СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В СВЧ-ПРИБОРАХ И КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к области радиоизмерительной СВЧ-техники и предназначено для автоматической регулировки коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ_U), неравномерности по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазо-частотной характеристике (ФЧХ) в СВЧ-аттенюаторах, делителях напряжения в составе ваттметров поглощаемой мощности, а также в различных волноводных системах и коаксиальных линиях передачи и задержки.

Развитие системы автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ, автоматизация производства СВЧ-элементов, повышение качественных показателей разрабатываемых устройств, сокращение сроков разработки электронных изделий требуют создания новых, точных и высокопроизводительных средств измерений. Сейчас точность существующих согласованных резисторных СВЧ-аттенюаторов повышенной мощности во многом достигается за счет использования дорогих высококачественных СВЧ-узлов. В тоже время разработаны методы калибровки СВЧ-тракта, направленные на повышение точности измерений при смягчении требований к качеству узлов.

В настоящее время известен стационарный способ регулировки КСВ_U [1], заключающийся в использовании в качестве поглощающих и отражающих электромагнитные волны устройств для регулировки КСВ_U ферритовых колец [2] и/или керамических (например, 22ХС) [3], и/или поликоровых пластин [4]. Регулировку КСВ_U данным способом производят на микромощностях следующим образом. Путем подбора вручную оптимального места расположения, например, ферритовых колец на поверхности резистивных плат добиваются максимального ослабления по амплитуде отраженной в плоскости резистивных плат волны и того, чтобы падающая и отраженная волны когерировали бы между собой в противофазе, после чего ферритовые кольца закрепляются жестко термостойким клеем на поверхности резистивных плат. Аналогично производят регулировку КСВ_U с использованием керамических или поликоровых пластин.

Недостатком способа является сложность регулировки КСВ_U, низкая стабильность полученных результатов ручной дискретной регулировки, а также невозможность регулировки КСВ_U в режиме реальной нагрузки. Так, в случае ремонтно-восстановительных или регулировочных работ жестко смонтированные клеем на резистивных платах поглощающие и отражающие электромагнитные волны устройства весьма трудно поддаются переустановкам.

За прототип принят известный способ регулировки КСВ_U [5] с использованием устройства для регулировки КСВ_U в СВЧ-приборах [6]. Данное устройство содержит шток с резьбой, на верхнем торце которого выполнен шлиц, а нижний торец штока соединен с отражающим диском. Отражающий диск своей нижней гранью жестко соединен с поглощающим диском. Нижняя грань отражающего диска в центре снабжена направляющим выступом. В поглощающем диске соосно со штоком, отражающим диском и поглощающим диском выполнено цилиндрическое отверстие, в котором установлен направляющий выступ. Устройство позволяет проводить ручную динамическую регулировку КСВ_U в СВЧ-приборах в режиме реальной нагрузки. К недостаткам данного способа следует отнести:

- невозможность в СВЧ-приборах одновременной регулировки показателей КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ;

- недостаточную точность регулировки из-за обработки полученных результатов в аналоговом формате и невозможности подобрать ручным способом наиболее оптимально-возможные параметры прибора;

- длительность процесса из-за невозможности одновременной ручной регулировки многосекционных приборов с большим количеством устройств для регулировки КСВ_U, что особенно заметно при многосерийном поточном производстве информационно-измерительных приборов и специальной СВЧ-радиотехники.

Единый технический результат от реализации заявляемого способа автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах и комплекса средств для его осуществления заключается в существенном повышении точности регулировки за счет обработки сигнала в цифровом формате, возможности одновременной регулировки КСВ_U, неравномерности АЧХ и ФЧХ в СВЧ-приборах и повышении производительности процесса за счет значительного сокращения времени проведения регулировки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах, включающем процессы подачи напряжения на регулируемый СВЧ-прибор через измеритель технических характеристик и усилитель мощности (УМ), плавного изменения эквивалентной электроемкости СВЧ-прибора путем вращения устройств для регулировки и оценки результатов регулировки с помощью измерителя технических характеристик, для управления процессом регулировки КСВ_U, неравномерности по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазо-частотной характеристике (ФЧХ) используют ЭВМ с пакетом программ, в которую вводят данные о минимально возможных значениях КСВ_U, неравномерности АЧХ и ФЧХ регулируемого СВЧ-прибора, после чего ЭВМ подключают через интерфейс к съемному механическому стенду, который состыковывают с устройствами для регулировки, одновременно ЭВМ подключают к выходу СВЧ-прибора и активируют работу программы, которая проводит необходимые расчеты, формирует управляющий сигнал и направляет его через интерфейс в блок ЦАП-АЦП съемного механического стенда, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый и приводит в движение исполнительные механизмы, которые вращают устройства для регулировки, настраивая СВЧ-прибор на минимально возможные значения КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ, после чего блок ЦАП-АЦП отправляет через интерфейс в ЭВМ отчет о выполнении команды, данные о достигнутых значениях технических характеристик поступают в ЭВМ с выхода СВЧ-прибора, после чего программа их анализирует и в случае, если минимально возможные значения КСВ_U, неравномерности АЧХ и ФЧХ не достигнуты, ЭВМ принимает решение о необходимости продолжения регулировки и повторяет процессы с момента проведения расчетов и формирования управляющего сигнала до анализа данных о достигнутых значениях технических характеристик, а при достижении минимально возможных значений КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ процесс регулировки СВЧ-прибора заканчивают.

Указанный технический результат достигается тем, что в комплекс средств для автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах, включающий устройства для регулировки, каждое из которых содержит шток с резьбой, соединенный с расположенными внутри корпуса СВЧ-прибора отражающим и поглощающим электромагнитные волны дисками, и подключенные последовательно к регулируемому СВЧ-прибору измеритель технических характеристик и УМ, дополнительно включены ЭВМ с пакетом программ для управления процессом регулировки КСВ_U и неравномерности по АЧХ и ФЧХ, съемный механический стенд, включающий n блоков ЦАП-АЦП для преобразования цифрового сигнала в аналоговый и обратно, 2n исполнительных механизмов, приводящих в движение устройства для регулировки путем вращения штоков, ЭВМ подключена к выходу СВЧ-прибора и через интерфейс к блоку ЦАП-АЦП съемного механического стенда.

На чертеже показана структурная схема подключения приборов и оборудования для реализации способа автоматической регулировки КСВ_U и неравномерности по АЧХ и ФЧХ, где обозначены:

1 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ) с пакетом программ для управления процессом регулировки КСВ_U и неравномерности по АЧХ и ФЧХ;

2 - съемный механический стенд;

3 - блок ЦАП-АЦП;

4 - исполнительные механизмы;

5 - СВЧ-прибор;

6 - устройство для регулировки;

7 - измеритель технических характеристик;

8 - усилитель мощности (УМ).

Как показано на чертеже съемный механический стенд включает в себя блоки 3 ЦАП-АЦП для преобразования цифрового сигнала в аналоговый и обратно, аналогового сигнала в цифровой, к каждому из которых подключено два исполнительных механизма, выполненных на основе реверсивных микроэлектродвигателей D1-D2 и многоступенчатых редукторов Rd1-Rd2. Количество блоков 3 ЦАП-АЦП и исполнительных механизмов зависит от количества устройств для регулировки КСВ_U в приборе.

Возможно проектирование съемного механического стенда с одним блоком 3 ЦАП-АЦП, общим для всех исполнительных механизмов 4, однако в настоящее время не существует достаточно надежных многоканальных интегральных микросхем (ИМС) отечественного производства, поэтому оптимально использовать один блок 3 ЦАП-АЦП на два исполнительных механизма 4. Установка, монтаж или замена простых, одноканальных ИМС отечественного производства производится быстро, в кратчайшие сроки и с минимальными потерями, к тому же стоимость российских ИМС на порядок меньше, чем их зарубежных аналогов.

При необходимости к СВЧ-прибору 5 могут подключаться два механических стенда 2, если устройства для регулировки установлены в верхнем и нижнем профилях-радиаторах СВЧ-прибора 5.

Способ автоматической регулировки КСВ_U и неравномерности по АЧХ и ФЧХ в СВЧ-приборах осуществляется следующим образом. К СВЧ-прибору 5 подключается измеритель 7 для проверки технических характеристик регулировки через усилитель 8 мощности для подачи к СВЧ-прибору 5 электрического сигнала необходимой мощности. Съемный механический стенд 2 с необходимым количеством исполнительных механизмов 4 подключается к устройствам 6 регулировки, а выход из СВЧ-прибора 5 подключается к ЭВМ 1. Контроль и управление процессом измерений и регулировкой КСВ_U и неравномерностью по АЧХ и ФЧХ осуществляется пакетом компьютерных программ, заложенных в ЭВМ1. В меню компьютерных программ вводятся минимально возможные значения КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ, указанные в техническом задании (ТЗ) на проектирование и технологию изготовления СВЧ-прибора, после чего запускается процесс автоматической регулировки. Сигнал управления от ЭВМ 1 через интерфейс поступает в блок 3 ЦАП-АЦП съемного механического стенда 2. Последний преобразует цифровой сигнал в аналоговый и приводит в движение исполнительные механизмы 4, которые вращают устройства 6 для регулировки, настраивая СВЧ-прибор 5 на минимально возможные значения КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ. После чего блок 3 ЦАП-АЦП отправляет через интерфейс в ЭВМ 1 отчет о выполнении команды. Затем в ЭВМ 1 от СВЧ-прибора 5 поступают данные о достигнутых значениях технических характеристик для анализа и принятия решения о необходимости дальнейшей регулировки. Если минимально возможные значения КСВ по напряжению и неравномерности АЧХ и ФЧХ не достигнуты, ЭВМ 1 проводит необходимые расчеты и формирует новый сигнал управления для блока 3 ЦАП-АЦП съемного механического стенда 2 и процесс регулировки продолжается путем повторения операций, описанных выше. Регулировка считается законченной, если минимально возможные значения КСВ по напряжению и неравномерности АЧХ и ФЧХ достигнуты, при этом ЭВМ 1 автоматически завершает процесс.

Исполнительный механизм подключается к СВЧ-прибору 5 путем состыковки штырей исполнительного механизма со штоками устройства 6 регулировки КСВ_U в СВЧ-приборе. Штыри исполнительного механизма 4 выполняются в виде стержней с наконечниками, которые плотно входят в шлиц на торце штока устройства 6, выходящего наружу из корпуса СВЧ-прибора 5.

Устройства 6 для регулировки, используемые в составе предлагаемого комплекса, изготавливаются одновременно с СВЧ-прибором 5 и устанавливаются в его корпусе, а съемный механический стенд 2 и ЭВМ 1 подключаются к СВЧ-прибору только на время проведения регулировки. Изготовление СВЧ-приборов в едином корпусе со стендом экономически нецелесообразно, так как при этом увеличивается общий вес, внешние габариты и себестоимость прибора.

Принцип регулировки КСВ_U, неравномерности АЧХ и ФЧХ в СВЧ-приборе заключается в плавном изменении эквивалентной электроемкости С_экв, например, между резистивной подложкой и профилем-радиатором СВЧ-прибора, что, в свою очередь, приводит к изменению волнового сопротивления всего СВЧ-тракта и коэффициента отражения СВЧ-волны в СВЧ-приборе. Следовательно, в итоге изменяются и показатели КСВ_U, АЧХ и ФЧХ в СВЧ-приборе, т.к.:

где

- коэффициент отражения СВЧ-волны аттенюатора,

Z₀ - волновое сопротивление СВЧ-тракта, зависящее от эквивалентной емкости ,

R_вх - входное сопротивление поглощающих резистивных пленок, напыленных на подложку;

L - полная самоиндукция поглощающих резистивных пленок, напыленных на подложку.

где

I₀ - максимальное значение выходного тока,

R₀ - номинальное активное сопротивление на выходе системы,

ω - задаваемая частота входного сигнала,

L - индуктивность на выходе системы,

С - электроемкость на выходе системы,

ε, μ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды на выходе системы,

с=3×10⁸ [м] - скорость света в открытом пространстве,

- радиус-вектор в заданной точке на выходе системы.

где

t - время.

Использование ЭВМ позволяет проводить цифровую обработку данных и достигать минимально возможные значения не только КСВ_U, но и неравномерности АЧХ и ФЧХ, что повышает качество регулировки СВЧ-приборов и значительно сокращает время ее проведения. Таким образом, заявляемый способ автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах и комплекс средств для его осуществления решают задачу многопараметрической оптимизации измерительных параметров, затрачивая на регулировку и измерения от 1 до 10 минут, в то время как любым ручным способом для этого требуется значительно большее время, от 1 часа и более. Наиболее эффективно использование разработанного способа при регулировке большого количества радиоизмерительных приборов, например при серийном производстве.

При этом следует учесть, что данный способ позволяет одновременно, в достаточно широком диапазоне, регулировать неравномерность АЧХ выходного сигнала СВЧ-прибора от 0 до ±1,5 дБ,при ослаблении входного сигнала в пределах 25-60 дБ.

Экспериментально установлено, что при использовании предлагаемого комплекса для регулировки четырехсекционного пленочного резисторного СВЧ-аттенюатора в режиме реальной нагрузки, применяемого на базе ваттметра поглощаемой мощности «М3-108» с показателями Р_{ном.сигнала}=2кВт и 50 Гц≤f≤2ГГц, были достигнуты следующие результаты:

КСВ_U=(1,035-1,050)<1,15 (для аттенюатора),

неравномерность по АЧХ=±(0,40-0,55) дБ при ослаблении поступающего сигнала в 40дБ.

В качестве микроэлектродвигателей для исполнительных механизмов 4 можно использовать двигатели бесколлекторные марки "FL42BLS01", "ДПМ35-Н2-02", "ДП", "МДП1", "ДИ1-2", "ДИ1-3", "ДП3", "163F8E", "GEAR BOX 2-IN-1" и др.

Для оценки параметров регулировки КСВ_U и неравномерности по АЧХ и ФЧХ предлагается использовать такие измерители технических характеристик, как Р4-69 измеритель КСВН, логический анализатор 16806А Agilent technologies, анализаторы цепи ''E5071'' ΕΝΑ Series Network Analyzer, S331E, S361E Anritsu Site Master, и Rohde& Schwarz.

Для обработки данных регулировки предлагаемым способом предлагается использовать программу ЭВМ "Расчет, оптимизация теплоотводящей зоны и моделирование пленочного резистора" [7].

Комплекс автоматической регулировки КСВ_U и неравномерности по АЧХ и ФЧХ в СВЧ-приборах позволяет оперативно и безопасно выполнять ремонтно-восстановительные, пуско-наладочные работы в СВЧ-приборах, например, в ваттметрах типа М3-104, М3-105, М3-106 и М3-108М, а также использоваться метрологическими организациями и службами при проведении квалификационных и/или типовых испытаний СВЧ-приборов.

Литература

1. Григорьев C.H. Устройство для регулировки коэффициента стоячей волны по напряжению в СВЧ-аттенюаторах. // Журнал «Проектирование и технология электронных средств», №4, Владимир: ВГУ, 2007, с. 5-19.

2. ОСТ11 707.004-76 «Ферриты СВЧ. Марки, основные параметры и методы измерений».

3. ТУ 11-81 (Ще0.781.000 ТУ). Подложки поликоровые.

4. ГОСТ 20419-83. Материалы керамические.

5. Григорьев C.H. Устройство для регулировки коэффициента стоячей волны по напряжению в СВЧ-аттенюаторах. // Журнал «Микроэлектроника» РАН, Т. 38, №5, М.: «Наука», 2009, с. 391-400 (прототип).

6. Патент РФ №2346362.

7. Свидетельство о государственной регистрации ПрЭВМ №2008610263.

Изобретение относится к области радиоизмерительной СВЧ-техники и предназначено для автоматической регулировки коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ_U) и неравномерности по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазочастотной характеристике (ФЧХ) в СВЧ-приборах. Технический результат предлагаемого способа автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах и комплекса средств для его осуществления заключается в существенном повышении точности регулировки за счет обработки сигнала в цифровом формате, возможности одновременной регулировки КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ в СВЧ-приборах и повышении производительности процесса за счет значительного сокращения времени проведения регулировки. Для достижения заявленного результата используют ЭВМ с пакетом программ, подключенную через интерфейс к съемному механическому стенду, включающему блоки ЦАП-АЦП и исполнительные механизмы, приводящие в движение устройства для регулировки путем вращения штоков. С помощью ЭВМ проводят анализ достигнутых значений технических характеристик, принимают решение о необходимости дальнейшей регулировки, а при достижении минимально возможных значений КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ заканчивают процесс регулировки СВЧ-прибора. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах, включающий процессы подачи напряжения на регулируемый СВЧ-прибор через измеритель технических характеристик и усилитель мощности (УМ), плавного изменения эквивалентной электроемкости СВЧ-прибора путем вращения устройств для регулировки и оценки результатов регулировки с помощью измерителя технических характеристик, отличающийся тем, что для управления процессом регулировки коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ_U), неравномерности по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазочастотной характеристике (ФЧХ) используют ЭВМ с пакетом программ, в которую вводят данные о минимально возможных значениях КСВ_U, неравномерности АЧХ и ФЧХ регулируемого СВЧ-прибора, после чего ЭВМ подключают через интерфейс к съемному механическому стенду, который состыковывают с устройствами для регулировки, одновременно ЭВМ подключают к выходу СВЧ-прибора и активируют работу программы, которая проводит необходимые расчеты, формирует управляющий сигнал и направляет его через интерфейс в блок ЦАП-АЦП съемного механического стенда, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый и приводит в движение исполнительные механизмы, которые вращают устройства для регулировки, настраивая СВЧ-прибор на минимально возможные значения КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ, после чего блок ЦАП-АЦП отправляет через интерфейс в ЭВМ отчет о выполнении команды, данные о достигнутых значениях технических характеристик поступают в ЭВМ с выхода СВЧ-прибора, после чего программа их анализирует и в случае, если минимально возможные значения КСВ_U, неравномерности АЧХ и ФЧХ не достигнуты, ЭВМ принимает решение о необходимости продолжения регулировки и повторяет процессы с момента проведения расчетов и формирования управляющего сигнала до анализа данных о достигнутых значениях технических характеристик, а при достижении минимально возможных значений КСВ_U и неравномерности АЧХ и ФЧХ процесс регулировки СВЧ-прибора заканчивают.

2. Комплекс средств для автоматической регулировки технических характеристик в СВЧ-приборах, включающий устройства для регулировки, каждое из которых содержит шток с резьбой, соединенный с расположенными внутри корпуса СВЧ-прибора отражающим и поглощающим электромагнитные волны дисками, и подключенные последовательно к регулируемому СВЧ-прибору измеритель технических характеристик и УМ, отличающийся тем, что в его состав дополнительно включены ЭВМ с пакетом программ для управления процессом регулировки КСВ_U, неравномерности по АЧХ и ФЧХ, съемный механический стенд, включающий n блоков ЦАП-АЦП для преобразования цифрового сигнала в аналоговый и обратно, 2n исполнительных механизмов, приводящих в движение устройства для регулировки путем вращения штоков, при этом ЭВМ подключена к выходу СВЧ-прибора и через интерфейс к блоку ЦАП-АЦП съемного механического стенда.