Устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей
DEVICE FOR MEASURING ABSOLUTE INTEGRATED COEFFICIENTS OF THE TRANSMISSION OF MICROWAVES

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей и СВЧ-устройств с преобразованием частоты.
5
5
Известны устройства для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников, содержащие два генератора качающейся частоты, блок управления генераторами, исследуемый четырехполюсник с преобразованием частоты, смеситель фазовой автоподстройки частоты, блок фазовой автоподстройки частоты, два смесителя промежуточной частоты измерительного и опорного каналов, генератор промежуточных частот, фазовый детектор, двухканальный амплитудно-фазовый индикатор и вспомогательный смеситель, а также элемент сравнения и управляемый аттенюатор (а. с. №918890, МПК G01R 27/28 и а.с. №1075195, МПК G01R 27/28, опубл. 23.02.1984). Помимо параметров четырехполюсников без преобразования частоты, с помощью этих устройств возможно измерение параметров четырехполюсников с преобразованием частоты и СВЧ-смесителей. С помощью указанных устройств возможно измерять лишь относительный комплексный коэффициент передачи испытуемого СВЧ-смесителя. При этом с их помощью нельзя определить абсолютный комплексный коэффициент передачи испытуемого СВЧ-смесителя.
5
5
Известны устройства для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты, состоящие из измерительного фазового моста на основе испытуемого и опорного четырехполюсников с преобразованием частоты, генератора испытательных сигналов, векторного вольтметра и переключателей (а.с. №1538149, МПК G01R 27/28 и а.с. №1599811, MHK G01R 27/28, опубл. 15.10.1990).
Известно устройство для определения коэффициентов передачи преобразователей частоты, состоящее из испытуемого преобразователя частоты, двух опорных преобразователей частоты и векторного анализатора цепей (патент США №6064694, МПК H04B 3/46).
Однако указанные устройства обладают погрешностями измерений, которые возникают за счет рассогласований СВЧ-трактов и отражений в СВЧ-соединителях при многочисленных переключениях и соединениях, необходимых для реализации различных режимов измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, содержащее испытуемый СВЧ-четырехполюсник, измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, состоящий из генератора испытательных СВЧ-сигналов, первого переключателя и связанной с ним согласованной нагрузки, СВЧ-гетеродина, первого, второго, третьего, четвертого направленных ответвителей, векторного вольтметра с выходным контактом, первого и второго портов, испытуемый СВЧ-смеситель, опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-генератор, смеситель фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор, первый и второй смесители промежуточной частоты, второй, третий, четвертый переключатели, генератор опорных частот, компаратор и компьютер, образующие вместе с испытуемым СВЧ-смесителем, опорным СВЧ-смесителем и СВЧ-генератором двухканальный супергетеродинный приемник. Описанные элементы в совокупности образуют устройство, позволяющее измерять абсолютные комплексные коэффициенты передачи и отражения испытуемого СВЧ-смесителя без выполнения переключений и переподсоединений в СВЧ-трактах. (патент РФ №2524049, МПК G01R 27/28 (2006.01), опубл. 27.07.2014).
Однако такое устройство обладает амплитудно-фазовой погрешностью, которая возникает при измерении измерителем параметров четырехполюсников СВЧ суммарного комплексного коэффициента передачи испытуемого и опорного СВЧ-смесителей, соединенных последовательно, поскольку в таком режиме измерений устройство не учитывает ослабление сигнала промежуточной частоты, обусловленное потерями преобразования в испытуемом СВЧ-смесителе, а также не позволяет использовать измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, не имеющий отдельного вывода зондирующего сигнала.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение точности измерения абсолютного комплексного коэффициента передачи и повышение универсальности устройства.
В устройстве для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, которое взято за прототип, компаратор будем называть измерителем разности фаз и отношения уровней, а измеритель параметров четырехполюсников СВЧ-векторным анализатором цепей.
Для достижения технического результата предлагается устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей, содержащее векторный анализатор цепей, испытуемый СВЧ-смеситель, опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-гетеродин, смеситель промежуточной частоты, первый переключатель, второй переключатель, третий переключатель, измеритель разности фаз и отношения уровней, первый и второй направленные ответвители и дополнительно введенные усилитель промежуточной частоты, регулируемый аттенюатор, делитель мощности. При этом первый порт векторного анализатора цепей соединен с первым портом второго направленного ответвителя, третий порт которого соединен с третьим портом делителя мощности, второй порт которого соединен с третьим портом первого направленного ответвителя, первый порт которого соединен со вторым портом векторного анализатора цепей. Вторые порты первого и второго направленных ответвителей соединены с первыми портами опорного и испытуемого СВЧ-смесителей соответственно. Второй порт испытуемого СВЧ-смесителя соединен с СВЧ-гетеродином, вторым портом опорного СВЧ-смесителя и вторым портом смесителя промежуточной частоты, первый порт которого соединен с первым портом делителя мощности, третий порт испытуемого СВЧ-смесителя соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакт которого соединен с третьим портом опорного смесителя, а первый неподвижный контакт соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя. Подвижный контакт второго переключателя соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с входом регулируемого аттенюатора, выход которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым входом измерителя разности фаз и отношения уровней, первый вход которого соединен с третьим портом смесителя промежуточной частоты.
Общими признаками для заявляемого устройства и прототипа являются: векторный анализатор цепей, который в прототипе называется измерителем параметров четырехполюсников СВЧ, испытуемый СВЧ-смеситель, опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-гетеродин, смеситель промежуточной частоты, первый переключатель, второй переключатель, третий переключатель, первый и второй направленные ответвители, и измеритель разности фаз и отношения уровней, который в прототипе называется компаратором.
Отличительными признаками предлагаемого устройства для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей являются введенные в него усилитель промежуточной частоты, регулируемый аттенюатор и делитель мощности. Связи вновь введенных элементов между собой и общими с прототипом элементами в совокупности образуют устройство, позволяющее устранить амплитудно-фазовую погрешность при определении абсолютных комплексных коэффициентов передачи испытуемого СВЧ-смесителя и использовать измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, не имеющий отдельного вывода зондирующего сигнала. За счет этого увеличивается точность измерений и повышается универсальность устройства.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства для определения абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей.
Устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей содержит векторный анализатор цепей (ВАЦ) 1, первый направленный ответвитель 2, делитель мощности 3, второй направленный ответвитель 4, СВЧ-гетеродин 5, опорный СВЧ-смеситель 6, испытуемый СВЧ-смеситель 7, смеситель промежуточной частоты 8, первый переключатель 9, второй переключатель 10, усилитель промежуточной частоты 11, регулируемый аттенюатор 12, третий переключатель 13, измеритель разности фаз и отношения уровней 14.
Первый порт ВАЦ 1 соединен с первым портом второго направленного ответвителя 4, третий порт которого соединен с третьим портом делителя мощности 3, второй порт которого соединен с третьим портом первого направленного ответвителя 2, первый порт которого соединен со вторым портом векторного анализатора цепей 1. Второй порт второго направленного ответвителя 4 соединен с первым портом испытуемого СВЧ-смесителя 7, второй порт которого соединен с СВЧ-гетеродином 5, вторым портом опорного СВЧ-смесителя 6 и вторым портом смесителя промежуточной частоты 8, первый порт которого соединен с первым портом делителя мощности 3. Третий порт испытуемого СВЧ-смесителя 7 соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя 10, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя 9, подвижный контакт которого соединен с третьим портом опорного смесителя 6, а первый неподвижный контакт соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя 13. Подвижный контакт второго переключателя 10 соединен с входом усилителя промежуточной частоты 11, выход которого соединен с входом регулируемого аттенюатора 12, выход которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя 13. Второй неподвижный контакт третьего переключателя 13 соединен со вторым входом измерителя разности фаз и отношения уровней 14, первый вход которого соединен с третьим портом смесителя промежуточной частоты 8.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства для определения абсолютных комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей на примере определения фазы абсолютного комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 7, при этом модуль абсолютного комплексного коэффициента передачи будет определяют аналогично, заменив соответствующие математические операции сложения и вычитания на умножение и деление, либо оставив из их без изменения, в случае использования логарифмического масштаба единиц.
7
11
12
6
7
11
12
6
Сначала первый 9 и третий 13 переключатели переводят в первое положение, а второй переключатель 10 переводят во второе положение. Это позволяет с помощью ВАЦ 1 измерить суммарный сдвиг фаз Σϕ между его первым и вторым 1 и 2 портами ВАЦ, образованный сдвигами фаз испытуемого СВЧ-смесителя 7 ϕ, усилителя промежуточной частоты 11 ϕ, регулируемого аттенюатора 12 ϕ и опорного СВЧ-смесителя 6 ϕ в виде: Σϕ=ϕ+ϕ+ϕ+ϕ. Первый 2 и второй 4 направленные ответвители, а также переключатели 9, 10, 13 являются линейными, пассивными и взаимными устройствами они не обладают амплитудно-фазовой погрешностью, поэтому в выражение для Σϕ их сдвиги фаз не входят. Перед началом измерений эти сдвиги фаз компенсируют либо путем выравнивания электрических длин трактов, либо при помощи математической коррекции.
1
1
2
3
1
2
3
3
2
1
3
1
Зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ через первый порт ВАЦ 1 и второй направленный ответвитель 4 подают на первый порт испытуемого СВЧ-смесителя 7. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ в испытуемом СВЧ-смесителе 7, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от СВЧ-гетеродина 5 на второй порт этого смесителя, преобразуется в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ. Сигнал промежуточной частоты ƒ с третьего порта испытуемого СВЧ-смесителя 7 проходит через второй переключатель 10 и усиливается с помощью усилителя промежуточной частоты 11, после чего регулируется по уровню регулируемым аттенюатором 12, а затем через третий 13 и первый 9 переключатели подается на третий порт опорного СВЧ-смесителя 6. Этот сигнал промежуточной частоты ƒ в опорном СВЧ-смесителе 6, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от СВЧ-гетеродина 5 на второй порт этого смесителя, преобразуется обратно в зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ, который поступает через первый направленный ответвитель 2 во второй порт ВАЦ 1. Благодаря обратному преобразованию частоты сигнала ƒ в опорном СВЧ-смесителе 6 в частоту исходного сигнала ƒ, два последовательно соединенных между собой СВЧ-смесителя 6 и 7 воспринимаются ВАЦ 1 как обычный четырехполюсник без преобразования частоты. В результате ВАЦ 1 сравнивает по фазе сигналы на своих первом и втором портах и таким образом измеряет суммарный угол сдвига фаз Σϕ.
1
1
2
3
1
2
3
Затем первый 9 и третий 13 переключатели переводят во второе положение, а второй переключатель 10 в первое положение. Зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ через второй порт ВАЦ 1 подают на первый порт опорного СВЧ-смесителя 6. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ в опорном СВЧ-смесителе 6, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от СВЧ-гетеродина 5 на второй порт этого смесителя, преобразуют в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ. Сигнал промежуточной частоты ƒ с третьего порта опорного СВЧ-смесителя 6 через первый 9 и второй 10 переключатели поступает на усилитель промежуточной частоты 11, после чего регулируется по уровню регулируемым аттенюатором 12 и через третий переключатель 13 поступает на второй порт измерителя разности фаз и отношения уровней 14.
3
1
2
2
1
На первый порт измерителя разности фаз и отношения уровней 14 поступает сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ от смесителя промежуточной частоты 8, в котором он образуется путем смешивания сигнала с частотой ƒ, поступающего от СВЧ-гетеродина 5 на второй порт этого смесителя, и сигнала с частотой ƒ, поступающего от ВАЦ 1 через первый 2 либо второй 4 направленные ответвители, в зависимости от того, на какой из СВЧ-смесителей 6 или 7 подается зондирующий СВЧ-сигнал от ВАЦ 1: если этот сигнал подается на опорный СВЧ-смеситель 6, то используется первый направленный ответвитель 2, а если сигнал подается на испытуемый СВЧ-смеситель 7, то используется второй направленный ответвитель 4.
2
6
11
12
8
8
Таким образом измеритель разности фаз и отношения уровней определяет следующую разность фаз: Δϕ=ϕ+ϕ+ϕ-ϕ, где ϕ - сдвиг фаз, вносимый смесителем промежуточной частоты 8.
1
1
2
3
1
2
3
3
После этого второй переключатель 10 переводят во второе положение. Зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ через первый порт ВАЦ 1 и второй направленный ответвитель 4 подают на первый порт испытуемого СВЧ-смесителя 7. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ в испытуемом СВЧ-смесителе 7, с помощью сигнала с частотой ƒ, поступающего от СВЧ-гетеродина 5 на второй порт этого смесителя, преобразуют в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ=ƒ-ƒ. Сигнал промежуточной частоты ƒ с третьего порта испытуемого СВЧ-смесителя 7 через второй переключатель 10 поступает на усилитель промежуточной частоты 11, после чего регулируется по уровню регулируемым аттенюатором 12 и через третий переключатель 13 поступает на второй порт измерителя разности фаз и отношения уровней 14, на первый порт которого также поступает сигнал промежуточной частоты ƒ с третьего порта смесителя промежуточной частоты 8.
1
7
11
12
8
Таким образом, измеритель разности фаз и отношения уровней 14 измеряет следующую разность фаз: Δϕ=ϕ+ϕ+ϕ-ϕ.
7
В итоге определяют искомую фазу ϕ абсолютного комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 7, решив следующую систему уравнений:
11
12
3
в виде: , при этом сумму сдвигов фаз усилителя промежуточной частоты 11 и регулируемого аттенюатора 12 ϕ+ϕ отдельно заранее измеряют на промежуточной частоте ƒ с помощью векторного анализатора цепей 1.
Модуль абсолютного комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 7 определяют аналогично, заменив соответствующие математические операции сложения и вычитания на умножение и деление, либо оставив их без изменения, в случае использования логарифмического масштаба единиц.
Таким образом определяют абсолютный комплексный коэффициент передачи испытуемого СВЧ-смесителя 7.
Наличие в заявляемом устройстве усилителя промежуточной частоты 11 и регулируемого аттенюатора 12 позволяет снизить амплитудно-фазовую погрешность измерения абсолютного комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 7 за счет восстановления уровня сигнала промежуточной частоты до уровня зондирующего СВЧ-сигнала. Наличие в устройстве делителя мощности 3 в совокупности с первым и вторым направленными ответвителями 2 и 4 позволяет, в отличие от прототипа, применять в этом устройстве векторный анализатор цепей 1, не имеющий отдельного вывода зондирующего сигнала, за счет этого повышается универсальность устройства.