧ. Подвижный контакт первого переключателя соединен с первым входом первого СВЧ смесителя, второй вход которого одновременно соединен со вторым выходом второго испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов и вторым входом второго смесителя СВЧ, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя. Первый выход второго смесителя СВЧ соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, второй неподвижный контакт которого, соединен со вторым неподвижным контактом третьего переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым выходом первого СВЧ-смесителя, второй выход которого соединен с входом первого ампервольтметра, выход которого соединен со вторым входом вычислителя, первый вход которого соединен с выходом второго ампервольтметра, вход которого соединен со вторым выходом второго СВЧ смесителя. Выход вычислителя соединен с пятым входом индикатора отношений, второй выход которого соединен с третьим входом вычислителя, выход дополнительного генератора соединен с входом равноплечного делителя, первый выход которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя, а второй выход соединен со вторым неподвижным контактом шестого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя. Подвижный контакт шестого переключателя соединен с подвижным контактом восьмого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом десятого переключателя, второй неподвижный контакт которого одновременно соединен со вторым неподвижным контактом девятого переключателя и выходом переменного аттенюатора, вход которого одновременно соединен со вторым неподвижным контактом восьмого переключателя и вторым неподвижным контактом седьмого переключателя, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя. Первый неподвижный контакт седьмого переключателя, соединен с первым неподвижным контактом девятого переключателя, подвижный контакт которого через первый постоянный резистор одновременно соединен с входом первого усилителя, первым выходом блока управления и через первый переменный резистор одновременно соединен со вторым выходом блока управления, выходом первого операционного усилителя, первым входом вольтметра и входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого одновременно соединен с третьим входом вольтметра и со вторым входом индикатора отношений, третий вход которого соединен с выходом вольтметра, четвертый вход которого одновременно соединен с четвертым входом индикатора отношений и выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого одновременно соединен со вторым входом вольтметра, выходом второго усилителя и четвертым выходом блока управления, третий выход которого одновременно соединен с входом второго усилителя, через второй переменный резистор с выходом второго усилителя и через второй постоянный резистор с подвижным контактом десятого переключателя. Первый выход управляющего компьютера соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с четвертым выходом управляющего компьютера, третий выход которого соединен с первым входом индикатора отношений, первый выход которого соединен с входом управляющего компьютера, второй выход которого соединен с входом двухчастотного синтезатора когерентных первого и второго испытательных СВЧ-сигналов.
Отличительным признаком предлагаемого измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ является введение в него первого и второго ампервольтметров, вычислителя и четырех переключателей. Введение этих деталей и соответствующих связей между ними и другими деталями позволяет определять сдвиги фаз каждого из двух смесителей СВЧ и на их основе вычислять их амплитудно-фазовую погрешность и повысить точность измерений за счет ее учета.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ
Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ содержит первый переключатель 1, испытуемый четырехполюсник СВЧ 2, двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных СВЧ сигналов 3, двухканальный супергетеродинный приемник 4, в состав которого входят: первый ампервольтметр 5, второй ампервольтметр 6, первый СВЧ-смеситель 7, второй переключатель 8, второй СВЧ-смеситель 9, третий переключатель 10, четвертый переключатель 11, пятый переключатель 12, дополнительный генератор 13, равноплечный делитель 14, шестой переключатель 15, седьмой переключатель 16, восьмой переключатель 17, девятый переключатель 18, десятый переключатель 19, переменный аттенюатор 20, блок управления 21, первый дискретно регулируемый операционный усилитель 22, состоящий из первого постоянного резистора 23, первого переменного резистора 24, первого усилителя 25, второй дискретно регулируемый операционный усилитель 26, состоящий из второго постоянного резистора 27, второго переменного резистора 28, второго усилителя 29, управляющий компьютер 30, первый аналого-цифровой преобразователь 31, вольтметр 32, второй аналого-цифровой преобразователь 33, индикатор отношений 34, вычислитель 35.
Вход испытуемого четырехполюсника СВЧ 2 соединен одновременно с первым выходом первого испытательного СВЧ сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов 3 и первым неподвижным контактом второго переключателя 8, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя 1, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсника СВЧ 2. Подвижный контакт первого переключателя 1 соединен с первым входом первого СВЧ-смесителя 7, второй вход которого одновременно соединен со вторым выходом второго испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных сигналов 3 и вторым входом второго СВЧ-смесителя 9, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя 8. Первый выход второго СВЧ-смесителя 9 соединен с подвижным контактом четвертого переключателя 11, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом третьего переключателя 10, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя 12, первый неподвижный контакт которого соединен с первым выходом первого СВЧ-смесителя 7, второй выход которого соединен с входом первого ампервольтметра 5, выход которого соединен со вторым входом вычислителя 35, первый вход которого соединен с выходом второго ампервольтметра 6, вход которого соединен со вторым выходом второго СВЧ смесителя 9. Выход вычислителя 35 соединен с пятым входом индикатора отношений 34, второй выход которого соединен с третьим входом вычислителя 35. Выход дополнительного генератора 13 соединен с входом равноплечного делителя 14, первый выход которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя 10, а второй выход соединен со вторым неподвижным контактом шестого переключателя 15, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя 11. Подвижный контакт шестого переключателя 15 соединен с подвижным контактом восьмого переключателя 17, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом десятого переключателя 19, второй неподвижный контакт которого одновременно соединен со вторым неподвижным контактом девятого переключателя 18 и выходом переменного аттенюатора 20, вход которого одновременно соединен со вторым неподвижным контактом восьмого переключателя 17 и вторым неподвижным контактом седьмого переключателя 16, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя 12. Первый неподвижный контакт седьмого переключателя 16, соединен с первым неподвижным контактом девятого переключателя 18, подвижный контакт которого через первый постоянный резистор 23 одновременно соединен с входом первого усилителя 25, первым выходом блока управления 21 и через первый переменный резистор 24 одновременно соединен со вторым выходом блока управления 21, выходом первого усилителя 25, первым входом вольтметра 32 и входом первого аналого-цифрового преобразователя 31, выход которого одновременно соединен с третьим входом вольтметра 32 и со вторым входом индикатора отношений 34, третий вход которого соединен с выходом вольтметра 32, четвертый вход которого одновременно соединен с четвертым входом индикатора отношений 34 и выходом второго аналого-цифрового преобразователя 33, вход которого одновременно соединен со вторым входом вольтметра 32, выходом второго усилителя 29 и четвертым выходом блока управления 21, третий выход которого одновременно соединен с входом второго усилителя 29, через второй переменный резистор 28 с выходом второго усилителя 29 и через второй постоянный резистор 27 с подвижным контактом десятого переключателя 19. Первый выход управляющего компьютера 30 соединен с первым входом блока управления 21, второй вход которого соединен с четвертым выходом управляющего компьютера 30, третий выход которого соединен с первым входом индикатора отношений 34, первый выход которого соединен с входом управляющего компьютера 30, второй выход которого соединен с входом двухчастотного синтезатора когерентных первого и второго испытательных СВЧ-сигналов 3.
1
2
1
ПЧ
3
Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ работает следующим образом. В режиме измерения комплексных параметров испытуемого четырехполюсника СВЧ 2, подвижные контакты переключателей 1, 8, 10, 11, 12, 15, 16, 17, 18, 19 устанавливают в первое положение. Первый испытательный сигнал СВЧ с частотой f с первого выхода двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 3 одновременно подают на первый (сигнальный) вход второго СВЧ смесителя 7 и на вход испытуемого четырехполюсника СВЧ 2, с выхода которого он поступает на первый (сигнальный) вход первого СВЧ смесителя 7. Одновременно со второго выхода двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 3, второй испытательный сигнал СВЧ, играющий роль гетеродинного с частотой f, подают на вторые (гетеродинные) входы первого СВЧ смесителя 7 и второго СВЧ смесителя 9, с помощью которых первый испытательный сигнал СВЧ с частотой f преобразуют в испытательные сигналы промежуточной частоты f=f двухканального супергетеродинного приемника 4, которые через переключатели 12, 16 и 18 первого измерительного канала поступают на вход первого дискретно управляемого операционного усилителя 22, а через переключатели 11, 15, 17 и 19 второго измерительного канала попадают на вход второго дискретно управляемого операционного усилителя 26, с выходов которых эти усиленные испытательные сигналы поступают на входы первого аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала 31 и второго аналого-цифрового преобразователя 33 второго измерительного канала, где преобразуются в цифровые сигналы, которые с их выходов подают на второй и четвертый входы индикатора отношений 34, где их сравнивают по амплитуде и фазе, а результат выводится на табло индикатора отношений 34 раздельно в виде модуля и фазы комплексного параметра испытуемого четырехполюсника СВЧ 2.
Первый и второй СВЧ смесители 7 и 9 выполнены на основе направленных ответвителей и, меняя способ их присоединения к испытуемому четырехполюснику СВЧ 2 «на проход» и «на отражение», измеряют либо его комплексный коэффициент передачи, либо комплексный коэффициент отражения.
При этом такие смесители выполняют, как правило, в однодиодном исполнении.
Автоматически перестраивая в диапазоне частот двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных сигналов СВЧ 3, на дисплее индикатора отношений 34 наблюдают амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики испытуемого четырехполюсника СВЧ 2.
Снижение величины амплитудно-фазовой погрешности достигается следующим образом.
1
1
2
1
2
1
2
3
Определяют амплитудно-фазовую погрешность, вносимую первым 7 и вторым 9 СВЧ-смесителями. С этой целью находят истинные фазовые сдвиги этих смесителей (а.с. СССР №14755347, кл. G01R 27/28). Для этого в отсутствии испытуемого четырехполюсника СВЧ 2 и непосредственном соединении первого выхода первого испытательного сигнала СВЧ с частотой f двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 3 через первый переключатель 1 в первом положении его подвижного контакта с первым входом первого СВЧ-смесителя 7 и одновременно через второй переключатель 8 в первом положении его подвижного контакта с первым входом СВЧ смесителя 9 измеряют разность между фазовыми сдвигами ϕ первого СВЧ смесителя 7 и ϕ - второго СВЧ смесителя 9. Эту разность фаз представляют в виде уравнения ϕ-ϕ=A и численную величину А заносят в память вычислителя 35, представляющего собой микропроцессор. При этом ϕ - фазовый сдвиг, вносимый в первый испытательный сигнал первым СВЧ первым СВЧ смесителем 7 при его преобразовании в сигнал промежуточной частоты, а ϕ - фазовый сдвиг, вносимый в первый испытательный сигнал вторым СВЧ смесителем 9, при его гетеродинном преобразовании в сигнал промежуточной частоты f.
3
1
2
3
1
2
3
Сигналы промежуточной частоты f могут быть образованы как суммой, так и разностью частот первого f и второго f испытательных сигналов СВЧ в процессе гетеродинного преобразования первого испытательного сигнала СВЧ в сигнал промежуточной частоты. Для удобства в дальнейшем примем, что f=f-f. При этом частоту сигналов дополнительного генератора 13 выбирают равной промежуточной частоте f.
2
ПЧ
2
1
2
3
1
3
3
1
2
1
2
3
3
Затем переключатели 1, 8, 10, 11 переводятся во второе положение их подвижных контактов. В этом случае первый 7 и второй 9 СВЧ смесители соединяются последовательно так, что первый сигнальный вход первого СВЧ смесителя 7 оказывается соединенным с первым сигнальным входом второго СВЧ смесителя, а присоединение второго испытательного сигнала с частотой f ко вторым (гетеродинным) входам первого 7 и второго 9 СВЧ смесителей остается неизменным. При таком соединении смесителей на первый выход второго СВЧ смесителя 9 от дополнительного генератора 13 через первый выход равноплечного делителя 14 третий переключатель 10, и четвертый переключатель 11 подают сигнал промежуточной частоты f. В результате его смешивания во втором СВЧ смесителе 9 с сигналом второго испытательного сигнала СВЧ с частотой f образуется первый испытательный сигнал с частотой f так, как f+f=f, который преобразуется в первом СВЧ смесителе 7 в сигнал промежуточной частоты f первого измерительного канала. Сдвиг фаз сигнала промежуточной частоты f равен сумме сдвигов фаз ϕ первого СВЧ смесителя 7 и ϕ - второго СВЧ смесителя 9. Эту суму представляют в виде уравнения ϕ+ϕ=B. Численную величину суммы сдвигов фаз B получают в индикаторе отношений 34 путем сравнения сигналов промежуточной частоты f первого измерительного канала, поступающего на второй вход индикатора отношений 34 и сигналов промежуточной частоты f второго измерительного канала, поступающего на четвертый вход индикатора отношений 34, непосредственно от дополнительного генератора 13.
3
3
3
Дополнительный генератор 13 в блок-схеме, приведенной на чертеже, выполняет две функции. Он изначально имеется в устройстве для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ взятом за прототип и предназначен в нем для генерирования зондирующих сигналов с частотой f, необходимых для проведения аттестации его амплитудно-фазовой погрешности на его промежуточной частоте, также равной f. Одновременно этот же дополнительный генератор промежуточной частоты 13, как уже имеющийся в прототипе со своей промежуточной частотой f, используется и при измерении суммы сдвигов фаз первого 7 и второго 9 СВЧ смесителей в соответствии со способом измерения истинных сдвигов фаз этих смесителей.
Затем численная величина B через второй выход индикатора отношений 34 подается на третий вход вычислителя 35. В вычислителе 35 при решении системы уравнений
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>A</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>B</mi></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
1
2
с учетом их знаков определяются истинные сдвиги фаз ϕ - для первого СВЧ смесителя 7 и ϕ - для второго СВЧ смесителя 9. Зная величину истинного сдвига фаз вносимого СВЧ смесителем в сигнал промежуточной частоты в процессе гетеродинного преобразования величину амплитудно-фазовой погрешности этого смесителя, находят в вычислителе 35 по следующей методике.
s
Σ
∂
Полупроводниковый смесительный диод в диапазоне СВЧ может быть представлен эквивалентной схемой, включающей в себя сопротивление объема полупроводника r (сопротивление растекания) и включенные последовательно с ним параллельно соединенные суммарная емкость p-n перехода C, состоящая из его барьерной и дифференциальной емкостей, и дифференциальное сопротивление p-n перехода полупроводника r (Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений, под ред. И.Н. Горюнова, Ю.Р. Носова. М., Сов. радио, 1968, с.96, рис.6.2).
n
0
На этом основании комплексное сопротивление Z полупроводникового смесительного диода СВЧ на его рабочей частоте f описывается выражением:
<mrow><msub><mi>Z</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mo>∂</mo></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>r</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>С</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>j</mi><mfrac><mrow><msubsup><mi>r</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>С</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>r</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>С</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
обозначив в котором активную часть сопротивления
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mo>∂</mo></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>r</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>С</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow><mtext>                                                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
а реактивную часть
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>r</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>С</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow><mtext>                                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
0
ПЧ
находят сдвиг фаз ϕ, вносимый p-n переходом, а следовательно, и полупроводниковым смесительным диодом в испытательный сигнал СВЧ в процессе его гетеродинного преобразования в сигнал промежуточной частоты f в виде выражения:
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>X</mi><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>r</mi><mo>∂</mo></msub><msub><mi>С</mi><mi>Σ</mi></msub><mtext>                                                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
1
2
Σ
Σ
пр
Сдвиг фаз ϕ в формуле (4) описывает истинные фазовые сдвиги ϕ и ϕ, вносимые первым СВЧ смесителем 7 и вторым СВЧ смесителем 9 в сигнал промежуточной частоты, которые, как следует из формулы (4), пропорциональны суммарной емкости C p-n перехода смесительного диода, изменение величины которой от амплитуды испытательного сигнала СВЧ и определяет величину амплитудно-фазовой погрешности СВЧ смесителя. Одновременно суммарная емкость C p-n перехода определяется током I, протекающим через p-n переход смесительного диода, который описывается известным выражением:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ï</mi><mi>ð</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
где I - ток неосновных носителей заряда в p-n переходе;
U - напряжение, приложенное к p-n переходу;
Т
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>Т</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>e</mi><mrow><mi>k</mi><mi>Т</mi></mrow></mfrac></mrow>
ϕ - термический потенциал
, в котором e - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, T - температура по Кельвину.
Продифференцировав выражение (5) по напряжению, приложенному к p-n переходу U получают выражение:
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>U</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow></mfrac><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>r</mi><mo>∂</mo></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
пр
пр
Выражение представляет собой зависимость тока через смесительный диод СВЧ I от величины приложенного к нему напряжения U, которое в свою очередь зависит и определяется величиной амплитуды испытательного сигнала СВЧ, поданного в СВЧ смеситель, а так как второй испытательный сигнал СВЧ играет роль гетеродинного и, следовательно, в процессе измерений его амплитуда постоянна, то изменение тока I от величины приложенного напряжения определяется только изменением амплитуды первого испытательного сигнала СВЧ.
∂
0
Продифференцировав по частоте ∂f формулу (4) и подставив в нее r из формулы (6) получают зависимость изменения сдвига фаз ϕ от величины тока через смесительный диод в виде выражения
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ï</mi><mi>ð</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>С</mi><mi>Σ</mi></msub><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ï</mi><mi>ð</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>f</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>С</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mtext>                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
откуда находят формулу для расчета амплитудно-фазовой погрешности в виде:
<mrow><mo>∂</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>С</mi><mi>Σ</mi></msub><msub><mi>φ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>f</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>С</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>φ</mi><mi>Т</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>∂</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
которую используют в вычислителе 35. Определенную в вычислителе 35 величину амплитудно-фазовой погрешности подают на пятый вход индикатора отношений 34 для учета при измерениях, что позволяет повысить точность измерений.
пр
пр
s
∂
Из формулы (8) следует, что для определения амплитудно-фазовой погрешности, вносимой каждым из СВЧ смесителей 7 и 9, необходимо знание величины тока I, протекающего через смесительный диод и динамического сопротивления смесительного диода в его рабочей точке. Эти параметры получают применением ампервольтметров 5 и 6, которые измеряют токи смесительных диодов I и падение напряжения на них и подают результаты измерений в вычислитель 35, где с учетом сопротивления растекания r находят величину дифференциального сопротивления r в зависимости от амплитуды первого испытательного сигнала СВЧ, поданного на вход первого 7 или второго 9 СВЧ смесителей.
Дальнейшее снижение амплитудно-фазовой погрешности заключается в делении динамического диапазона амплитуд испытательных сигналов СВЧ устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ на небольшие динамические поддиапазоны амплитуд испытательных сигналов, в которых амплитудно-фазовая погрешность мала.
В аналого-цифровых преобразователях амплитудно-фазовая погрешность практически отсутствует. Поэтому их динамический диапазон амплитуд исключают из общего динамического диапазона амплитуд проектируемого измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ. Динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя (АЦП) определяется его разрядностью и для современных типов не превышает 60 дБ. Остальной динамический диапазон амплитуд измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ (обычно еще 40-50 дБ) делят на динамические поддиапазоны амплитуд одинаковой ширины, которые выбирают руководствуясь минимально возможной величиной амплитудно-фазовой погрешности, и которые, исходя из этого, устанавливают шириной в 6 дБ.
Динамический поддиапазон амплитуд для первого испытательного сигнала СВЧ (второй испытательный сигнал СВЧ играет роль гетеродинного для двухканального супергетеродинного приемника) реализуют путем включения в каждый из двух каналов дискретно перестраиваемых первого 22 и второго 26 операционных усилителей, коэффициенты усиления которых сохраняют постоянными в пределах динамического поддиапазона амплитуд, но дискретно меняют с шагом в 6 дБ при переходе от одного динамического поддиапазона амплитуд к другому.
Это изменение осуществляют путем переключения резисторов обратных связей в первом 22 и втором 26 дискретно регулируемых операционных усилителях. Обратная связь в первом дискретно перестраиваемом операционном усилителе 22 осуществляе тся с помощью первого постоянного резистора 23 и первого переменного резистора 24, включенных совместно с первым усилителем 25. Обратная связь во втором дискретно перестраиваемом операционном усилителе 26 осуществляется с помощью второго постоянного резистора 27 и второго переменного резистора 28, включенных совместно со вторым усилителем 29. Абсолютную величину коэффициентов усиления в динамических поддиапазонах амплитуд первого испытательного сигнала СВЧ устанавливают с шагом в 6 дБ, величинами 0 дБ (коэффициент усиления равен единице), 6 дБ, 12 дБ, 18 дБ, 24 дБ и так до конца динамического диапазона этого испытательного сигнала, разной абсолютной величины в каждом из динамических поддиапазонов амплитуд, по одинаковой для динамических поддиапазонов амплитуд с одинаковыми номерами в соседних первом и втором каналах супергетеродинного приемника 4.
Путем применения переключаемых динамических поддиапазонов амплитуд, в которых амплитудно-фазовая погрешность практически отсутствует, снижают и общую амплитудно-фазовую погрешность измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ.
Динамические поддиапазоны амплитуд переключаются автоматически с помощью блока управления 21, по командам управляющего компьютера 30 в зависимости от величины модуля измеряемого комплексного коэффициента передачи или отражения испытуемого четырехполюсника СВЧ 2.
В процессе эксплуатации устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ регулярно проводят аттестацию собственной погрешности величины амплитудно-фазовой погрешности в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд поочередно в первом и втором каналах супергетеродинного приемника 4. Для проведения аттестации переключатели 12 и 15 переводят во второе положения. При этом в первый и второй каналы двухканального супергетеродинного приемника 4 поступает зондирующий сигнал через равноплечный делитель 14 от дополнительного генератора 13 с частотой равной промежуточной двухканального супергетеродинного приемника 4.
При аттестации исходят из следующего положения. Идеальная величина модуля комплексного коэффициента усиления в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд равна отношению номиналов постоянных и переменных резисторов обратной связи первого 22 и второго 26 дискретно перестраиваемых операционных усилителей. Точность и стабильность идеальной величины модуля комплексного коэффициента передачи определяется точностью выполнения номиналов величин резисторов обратной связи первого 22 и второго 26 дискретно перестраиваемых операционных усилителей. Таким образом, величина модуля комплексного коэффициента усиления для каждого динамического поддиапазона амплитуд заранее известна. В случае отсутствия амплитудно-фазовой погрешности в любом динамическом поддиапазоне амплитуд (идеальный случай) сдвиг фаз в нем также должен быть равен нулю. Исходя из этого в аттестуемом по величине амплитудно-фазовой погрешности канале измеряют коэффициенты усиления его дискретно регулируемого операционного усилителя 22 или 26 путем изменения номиналов их переменных резисторов 24 и 28 соответственно и измеряют эти коэффициенты усиления в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд путем сравнения уровней зондирующих сигналов в аттестуемом и не аттестуемом каналах двух канального супергетеродинного приемника 4 с помощью индикатора отношений 34. Для этого зондирующие сигналы с помощью первого 31 и второго 33 АЦП переводят в цифровую форму и подают на второй и четвертый входы соответственно индикатора отношений 34. При этом в начале аттестации в не аттестуемом канале двухканального супергетеродинного приемника 4 включают динамический поддиапазон амплитуд с коэффициентом усиления нуль децибел (коэффициент передачи равен единице) и сохраняют его в течении всего периода аттестации канала.
Отклонение измеренного модуля комплексного коэффициента усиления в каждом аттестуемом динамическом поддиапазоне амплитуд от его идеального значения при аттестации есть модуль (величина) амплитудно-фазовой погрешности. Отклонение сдвига фаз при измерениях в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд от нуля при аттестации есть паразитный сдвиг фаз возникающий из-за амплитудно-фазовой погрешности. При аттестации создают одинаковые условия измерений в каждом аттестуемом динамическом поддиапазоне амплитуд для уровней зондирующих сигналов путем установления одинаковой их величины в каждом из этих динамических поддиапазонов амплитуд. Это осуществляется установкой единого для всех аттестуемых динамических поддиапазонов амплитуд «нулевого уровня» зондирующего сигнала на выходе дискретно перестраиваемых операционных усилителей 22 или 26 и соответственно на входе аналого-цифрового преобразователя аттестуемого канала двухканального супергетеродинного приемника 4, с помощью вольтметра 32 путем подачи зондирующего сигнала аттестуемого канала на первый или второй вход вольтметра 32. «Нулевой уровень» амплитуд зондирующего сигнала определяют путем измерения вольтметром 32 его уровня в динамическом поддиапазоне амплитуд с коэффициентом усиления «нуль децибел». При этом «нулевой уровень» устанавливают такой величины, которая соответствовала бы оптимальной чувствительности аналого-цифрового преобразователя, применяемого в аттестуемом канале. Регулировку уровней зондирующих сигналов в других динамических поддиапазонах амплитуд аттестуемого канала с целью доведения его до нулевого уровня осуществляют по вольтметру 32 с помощью переменного аттенюатора 20, включаемого для этих целей в аттестуемый канал переключателями 16, 17, 18 и 19 во втором положении перед дискретно перестраиваемым операционным усилителем. Величины модуля и фазы амплитудно-фазовой погрешности, полученные в результате аттестационных измерений для каждого из аттестуемых динамических поддиапазонов амплитуд сравнивают с устанавливаемыми для них нормированными величинами. По величине отклонений амплитудно-фазовой погрешности от нормированных значений в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд двухканального супергетеродинного приемника 4 в меньшую или большую сторону принимают решение либо о ее соответствии норме, либо об аварии.
Предлагаемое техническое решение позволяет повышать точность устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ за счет снижения величины амплитудно-фазовой погрешности с одновременным контролем этой величины.