УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА СВЧ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF SHF QUADRIPOLE

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при контроле различных устройств СВЧ.
Известны панорамные измерители модулей коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, они же устройства для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ Р2-52 - Р2-71 (Измерения в электронике. Справочник. Под ред. В.А.Кузнецова. М.: Энергоатомиздат. - 1987. - с.225), содержащие генератор качающейся частоты, опорный и измерительный направленные детекторы и панорамный индикатор отношений сигналов с выходов направленных детекторов. Опорный и измерительный направленные детекторы вместе с содержащимися в них полупроводниковыми детекторными диодами в дальнейшем будем именовать соответственно опорным и измерительным детекторами.
Недостатком этих устройств является большая погрешность измерения при больших уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ, не позволяющая им работать и возникающая из-за неквадратичности вольтамперной характеристики полупроводникового диода измерительного детектора.
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству являются панорамные измерители модулей коэффициентов передачи и отражений Р2-73 - Р2-86, в которых конструктивно реализован режим коррекции неквадратичности (Каталог 90/91 радиоизмерительные приборы. М., ЭКОС, 1989, с.63), содержащие генератор качающейся частоты, опорный и измерительный детекторы, микропроцессор - компьютер и панорамный индикатор отношений, управляющий вход которого соединен с одним из выходов компьютера и управляющим входом генератора качающейся частоты, выход испытательного сигнала СВЧ которого соединен со входом испытуемого четырехполюсника СВЧ, выход которого через переключатель в первом положении соединен со входом измерительного детектора.
К недостаткам данного устройства относится большая погрешность измерений амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ при больших уровнях испытательных сигналов СВЧ.
-5
Известно, что измерения амплитудно-частотных характеристик с помощью измерительного детектора проводят при уровнях испытательных сигналов СВЧ, соответствующих квадратичному участку его вольтамперной характеристики. При уровнях испытательных сигналов СВЧ менее 10 Вт вольтамперная характеристика детекторного диода наиболее точно описывается полиномом Тейлора второй степени типа
,
где i(t) - ток через детектор,
0
1
2
а, a, a - постоянные коэффициенты,
вх
U - напряжение на входе детектора.
-5
Это дает основание полагать, что такая вольтамперная характеристика носит квадратичный характер, т.е. напряжение на выходе детектора прямо пропорционально мощности на его входе. Такая зависимость характеризуется детекторной характеристикой измерительного детектора, которая представляет собой графическую зависимость напряжения на выходе измерительного детектора от уровня мощности на его входе. При больших уровнях мощности испытательного сигнала СВЧ на входе измерительного детектора (более 10 Вт) вольтамперная характеристика детекторного диода уже не описывается полиномом Тейлора и становится неквадратичной. Детекторная характеристика измерительного детектора становится нелинейной. Возникает большая погрешность измерений. В наиболее близком аналоге для частичного снижения такой погрешности применяется схема коррекции вольтамперной характеристики детекторного диода измерительного детектора путем подачи на него различных уровней напряжения смещения от источника постоянного тока. Однако при больших уровнях мощности, как было показано выше, вольтамперная характеристика, как было отмечено, уже не описывается полиномом Тейлора и, значит, такое схемное решение непригодно для ее коррекции при больших уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ.
Возникающая погрешность измерений делает невозможным проведение измерений амплитудно-частотных характеристик при больших уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ на входе измерительного детектора.
Кроме того, такой режим коррекции не учитывает изменения вольтамперной характеристики от изменения температуры и при смене детекторного диода, не учитывает частотной зависимости входного сопротивления измерительного детектора т.к. проводится на постоянном токе.
Нелинейность детекторной характеристики измерительного детектора существенно ограничивает и динамический диапазон измеряемых амплитуд сигналов из-за больших погрешностей.
Технической задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ за счет снижения погрешности измерений при больших уровнях мощности испытательного сигнала СВЧ.
Для решения поставленной технической задачи предлагается в устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, содержащее генератор качающейся частоты, измерительный детектор, компьютер и панорамный индикатор, дополнительно ввести калибратор, управляемый аттенюатор, датчик температуры, переключатели и контроллер.
При этом управляющий вход панорамного индикатора соединен с первым выходом компьютера и управляющим входом генератора качающейся частоты, выход испытательного сигнала СВЧ которого через первый переключатель в первом положении его подвижного контакта соединен со входом испытуемого четырехполюсника СВЧ, выход которого через третий переключатель во втором положении его подвижного контакта соединен с сигнальным входом измерительного детектора, сигнальный выход которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входом компьютера, третий выход которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, неподвижный контакт которого соединен с первым входом контроллера, второй вход которого соединен со вторым выходом компьютера, четвертый выход которого соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора, сигнальный выход которого соединен с третьим неподвижным контактом третьего переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя. Выход калибратора соединен с сигнальным входом управляемого аттенюатора. Измерительный детектор соединен со входом датчика температуры, выход которого соединен со вторым входом компьютера. Вторые контакты второго и четвертого переключателей соединены между собой. Выход контроллера соединен с сигнальным входом панорамного индикатора.
Отличительными признаками предлагаемого устройства для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ является введение в устройство калибратора, управляемого аттенюатора, датчика температуры и контроллера. Наличие этих деталей и соответствующие связи между всеми деталями позволяют снизить погрешность измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ за счет коррекции нелинейности детекторной характеристики измерительного детектора для любых уровней мощности испытательного сигнала СВЧ на его входе и повысить точность измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, на фиг.2 приведен график идеальной (пунктиром) и реальной (сплошной линией) детекторных характеристик измерительного детектора.
Устройство содержит калибратор 1, генератор качающейся частоты 2, контроллер 3, панорамный индикатор 4, управляемый аттенюатор 5, испытуемый четырехполюсник 6 СВЧ, первый переключатель 7, второй переключатель 8, компьютер 9, третий переключатель 10, датчик температуры 11, измерительный детектор 12, четвертый переключатель 13.
Управляющий вход 2 панорамного индикатора 4 соединен с первым выходом компьютера 9 и управляющим входом генератора качающейся частоты 2, выход испытательного сигнала СВЧ которого через первый переключатель 7 в первом положении соединен со входом испытуемого четырехполюсника 6 СВЧ, выход которого через третий переключатель 10 во втором положении соединен с сигнальным входом измерительного детектора 12, сигнальный выход которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя 13, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входом компьютера 9, третий выход которого соединен с первым контактом второго переключателя 8, неподвижный контакт которого соединен с первым входом 1 контроллера 3, второй вход которого соединен со вторым выходом 2 компьютера 9, четвертый выход которого соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора 5, сигнальный выход которого соединен с третьим неподвижным контактом третьего переключателя 10, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя 7. Выход калибратора 1 соединен с сигнальным входом управляемого аттенюатора 5, измерительный детектор 12 соединен со входом датчика температуры 11, выход которого соединен со вторым входом компьютера 9. Вторые контакты второго 8 и четвертого 13 переключателей соединены между собой. Выход контроллера 3 соединен с сигнальным входом панорамного индикатора 4.
Устройство работает следующим образом. В начале производится калибровка устройства, целью которой является нахождение поправочных величин напряжений, которые затем используют в режиме измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ для исключения погрешности измерений из-за нелинейности детекторной характеристики измерительного детектора при больших уровнях мощности испытательного сигнала СВЧ, не нарушающего его электрической целостности. Эти поправочные величины напряжений находят путем сравнения графиков реальной и идеальной детекторных характеристик измерительного детектора, которые строят в одной системе координат путем аппроксимации (фиг.2).
-5
Линейную часть детекторной характеристики строят в виде прямой линии, проведенной через начало координат, где нулевой мощности на входе измерительного детектора 12 соответствует нулевое напряжение на его выходе, и точку, заведомо лежащую в линейной части детекторной характеристики, которая соответствует мощности менее 10 Вт на его входе. Продолжение прямой линии, проведенной через эти точки, представляет идеальную детекторную характеристику.
-5
Нелинейную часть реальной детекторной характеристики измерительного детектора 12, которая начинается при мощности более 10 Вт на его входе, строят с помощью коэффициентов аппроксимации, которые находят для нескольких точек нелинейной части детекторной характеристики, путем решения линейных уравнений, связывающих уровень напряжения на выходе измерительного детектора 12 с мощностью на его входе. Количество точек аппроксимации для графического построения нелинейной части детекторной характеристики измерительного детектора 12 устанавливают, руководствуясь тем, что чем больше точек для аппроксимации, тем она точнее. Одновременно с этим количество точек аппроксимации определяет сложность конструктивной реализации управляемого аттенюатора 5: чем больше точек, тем она сложнее. Поэтому на основании многочисленных экспериментов и исходя из принципа разумной достаточности выбирают четыре точки для проведения аппроксимации.
1
Данные для составления линейных уравнений получают следующим образом. Переключатели 7, 8, 10 и 13 переводят в первое положение, а первый переключатель 7 - во второе положение. В этом режиме постоянные по уровню мощности сигналы фиксированной частоты, лежащей в рабочем диапазоне частот измерительного детектора 12, с выхода калибратора 1 подают через управляемый аттенюатор 5 и третий переключатель 10 в третьем положении на сигнальный вход измерительного детектора 12, с выхода которого полученный в результате сигнал измерительного детектора 12 через переключатель 13 в первом положении подают на первый вход компьютера 9. Затем ослабление управляемого аттенюатора 5 меняют последовательно ступенями на "минус" 10, 20, 30 и 40 децибел по программе управления, подаваемой с третьего выхода компьютера 9, меняя тем самым уровни мощности сигнала от калибратора 1 на входе измерительного детектора 12, и измеряют величину напряжения сигналов измерительного детектора 12, соответствующую этим уровням. При этом положение управляемого аттенюатора 5 "нуль децибел" соответствует максимальному уровню мощности сигнала от калибратора 1 P, а ослабление аттенюатора 5 "40 децибел" соответствует линейному детектированию сигнала от калибратора 1.
Уровень мощности сигнала от калибратора 1 известен и стабилен по абсолютной величине во времени. Величину этого уровня заносят в память компьютера 9. Порядок включения ослаблений управляемого аттенюатора 5 определяется программой компьютера 9, а их величина известна. Таким образом, в компьютере 9 сохраняется абсолютная величина мощности на входе измерительного детектора 12 от калибратора 1 и соответствующая ей величина напряжения сигнала измерительного детектора 12 на его выходе. По полученным данным составляют систему линейных уравнений вида:
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
в которых P, P, P, P - уровни мощности на входе измерительного детектора 12, соответствующие ослаблениям 0, 10, 20, 30 дБ соответственно, а U, U, U, U - величины сигнала детектора на выходе измерительного детектора 12, соответствующие уровням мощности P, Р, P, P на его входе. Полученную систему линейных уравнений решают с помощью программного обеспечения компьютера 9 автоматически по программе, заложенной в его памяти, и вычисляют неизвестные коэффициенты а, b, с, d. Используя вычисленные коэффициенты а, b, с, d, для абсолютных уровней мощности P, P, P, P вычисляют величины напряжений на выходе измерительного детектора 12 и по ним строят нелинейную сплошную аппроксимированную часть детекторной характеристики измерительного детектора 12. Линейную часть этой характеристики достраивают по величине сигнала измерительного детектора 12 на его выходе и соответствующей мощности на его входе при ослаблении измерительного аттенюатора 5 "минус 40 децибел". Сравнивают продолжение линейной части идеальной детекторной характеристики с реальной детекторной характеристикой измерительного детектора 12, вычисляют поправочные величины напряжений для сигнала детектора как разность между этими характеристиками в зависимости от мощности сигнала на входе измерительного детектора 12. Затем полученную зависимость заносят через второй переключатель 8 в положении 1 с третьего выхода компьютера 9 в память контроллера 3 через его первый вход 1. При равномерном характере входной амплитудно-частотной характеристики измерительного детектора 12 результаты калибровки, полученные для одной частоты сигнала от калибратора 1, которую выбирают в рабочем диапазоне частот измерительного детектора 12, справедливы и для всех остальных частот его диапазона.
Температурный датчик 11 измерительного детектора 12 измеряет температурные условия его работы, которые в виде электрического сигнала подают на второй вход компьютера 9, где сравнивают с сигналом, соответствующим нормальной рабочей температуре, заложенной в памяти компьютера 9, который по результатам сравнения принимает решение о необходимости проведения новой калибровки.
После проведения режима калибровки устройства второй переключатель 8 и четвертый переключатель 13 переводят во второе положение, третий переключатель 10 переводят в первое положение, первый переключатель 7 переводят во второе положение, в результате чего испытательный сигнал СВЧ со своим заранее установленным уровнем мощности от генератора качающейся частоты 2 подают на вход измерительного детектора 12. Генератор качающейся частоты 2 выполняют с системой абсолютной стабилизации мощности испытательного сигнала СВЧ во всем рабочем диапазоне частот. Величину напряжения сигнала на выходе измерительного детектора 12, соответствующую установленному уровню мощности испытательного сигнала СВЧ, фиксируют в компьютере 9 и используют как отсчетный уровень для испытательного сигнала СВЧ на входе испытуемого четырехполюсника 6 СВЧ в режиме измерений. Такое решение позволяет исключить из блок-схемы на фиг.1 и из всего заявленного устройства опорный детектор, присутствующий в его аналоге.
Затем проводят измерения амплитудно-частотных характеристик испытуемых четырехполюсников 6 СВЧ. Для этого первый переключатель 7 переводят в первое положение, а третий переключатель 10 переводят во второе положение, второй переключатель 8 и четвертый переключатель 13 оставляют во втором положении. В этом режиме испытательный сигнал СВЧ от генератора качающейся частоты 2 подают на вход испытуемого четырехполюсника 6 СВЧ, с выхода которого этот сигнал подают на вход измерительного детектора 12, где его детектируют, и сигнал измерительного детектора 12, соответствующий уровню мощности на входе измерительного детектора 12, через второй переключатель 8 и четвертый переключатель 13 во втором положении подают на первый вход контроллера 3. В контроллере 3 в зависимости от величины напряжения сигнала детектора его корректируют с помощью поправочных величин напряжений, полученных при калибровке устройства, так чтобы сигнал детектора соответствовал по величине напряжения линейной детекторной характеристике измерительного детектора 12. Тем самым исключаются погрешности измерений при любых уровнях мощности испытательных сигналов СВЧ. В контроллере 3 корректированный сигнал измерительного детектора 12 сравнивают с запомненным отсчетным уровнем испытательного сигнала СВЧ на входе испытуемого четырехполюсника 6 СВЧ, который из компьютера 9 через его второй выход подают на второй вход контроллера 3. Результат сравнения с выхода контроллера 3 подают на измерительный вход панорамного индикатора 4, на управляющий вход 2 которого подают сигнал перестройки по частоте генератора качающейся частоты 2, вырабатываемый в компьютере 9 с его первого выхода 1. Таким образом, на экране электронно-лучевой трубки или жидкокристаллического индикатора панорамного индикатора 4 получают истинную амплитудно-частотную характеристику испытуемого четырехполюсника 6 СВЧ при любых уровнях мощности на входе измерительного детектора 12.
Возможность проводить измерения при больших уровнях мощности на входе измерительного детектора 12, не разрушающие его электрически, существенно расширяет динамический диапазон регистрируемых уровней амплитудно-частотных характеристик и, следовательно, повышает динамический диапазон амплитуд всего устройства.
Таким образом предлагаемое устройство позволяет полностью решить поставленную задачу.
вых
вх
На фиг.2 приведена экспериментальная детекторная характеристика, построенная для измерительного детектора 12 с полупроводниковым арсенидогаллиевым диодом HSCH9161 фирмы Hewelett-Packard, где U - напряжение на выходе измерительного детектора 12 в мВ, а Р - уровень мощности на входе этого детектора. Экспериментальные измерения, проведенные с макетом заявленного устройства, предназначенного для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников СВЧ, показали, что погрешность измерения этих характеристик в диапазоне частот 0,01-26,0 ГГц при уровнях мощности до 40 мВт не превышает "плюс, минус" 0,1 дБ.