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, осуществляющих преобразование частоты (СВЧ-смесителей).

Известно устройство для определения коэффициентов передачи преобразователей частоты, состоящие из испытуемого преобразователя частоты, двух опорных преобразователей частоты, векторного анализатора цепей, гетеродина, четырех аттенюаторов, трех полосовых фильтров, двух вентилей, делителя мощности и контроллера (патент США №6,064,694 МПК Н04В 3/46, опубл. 16.05.2000).

Известно устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты (пат. РФ №2257592, МПК G01R 27/28 (2006.01), опубл. 10.05.2006), содержащее первый и второй генераторы качающейся частоты, блок управления, первый и второй делители сигналов, аттенюатор, первый переключатель, первый смеситель фазовой автоподстройки частоты, второй переключатель, третий переключатель, усилитель, второй смеситель фазовой автоподстройки частоты, первый фазовый детектор, вспомогательный смеситель, опорный смеситель, четвертый переключатель, второй фазовый детектор, перестраиваемый генератор промежуточных частот, пятый переключатель, делитель промежуточной частоты, испытуемый четырехполюсник с преобразователем частоты, шестой переключатель, смесители промежуточной частоты измерительного и опорного канала, индикатор и решающий блок, дополнительно ввести делитель с переменным коэффициентом деления, делитель сигнала гетеродина, третий фазовый детектор и опорный генератор.

Однако перечисленные выше устройства обладают погрешностями измерения фазы комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты, поскольку в них не устранены и не учтены погрешности, возникающие из-за нестабильности фазового сдвига соединителей СВЧ-трактов при переключениях и присоединениях, необходимых для реализации процедуры измерений. Это существенно снижает динамический диапазон измерений.

Известно устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты (пат. РФ №2649861, МПК G01R 27/28 (2006.01), опубл. 10.04.2018), содержащее измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, двухканальный супергетеродинный приемник, генератор испытательных СВЧ-сигналов, гетеродин СВЧ, шесть направленных ответвителей, векторный вольтметр с его выходным контактом, первый и второй порты, согласованную нагрузку, испытуемый СВЧ-смеситель, опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-генератор, смеситель фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор, первый и второй смесители промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты, генератор опорных частот, компьютер, компаратор, шесть переключателей, измеритель отношения сигналов и регулируемый аттенюатор.

В этом устройстве устранены погрешности, связанные с переключениями на СВЧ, однако не учтены паразитные сигналы, возникающие в канале гетеродина из-за недостаточной величины развязки между портами гетеродина испытуемого и опорного СВЧ-смесителей и уменьшающие динамический диапазон измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является описанное в патенте РФ №2524049, МПК G01R 27/28 устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, содержащее испытуемый СВЧ-четырехполюсник, измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, генератор испытательных СВЧ-сигналов, первый, второй, третий, четвертый переключатели, согласованную нагрузку, СВЧ-гетеродин, первый, второй, третий, четвертый направленные ответвители, векторный вольтметр с выходным контактом, первый и второй порты, испытуемый СВЧ-смеситель, опорный СВЧ-смеситель, СВЧ-генератор, смеситель фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор, первый и второй смесители промежуточной частоты, генератор опорных частот, компаратор и компьютер, образующие вместе с испытуемым СВЧ-смесителем, опорным СВЧ-смесителем и СВЧ-генератором двухканальный супергетеродинный приемник.

Однако описанное устройство имеет ограниченный динамический диапазон измерений комплексных коэффициентов передачи по причине дополнительных (паразитных) сигналов по каналу гетеродина в испытуемый СВЧ-смеситель сигналов промежуточной частоты из опорного СВЧ смесителя.

Техническим результатом является увеличение динамического диапазона измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты.

Указанный в прототипе измеритель параметров четырехполюсников СВЧ далее будем называть векторным анализатором цепей.

Для достижения технического результата предлагается устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, состоящее из векторного анализатора цепей, содержащего генератор испытательных СВЧ-сигналов, первый переключатель и связанную с ним согласованную нагрузку, СВЧ-гетеродин, векторный вольтметр, выходной контакт, первый и второй порты, первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители, двухканальный супергетеродинный приемник, содержащий испытуемый и опорный СВЧ-смесители, СВЧ-генератор, второй, третий и четвертый переключатели, первый и второй смесители промежуточной частоты, блок опорных частот, компаратор, компьютер, смеситель фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), фазовый детектор, трехканальный делитель мощности, первый и второй СВЧ-аттенюаторы, первый и второй СВЧ-усилители.

Выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со входом первичного канала первого направленного ответвителя, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала третьего направленного ответвителя, вход первичного канала которого соединен с первым портом, который соединен с первым портом испытуемого СВЧ-смесителя. Первый порт опорного СВЧ-смесителя соединен со вторым портом векторного анализатора цепей, соединенным со входом первичного канала четвертого направленного ответвителя, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала второго направленного ответвителя, вход первичного канала которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя. В зависимости от положения подвижного контакта первого переключателя к одному из его неподвижных контактов присоединяется согласованная нагрузка. 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. Второй порт испытуемого СВЧ-смесителя соединен с выходом первого усилителя СВЧ, вход которого соединен с выходом первого аттенюатора, вход которого соединен с первым выходом трехканального делителя мощности, второй выход которого соединен со входом второго аттенюатора, выход которого соединен со входом второго усилителя СВЧ, выход которого соединен со вторым портом опорного СВЧ смесителя. Третий выход трехканального делителя мощности соединен со вторым портом смесителя фазовой автоподстройки частоты, первый порт которого соединен с выходом генератора испытательных СВЧ-сигналов. Третий порт испытуемого СВЧ-смесителя соединен с подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя, подвижный контакт которого соединен с третьим портом опорного СВЧ-смесителя. Вторые неподвижные контакты второго и третьего переключателей соединены между собой. Третий порт смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен с первым входом фазового детектора и первым портом первого смесителя промежуточной частоты, третий порт которого соединен со вторым входом компаратора, первый вход которого соединен с третьим портом второго смесителя промежуточной частоты, первый порт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, а второй его порт соединен со вторым выходом блока опорных частот и вторым портом первого смесителя промежуточной частоты. Первый выход блока опорных частот соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора. Выход компаратора соединен со вторым входом компьютера, первый вход которого соединен с выходным контактом векторного вольтметра.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты является введение в него двух СВЧ-аттенюаторов, двух СВЧ-усилителей и трехканального делителя мощности. Связи вновь введенных элементов между собой и общими с прототипом элементами в совокупности образуют устройство, которое позволяет увеличить динамический диапазон измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения устройств СВЧ с преобразованием частоты.

На фигуре 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты; на фигуре 2 изображен ориентированный граф, описывающий прохождение сигналов по каналам делителя мощности гетеродина.

На блок-схеме предлагаемого устройства, изображенной на фигуре 1, приняты следующие обозначения. Первый порт направленного ответвителя обозначает вход его первичного канала, второй порт - выход первичного канала, третий порт - выход вторичного канала.

Устройство для измерения параметров преобразователей частоты состоит из векторного анализатора цепей 1 и двухканального супергетеродинного приемника 2. В состав векторного анализатора цепей входят: генератор испытательных СВЧ-сигналов 3, первый переключатель 4, 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. В состав двухканального супергетеродинного приемника 2 входят: испытуемый СВЧ-смеситель 15, первый СВЧ-усилитель 16, первый СВЧ-аттенюатор 17, трехканальный делитель мощности 18, второй СВЧ-аттенюатор 19, второй СВЧ-усилитель 20, опорный СВЧ-смеситель 21, смеситель фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 22, СВЧ-генератор 23, фазовый детектор 24, первый смеситель промежуточной частоты 25, второй переключатель 26, третий переключатель 27, четвертый переключатель 28, второй смеситель промежуточной частоты 29, блок опорных частот 30, компьютер 31, компаратор 32.

Выход генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 соединен с подвижным контактом первого переключателя 4, первый неподвижный контакт которого соединен со входом первичного канала первого направленного ответвителя 7, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала третьего направленного ответвителя 10, вход первичного канала которого через первый входной порт 13 соединен с первым портом испытуемого СВЧ-смесителя 15, второй порт которого соединен с выходом первого СВЧ-усилителя 16, вход которого соединен через первый СВЧ-аттенюатор 17 с первым выходом трехканального делителя мощности 18, второй выход которого соединен через СВЧ-аттенюатор 19 со входом СВЧ-усилителя 20, выход которого соединен со вторым портом опорного СВЧ-смесителя 21, первый порт соединен через второй порт 14 со входом первичного канала четвертого направленного ответвителя 11, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала второго направленного ответвителя 8, вход первичного канала которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя 4, к подвижным контактам которого попеременно в зависимости от положения его подвижного контакта присоединяется согласованная нагрузка 5. Выходы вторичных каналов первого 7, второго 8, третьего 10 и четвертого 11 направленных ответвителей соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами векторного вольтметра 9 соответственно, к входу 5 которого присоединен СВЧ-гетеродин 6. Выход генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 дополнительно соединен с первым портом смесителя фазовой автоподстройки частоты 22, второй порт которого соединен с третьим выходом трехканального делителя мощности 18, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора 23, вход которого соединен с выходом фазового детектора 24, первый вход которого одновременно соединен с третьим портом смесителя фазовой автоподстройки частоты 22 и первым портом первого смесителя промежуточной частоты 25, второй порт которого одновременно соединен со вторым выходом блока опорных частот 30 и вторым портом второго смесителя промежуточной частоты 29, первый порт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя 28, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя 26, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом третьего переключателя 27, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя 28, подвижные контакты второго 26 и третьего 27 переключателей соединены с третьими портами испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей соответственно. Первый выход блока опорных частот 30 соединен со вторым входом фазового детектора 24, третий порт первого смесителя промежуточной частоты 25 соединен со вторым входом компаратора 32, первый вход которого соединен с третьим портом второго смесителя промежуточной частоты 29, выход компаратора 32 соединен со вторым входом компьютера 31, первый вход которого соединен через контакт 12 с выходом векторного вольтметра 9.

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 по одной из известных методик (например, «Agilent Application Note 1287-3 Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements»). После проведения калибровки, используя двухканальный супергетеродинный приемник 2, измеряют произведение коэффициентов передачи и сумму фазовых сдвигов, последовательно включенных испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей следующим образом. Испытательный СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁ от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 через переключатель 4 в первом положении его подвижного контакта через первичные каналы направленных ответвителей 7 и 10, и первый порт 13 подают на первый порт испытуемого СВЧ-смесителя 15, на второй порт которого через СВЧ-усилитель 16 и СВЧ-аттенюатор 17 с первого выхода трехканального делителя мощности 18 поступает СВЧ-сигнал с частотой ƒ₂ от СВЧ-генератора 23, выполняющего функцию гетеродина. Образованный в результате гетеродинного преобразования частоты сигнал разностной первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1=ƒ₁-ƒ₂ в испытуемом СВЧ-смесителе 15 с его третьего порта через переключатели 26 и 27 во втором положении их подвижных контактов подают на третий порт опорного СВЧ-смесителя 21. В опорном СВЧ-смесителе 21 в результате перемножения сигнала первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 с сигналом от СВЧ-генератора 23 с частотой ƒ₂, поступающим со второго выхода трехканального делителя мощности 18 через СВЧ-аттенюатор 19 и СВЧ-усилитель 20 на второй порт опорного СВЧ-смесителя 21, получают сигнал, равный по частоте испытуемому СВЧ-сигналу ƒ₁, где ƒ₁=ƒ_ПЧ1+ƒ₂=(ƒ₁-ƒ₂)+ƒ₂ на первом порте опорного СВЧ-смесителя 21. Этот сигнал с частотой ƒ₁ подают через второй порт 14 в первичные каналы направленных ответвителей 11 и 8 на второй неподвижный контакт переключателя 4, к которому присоединяют согласованную нагрузку 5. На основании того, что испытуемый СВЧ-смеситель 15, имеющий фазовый сдвиг ϕ₁₅ и опорный СВЧ-смеситель 21, имеющий фазовый сдвиг ϕ₂₁, соединены последовательно, их фазовые сдвиги складываются. В результате этого получают общий фазовый сдвиг Σϕ=ϕ₁₅+ϕ₂₁ между первым 13 и вторым 14 портами векторного анализатора цепей 1. Так как испытуемый СВЧ-смеситель 15 имеет коэффициент передачи K₁₅, а опорный СВЧ-смеситель 21 - K₂₁, то при последовательном соединении получают общий коэффициент передачи ΣK=K₁₅K₂₁ (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 с выходов вторичных каналов первого 7 и четвертого 11 направленных ответвителей на первый и четвертый входы векторного вольтметра 9 или с выходов вторичных каналов второго 8 и третьего 10 направленных ответвителей на второй и третий входы векторного вольтметра 9 в случае подачи испытательного СВЧ-сигнала на порт 14. Результат измерений общего коэффициента передачи ΣK и общего сдвига фаз Σϕ с выхода векторного вольтметра 9, на пятый вход которого от СВЧ-гетеродина 6 подается СВЧ-сигнал, через контакт 12 подают на первый вход компьютера 31, где их фиксируют в его памяти. 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 блока опорных частот 30 и может выбираться любой в пределах его рабочего диапазона. Блок опорных частот 30 одновременно с сигналом первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 вырабатывает сигнал второй промежуточной частоты ƒ_ПЧ2, постоянной сдвинутой относительно сигнала первой промежуточной частоты на величину третьей постоянной промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, когерентной с сигналами первой и второй промежуточной частоты и равной ƒ_ПЧ3=ƒ_ПЧ1-ƒ_ПЧ2.

Система фазовой автоподстройки частоты работает следующим образом. На первый порт смесителя фазовой автоподстройки частоты 22 подается часть испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁ от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3, а на второй порт смесителя 22 поступает сигнал от СВЧ-генератора 23, снимаемый с третьего выхода трехканального делителя мощности 18. Сигнал с третьего порта смесителя фазовой автоподстройки частоты 22, равный разности частот ƒ₁-ƒ₂ генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 и СВЧ-генератора 23, подают на первый порт первого смесителя промежуточной частоты 25 и на первый вход фазового детектора 24, на второй вход которого поступает сигнал с первого выхода блока опорных частот 30, сигнал со второго выхода которого поступает на вторые порты первого 25 и второго 29 смесителей промежуточной частоты. Сигнал ошибки с выхода фазового детектора 24 подают на вход СВЧ-генератора 23, в результате чего его частота ƒ₂ следит 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 23 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 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей. Для этого измерения производят путем сравнения амплитуды и фазы испытательного сигнала с третьего порта второго смесителя промежуточной частоты 29, образованного в результате двойного преобразования частоты испытательного СВЧ-сигнала сначала от испытуемого 15, а затем опорного 21 СВЧ-смесителей, с опорным сигналом третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3 в компараторе 32, с последующим вычислением отношения коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей в компьютере 31.

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 проводить на постоянной, относительно низкой промежуточной частоте, с целью уменьшения погрешности измерений. 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 22, а затем в третью промежуточную частоту ƒ_ПЧ3 в первом смесителе промежуточной частоты 25, сигнал с третьего порта которого подают на второй вход компаратора 32.

Испытательный сигнал первой переменной промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 подают сначала с третьего порта испытуемого СВЧ-смесителя 15 на первый порт второго смесителя промежуточной частоты 29 в первом положении подвижного контакта третьего переключателя 26 и первом положении подвижного контакта четвертого переключателя 28, при измерении коэффициента передачи и сдвига фаз испытуемого СВЧ-смесителя 15. Затем испытательный сигнал первой переменной промежуточной частоты с третьего порта опорного СВЧ-смесителя 21 на первый порт второго смесителя промежуточной частоты 29, в первом положении подвижного контакта третьего переключателя 27 и втором положении подвижного контакта четвертого переключателя 28, при измерении коэффициента передачи и сдвига фаз опорного СВЧ-смесителя 21. Подвижные контакты второго 26 и третьего 27 переключателей переводят в первое положение. Учитывая, что после калибровки векторного анализатора цепей 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 K₁₅, его сдвиг фаз ϕ₁₅, модуль коэффициента передачи опорного СВЧ-смесителя K₂₁, его сдвиг фаз ϕ₂₁, модуль коэффициента передачи второго смесителя промежуточной частоты K₂₉, а его сдвиг фаз ϕ₂₉. Тогда амплитуда сигнала от порта 13, пришедшая к первому входу компаратора 32 в первом положении подвижного контакта переключателя 28, будет составлять U₁₃(K₁₅K₂₉), а сдвиг фаз ϕ₁₅+ϕ₂₉. Аналогично амплитуда сигнала от порта 14, пришедшая к первому входу компаратора 29 во втором положении подвижного контакта переключателя 28, будет составлять U₁₄(K₂₁K₂₉), а сдвиг фаз ϕ₂₁+ϕ₂₉. В компараторе 32 сравниваются по амплитуде и фазе сигналы, поступающие отдельно от первого порта 13 и отдельно от второго порта 14, на первый вход компаратора 32, преобразованные во втором смесителе промежуточной частоты 29 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 25 на второй вход компаратора 32. В результате в компараторе 32 получают отношение произведения амплитуды сигнала первого порта 13 U₁₃ и коэффициентов передачи испытуемого смесителя 15 K₁₅ и второго смесителя промежуточной частоты 29 к постоянному опорному уровню сигнала U_ПЧ3 третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, отношение произведения амплитуды сигнала второго порта 14 U₁₄ и коэффициентов передачи опорного смесителя 21 K₂₁ и второго смесителя промежуточной частоты 29 K₂₉ к постоянному опорному уровню сигнала U_ПЧ3 третьей промежуточной частоты ƒ_ПЧ3, Для сдвигов фаз в компараторе 32 получают значения разности между суммой сдвигов фаз испытуемого смесителя 15 ϕ₁₅ и второго смесителя промежуточной частоты ϕ₂₉ и фазой опорного сигнала третьей промежуточной частоты ϕ_ПЧ3, (ϕ₁₅+ϕ2₉)-ϕ_ПЧ3. Аналогично получают значения разности между суммой сдвигов фаз опорного смесителя 21 ϕ₂₁ и второго смесителя промежуточной частоты ϕ₂₉ и фазой опорного сигнала третьей промежуточной частоты ϕ_ПЧ3, (ϕ₂₁+ϕ₂₉)-ϕ_ПЧ3. Полученные значения (ϕ₁₅+ϕ₂₉)-ϕ_ПЧ3, (ϕ₂₁+ϕ₂₉)-ϕ_ПЧ3 с выхода компаратора 32 поступают на второй вход компьютера 31 и фиксируются в его памяти. В компьютере 31 вычисляют отношение коэффициентов передачи испытуемого смесителя 15 и опорного смесителя 21 (учитывая, что U₁₃=U₁₄):

И разность сдвигов фаз между испытуемым 15 и опорным 16 смесителями:

((ϕ₁₅+ϕ₂₉)-ϕ_ПЧ3)-((ϕ₂₁+ϕ₂₉)-ϕ_ПЧ3)=ϕ₁₅-ϕ₂₁=Δϕ.

Значения ΔK и Δϕ фиксируются в памяти компьютера 31.

После измерения суммы и разности коэффициентов передачи и сдвигов фаз испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей вычисляют коэффициенты передачи и фазовые сдвиги испытуемого СВЧ-смесителя 15. Расчеты производят следующим образом.

В памяти компьютера 31 имеется ранее измеренное произведение коэффициентов передачи ΣK=K₁₅K₂₁ в результате последовательного включения испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей, а также отношение коэффициентов передачи полученное в результате параллельных измерений испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей. В компьютере 31 решается система уравнений:

Находят значения модулей коэффициентов передачи испытуемого и опорного смесителей соответственно:

В памяти компьютера 31 имеется полученное в результате последовательного включения испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей значение суммы их сдвигов фаз Σϕ=ϕ₁₅+ϕ₂₁, а также значение разности их сдвигов фаз Δϕ=ϕ₁₅-ϕ₂₁, полученное в результате параллельных измерений испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей. В компьютере 31 решается система уравнений:

Находят действительные значения фазового сдвига испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей соответственно:

Для измерения в частотной точке комплексного коэффициента отражения испытуемого СВЧ-смесителя 15 в реальном рабочем режиме его эксплуатации с помощью векторного вольтметра 9 измеряют отношение амплитуд и разность фаз сигналов на его первом и третьем входах, поступающих с выходов вторичных каналов первого 7 и третьего 10 направленных ответвителей соответственно. 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.

Однако в процессе измерения суммы комплексных коэффициентов передачи испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей возникает погрешность измерений, связанная с дополнительным прохождением испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁ из испытуемого СВЧ-смесителя 15 в опорный СВЧ-смеситель 22 вследствие недостаточной величины изоляции друг относительно друга выходов трехканального делителя мощности.

Это положение может быть обосновано с помощью ориентированного графа, приведенного на фигуре 2, нумерация элементов которого соответствуют структурной схеме на фигуре 1. Граф описывает путь прохождения сигнала с частотой ƒ₂ от СВЧ-генератора 23, выполняющего функцию гетеродина, через трехканальный делитель мощности 18, подающий этот сигнал с первого и второго выходов этого делителя на вторые порты испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей соответственно. Граф выполнен в системе S-параметров матрицы рассеяния по методике, описанной в работе М.А. Силаев, С.Ф. Брянцев «Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств» М.: Советское радио, 1970. Из приведенного на фигуре 2 ориентированного графа видно, что даже в случае подачи испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁ только на первый порт испытуемого СВЧ-смесителя 15 и отсутствии его на первом порте опорного СВЧ-смесителя 15, он по пути попадает на первый порт_опорного СВЧ-смесителя 21, где смешивается по частоте с сигналом от СВЧ-генератора 23 с частотой ƒ₂, постоянно подаваемом на второй порт опорного СВЧ-смесителя 21 через путь В опорном СВЧ-смесителе 21 происходит смешение сигналов с частотами ƒ₁ и ƒ₂ и преобразование испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁ в сигнал первой промежуточной частоты ƒ_ПЧ1 по формуле ƒ_ПЧ1=ƒ₁-ƒ₂, который будет постоянно присутствовать на третьем порте опорного СВЧ-смесителя 21 даже при отсутствии испытательного СВЧ-сигнала с частотой ƒ₁ на первом порте этого смесителя.

Это обстоятельство ограничивает динамический диапазон измерений суммы комплексных коэффициентов передачи величиной в 30 дБ и, как показали экспериментальные исследования, вызывает ошибку измерений сдвигов фаз испытуемых устройств с преобразованием частоты, достигающую величин в 30-40 градусов.

Такая ошибка может быть устранена путем введения дополнительной развязки в виде пары последовательно соединенных друг с другом СВЧ-аттенюатора и СВЧ-усилителя, каждая из которых включена в тракты подачи сигнала гетеродина от СВЧ-генератора 23 между первым и вторым выходами трехканального делителя мощности 18 и вторыми портами испытуемого 15 и опорного 21 СВЧ-смесителей.

Принимая во внимание, что типовой транзисторный усилитель при коэффициенте усиления S₂₁ в 25 дБ имеет обратный коэффициент передачи S₁₂ не менее «минус» 50 дБ, такая система из последовательно соединенных СВЧ-аттенюатора с коэффициентом ослабления 10 дБ и СВЧ-усилителя позволяет получить развязку не менее (10+50)=60 дБ, а с учетом развязки между первым и вторым выходами трехканального делителя мощности 18 не менее 20 дБ, общая развязка в каждом из двух трактов сигнала гетеродина составит на менее 80 дБ на частоте ƒ₁ испытательного СВЧ-сигнала. Такие системы, как показали экспериментальные исследования, позволяют полностью исключить погрешности измерений суммы комплексных коэффициентов передачи, вызванные дополнительным каналом прохождения испытательного СВЧ-сигнала по цепям СВЧ-генератора 23.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Сущность заявленного решения заключается в том, что в устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, состоящее из векторного анализатора цепей, содержащего генератор испытательных СВЧ-сигналов, первый переключатель и связанную с ним согласованную нагрузку, СВЧ-гетеродин, векторный вольтметр, выходной контакт, первый и второй порты, первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители, двухканальный супергетеродинный приемник, содержащий испытуемый и опорный СВЧ-смесители, СВЧ-генератор, второй, третий и четвертый переключатели, первый и второй смесители промежуточной частоты, блок опорных частот, компаратор, компьютер, смеситель фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), фазовый детектор, дополнительно введены два СВЧ-аттенюатора, два СВЧ-усилителя и трехканальный делитель мощности. Технический результат при реализации заявленного решения заключается в увеличении динамического диапазона измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения благодаря введению дополнительных элементов и связей между ними. 2 ил.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты, содержащее векторный анализатор цепей, состоящий из генератора испытательных СВЧ-сигналов, первого переключателя и связанной с ним согласованной нагрузки, СВЧ-гетеродина, векторного вольтметра, выходного контакта, первого и второго портов, первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей, и двухканальный супергетеродинный приемник, состоящий из испытуемого и опорного СВЧ-смесителей, СВЧ-генератора, второго, третьего и четвертого переключателей, первого и второго смесителей промежуточной частоты, блока опорных частот, компаратора, компьютера, смесителя фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), фазового детектора, при этом выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с входом первичного канала первого направленного ответвителя, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала третьего направленного ответвителя, вход первичного канала которого соединен с первым портом, который соединен с первым портом испытуемого СВЧ-смесителя, первый порт опорного СВЧ-смесителя соединен со вторым портом, соединенным с входом первичного канала четвертого направленного ответвителя, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала второго направленного ответвителя, вход первичного канала которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя; в зависимости от положения подвижного контакта первого переключателя к одному из его неподвижных контактов присоединяется согласованная нагрузка, 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, третий порт испытуемого СВЧ-смесителя соединен с подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя, подвижный контакт которого соединен с третьим портом опорного СВЧ-смесителя, вторые неподвижные контакты второго и третьего переключателей соединены между собой, выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с первым портом смесителя фазовой автоподстройки частоты, третий порт которого соединен с первым входом фазового детектора и первым портом первого смесителя промежуточной частоты, третий порт которого соединен со вторым входом компаратора, первый вход которого соединен с третьим портом второго смесителя промежуточной частоты, первый порт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, а второй его порт соединен со вторым выходом блока опорных частот и вторым портом первого смесителя промежуточной частоты, первый выход блока опорных частот соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен с входом СВЧ-генератора, выход компаратора соединен со вторым входом компьютера, первый вход которого соединен с выходным контактом векторного вольтметра, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый и второй СВЧ-усилители, первый и второй СВЧ-аттенюаторы и трехканальный делитель мощности, при этом второй порт испытуемого СВЧ-смесителя соединен с выходом первого СВЧ-усилителя, вход которого соединен с выходом первого аттенюатора, вход которого соединен с первым выходом трехканального делителя мощности, второй выход которого соединен с входом второго СВЧ-аттенюатора, выход которого соединен с входом второго СВЧ-усилителя, выход которого соединен со вторым портом опорного СВЧ-смесителя, выход СВЧ-генератора соединен с входом трехканального делителя мощности, третий выход которого соединен со вторым портом смесителя фазовой автоподстройки частоты.