УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ СВЧ
DEVICE FOR MEASURING COMPLEX COEFFICIENTS OF TRANSMISSION AND REFLECTION OF MICROWAVE FOUR TERMINAL NETWORKS

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.
Известны устройства для измерения комплексных характеристик испытуемых четырехполюсников СВЧ, состоящие из двухчастотных источников когерентных испытательных сигналов и двухканальных супергетеродинных их приемников с индикаторами отношений этих сигналов (Абубаниров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. - М.: Радиосвязь. - 1984. - с.141-156). К недостаткам этих устройств относится рост погрешности измерений с ростом динамического диапазона амплитуд испытательных сигналов, которая обусловлена амплитудно-фазовой погрешностью. Эта погрешность зависит от динамического диапазона амплитуд испытательных СВЧ-сигналов и с его увеличением возрастает. С ростом требований к увеличению точности измеряемых значений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ при одновременной необходимости повышения точности измерений привело к необходимости снижения амплитудно-фазовой погрешности в устройствах для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, которые в технической литературе имеют более краткое название - измерители комплексных параметров четырехполюсников СВЧ.
Как известно из метрологии, величина амплитудно-фазовой погрешности в измерителе комплексных параметров четырехполюсников СВЧ аттестуется с помощью измерения эталонных мер амплитуды и фазы с последующим вычислением погрешности измерений путем сравнения измеренной и эталонной величины. При этом точность воспроизведения величин эталонных значений амплитуды и фазы должна быть на порядок выше, чем погрешность самого измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ. В то же время точность современных измерителей комплексных параметров четырехполюсников СВЧ достигла таких значений, что стало невозможно на современном техническом этапе воспроизвести эти эталоны амплитуды и фазы с точностью, предъявляемой к таким эталонам. Однако при эксплуатации измерителей комплексных параметров четырехполюсников СВЧ в подавляющем большинстве случаев нет необходимости в дорогостоящих прямых инструментальных измерениях величины амплитудно-фазовой погрешности.
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству является "измеритель комплексных коэффициентов передачи РК4-55, содержащий двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ-сигналов и двухканальный супергетеродинный панорамный приемник с индикатором отношений испытательных сигналов с компьютерным управлением и обработкой измерений (Электронные измерительные приборы: каталог.- Нижний Новгород: Нижегородский НИПИ "Кварц". - 1996. - С.32).
К недостаткам устройства относятся большая амплитудно-фазовая погрешность, невозможность ее снижения и контроля.
Технической задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ путем снижения величины амплитудно-фазовой погрешности с одновременным контролем этой величины.
Для решения поставленной технической задачи предлагается в устройство для измерения комплексных параметров четырехполюсников СВЧ, содержащее двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных СВЧ-сигналов, испытуемый четырехполюсник СВЧ, двухканальный супергетеродинный приемник, состоящий из первого и второго СВЧ смесителей, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, управляющего компьютера и индикатора отношений, дополнительно ввести:
- первый дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из первого усилителя и первых постоянного и переменного резисторов;
- второй дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из второго усилителя и вторых постоянного и переменного резисторов;
- дополнительный генератор;
- переменный аттенюатор;
- равноплечный делитель;
- вольтметр;
- блок управления;
- шесть переключателей.
Вход испытуемого четырехполюсника СВЧ соединен одновременно с первым выходом первого испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов и первым входом второго СВЧ-смесителя, второй вход которого одновременно соединен с выходом второго испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов и вторым входом первого СВЧ-смесителя, первый вход которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсников СВЧ, первый вход индикатора отношений соединен с третьим выходом управляющего компьютера, вход которого соединен с выходом индикатора отношений, второй вход которого соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с четвертым входом индикатора отношений, второй выход управляющего компьютера соединен со входом двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов, вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен одновременно с первым входом вольтметра, выходом первого усилителя, одним из контактов первого переменного резистора, вторым выходом блока управления, первый выход которого соединен одновременно с другим контактом первого переменного резистора, входом первого усилителя и одним из контактов первого постоянного резистора, другой контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен одновременно со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя и входом переменного аттенюатора, выход которого соединен одновременно со вторыми неподвижными контактами пятого и шестого переключателей. Подвижный контакт шестого переключателя соединен с одним из контактов второго постоянного резистора, другой контакт которого соединен одновременно со входом второго усилителя одним из контактов второго переменного резистора и третьим выходом блока управления. Первый вход шестого переключателя соединен с первым выходом управляющего компьютера, четвертый выход которого соединен со вторым входом блока управления, четвертый выход которого соединен одновременно с другим контактом второго переменного резистора, выходом второго усилителя, входом второго аналого-цифрового преобразователя и вторым входом вольтметра, выход которого соединен с третьим входом индикатора отношений. Выход первого СВЧ-смесителя соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с одним из выходов равноплечного делителя, а другой его выход соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя, выход второго СВЧ-смесителя соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход дополнительного генератора соединен со входом равноплечного усилителя, подвижные контакты первого и третьего переключателей соединены между собой.
Отличительными признаками предлагаемого измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ является введение в него первого дискретно регулируемого операционного усилителя, состоящего из первого усилителя, первого постоянного и первого переменного резисторов; второго дискретно регулируемого операционного усилителя, состоящего из второго усилителя, второго постоянного и второго переменного резисторов, дополнительного генератора, переменного аттенюатора, равноплечного делителя, схемы управления, вольтметра и шести переключателей. Введение этих деталей и соответствующие связи между всеми деталями позволяют повысить точность измерения 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.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.
Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ содержит испытуемый четырехполюсник СВЧ 1, двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных сигналов 2, двухканальный супергетеродинный приемник 3, в состав которого входят: первый СВЧ-смеситель 4, второй СВЧ-смеситель 5, первый переключатель 6, второй переключатель 7, третий переключатель 8, четвертый переключатель 9, пятый переключатель 10, шестой переключатель 11, дополнительный генератор 12, равноплечный делитель 13, переменный аттенюатор 14, блок управления 15; первый дискретно регулируемый операционный усилитель 16, состоящий из первого постоянного резистора 17, первого переменного резистора 18, первого усилителя 19; второй дискретно регулируемый операционный усилитель 20, состоящий из второго постоянного резистора 21, второго переменного резистора 22, второго усилителя 23; управляющий компьютер 24, первый аналого-цифровой преобразователь 25, второй аналого-цифровой преобразователь 26, вольтметр 27, индикатор отношений 28.
Вход испытуемого четырехполюсника СВЧ 1 соединен одновременно с первым выходом двухчастотного синтезатора когерентных испытательных четырехполюсников СВЧ-сигналов 2 и первым входом второго СВЧ-смесителя 5, второй вход которого одновременно соединен со вторым выходом второго испытательного сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов 2 и вторым входом первого СВЧ-смесителя 4, первый вход которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсников СВЧ 1. Первый вход индикатора отношений 28 соединен с третьим выходом управляющего компьютера 24, вход которого соединен с выходом индикатора отношений 28, второй выход управляющего компьютера 24 соединен со входом двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов 2. Вход первого аналого-цифрового преобразователя 25 соединен одновременно с первым входом вольтметра 27, выходом первого усилителя 19, одним из контактов первого переменного резистора 18 и вторым выходом блока управления 15, первый выход которого соединен одновременно с другим контактом первого переменного резистора 18, входом первого усилителя 19 и одним из контактов первого постоянного резистора 17, другой контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя 10, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя 8, второй неподвижный контакт которого соединен одновременно со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя 9 и входом переменного аттенюатора 14, выход которого соединен одновременно со вторым неподвижным контактом пятого переключателя 10 и шестого переключателя 11, подвижный контакт которого соединен с одним из контактов второго постоянного резистора 21, другой контакт которого соединен одновременно с входом второго усилителя 23, одним из контактов второго переменного резистора 22 и третьим выходом блока управления 15, первый вход которого соединен с первым выходом управляющего компьютера 24, четвертый выход которого соединен со вторым входом блока управления 15, четвертый выход которого соединен одновременно с другим контактом второго переменного резистора 22, выходом второго усилителя 23, входом второго аналого-цифрового преобразователя 26 и вторым входом вольтметра 27, выход которого соединен с третьим входом индикатора отношений 28. Выход первого СВЧ-смесителя 4 соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя 6, второй неподвижный контакт которого соединен с одним из выходов равноплечного делителя 13, другой выход которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя 7, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя 9, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя 11, выход второго СВЧ-смесителя 5, соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя 7, выход дополнительного генератора 12 соединен со входом равноплечного делителя 13, подвижные контакты первого переключателя 6 и третьего переключателя 8 соединены между собой.
Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ работает следующим образом. В режиме измерения комплексных параметров испытуемого четырехполюсника СВЧ 1 подвижные контакты переключателей 6, 7, 8, 9, 10 и 11 устанавливаются в первое положение. Первый испытательный сигнал СВЧ с первого выхода двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов 2 одновременно подают на первый (сигнальный) вход второго СВЧ-смесителя 5 и на вход испытуемого четырехполюсника СВЧ 1, с выхода которого он поступает на первый (сигнальный) вход первого СВЧ-смесителя 4. Одновременно со второго выхода двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов 2 второй испытательный сигнал СВЧ, играющий роль гетеродинного, подают на вторые (гетеродинные) входы первого СВЧ-смесителя 4 и второго СВЧ-смесителя 5, с помощью которого первый испытательный сигнал СВЧ преобразуют в испытательные сигналы промежуточной частоты двухканального супергетеродинного приемника 3, которые через переключатели 6, 8 и 10 первого канала поступают на вход первого дискретно управляемого операционного усилителя 16, а через переключатели 7, 9 и 11 второго канал попадают на вход второго дискретно управляемого операционного усилителя 20, с выходов которых эти усиленные испытательные сигналы СВЧ поступают на входы первого аналого-цифрового преобразователя первого канала 25 и второго аналого-цифрового преобразователя 26 второго канала, где преобразуются в цифровые, которые с их выходов подают на второй и четвертый входы индикатора отношений 28, где их сравнивают по амплитуде и фазе, а результат выводится на табло индикатора отношений 28 в виде модуля и фазы раздельно комплексного параметра испытуемого четырехполюсника СВЧ 1.
Первый и второй СВЧ-смесители 4, 5 выполнены на основе направленных ответвителей, и, меняя способ их присоединения к испытуемому четырехполюснику СВЧ 1 "на проход" или "на отражение", измеряют либо его комплексный коэффициент передачи, либо комплексный коэффициент отражения.
Для снижения величины амплитудно-частотной погрешности промежуточную частоту двухканального супергетеродинного приемника 3 выбирают низкой, порядка нескольких десятков килогерц.
Автоматически перестраивая в диапазоне частот двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных сигналов СВЧ 2, на дисплее индикатора отношений 28 наблюдают амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики испытуемого четырехполюсника СВЧ 1.
Снижение величины амплитудно-фазовой погрешности достигают несколькими путями. Первый (основной) путь - деление 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 пренебрежимо мала. Второй путь - тщательное согласование узлов двухканального супергетеродинного приемника 3 между собой по их комплексным сопротивлениям с целью снижения их комплексных коэффициентов отражения. Оба этих фактора зависят от технического состояния устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ и поэтому подлежат периодической проверке в процессе его эксплуатации, которая в заявленном устройстве осуществляется путем аттестации амплитудно-фазовой погрешности в каждом из двух каналов супергетеродинного приемника 3.
13
Как показывают экспериментальные исследования, 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 определяется его разрядностью. Например, для широко распространенного тринадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя эта величина составит 2≈8000 и, следовательно, его динамический диапазон амплитуд
АЦП
13
А=201g2≈60 дБ. Остальной динамический диапазон амплитуд измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ (обычно еще 40-50 дБ) делят на динамические поддиапазоны амплитуд одинаковой ширины, которую выбирают, руководствуясь следующим. Известно, что величина амплитудно-фазовой погрешности пропорциональна динамическому диапазону амплитуд испытательных сигналов СВЧ и тем меньше, чем меньше его ширина. Этот принцип положен в основу выбора ширины динамического поддиапазона амплитуд. Как показывают экспериментальные исследования, оптимальной величиной динамического поддиапазона амплитуд, в котором еще не проявляется амплитудно-фазовая погрешность, является его величина 6 дБ.
Поэтому 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 16 и второго 20 операционных усилителей, коэффициенты усиления которых сохраняют постоянными в пределах динамического поддиапазона амплитуд, но дискретно меняют в шагом в 6 дБ при переходе от одного динамического поддиапазона амплитуд к другому.
Это изменение осуществляют путем переключения резисторов обратных связей в первом 16 и втором 20 дискретно регулируемых операционных усилителях. Обратная связь в первом дискретно перестраиваемом операционном усилителе 16 осуществляется с помощью первого постоянного резистора 17 и первого переменного резистора 18, включенных совместно с первым усилителем 19. Обратная связь во втором дискретно перестраиваемом операционном усилителе 20 осуществляется с помощью второго постоянного резистора 21 и второго переменного резистора 22, включенных совместно со вторым усилителем 23. 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, но одинаковой для динамических поддиапазонов амплитуд с одинаковыми номерами в соседних первом и втором каналах супергетеродинного приемника 3.
Путем применения переключаемых динамических поддиапазонов амплитуд, в которых амплитудно-фазовая погрешность практически отсутствует, удается существенно снизить и общую амплитудно-фазовую погрешность измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ.
Динамические поддиапазоны амплитуд переключаются автоматически с помощью блока управления 15, управляемого управляющим компьютером 24, в зависимости от величины модуля измеряемого комплексного коэффициента передачи или отражения испытуемого четырехполюсников СВЧ 1.
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 3. Для проведения аттестации переключатели 6 и 7 переводят во второе положение. При этом в первый и второй каналы двухканального супергетеродинного приемника 3 поступает зондирующий сигнал через равноплечный делитель 13 от дополнительного генератора 12 с частотой, равной промежуточной двухканального супергетеродинного приемника 3.
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 16 и второго 20 дискретно перестраиваемых операционных усилителей. Точность и стабильность идеальной величины модуля комплексного коэффициента передачи определяется точностью выполнения номиналов величин резисторов обратной связи первого 16 и второго 20 дискретно перестраиваемых операционных усилителей, которые, как показывают экспериментальные результаты, должны выполняться с точностью в два знака их номинала после запятой. 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 16 или 20 путем изменения номинала их переменных резисторов 18 или 22 соответственно, и измеряют эти коэффициенты усиления в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд путем сравнения уровней зондирующих сигналов в аттестуемом и не аттестуемом каналах двухканального супергетеродинного приемника 3 с помощью индикатора отношений 28. Для этого зондирующие сигналы с помощью первого 25 и второго 26 аналого-цифровых преобразователей переводят в цифровую форму и подают на второй и четвертый входы соответственно индикатора отношений 28. При этом в начале аттестации в неаттестуемом канале двухканального супергетеродинного приемника 3 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 16 или 20 и соответственно на входе аналого-цифрового преобразователя аттестуемого канала двухканального супергетеродинного приемника 3 с помощью вольтметра 27 путем подачи зондирующего сигнала аттестуемого канала на первый или второй вход вольтметра 27. "Нулевой уровень" амплитуд зондирующего сигнала определяют путем измерения вольтметром 27 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 27 с помощью переменного аттенюатора 14, включаемого для этих целей в аттестуемый канал переключателями 8, 9, 10 и 11 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 3 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.