Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты Российский патент 2019 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты (СВЧ-смесителей).

Известно устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, в котором у генераторов качающейся частоты первые управляющие входы соединены с выходом блока управления, с третьим входом индикатора и входом перестраиваемого генератора промежуточных частот (пат. РФ №2257592, МПК G01R 27/28 (2006.01), опубл. 10.05.2006). Один из выходов генератора промежуточных частот соединен с вторым входом второго фазового детектора. Выход первого генератора качающейся частоты соединен с одним из входов первого смесителя блока фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого соединен с выходом второго генератора качающейся частоты. Сигнальный вход опорного смесителя соединен с подвижным контактом третьего переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя. При этом подвижный контакт переключателя соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с подвижным контактом первого переключателя.

Известно устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты, содержащее два генератора качающейся частоты, блок управления, первый делитель сигналов, аттенюатор, шесть переключателей, два смесителя фазовой автоподстройки частоты, вспомогательный смеситель, усилитель, два фазовых детектора, опорный смеситель, перестраиваемый генератор промежуточных частот, второй делитель сигналов, испытуемый четырехполюсник с преобразователем частоты, смеситель промежуточной частоты измерительного канала, смеситель промежуточной частоты опорного канала, индикатор, решающий блок, третий делитель сигналов (а.с. №1661682, МПК (5) G01R 27/28, опубл. 07.07.1991).

Однако указанные устройства обладают погрешностями измерений, возникающими за счет рассогласования в СВЧ-соединениях при переключениях для реализации измерений суммы и разности модуля и фазы комплексных коэффициентов передачи испытуемого и опорного смесителей СВЧ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, 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, испытуемого СВЧ-смесителя, опорного СВЧ-смесителя, СВЧ-генератора. В устройство дополнительно введены смеситель фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор, два смесителя промежуточной частоты, три переключателя, генератор опорных частот, компаратор и компьютер, образующие вместе с испытуемым СВЧ-смесителем, опорным СВЧ-смесителем и СВЧ-генератором двухканальный супергетеродинный приемник (пат. 2524049, РФ, МПК G01R 27/28 (2006.01), опубл. 27.07.2014). Связи элементов данного устройства между собой образуют устройство, позволяющее определять истинные комплексные коэффициенты передачи и отражения испытуемого СВЧ-смесителя без выполнения переключений и переподсоединений в СВЧ-трактах.

Благодаря наличию в составе устройства векторного анализатора цепей, содержащего в своем составе два рефлектометра, такое устройство позволяет непосредственно измерять и коэффициент отражения сигнальных входов испытуемого и опорного СВЧ-смесителей.

Однако, описанное выше устройство не позволяет измерять коэффициент отражения гетеродинного входа испытуемого устройства с преобразованием частоты СВЧ-смесителя.

Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты является расширение функциональных возможностей устройства для измерения истинных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты.

В устройстве, взятом за прототип, измеритель параметров четырехполюсников СВЧ будем называть векторным анализатором цепей.

Для достижения технического результата предлагается устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, выполненное с возможностью присоединения испытуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты, в качестве которого выступает испытуемый СВЧ-смеситель, содержащее в своем составе векторный анализатор цепей, который включает в себя: генератор испытательных СВЧ-сигналов, первый переключатель и связанную с ним согласованную нагрузку, СВЧ-гетеродин, первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители, векторный вольтметр с его выходным контактом, первый и второй порты, к которым может быть присоединен испытуемый четырехполюсник СВЧ или двухканальный супергетеродинный приемник, включающий в себя: испытуемый СВЧ-смеситель, опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-генератор, смеситель фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор, первый и второй смесители промежуточной частоты, шесть переключателей, генератор опорных частот, компаратор и компьютер; усилитель СВЧ, схемы сравнения, фиксированный аттенюатор.

Выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входом первичного канала первого направленного ответвителя, второй выход которого соединен с первым входом первичного канала третьего направленного ответвителя, второй выход первичного канала которого соединен с первым портом. Второй неподвижный контакт первого переключателя соединен с первым входом первичного канала второго направленного ответвителя, второй выход первичного канала которого соединен с первым входом первичного канала четвертого направленного ответвителя, второй выход первичного канала которого соединен со вторым портом. Третьи выходы вторичных каналов первого, второго, третьего, четвертого направленных ответвителей соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами векторного вольтметра, пятый вход которого соединен с выходом СВЧ-гетеродина, а выход векторного вольтметра соединен с выходным контактом векторного анализатора цепей. Первый порт векторного анализатора цепей одновременно соединен с первым входом усилителя СВЧ, первым входом схемы сравнения и первым входом испытуемого СВЧ-смесителя, третий выход которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом седьмого переключателя. Второй неподвижный контакт пятого переключателя соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя, подвижный контакт которого соединен с выходом опорного СВЧ-смесителя, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым портом. Выход СВЧ-генератора одновременно соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, вторым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты и первым входом первичного канала шестого направленного ответвителя, второй выход первичного канала которого соединен со вторым выходом первичного канала пятого направленного ответвителя, первый выход первичного канала которого одновременно соединен со вторым входом испытуемого СВЧ-смесителя и вторым входом схемы сравнения, выход которой соединен со вторым входом СВЧ-усилителя, выход которого соединен со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя, подвижный контакт которого соединен со вторым входом опорного СВЧ-смесителя. Третьи выходы вторичных каналов пятого и шестого направленных ответвителей соединены соответственно со вторым и первым неподвижными контактами шестого переключателя, подвижный контакт которого через фиксированный аттенюатор соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя. Первый вход фазового детектора одновременно соединен с выходом смесителя фазовой автоподстройки частоты и первым входом первого смесителя промежуточной частоты, третий выход которого соединен со вторым входом компаратора, первый вход которого соединен с третьим выходом второго смесителя промежуточной частоты, второй вход которого одновременно соединен со вторым входом первого смесителя промежуточной частоты и вторым выходом генератора опорных частот, первый выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора. Первый неподвижный контакт пятого переключателя соединен с первым неподвижным контактом седьмого переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым входом второго смесителя промежуточной частоты. Выход компаратора соединен со вторым входом компьютера, первый вход которого соединен с выходным контактом векторного анализатора цепей, выход генератора испытательных СВЧ-сигналов которого соединен с первым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты двухканального супергетеродинного приемника.

Отличительными признаками заявляемого устройства от прототипа являются наличие вновь введенных:

- СВЧ-усилителя и фиксированного аттенюатора;

- трех дополнительных переключателей: второго, третьего, четвертого;

- двух дополнительных направленных ответвителей: пятого и шестого, образующих рефлектометр;

- схемы сравнения,

а также связи между вновь введенными и общими с прототипом элементами.

На фигуре представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты.

Устройство для измерения параметров преобразователей частоты состоит из векторного анализатора цепей 1 и двухканального супергетеродинного приемника 2.

В состав векторного анализатора цепей 1 входят: генератор испытательных СВЧ-сигналов 3, первый переключатель 4 и связанная с ним согласованная нагрузка 5, СВЧ-гетеродин 6, первый направленный ответвитель 7, второй направленный ответвитель 8, векторный вольтметр 9, третий направленный ответвитель 10, четвертый направленный ответвитель 11, выходной контакт 12, первый порт 13, второй порт 14. Между векторным анализатором цепей СВЧ 1 и двухканальным супергетеродинным приемником 2 расположен испытуемый СВЧ-четырехполюсник 15. В состав двухканального супергетеродинного приемника 2 входят усилитель СВЧ 16, схема сравнения 17, второй переключатель 18, фиксированный аттенюатор 19, третий переключатель 20, испытуемый СВЧ-смеситель 21, пятый направленный ответвитель 22, шестой направленный ответвитель 23, четвертый переключатель 24, опорный СВЧ-смеситель 25, смеситель фазовой автоподстройки частоты 26, СВЧ-генератор 27, пятый переключатель 28, шестой переключатель 29, фазовый детектор 30, первый смеситель промежуточной частоты 31, седьмой переключатель 32, второй смеситель промежуточной частоты 33, генератор опорных частот 34, компьютер 35, компаратор 36.

Выход генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 соединен с подвижным контактом первого переключателя 4, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входом первичного канала первого направленного ответвителя 7, второй выход которого соединен с первым входом первичного канала третьего направленного ответвителя 10, второй выход первичного канала которого соединен с первым портом 13. Второй неподвижный контакт первого переключателя 4 соединен со входом один первичного канала второго направленного ответвителя 8, второй выход первичного канала которого соединен с первым входом первичного канала четвертого направленного ответвителя 11, второй выход первичного канала которого соединен со вторым портом 14. Третьи выходы вторичных каналов первого 7, второго 8, третьего 10, четвертого 11 направленных ответвителей соединены соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым входами векторного вольтметра 9, пятый вход которого соединен с выходом СВЧ-гетеродина 6, а выход векторного вольтметра соединен с выходным контактом 12 векторного анализатора цепей 1. Первый порт 13 векторного анализатора цепей 1 одновременно соединен с первым входом усилителя СВЧ 16, первым входом схемы сравнения 17 и первым входом испытуемого СВЧ-смесителя 21, третий выход которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя 28, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом седьмого переключателя 32. Второй неподвижный контакт пятого переключателя 28 соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя 29, подвижный контакт которого соединен с третьим выходом опорного СВЧ-смесителя 25, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя 18, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым портом 14. Выход СВЧ-генератора 27 одновременно соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя 24, вторым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты 26 и первым входом первичного канала шестого направленного ответвителя 23, второй выход первичного канала которого соединен со вторым выходом первичного канала пятого направленного ответвителя 22, первый выход первичного канала которого одновременно соединен со вторым входом испытуемого СВЧ-смесителя 21 и вторым входом схемы сравнения 17, выход которой соединен со вторым входом СВЧ-усилителя 16, выход которого соединен со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя 24, подвижный контакт которого соединен со вторым входом опорного СВЧ-смесителя 25. Третьи выходы вторичных каналов пятого 22 и шестого 23 направленных ответвителей соединены соответственно со вторым и первым неподвижными контактами шестого переключателя 20, подвижный контакт которого через фиксированный аттенюатор 19 соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя 18. Первый вход фазового детектора 30 одновременно соединен с третьим выходом смесителя фазовой автоподстройки частоты 26 первым входом первого смесителя промежуточной частоты 31, третий выход которого соединен со вторым входом компаратора 36, первый вход которого соединен с третьим выходом второго смесителя промежуточной частоты 33, второй вход которого одновременно соединен со вторым входом первого смесителя промежуточной частоты 31 и вторым выходом генератора опорных частот 34, первый выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 30, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора 27. Первый неподвижный контакт пятого переключателя 28 соединен с первым неподвижным контактом седьмого переключателя 32, подвижный контакт которого соединен с первым входом второго смесителя промежуточной частоты 33. Выход компаратора 36 соединен со вторым входом компьютера 35, первый вход которого соединен с выходным контактом 12 векторного анализатора цепей 1, выход генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 которого соединен с первым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты 26 двухканального супергетеродинного приемника 2.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты работает следующим образом.

В первом положении подвижных контактов второго 18 и четвертого 24 переключателей реализуется схема двухканального супергетеродинного приемника для измерения суммы и разности сдвигов фаз и отношения модулей коэффициентов передачи испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей.

При этом на первый вход испытуемого СВЧ-смесителя 21 и опорного СВЧ-смесителя 25 от генератора испытательных сигналов 3 векторного анализатора цепей 1 поочередно с помощью первого переключателя 4 подают испытательный СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁. Одновременно на вторые входы испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей постоянно поступают сигналы гетеродина с частотой ƒ₂ от СВЧ-генератора 27 двухканального супергетеродинного приемника 2.

Во втором положении подвижных контактов второго 18 и четвертого 24 переключателей реализуется схема для измерения модуля и фазы коэффициента отражения второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21. При этом пятый 22 и шестой 23 направленные ответвители образуют рефлектометр для измерения отношения сигналов с третьих выходов их вторичных каналов с частотами ƒ₂, несущих информацию о модуле и фазе коэффициента отражения второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21 в его рабочей точке. Эти сигналы с частотой ƒ₂ через второй 18 и третий 20 переключатели поочередно подают на первый вход опорного СВЧ-смесителя 25. При этом в качестве гетеродинного сигнала в опорном СВЧ-смесителе 25 используют сигнал от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 векторного анализатора цепей 1 с частотой ƒ₁. Обычно уровень мощности сигнала от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 не превышает 10^-5 Вт, что недостаточно для гетеродинного сигнала. Поэтому для повышения уровня мощности этого сигнала применен СВЧ-усилитель 16, работающий на частоте ƒ₁. С целью выравнивания уровня испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁, выполняющего функцию гетеродинного, на втором входе опорного СВЧ-смесителя 25 с уровнем гетеродинного сигнала с частотой ƒ₂ на втором входе испытуемого СВЧ-смесителя 21 применяют схему сравнения 17, которая сравнивает уровни сигналов с частотой ƒ₂ на втором входе испытуемого СВЧ-смесителя 21 с уровнем испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁, поступающего на вход СВЧ-усилителя 16, и в случае их разных уровней через второй вход СВЧ-усилителя 16 регулирует сигнал на его выходе так, чтобы он примерно соответствовал уровню мощности сигнала на втором входе испытуемого СВЧ-смесителя 21. Это обстоятельство исключает появление амплитудно-фазовой погрешности, возникающей за счет разных уровней сигналов на вторых входах опорного 25 и испытуемого 21 СВЧ-смесителей.

В режиме измерения коэффициента отражения второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21 опорный СВЧ-смеситель 25 выполняет функцию датчика уровней падающего и отраженного сигналов с частотой ƒ₂ на втором входе испытуемого СВЧ-смесителя 21. Тогда его первый вход используют как гетеродинный, а функцию гетеродинного сигнала выполняет испытательный СВЧ сигнал с частотой ƒ₁, усиленный до необходимого уровня мощности СВЧ-усилителем 16.

Если обозначить амплитуду сигнала, поступающего от СВЧ-генератора 27 на второй вход испытуемого СВЧ-смесителя 21 с частотой ƒ₂, как U_21/2, то ответвленная вторичным каналом шестого направленного ответвителя 23 амплитуда падающего на второй вход испытуемого СВЧ-смесителя 21 будет иметь амплитуду U_21/2⋅K₁, где K₁ коэффициент передачи равный переходному ослаблению шестого направленного ответвителя 23. Этот сигнал через третий переключатель 20 в первом положении его подвижного контакта, через фиксированный аттенюатор 19 и второй переключатель 18 во втором положении его подвижного контакта подают на первый вход опорного СВЧ-смесителя 25. В этом смесителе 25 его преобразуют с помощью испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁, поступающего на второй вход этого смесителя 25 с выхода СВЧ-усилителя 16, через седьмой переключатель 24 во втором положении его подвижного контакта в первую промежуточную частоту ƒ_ПЧ1=(ƒ_l-ƒ₂). Полученный в результате преобразования сигнал первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 через шестой переключатель 29 во втором положении его подвижного контакта и седьмой переключатель 32 во втором положении его подвижного контакта поступает на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 33, где его преобразуют с помощью сигнала второй промежуточной частоты ƒ_ПЧ2, подаваемого на второй вход этого смесителя 33 со второго выхода генератора опорных частот 34, в сигнал третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, который с третьего выхода второго смесителя промежуточной частоты 33 подают на первый вход компаратора 36.

Генератор опорных частот 34 вырабатывает два когерентных сигнала. Один с его первого выхода с частотой ƒ_ПЧ1, а второй с его второго выхода с частотой ƒ_ПЧ2=ƒ_ПЧ1+ƒ_ПЧ3.

Двойное преобразование частоты в двухканальном супергетеродинном приемнике 2 применяют для того, чтобы сигнал первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 преобразовать в сигнал третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, который служит опорным в компараторе 36 для сравнения с ним уровней амплитуд и сдвигов фаз преобразованного по частоте гетеродинного сигнала с частотой ƒ₂, пришедшего на второй вход СВЧ-смесителя 21 и отраженного от этого входа. Дополнительно к этому двойное преобразование частоты применяют и с целью уменьшения погрешности измерений за счет проведения их на относительно низкой третьей промежуточной частоте ƒ_ПЧ3.

Опорный сигнал третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3 получают из сигнала, взятого с выхода генератора испытательных СВЧ-сигналов 3, путем двойного преобразования его частоты, сначала в первую переменную промежуточную частоту ƒ_ПЧ1=(ƒ₁-ƒ₂) в смесителе фазовой автоподстройки частоты 26, а затем в третью постоянную промежуточную частоту ƒ_ПЧ3=ƒ_ПЧ1-ƒ_ПЧ2 в первом смесителе промежуточной частоты 31, на второй вход которого подают сигналы ƒ_ПЧ2=ƒ_ПЧ1+ƒ_ПЧ3 со второго выхода генератора опорных частот 34, а на первый вход этого смесителя поступает сигнал первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 с выхода смесителя фазовой автоподстройки частоты 26.

Преобразование частоты в первом смесителе промежуточной частоты 31 осуществляют по формуле ƒ_ПЧ3=[(ƒ_ПЧ2=ƒ_ПЧ1+ƒ_ПЧ2)-ƒ_ПЧ1]

Отношение амплитуд падающего на второй вход испытуемого СВЧ-смесителя 21 сигнала гетеродина ƒ₂ и отраженного от него же сигнала суть коэффициент отражения Г₂ второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21.

Эти измерения осуществляются следующим образом. Часть уровня амплитуды сигнала гетеродина 27, пришедшего на второй вход испытуемого СВЧ-смесителя 21, ответвляют вторичным каналом шестого направленного ответвителя 23 и с его третьего выхода вторичного канала в виде сигнала U_2l/2 с амплитудой U_21/2⋅K₂₃ и частотой ƒ₂ подают через третий переключатель 20 в первом положении его подвижного контакта, фиксированный аттенюатор 19 и второй переключатель 18 во втором положении его подвижного контакта на первый вход опорного СВЧ-смесителя 25. После преобразования в нем этого сигнала в первую промежуточную частоту ƒ_ПЧ1 его подают через шестой переключатель 29 во втором положении его подвижного контакта и четвертый переключатель 32 во втором положении его подвижного контакта, на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 33, где преобразуют в результате второго преобразования частоты в сигнал третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, который с его выхода второго смесителя промежуточной частоты 33, поступает на первый вход компаратора 36, где его сравнивают по амплитуде и фазе с опорным сигналом третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, поступающим на вход компаратора 36. Результат сравнения получают в виде отношения амплитуд и разности фаз этого опорного сигнала третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3 и преобразованного в эту частоту гетеродинного сигнала ƒ₂, отраженного от второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21. Этот сигнал ответвляют с помощью шестого направленного ответвителя 23 и третьего выхода его вторичного канала, третьего переключателя 20 во втором положении его подвижного контакта, через фиксированный аттенюатор 19 и второй переключатель 18 во втором положении его подвижного контакта подают на первый вход опорного СВЧ-смесителя 25, с третьего выхода которого через шестой переключатель 29 во втором положении его подвижного контакта и седьмой переключатель 32 во втором положении его подвижного контакта после двойного преобразования его частоты в опорном СВЧ-смесителе 25 и втором смесителе второй промежуточной частоты 33 в виде амплитуды сигнала U_21/2⋅K₂₃⋅K₁₉⋅K₂₅⋅K₃₃, где K₁₉, K₂₅, K₃₃ - коэффициенты передачи фиксированного аттенюатора 19, опорного СВЧ-смесителя 25 и второго смесителя промежуточной частоты 33 - соответственно, с выхода второго смесителя промежуточной частоты поочередно с падающим сигналом подают на первый вход компаратора 36. Результат сравнения отраженного и падающего сигналов запоминают в памяти компьютера 35.

После этого в компараторе 36 сравнивают результаты измерений отношения амплитуды и разности сдвигов фаз падающего и отраженного гетеродинных сигналов на втором входе испытуемого СВЧ-смесителя 21 преобразованными в третью промежуточную частоту ƒ_ПЧ3. В результате этого сравнения вычисляют комплексную величину коэффициента отражения второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21.

Математически весь этот процесс может быть представлен следующим образом. Обозначим амплитуду сигнала с частотой ƒ₂ подаваемую на второй гетеродинный вход испытуемого СВЧ-смесителя как U_21/2, тогда сигнал, ответвленный вторичным каналом шестого направленного ответвителя 23 и проходящий через третий переключатель 20 в первом положении его подвижного контакта после двойного преобразования его частоты будет иметь амплитуду падающего сигнала, пришедшего на первый вход компаратора 36 описываемого формулой в виде комплексного напряжения:

U_ПАД=U_21/2⋅K₂₃⋅K₁₉⋅K₂₅⋅K₃₃

В которой K₂₃ переходное ослабление шестого направленного ответвителя 23, а K₁₉, K₂₅, K₃₃ коэффициенты передачи фиксированного аттенюатора 19, опорного СВЧ-смесителя 25 и второго смесителя второй промежуточной частоты 33 соответственно. В компараторе 36 осуществляют сравнение амплитуд сигнала пришедшего на его первый вход с частотой ƒ_ПЧ3 и опорного сигнала поданного на его второй вход с частотой ƒ_ПЧ3. Результат сравнения получают:

После этого, аналогично измерению амплитуды падающего сигнала, во втором положении подвижного контакта третьего переключателя 20 измеряют амплитуду сигнала гетеродина 27, отраженного от второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21. После преобразования его частоты в третью промежуточную частоту ƒ_ПЧ3 также подают на первый вход компаратора 36 в виде комплексного

напряжения:

U_OTP=U_21/2⋅Г_21/2⋅K₂₃⋅K₁₉⋅K₂₅⋅K₃₃,

где сравнивают по амплитуде и фазе с опорным сигналом третьей промежуточной частоты подаваемой на второй вход компаратора 36 в результате чего получают отношение амплитуд сигналов в комплексном виде:

где K₂₂ переходное ослабление пятого направленного ответвителя 22.

Затем после измерения комплексных параметров падающего и отраженного от второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21 сигналов, в компьютере 35 вычисляют комплексный коэффициент отражения второго входа испытуемого СВЧ-смесителя 21 в виде:

Результаты измерений выводят на дисплей компьютера 35.

Измерения комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 21 проводят следующим образом.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты работает следующим образом. Перед началом измерений проводят калибровку векторного анализатора цепей 1 согласно одной из существующих методик, например, Agilent Application Note 1287-3 "Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements". После калибровки измеряют произведение коэффициентов передачи и сумму фазовых сдвигов последовательно присоединенных испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей следующим образом. Испытательный СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁ от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 через первый переключатель 4 в первом положении его подвижного контакта, через основные каналы первого и третьего направленных ответвите л ей 7 и 10 и первый порт 13 подают на первый (сигнальный) вход испытуемого смесителя 21, на второй (гетеродинный) вход которого поступает СВЧ-сигнал с частотой ƒ₂ от СВЧ-генератора 27, выполняющего функцию гетеродина. Образованный в результате гетеродинного преобразования частоты сигнал разностной первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1=ƒ₁-ƒ₂ испытуемом СВЧ-смесителе 21 с его третьего выхода через пятый переключатель 28 во втором положении его подвижного контакта и шестой переключатель 29 в первом положении его подвижного контакта, подают на третий выход, используемый как вход, опорного СВЧ-смесителя 25. В опорном СВЧ-смесителе 25, в результате сложения сигнала первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1=ƒ₁-ƒ₂ с сигналом от СВЧ-генератора 27 с частотой ƒ₁ поступающим на второй вход опорного СВЧ-смесителя 25, получают сигнал, равный по частоте испытуемому СВЧ-сигналу ƒ₁, где ƒ₁=ƒ_ПЧ1+ƒ₂=(ƒ₁-ƒ₂)+ƒ₂ на первом входе, используемом как выход опорного СВЧ-смесителя 25. Этот сигнал с частотой ƒ₁ подают через второй порт 14 и первичные каналы четвертого 11 и второго 8 направленных ответвителей на второй неподвижный контакт переключателя 4, к которому присоединяют согласованную нагрузку 5. На основании того, что испытуемый СВЧ-смеситель 21, имеющий фазовый сдвиг ƒ₂₁, и опорный СВЧ-смеситель 25, имеющий фазовый сдвиг ϕ₂₅, соединены последовательно, их фазовые сдвиги складываются. В результате чего получают общий фазовый сдвиг Σϕ=ϕ₂₁+ϕ₂₅ между первым 13 и вторым 14 портами векторного анализатора цепей 1.

Аналогично перемножают коэффициенты передачи испытуемого СВЧ-смесителя 21 K₂₁ и опорного СВЧ-смесителя 25 K₂₅. В результате этого получают общий коэффициент передачи ΣK=K₂₁⋅K₂₅ (общие потери преобразования). Величину общего сдвига фаз Σϕ и общих потерь преобразования ΣK между первым 13 и вторым 14 портами регистрируют по разности сдвигов фаз и отношению амплитуд сигналов, поступающих со вторичных каналов первого направленного ответвителя 7 и четвертого направленного ответвителя 11 на первый и четвертый входы векторного вольтметра 9.

Результаты измерений общего коэффициента передачи ΣK и общего сдвига фаз Σϕ с выхода векторного вольтметра 9 через выходной контакт 12 подают на первый вход компьютера 35, где их фиксируют (записывают в его память).

Величину первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 в процессе измерений поддерживают постоянной с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. Величина первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 задается с помощью генератора опорных частот 34 и может быть выбрана любой в пределах рабочего диапазона генератора опорных частот 34, который в свою очередь определяется условиями эксплуатации.

Генератор опорных частот 34 одновременно с сигналом первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 вырабатывает сигнал второй промежуточной частоты ƒ_ПЧ2, постоянно сдвинутый относительно сигнала первой промежуточной частоты на величину третьей постоянной промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, когерентной с сигналом первой и второй промежуточной частоты и равной ƒ_ПЧ3=ƒ_ПЧ1-ƒ_ПЧ2, величина которой стабилизирована кварцевым резонатором (на фиг. не показано), являющимся неотъемлемой частью генератора опорных частот 34. Система фазовой автоподстройки частоты работает следующим образом. На первый вход смесителя фазовой автоподстройки частоты 26 подают часть испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁ от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3, а на второй вход этого смесителя 26 поступает сигнал с выхода генератора СВЧ-сигналов 27. Сигнал с третьего выхода смесителя фазовой автоподстройки частоты 26, равный разности частот ƒ₁-ƒ₂ генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 и генератора СВЧ 27 подают на первый вход фазового детектора 30, на второй вход которого поступает сигнал с первого выхода генератора опорных частот 34. Сигнал ошибки с выхода фазового детектора 30 подают на вход СВЧ-генератора 27, в результате чего его частота ƒ₂ следует за изменениями частоты ƒ₁ испытательного СВЧ-сигнала генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 так, что разность между частотами ƒ₁ и ƒ₂ с точностью до фазы равна выбранной первой промежуточной частоте ƒ_ПЧ1. Даже при качании генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 в диапазоне частот разность между его частотой и частотой СВЧ-генератора 27 благодаря системе фазовой автоподстройки частоты будет оставаться постоянной и равной выбранной первой промежуточной частоте ƒ_ПЧ1.

Затем определяют отношение коэффициентов передачи и разность фазовых сдвигов испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей. Для этого измерения производят путем сравнения амплитуды и фазы испытательного сигнала с выхода три второго смесителя промежуточной частоты 33, образованного в результате двойного преобразования частоты испытательного СВЧ-сигнала сначала от испытуемого 21, а затем опорного 25 СВЧ-смесителей, с опорным сигналом третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3 в компараторе 36, с последующим вычислением отношения коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей в компьютере 35.

Двойное преобразование частоты применяют для того, чтобы сигнал первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 преобразовать в сигнал третьей постоянной промежуточной частоты ƒ_ПЧ3 и сравнение сдвигов фаз и разности амплитуд, с целью уменьшения погрешности измерений, проводить на постоянной, относительно низкой промежуточной частоте. Опорный сигнал третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3 получают из испытательного СВЧ-сигнала, с выхода генератора испытательных СВЧ-сигналов 3, путем двойного преобразования его частоты, сначала в первую промежуточную частоту ƒ_ПЧ1 в смесителе фазовой автоподстройки частоты 26, а затем в третью промежуточную частоту ƒ_ПЧ2 в первом смесителе промежуточной частоты 31, сигнал которой подают на второй вход компаратора 36.

Испытательный сигнал первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 подают сначала с третьего выхода испытуемого СВЧ-смесителя 21 на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 33 в первом положении подвижного контакта пятого 28 и седьмого 32 переключателей, при измерении коэффициента передачи и сдвига фаз испытуемого СВЧ-смесителя 21. Затем испытательный сигнал первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 с третьего выхода опорного СВЧ-смесителя 25 подают на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 33, во втором положении подвижного контакта шестого 29 и седьмого 32 переключателей, при измерении коэффициента передачи и сдвига фаз опорного СВЧ-смесителя 25. Подвижные контакты пятого 28 и шестого 29 переключателей переводят во второе и первое положения соответственно. Учитывая, что после калибровки измерителя комплексных параметров СВЧ четырехполюсников 1 уровни амплитуд и разности фаз между его портами 13 и 14 равны между собой приписывают порту 13 амплитуду сигнала U₁₃, а порту 14 амплитуду сигнала U₁₄ и U₁₃=U₁₄. Обозначают модуль коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 21⋅K₂₁, его истинный сдвиг фаз ϕ₂₁, модуль коэффициента передачи опорного СВЧ-смесителя 25 К₂₅, его истинный сдвиг фаз ϕ₂₅, модуль коэффициента передачи второго смесителя промежуточной частоты 33 K₃₃, а его истинный сдвиг фаз ϕ₃₃. Тогда амплитуда сигнала от порта 13, пришедшая к первому входу компаратора 36 в первом положении подвижного контакта седьмого переключателя 32, будет составлять U₁₃⋅K₂₁⋅K₃₃, а сдвиг фаз ϕ₂₅+ϕ₃₃. Аналогично амплитуда сигнала от порта 14, пришедшая к первому входу компаратора 36 во втором положении подвижного контакта седьмого переключателя 32, будет составлять U₁₄⋅K₂₅⋅K₃₃, а сдвиг фаз ϕ₂₅+ϕ₃₃. В компараторе 36 сравнивают по амплитуде и фазе сигналы, поступающие отдельно от первого порта 13 и отдельно от второго порта 14, на первый вход компаратора 36, преобразованные во втором смесителе промежуточной частоты 33 в третью промежуточную частоту ƒ_ПЧ3 с постоянным по амплитуде и фазе опорным сигналом третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, подаваемым с третьего выхода первого смесителя промежуточной частоты 31 на второй вход компаратора 36. В результате в компараторе 36 получают отношение произведения амплитуды сигнала первого порта 13 U₁₃ и коэффициентов передачи испытуемого смесителя 21 K₂₁ и второго смесителя промежуточной частоты 33 K₃₃ к постоянному опорному уровню сигнала U_ПЧ3 третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3; отношение произведения амплитуды сигнала второго порта 14 и коэффициентов передачи опорного смесителя 25 K₂₅ и второго смесителя промежуточной частоты 33 K₃₃ к постоянному опорному уровню сигнала U_ПЧ3 третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3. Для сдвигов фаз в компараторе 36 получают значения разности между суммой сдвигов фаз испытуемого смесителя 21 ϕ₂₁ и второго смесителя промежуточной частоты 33 ϕ₃₃ и фазой опорного сигнала третьей промежуточной частоты ϕ_ПЧ3, (ϕ₂₁+ϕ₃₃)-ϕ_ПЧ3. Аналогично получают значения разности между суммой сдвигов фаз опорного смесителя 25 ϕ₂₅ и второго смесителя промежуточной частоты ϕ₃₃ и фазой опорного сигнала третьей промежуточной частоты ϕ_ПЧ3, (ϕ₂₅+ϕ₃₃)-ϕ_ПЧ3.

Полученные значения (ϕ₂₁+ϕ₃₃)-ϕ_ПЧ3 и (ϕ₂₅+ϕ₃₃)-ϕ_ПЧ3 с выхода компаратора 36 поступают на второй вход компьютера 35 и фиксируются в его памяти. В компьютере 35 вычисляют отношение коэффициентов передачи испытуемого смесителя 21 и опорного смесителя 25 (учитывая, что U₁₃=U₁₄):

И разность сдвигов фаз между испытуемым 21 и опорным 25 смесителями:

(ϕ₂₁+ϕ₃₃)-ϕ_ПЧ3-(ϕ₂₅+ϕ₃₃)-ϕ_ПЧ3=ϕ₂₁-ϕ₂₅=Δϕ

Значения ΔK и Δϕ фиксируются в памяти компьютера 35.

После измерения суммы и разности коэффициентов передачи и сдвигов фаз испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей вычисляют истинные коэффициенты передачи и фазовые сдвиги испытуемого СВЧ-смесителя 21. Расчеты производят следующим образом.

В памяти компьютера 35 имеется ранее измеренное произведение коэффициентов передачи Σ=K₂₁⋅K₂₅ в результате последовательного присоединения испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей. А также отношение коэффициентов передачи полученное в результате параллельных измерений испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей. В компьютере 27 решается система уравнений:

Находят действительные значения модулей коэффициентов передачи испытуемого и опорного смесителей соответственно:

В памяти компьютера 35 имеется полученное в результате последовательного присоединения испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей значение суммы их сдвигов фаз Σϕ=ϕ₂₁+ϕ₂₅. А также значение разности их сдвигов фаз Δϕ=ϕ₂₁-ϕ₂₅, полученное в результате параллельных измерений испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей.

В компьютере 35 решается система уравнений:

Находят действительные значения фазового сдвига испытуемого 21 и опорного 25 СВЧ-смесителей соответственно:

Полученные истинные значения модуля и фазы комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя 21 выводятся на экран компьютера 35 для выбранной частотной точки рабочего диапазона генератора испытательных СВЧ-сигналов 3, на выбранной с помощью генератора опорных частот 34 первой промежуточной частоте ƒ_ПЧ1 и в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик этого СВЧ смесителя 21 в панорамном режиме его испытаний, при автоматическом качании генератора испытательных СВЧ сигналов 3 в его рабочем диапазоне частот.

Для измерения в частотной точке комплексного коэффициента отражения испытуемого СВЧ-смесителя 21 в реальном рабочем режиме его эксплуатации с помощью векторного вольтметра 9 измеряют отношение амплитуд и разность фаз сигналов на его первом и третьем входах. С целью устранения влияния паразитных сигналов, возникающих в испытуемом СВЧ-смесителе, применяют преобразование частоты сигналов, поступающих на входы векторного вольтметра 9 с помощью СВЧ-гетеродина 6.

Дополнительно векторный анализатор цепей 1 позволяет определять и комплексные коэффициенты передачи и отражения испытуемых четырехполюсников СВЧ. Для этого от его портов 13 и 14 отсоединяется двухканальный супергетеродинный приемник 2, и к ним присоединяют испытуемый четырехполюсник СВЧ 15. Для определения S-параметров четырехполюсника СВЧ 15 применяют два рефлектометра, один из которых образован системой встречно включенных первого 7 и третьего 10 направленных ответвителей, а другой, аналогичный, системой встречно включенных второго 8 и четвертого 11 направленных ответвителей, сигналы со вторичных каналов которых преобразуют в постоянную промежуточную частоту, получаемую как разность между частотами сигналов от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 и СВЧ-гетеродина 6 в векторном вольтметре 9.

В положении 1 первого переключателя 4 при направлении подачи испытательного СВЧ-сигнала от порта 13 к порту 14 измеряют комплексные коэффициенты матрицы рассеяния испытуемого СВЧ четырехполюсника S₁₁, как отношение сигналов на первом и третьем входах векторного вольтметра 9, S₂₁, как отношение сигналов на первом и четвертом входах векторного вольтметра 9.

В положении 2 первого переключателя 4 испытательный СВЧ-сигнал подают от порта 14 к порту 13 и измеряют комплексные коэффициенты матрицы рассеяния испытуемого СВЧ-четырехполюсника, S₂₂ как отношение сигналов на втором и четвертом входах и S₁₂ как отношение сигналов на втором и третьем входах векторного вольтметра 9.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности по сравнению с устройством, выбранным за прототип. Оно обладает новизной и промышленной применимостью. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет критериям изобретения.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты (СВЧ-смесителей). Предлагается устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, содержащее векторный анализатор цепей, который включает в себя: генератор испытательных СВЧ-сигналов, первый переключатель и связанную с ним согласованную нагрузку, СВЧ-гетеродин, первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители, векторный вольтметр с его выходным контактом, первый и второй порты. Устройство также содержит двухканальный супергетеродинный приемник, к которому подключается испытуемый СВЧ-смеситель. Супергетеродинный приемник содержит: опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-генератор, смеситель фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор, первый и второй смесители промежуточной частоты, шесть переключателей, генератор опорных частот, компаратор и компьютер; усилитель СВЧ, схему сравнения, фиксированный аттенюатор. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты. 1 ил.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, выполненное с возможностью присоединения испытуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты, в качестве которого выступает испытуемый СВЧ-смеситель, содержащее векторный анализатор цепей, состоящий из генератора испытательных СВЧ-сигналов, первого переключателя, согласованной нагрузки, связанной с первым переключателем, СВЧ-гетеродина, первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей, векторного вольтметра с выходным контактом, первого и второго портов, при этом выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым выходом первичного канала первого направленного ответвителя, второй выход первичного канала которого соединен с первым входом первичного канала третьего направленного ответвителя, второй выход первичного канала которого соединен с первым портом, второй порт соединен со вторым выходом первичного канала четвертого направленного ответвителя, первый вход первичного канала которого соединен со вторым выходом первичного канала второго направленного ответвителя, первый вход первичного канала которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя, третьи выходы вторичных каналов первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами векторного вольтметра соответственно, пятый вход которого соединен с СВЧ-гетеродином, а выход векторного вольтметра соединен с выходным контактом, при этом к первому и второму портам может быть присоединен испытуемый четырехполюсник СВЧ или двухканальный супергетеродинный приемник, выполненный с возможностью присоединения испытуемого СВЧ-смесителя и состоящий из опорного СВЧ-смесителя, смесителя фазовой автоподстройки частоты, фазового детектора, генератора опорных частот, пятого, шестого и седьмого переключателей, первого и второго смесителей промежуточной частоты, компаратора и компьютера, при этом первый вход испытуемого СВЧ-смесителя соединен с первым портом, третий выход испытуемого СВЧ-смесителя соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом седьмого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом шестого переключателя, подвижный контакт которого соединен с третьим выходом опорного СВЧ-смесителя, первый вход смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен с выходом генератора испытательных СВЧ-сигналов, выход смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен с первым входом фазового детектора и первым входом первого смесителя промежуточной частоты, третий выход которого соединен со вторым входом компаратора, первый вход которого соединен с третьим выходом второго смесителя промежуточной частоты, первый вход которого соединен с подвижным контактом седьмого переключателя, а второй его вход соединен со вторым выходом генератора опорных частот и вторым входом первого смесителя промежуточной частоты, первый выход генератора опорных частот соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора, вторые неподвижные контакты шестого и седьмого переключателей соединены между собой, выход компаратора соединен со вторым входом компьютера, первый вход которого соединен с выходным контактом векторного вольтметра, отличающееся тем, что в него дополнительно введены усилитель СВЧ, схема сравнения, фиксированный аттенюатор, пятый и шестой направленные ответвители, образующие рефлектометр, второй, третий и четвертый переключатели, при этом усилитель СВЧ первым своим входом соединен одновременно с первым входом схемы сравнения, первым портом и первым входом испытуемого СВЧ-смесителя, второй выход первичного канала пятого направленного ответвителя соединен со вторым выходом первичного канала шестого направленного ответвителя, первый вход первичного канала которого соединен с выходом СВЧ-генератора, вторым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты и первым неподвижным контактом четвертого переключателя, подвижный контакт которого соединен со вторым входом опорного СВЧ-смесителя, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым портом, второй неподвижный контакт второго переключателя, через фиксированный аттенюатор соединен с подвижным контактом третьего переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с третьим выходом вторичного канала шестого направленного ответвителя, второй неподвижный контакт третьего переключателя соединен с третьим выходом вторичного канала пятого направленного ответвителя, второй неподвижный контакт четвертого переключателя соединен с выходом усилителя СВЧ, второй вход которого соединен с выходом схемы сравнения, второй вход которой соединен одновременно с первым входом первичного канала пятого направленного ответвителя, и вторым входом испытуемого СВЧ-смесителя.