СПОСОБ АТТЕСТАЦИИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ПОГРЕШНОСТИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ СВЧ
METHOD OF CERTIFICATION OF AMPLITUDE-PHASE ERROR OF DEVICES FOR MEASUREMENT OF COMPLEX COEFFICIENTS OF TRANSMITTING AND REFLECTING OF FOUR-POLE SHF

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при контроле метрологических характеристик устройств для измерения комплексных (модуля и фазы) коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.
Под метрологическими характеристиками понимают погрешности, с которыми устройства измеряют модуль и фазу коэффициентов передачи и отражения испытуемых четырехполюсников СВЧ, оговоренные в нормативно-эксплуатационной документации на эти устройства, основными из которых являются амплитудно-фазовые погрешности.
Для характеристики четырехполюсников СВЧ используют четыре его параметра - комплексные коэффициенты передачи и отражения, которые можно назвать комплексными параметрами четырехполюсников СВЧ, поэтому устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ для краткости в дальнейшем будем именовать и измерителем комплексных параметров четырехполюсников СВЧ. Измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ в известных способах как правило осуществляют одним и тем же измерителем, отличающимся только видом соединения с ним четырехполюсника СВЧ - "на проход" или " на отражение". Предлагаемый способ одинаково справедлив при работе устройства и для измерения комплексных коэффициентов передачи и для измерения комплексных коэффициентов отражения.
Известен способ измерения комплексных параметров четырехполюсников СВЧ, основанный на сравнении двух когерентных сигналов, один из которых пропускают через испытуемый четырехполюсник СВЧ (зондирующий сигнал) (Абубаниров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радиосвязь. - 1984. с.108-109). Для осуществления способа используют измеритель комплексных параметров четырехполюсников СВЧ, состоящий из двух когерентных генераторов СВЧ, охваченных системой фазовой автоподстройки частоты и вырабатывающих сигналы для испытания четырехполюсников СВЧ, и двухканального супергетеродинного приемника, в состав которого входит измерительный фазовый мост для производства всех видов измерений, и индикатора отношений уровней сигнала в двух каналах (см. там же,рис.3.40).
Одной из основных погрешностей таких измерений является амплитудно-фазовая погрешность, возникающая в результате изменения фазовых сдвигов в зависимости от амплитуды испытательных сигналов, используемых для испытания четырехполюсников СВЧ.
Наиболее близким аналогом заявленному способу является способ определения амплитудно-фазовых погрешностей, заключающийся в том, что весь динамический диапазон измеряемых амплитуд испытательных сигналов делят на отдельные более узкие равные по величине поддиапазоны амплитуд, в каждом из которых определяют величину амплитудно-фазовой погрешности (Амплитудно-фазовая конверсия. Под ред. Крылова Г.М. - М.: Связь. - 1979. - с.5-12 и с.60-63).
Известные способы аттестации амплитудно-фазовой погрешности для конкретного измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ основываются на том, что ее определяют путем измерения известных величин эталонных мер амплитуды и фазы с последующим сравнением измеренной и эталонной величин и вычислением их разности, которая и является амплитудно-фазовой погрешностью измерения. При этом эталонные меры амплитуды и фазы должны иметь собственную точность аттестации их величины на порядок выше, чем точность измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ, в котором аттестуют величину амплитудно-фазовой погрешности. Кроме того, сам процесс аттестации амплитудно-фазовой погрешности весьма длительная и дорогостоящая операция.
Однако с ростом точности современных измерителей комплексных параметров четырехполюсников СВЧ технически реализовать для них эталонные меры амплитуды и фазы, погрешность аттестации которых отвечала бы требованиям для эталонных мер пока не представляется возможным. По известным литературным источникам отсутствуют официальные меры амплитуды и фазы, которые можно было бы использовать в качестве эталонов для аттестации амплитудно-фазовой погрешности в диапазоне СВЧ. В то же время, далеко не всегда, в процессе эксплуатации измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ необходимо регулярно перед каждым процессом измерений проводить его аттестацию на соответствие величины амплитудно-фазовой погрешности самой величине установленной нормы.
Технической задачей предлагаемого способа аттестации амплитудно-фазовой погрешности является повышение точности измерения в устройствах для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.
Для решения технической задачи предлагается способ аттестации амплитудно-фазовой погрешности устройств для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, заключающийся в том, что в устройстве для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, состоящем из двухчастотного источника первого и второго когерентных испытательных СВЧ сигналов и двухканального супергетеродинного приемника с индикатором отношений амплитуд сигналов в первом и втором его каналах, динамический диапазон амплитуд первого испытательного СВЧ сигнала делят на равные по величине динамические поддиапазоны амплитуд и измеряют комплексные коэффициенты усиления в каждом из них, а затем сравнивают с их идеальными величинами по модулю и фазе. Определяют величину амплитудно-фазовой погрешности, которую нормируют для каждого аттестуемого динамического поддиапазона амплитуд, каждый из которых реализуют путем включения в каждый из двух каналов супергетеродинного приемника дискретно перестраиваемых операционных усилителей, коэффициенты усиления в которых изменяют путем переключения резисторов в цепях их обратных связей. Аттестацию амплитудно-фазовой погрешности каждого из динамических поддиапазонов амплитуд производят путем подачи в них зондирующего сигнала, вырабатываемого в дополнительном генераторе с частотой, равной промежуточной испытательного сигнала двухканального супергетеродинного приемника и подаваемого на его входы через равноплечный делитель. Величину амплитуды зондирующего сигнала при аттестации устанавливают одинаковой на выходе дискретно перестраиваемого операционного усилителя в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд. При этом амплитуду зондирующего сигнала в каждом из двух каналов регулируют с помощью включаемого в аттестуемый канал переменного аттенюатора, а его уровень замеряют вольтметром. Этот уровень нормируют как нулевой, его величину определяют путем измерения вольтметром зондирующего сигнала в динамическом поддиапазоне амплитуд с коэффициентом усиления, равным единице. Измерение уровней сигналов в двух каналах супергетеродинного приемника осуществляют путем их сравнения в индикаторе отношений после их преобразования в цифровую форму. Аттестацию динамических поддиапазонов амплитуд проводят поочередно в каждом из двух каналов супергетеродинного приемника.
Заявленный способ отличается от прототипа тем, что динамический диапазон амплитуд испытательных СВЧ сигналов делят на равные по величине динамические поддиапазоны амплитуд испытательных сигналов, в которых амплитудно-фазовая погрешность не проявляется и которые реализуют путем включения в каждый из двух каналов супергетеродинного приемника устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, дискретно перестраиваемых операционных усилителей, коэффициенты усиления в которых автоматически изменяют переключением резисторов в цепях их обратных связей и проводят аттестацию амплитудно-фазовой погрешности каждого из динамических поддиапазонов амплитуд, подавая в них зондирующий сигнал вырабатываемого в дополнительном генераторе с частотой, равной промежуточной испытательного сигнала двухканального супергетеродинного приемника, величину амплитуды которого при аттестации устанавливают одинаковой на выходе дискретно перестраиваемого операционного усилителя в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд и измеряют комплексные коэффициенты усиления в каждом из них, а затем сравнивают их с идеальными значениями по амплитуде и фазе и определяют величину амплитудно-фазовой погрешности, которую нормируют для каждого аттестуемого динамического поддиапазона амплитуд.
На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ. Устройство содержит испытуемый четырехполюсник СВЧ 1, двухчастотный источник когерентных (первого и второго) испытательных сигналов 2, дополнительный генератор 3, равноплечный делитель 4, переменный аттенюатор 5, двухканальный супергетеродинный приемник 6, включающий: первый СВЧ смеситель 7, второй СВЧ смеситель 8, переключатели 9, 10, 11, 12, 13, 14; первый дискретно переключаемый операционный усилитель 15, включающий первый постоянный резистор 16, первый переменный резистор 17, первый усилитель 18; второй дискретно перестраиваемый операционный усилитель 19, включающий второй постоянный резистор 20, второй переменный резистор 21, второй усилитель 22; первый аналого-цифровой преобразователь 23, второй аналого-цифровой преобразователь 24, индикатор отношений 25.
С помощью такого устройства способ осуществляют следующим образом. В первом положении подвижных контактов переключателей 9 и 10 и втором положении переключателей 11, 12, 13 реализуется схема измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ. При этом первый испытательный сигнал СВЧ с выхода 1 двухчастотного источника когерентных испытательных СВЧ сигналов 2 через испытуемый четырехполюсник СВЧ 1 подается на первый вход первого СВЧ смесителя 7 двухканального супергетеродинного приемника 6. На второй вход первого СВЧ смесителя 7 поступает сигнал со второго выхода двухчастотного источника когерентных испытательных СВЧ сигналов 2. Образовавшийся в первом СВЧ смесителе 7 сигнал промежуточной частоты как разность частоты между первым и вторым испытательными сигналами СВЧ с выхода первого СВЧ смесителя 7 через переключатель 9 в первом положении и переключатели 11 и 13 во втором положении поступает на вход первого дискретно перестраиваемого операционного усилителя 15, где его усиливают и через первый аналого-цифровой преобразователь 23 подают на первый вход индикатора отношений 25, одновременно на четвертый вход индикатора отношений 25 поступает другой испытательный сигнал, образованный аналогично первому во втором СВЧ смесителе 8 двухканального супергетеродинного приемника 6 и прошедший через переключатель 10 в первом положении, переключатели 12 и 14 во втором положении, второй дискретно перестраиваемый операционных усилитель 19 и второй аналого-цифровой преобразователь 24. В индикаторе отношений 25 испытательные сигналы промежуточной частоты сравнивают по амплитуде и фазе, а результат сравнения в виде модуля и фазы комплексного параметра испытуемого четырехполюсника СВЧ 1 воспроизводят на табло индикатора отношений 25. При автоматическом качании частот испытательных сигналов СВЧ от двухчастотного источника когерентных испытательных СВЧ сигналов 2 на дисплее индикатора отношений 25 будет воспроизводиться амплитудно-частотная или фазо-частотная характеристики испытуемого четырехполюсника СВЧ 1.
Амплитудно-частотная погрешность в измерителе комплексных параметров четырехполюсников СВЧ 1 зависит от величины промежуточной частоты двухканального супергетеродинного приемника 6, которую с этой целью устанавливают порядка нескольких десятков килогерц.
Аттестация величины амплитудно-фазовой погрешности измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ 1 осуществляют во втором положении переключателей 9 и 10. В этом случае испытательные сигналы промежуточной частоты с выходов первого и второго СВЧ смесителей 7 и 8 соответственно отсоединяют от двухканального супергетеродинного приемника 6 и на его входы подают зондирующие сигналы с частотой, равной промежуточной частоте двухканального супергетеродинного приемника 6 от дополнительного генератора 3, через равноплечный делитель 4.
13
13
АЦП
Как показывают экспериментальные исследования в аналого-цифровых преобразователях, амплитудно-фазовая погрешность практически отсутствует. Поэтому их динамический диапазон амплитуд исключают из общего динамического диапазона конкретного измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ. Динамически диапазон амплитуд аналого-цифрового преобразователя определяют его разрядностью. Например, для тринадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя эта величина составит 2≈8000 и, следовательно, его динамический диапазон амплитуд А=201g2≈60 дБ.
Остальной динамический диапазон амплитуд измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ 1 (обычно еще 40-50 дБ) делят на динамические поддиапазоны амплитуд одинаковой ширины, выбираемую, руководствуясь следующим. Известно, что величина амплитудно-фазовой погрешности пропорциональна динамическому диапазону испытательных сигналов СВЧ 1 и тем меньше, чем меньше его ширина, что и положено в основу выбора ширины динамического поддиапазона амплитуд. Как показывают экспериментальные исследования, оптимальная величина динамического диапазона амплитуд, в котором еще не проявляется амплитудно-фазовая погрешность, равна 6 дБ. Динамический поддиапазон амплитуд для первого испытательного сигнала СВЧ (второй испытательный сигнал СВЧ - гетеродинный) реализуют включением в каждый из двух каналов дискретно перестраиваемых по коэффициенту усиления первого 15 и второго 19 операционных усилителей, коэффициенты усиления в которых изменяют переключением резисторов 17 или 21 в цепях их обратных связей. Обратную связь в первом дискретно перестраиваемом операционном усилителе 15 осуществляют с помощью первого постоянного резистора 16 и первого переменного резистора 17, включенных совместно с первым усилителем 18. Обратную связь во втором дискретно перестраиваемом операционном усилителе 19 осуществляют с помощью второго постоянного резистора 20 и второго переменного резистора 21, включенных совместно со вторым усилителем 22. Абсолютную величину коэффициентов усиления в динамических поддиапазонах амплитуд испытательных сигналов СВЧ устанавливают с шагом, равным 6 дБ, величинами 0 дБ (коэффициент усиления равен единице), 6 дБ, 12 дБ, 18 дБ, 24 дБ и так до конца динамического диапазона амплитуд испытательных сигналов СВЧ измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ, т.е. разной в динамических поддиапазонах амплитуд, но одинаковой для этих поддиапазонов с одинаковыми номерами в соседних первом и втором каналах супергетеродинного приемника 6.
Идеальная величина модуля комплексного коэффициента усиления в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд равна отношению номиналов постоянных 16, 20 и переменных резисторов 17, 21 в обратной связи первого и второго дискретно перестраиваемых операционных усилителей 15 и 19 соответственно. Точность и стабильность идеальной величины модуля каждого комплексного коэффициента передачи определятся точностью выполнения номиналов величин резисторов обратной связи первого и второго дискретно перестраиваемых операционных усилителей 15 и 19 соответственно, 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 изменяют коэффициенты усиления его дискретно перестраиваемого операционного усилителя 15 или 19 путем изменения номинала его переменного резистора 17 или 21, измеряют эти коэффициенты усиления в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд путем сравнения уровней зондирующих сигналов в аттестуемом и неаттестуемом канале двухканального супергетеродинного приемника 6 с помощью индикатора отношений 25. Для этого зондирующие сигналы в цифровой форме с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 23 подают на первый вход индикатора отношений 25, а зондирующие сигналы в цифровой форме с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 24 подают на четвертый вход индикатора отношений 25.
При этом в начале аттестации в неаттестуемом канале двухканального супергетеродинного приемника 6 включают динамический поддиапазон амплитуд с коэффициентом усиления нуль децибел (коэффициент передачи равен единице) и сохраняют его в течение всего периода аттестации канала.
Отклонение измеренного модуля комплексного коэффициента усиления в каждом аттестуемом динамическом поддиапазоне амплитуд от 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.
Одинаковые условия измерений в каждом аттестуемом динамическом поддиапазоне для уровней амплитуд зондирующих сигналов создают путем установления одинаковой их величины в каждом из этих динамических поддиапазонов, для этого осуществляют установку единого для всех аттестуемых динамических поддиапазонов амплитуд "нулевого уровня" зондирующего сигнала на выходе дискретно перестраиваемого операционного усилителя 15 или 19 и соответственно на входе аналого-цифрового преобразователя 23 аттестуемого канала двухканального супергетеродинного приемника 6 с помощью вольтметра, находящегося в индикаторе отношений 25 путем подачи зондирующего сигнала аттестуемого канала на второй или третий вход индикатора отношений 25. Нулевой уровень амплитуды зондирующего сигнала определяют путем измерения вольтметром 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 23 в аттестуемом канале. Регулировку уровней зондирующих сигналов в других динамических поддиапазонах амплитуд аттестуемого канала с целью доведения его до нулевого уровня осуществляют по вольтметру с помощью переменного аттенюатора 5, включаемого для этих целей в аттестуемый канал переключателями 11, 12, 13, 14 в первом положении перед дискретно перестраиваемым операционным усилителем. При этом к переменному аттенюатору 5 не предъявляют требований точности.
Величины модуля и фазы амплитудно-фазовой погрешности, полученные в результате аттестационных измерений для каждого из аттестуемых динамических поддиапазонов амплитуд, сравнивают с установленными для них нормированными величинами. Аттестацию проводят поочередно в каждом из двух каналов супергетеродинного приемника 6. По величине отклонений амплитудно-фазовой погрешности от нормированных значений в каждом динамическом диапазоне амплитуд обоих каналов супергетеродинного приемника 6 в меньшую или большую сторону принимают решение либо о ее соответствии норме, либо об аварии и невозможности дальнейшей эксплуатации измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ.