Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ Российский патент 2022 года по МПК G01R27/28 G01R35/00 

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при измерении комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.

Известны устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, состоящие из двухчастотных источников когерентных испытательных сигналов и двухканальных приемников этих сигналов с фазочувствительным индикатором отношений (Абубаниров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерители параметров радиотехнических цепей/Радиосвязь 1984 г, стр. 141-156). За рубежом такие устройства в настоящие время называют векторными анализаторами цепей (ВАЦ) [Каталог контрольно-измерительной аппаратуры фирмы Rohde & Schwarz, 2020 г., стр. 144-148, - URL: https://info.rohde-schwarz.ro/storage/cataloRue/2020/17-catalog_2020_ru_Interactive+covers_opt.pdf (дата обращения: 02.12.2021).], они позволяют измерять полный комплект s-параметров, матрицы рассеяния испытуемого четырехполюсника СВЧ.

К недостаткам этих устройств относится наличие амплитудно-фазовой погрешности, увеличивающейся с ростом динамического диапазона амплитуд их испытательных сигналов. [Патент №8,378,693 В2 United States, МПК G01R 27/28 (2006.01). заявлено 29.04.2010: опубликовано 19.02.2013 / Изобретатель: Мишель М. Азарян, Остин, Техас (США), Правопреемник: Корпорация "Нэшнл Инструментс", Остин, Техас (США) - URL: https://patents.google.com/patent/US8378693B2/en (дата обращения: 02.12.2021).] Величину амплитудно-фазовой погрешности таких устройств учитывают предварительной аттестацией перед проведением измерений, с помощью измерения эталонных мер амплитуды и фазы, с последующим вычислением погрешностей, путем сравнения измеренной и эталонной величин. При этом необходимо чтобы точность измерения эталонных величин была на порядок выше, чем погрешность самого измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ.

В тоже время точность современных измерителей комплексных параметров четырехполюсников СВЧ практически сравнялась с точностью определения погрешности аттестации самих эталонных калибровочных мер, что приводит к невозможности снижения амплитудно-фазовой погрешности путем одной только калибровки. [Khayrullin, RZ. Methods and models of calibration of vector network analyzers. Journal of Physics: Conference Series. DOI: 10.1088/1742-6596/1921/1/012122.-URL: https://www.researchgate.net/publica-tion/352045738_Methods_and_models_of_calibration_of_vector_net_work_analyzers (дата обращения: 03.12.2021).] Однако при эксплуатации измерителей комплексных параметров четырехполюсников СВЧ в подавляющем большинстве случаев нет необходимости в дорогостоящих прямых инструментальных измерениях величины амплитудно-фазовой погрешности.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству является измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ [патент №2377583 РФ, МПК G01R 27/28 (2006.01) - URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2377583C1_20091227 (дата обращения: 03.12.2021)].

Это устройство содержит:

- двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных СВЧ-сигналов;

- испытуемый четырехполюсник СВЧ;

- двухканальный супергетеродинный приемник, состоящий из первого и второго СВЧ смесителей, первого и второго аналого-цифровых преобразователей;

- управляющего компьютера и индикатора отношений;

- первый дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из первого усилителя и первых постоянного и переменного резисторов;

- второй дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из второго усилителя и вторых постоянного и переменного резисторов;

- дополнительный генератор;

- переменный аттенюатор;

- равноплечный делитель;

- вольтметр;

- блок управления;

- шесть переключателей.

Вход испытуемого четырехполюсника СВЧ соединен одновременно с первым выходом первого испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов и первым входом второго СВЧ-смесителя, второй вход которого одновременно соединен с выходом второго испытательного СВЧ-сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов и вторым входом первого СВЧ-смесителя, первый вход которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсников СВЧ, первый вход индикатора отношений соединен с третьим выходом управляющего компьютера, вход которого соединен с выходом индикатора отношений, второй вход которого соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с четвертым входом индикатора отношений, второй выход управляющего компьютера соединен со входом двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ-сигналов, вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен одновременно с первым входом вольтметра, выходом первого усилителя, одним из контактов первого переменного резистора, вторым выходом блока управления, первый выход которого соединен одновременно с другим контактом первого переменного резистора, входом первого усилителя и одним из контактов первого постоянного резистора, другой контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен одновременно со вторым неподвижным контактом четвертого переключателя и входом переменного аттенюатора, выход которого соединен одновременно со вторыми неподвижными контактами пятого и шестого переключателей. Подвижный контакт шестого переключателя соединен с одним из контактов второго постоянного резистора, другой контакт которого соединен одновременно со входом второго усилителя одним из контактов второго переменного резистора и третьим выходом блока управления. Первый вход шестого переключателя соединен с первым выходом управляющего компьютера, четвертый выход которого соединен со вторым входом блока управления, четвертый выход которого соединен одновременно с другим контактом второго переменного резистора, выходом второго усилителя, входом второго аналого-цифрового преобразователя и вторым входом вольтметра, выход которого соединен с третьим входом индикатора отношений. Выход первого СВЧ-смесителя соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с одним из выходов равноплечного делителя, а другой его выход соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя, выход второго СВЧ-смесителя соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход дополнительного генератора соединен со входом равноплечного усилителя, подвижные контакты первого и третьего переключателей соединены между собой.

Применение такого технического решения, взятого за прототип, позволило повысить точность измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ за счет снижения амплитудно-фазовой погрешности путем деления динамического диапазона амплитуд испытательных сигналов СВЧ на равные динамические поддиапазоны амплитуд шириной 6 дБ каждого, в которых амплитудно-фазовая погрешность пренебрежимо мала и для каждого из которых эта погрешность нормируется.

Однако, в процессе испытаний четырехполюсников СВЧ возникает еще одна амплитудно-фазовая погрешность, связанная с нестабильностью контактных соединений. СВЧ разъемов первого и второго смесителей с разъемами испытуемого четырехполюсника СВЧ в их рабочих режимах соединений «на проход» и «на отражение», в том числе и при определении полного комплекта элементов S-параметров матрицы рассеяния испытуемого четырехполюсника.

Эта дополнительная амплитудно-фазовая погрешность, связанная с нестабильностью контактных соединений разъемов СВЧ, как показывают исследования, может достигать нескольких дБ и десятков градусов по фазе [Dunsmore, Joel P. (2020). Handbook of Microwave Component Measurements (with Advanced VNA Techniques), doi:10.1002/9781119477167.ch2 - URL: https://sci-hub.wf/ 10.1002/9781119477167.ch2 (дата обращения: 04.12.2021)], по величине сопоставимой с основной амплитудно-фазовой погрешностью всего устройства для измерений четырехполюсников СВЧ.

В устройстве, выбранном за прототип, величина собственной амплитудно-фазовой погрешности измеряется и контролируется с помощью внутренней системы ее проверки (аттестации), измерителя комплексных передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, работает только на промежуточной частоте, что не позволяет измерять величину ампдитудно-фазовой погрешности, возникающей при коммутации первого и второго смесителей СВЧ «на проход» и «на отражение».

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ.

Для достижения технического результата предлагается устройство для измерения комплексных параметров четырехполюсников СВЧ, содержащее преобразователь СВЧ и двухканальный приемник промежуточной частоты. В состав преобразователя СВЧ входят: первый направленный ответвитель, второй направленный ответвитель, испытуемый четырехполюсник СВЧ, третий направленный ответвитель, четвертый направленный ответвитель, первый переключатель, второй переключатель, первый смеситель СВЧ, второй смеситель СВЧ, третий смеситель СВЧ, третий переключатель, четвертый смеситель СВЧ, четырехплечный делитель вторых испытательных СВЧ сигналов, двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ сигналов.

В состав двухканального приемника промежуточной частоты входят: четвертый переключатель, дополнительный генератор, равноплечный делитель, пятый переключатель, шестой переключатель, седьмой переключатель, восьмой переключатель, девятый переключатель, переменный аттенюатор, блок управления, первый дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из первого постоянного и первого переменного резисторов, и первого усилителя. Второй дискретно регулируемый операционный усилитель, состоящий из второго постоянного и второго переменного резисторов, второго усилителя, управляющего компьютера, первого аналого-цифрового преобразователя, вольтметра, второго аналогово-цифрового преобразователя, индикатора отношений.

Вход испытуемого четырехполюсника СВЧ соединен с первичным каналом первого направленного ответвителя, соединенного совместно с первичным каналом второго направленного ответвителя, вторые каналы направленных ответвителей присоединены первыми сигнальными выходами первого и второго смесителей СВЧ, вторые гетеродинные выходы которых соединены с первым и вторым выходами четырехплечного делителя вторых гетеродинированных испытательных сигналов СВЧ, третий и четвертый выходы которого соединены со вторыми гетеродинными входами третьего и четвертого смесителей СВЧ, первые сигнальные входы которых соединены со вторичными каналами третьего и четвертого направленных ответвителей, вход первичного канала третьего направленного ответвителя соединен со входом испытуемого четырехполюсника СВЧ. Вход первичного канала четвертого направленного ответвителя соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со входом первичного канала первого направленного ответвителя. Третьи выходы сигналов промежуточной частоты первого и второго смесителей соединены с первым и вторым неподвижными контактами второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с первым контактом равноплечного делителя сигналов, второй выход которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя, первый и второй неподвижный контакты которого соединены с третьими выходами промежуточной частоты третьего и четвертого смесителей СВЧ соответственно. Вход равноплечного делителя соединен с выходом дополнительного генератора. Первый выход испытательного сигнала СВЧ двухчастотного синтезатора когерентных первого и второго испытательных СВЧ сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя. Второй выход второго испытательного СВЧ сигнала двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов соединен со входом четырехплечного делителя вторых сигналов СВЧ. Первый неподвижный контакт шестого переключателя соединен с первым неподвижным контактом восьмого переключателя, второй неподвижный контакт, которого одновременно соединен с первым неподвижным контактом девятого переключателя и выходом переменного аттенюатора, вход которого одновременно соединен со вторыми контактами шестого и седьмого переключателей. Подвижный контакт седьмого переключателя соединен с первым неподвижным контактом пятого переключателя. Первый неподвижный контакт седьмого переключателя соединен со вторым неподвижным контактом девятого переключателя, подвижный контакт которого через второй постоянный резистор второго дискретного операционного усилителя одновременно соединен со входом второго усилителя, третьим входом блока управления, через второй переменный резистор второго усилителя с выходом этого усилителя, четвертым выходом блока управления, вторым входом вольтметра и входом второго аналого-цифрового преобразователя. Подвижный контакт восьмого переключателя через первый постоянный резистор первого усилителя, первого дискретно регулируемого операционного усилителя соединен со входом его первого усилителя, первым входом блока управления, через первичный переменный резистор первого усилителя с выходом этого усилителя, вторым входом блока управления первым входом вольтметра и выходом первого аналого-цифрового преобразователя. Вход первого аналого-цифрового преобразователя одновременно соединен с третьим входом вольтметра и вторым входом индикатора отношений. Выход второго аналого-цифрового преобразователя одновременно соединен с четвертыми входами вольтметра и четвертым входом индикатора отношений, первый вход которого соединен с выходом управляющего компьютера, третий вход которого соединен с выходом индикатора отношений, третий вход которого соединен с выходом вольтметра.

Отличительными признаками предлагаемого измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ является наличие дополнительно введенных:

- первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей;

- первого, второго, третьего и четвертого смесителей СВЧ, четырехплечного делителя второго испытательного сигнала СВЧ;

- первого, второго и третьего переключателей,

- 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.

Устройство состоит из преобразователя СВЧ 1 и двухканального приемника промежуточной частоты 2. В состав преобразователя СВЧ 1 входят: первый направленный ответвитель 3, второй направленный ответвитель 4, испытуемый четырехполюсник СВЧ 5, третий направленный ответвитель 6, четвертый направленный ответвитель 7, первый переключатель 8, второй переключатель 9, первый смеситель СВЧ 10, второй смеситель СВЧ 11, третий смеситель СВЧ 12, третий переключатель 13, четвертый смеситель СВЧ 14, четырехплечный делитель вторых испытательных СВЧ сигналов 15, двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ сигналов 16.

В состав двухканального приемника промежуточной частоты 2 входят: четвертый переключатель 17, дополнительный генератор 18, равноплечный делитель 19, пятый переключатель 20, шестой переключатель 21, седьмой переключатель 22, восьмой переключатель 23, девятый переключатель 24, переменный аттенюатор 25, блок управления 26, первый дискретно регулируемый операционный усилитель 27, состоящий из первого постоянного 28 и первого переменного 29 резисторов, и первого усилителя 30. Второй дискретно регулируемый операционный усилитель 31, состоящий из второго постоянного 32 и второго переменного 33 резисторов, второго усилителя 34, управляющего компьютера 35, первого аналого-цифрового преобразователя 36, вольтметра 37, второго аналогово-цифрового преобразователя 38, индикатора отношений 39.

Первый ход испытуемого четырехполюсника СВЧ 5 соединен с первым входом первичного канала второго направленного ответвителя 4, второй вход которого соединен со вторым входом первого направленного ответвителя 3, первый вход которого соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя 8, второй неподвижный контакт которого соединен с первым входом первичного канала четвертого направленного ответвителя 7, второй вход первичного канала которого соединен со вторым входом первичного канала третьего направленного ответвителя 6, выход первичного канала которого соединен со вторым выходом испытуемого четырехполюсника 5. Вторичные каналы первого 3, второго 4, третьего 6 и четвертого 7 направленных ответвителей соединены соответственно с первыми сигнальными входами смесителей СВЧ 10, 11, 12, 14. Вторые гетеродинные входы которых соединены соответственно с первым, третьим четвертым и вторым входами четырехплечного делителя 15. Двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ сигналов 16 своим вторым выходом соединен со входом четырехплечного делителя 15. Кроме того, двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ сигналов 16 своим первым выходом соединен с подвижным контактом первого переключателя 8.

Вход двухканального синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 16 соединен со вторым выходом управляющего компьютера 35, первый выход которого соединен с первым входом блока управления 26, второй вход которого соединен с четвертым выходом управляющего компьютера 35.

Подвижный контакт второго переключателя 9 преобразователя СВЧ 1 соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя 17, второй неподвижный контакт которого соединен с первым выходом равноплечного делителя 19, вход которого соединен с выходом дополнительного генератора 18. Второй выход равноплечного делителя 19 соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя 20, первый неподвижный контакт которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя 13.

Первый неподвижный контакт шестого переключателя 21 соединен с первым неподвижным контактом восьмого переключателя 23 второй неподвижный контакт которого одновременно соединен с первым неподвижным контактом девятого переключателя 24 и выходом переменного аттенюатора 25, вход которого одновременно соединен со вторыми контактами шестого 21 и седьмого переключателя 22, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя 20, первый неподвижный контакт седьмого переключателя 22, соединен со вторым неподвижным контактом девятого переключателя 24, подвижный контакт которого через второй постоянный резистор 32, второго дискретно регулируемого операционного усилителя 31, одновременно соединен со выходом второго усилителя 34, третьим выходом блока управления 26, а также через второй переменный резистор 33 с выходом второго усилителя 34.

Выход второго усилителя 34 соединен с четвертым выходом блока управления 26, вторым входом вольтметра 37 и входом второго аналого-цифрового преобразователя 38.

Подвижный контакт восьмого переключателя 23 через первый постоянный резистор 28 первого усилителя 30, первого дискретно регулируемого операционного усилителя 27 соединен со входом его первого усилителя 30, первым входом блока управления 26, через первичный резистор 29 первого усилителя 30. Вход усилителя 30 соединен со вторым входом блока управления 26, первым входом вольтметра 37 и входом первого аналого-цифрового преобразователя 36. Выход первого аналого-цифрового преобразователя 36 соединен с третьим входом вольтметра 37, вторым входом индикатора отношений 39. Выход второго аналого-цифрового преобразователя 38 одновременно соединен с четвертым входом вольтметра 37 и четвертым входом индикатора отношений 39, первый вход которого соединен с выходом управляющего компьютера 35, третий вход которого соединен с выходом индикатора отношений 39, а третий вход индикатора отношений 39 соединен с выходом вольтметра 37.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ работает следующим образом.

В штатном режиме измерения комплексного коэффициента передачи: модуль и фазовый сдвиг испытуемого СВЧ четырехполюсника 5 в первом положении первого подвижного контакта первого переключателя 8 на его первый вход от двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 16 с его первого выхода подают первый испытательный СВЧ сигнал, который проходит испытуемый четырехполюсник СВЧ 5 от его входа до его выхода, далее сигнал поступает на первый вход первого канала третьего направленного ответвителя 6, со второго выхода которого первый испытательный СВЧ сигнал поступает на второй вход первичного канала четвертого направленного ответвителя 7. Второй направленный ответвитель 4 и обратно включенный первый направленный ответвитель 3 образуют одну измерительную пару; третий направленный ответвитель и обратно включенный четвертый направленный ответвитель образуют другую измерительную пару.

Первый испытательный СВЧ сигнал ответвленный вторичными каналами всех четырех направленных ответвителей 3, 4, 6, 7 с третьих выходов их вторичных каналов падают на сигнальные первые входы первого 10, второго

11, третьего 12 и четвертого 14 СВЧ смесителей. На вторые гетеродинные входы смесителей 10, 11, 12, 14 со второго выхода двухканального синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 16, через первый, второй, третий, четвертый каналы четырехплечного делителя 15 поступает второй испытательный СВЧ сигнал, играющий роль гетеродинного. Сигналы промежуточной частоты f₃, образованные как разность частот первого испытательного сигнала СВЧ f₁ и второго испытательного сигнала f₂, равный f₃=f₁-f₂ приходят на неподвижные контакты второго 9 и третьего 13 переключателей.

На первый неподвижный контакт второго переключателя 9 приходит сигнал промежуточной частоты f₃ с третьего выхода смесителя СВЧ 10, а на его второй неподвижный контакт приходит сигнал f₃ с третьего выхода второго СВЧ смесителя 11.

На первый неподвижный контакт третьего переключателя 13 приходит сигнал промежуточной частоты f₃ с третьего выхода третьего СВЧ смесителя 12, а на его второй неподвижный контакт приходит сигнал промежуточной частоты f₃ с третьего выхода четвертого СВЧ смесителя 14.

В первом положении подвижного контакта первого переключателя 8, отношение уровней преобразованного испытательного сигнала промежуточной частоты f₃ с третьих выходов первого 11 и третьего 14 смесителей СВЧ определяет комплексный коэффициент передачи (модуль и фазу) испытуемого четырехполюсника СВЧ 5 в прямом направлении от его входа до выхода. Отношение уровней, преобразованных в промежуточную частоту f₃ уровней первых испытательных сигналов СВЧ с третьих выходов первого 10 и второго 11 СВЧ смесителей определяет коэффициент отражения первого входа четырехполюсника СВЧ 5.

Во втором положении подвижного контакта первого переключателя 8 первый испытательный СВЧ сигнал с первого выхода двухчастотного синтезатора когерентных испытательных СВЧ сигналов 16, подают через первичные каналы третьего 6 и четвертого 7 направленных ответвителей на второй контакт испытуемого четырехполюсника СВЧ 5, что позволяет измерять его комплексный коэффициент передачи и отражения в обратном направлении от его выхода до его входа. При этом отношение уровней преобразованного испытательного сигнала промежуточной частоты f₃ с третьего выхода третьего СВЧ смесителя 14 к уровню сигнала с третьего выхода четвертого смесителя СВЧ 12 определяет комплексный коэффициент отражения второго выхода испытуемого четырехполюсника СВЧ 5.

Наличие таких связей между элементами обеспечивает исключение механического переподсоединения разъемов в СВЧ режимах «на проход» и на «отражение» направленных ответвителей: первого 3, второго 4, третьего 6, четвертого 7, что позволяет исключить амплитудно-фазовую погрешность, возникающую при этом.

Кроме того, второй направленный ответвитель 4 и обратно включенный первый направленный ответвитель 3 совместно с третьем направленным ответвителем и обратно включенным четвертым направленным ответвителем позволяют измерить без механических переподключений разъемов СВЧ полный комплект S-параметров испытуемого четырехполюсника СВЧ 5.

Преобразованный первый испытательный сигнал с частотой f₃ первого канала преобразователя СВЧ 1 подают в двухканальный приемник промежуточной частоты 2 через четвертый 17 шестой 21 и восьмой 23 переключатели в первом положении их подвижных контактов через резистор 28 на вход первого дискретно регулируемого операционного усилителя 27, состоящего из первого усилителя 30 первых постоянного 28 и переменного 29 резисторов.

Преобразованный первый испытательный сигнал с частотой f₃ второго канала преобразователя СВЧ 1 подают в двухканальный приемник промежуточной частоты 2 через пятый 20, седьмой 22 и девятый 24 переключатели в первом положении их подвижных контактов через сопротивление 32 на вход второго дискретно регулируемого операционного усилителя 31, состоящего из первого усилителя 34 первого постоянного 32 и первого переменного 33 резисторов.

С выхода первого дискретно регулируемого операционного усилителя 27 усиленный первый испытательный сигнал промежуточной частоты f₃ поступает на вход первого аналого-цифрового преобразователя 36. С выхода второго дискретно регулируемого операционного усилителя 31 усиленный первый испытательный сигнал промежуточной частоты f₃ подают на выход второго аналого-цифрового преобразователя 38, где эти испытательные сигналы преобразуют в цифровые, которые с их выходов поступают на второй и четвертый выходы индикатора отношений 39, в котором их сравнивают по амплитуде и фазе, а результат выводят на табло индикатора отношений 39 в виде модуля и фазы раздельного комплексного параметра испытуемого четырехполюсника СВЧ 5. Автоматически перестраивая в диапазоне частот двухчастотный синтезатор когерентных первого и второго испытательных сигналов СВЧ 16 на дисплее индикатора отношений 39 наблюдают амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики испытуемого четырехполюсника 5.

Снижение величины амплитудно-фазовой погрешности в заявленном устройстве так же, как и в прототипе достигается двумя вариантами.

Первый (основной) - деление динамического диапазона амплитуд испытательных сигналов СВЧ устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ на небольшие динамические поддиапазоны амплитуд испытательных сигналов, в которых амплитудно-фазовая погрешность пренебрежимо мала. Согласно второму варианту - тщательное согласование узлов двухканального супергетеродинного приемника 2 между собой по их комплексным сопротивлениям с целью снижения их комплексных коэффициентов отражения. Оба этих фактора зависят от технического состояния устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ и поэтому подлежат периодической проверке в процессе его эксплуатации, которая в заявленном устройстве осуществляется путем аттестации амплитудно-фазовой погрешности в каждом из двух каналов супергетеродинного приемника 2.

Как известно, в аналого-цифровых преобразователях амплитудно-фазовая погрешность практически отсутствует. Поэтому их динамический диапазон амплитуд исключают из общего динамического диапазона амплитуд проектируемого измерителя комплексных параметров четырехполюсников СВЧ. Динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя определяется его разрядностью. Например, у тринадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя разрядность рана 2¹³≈8000, что соответствует его динамическому диапазону А_АЦП=201g(2¹³)≈60 дБ. Остальной динамический диапазон в предлагаемом устройстве больший 60 дБ до 100 дБ достигается путем его деления на поддиапазоны шириной 6 дБ каждый, в которых благодаря их узкому динамическому диапазону амплитудно-фазовая погрешность отсутствует. Меняя величину номинала переменных резисторов, производят изменение усиления дискретно регулируемых операционных усилителей путем деления их общего динамического диапазона амплитуд на более узкие шириной 6 дБ каждый в пределах 60 дБ плюс 0 дБ, 6 дБ, 12 дБ, 18 дБ, 24 дБ и так до величины необходимого увеличения динамического диапазона амплитуд до 100-120 дБ.

Поэтому в предлагаемом устройстве по второму варианту применяют дискретно регулируемые первый 27 и второй 31 операционные усилители, коэффициент передачи которых определяется отношением сопротивлений постоянных резисторов 28, 32 и переменных 29, 33 резисторов обратных связей усилителей 30 и 34 соответственно. Отсутствие такого схемотехнического решения, а использование только динамического диапазона АЦП без подстройки, как это описано в Ghosh, Debapratim; Kumar, Girish (2018)/ IEEE MTT-S International Microwave and RF Conference (IMaRC) - Low Power USB-Controlled Network Analyzer with Detector Compensation Technique, (doi:10.1109/IMaRC.2018.887733), приведет к увеличению фазового шума.

Динамические поддиапазоны амплитуд шириной по 6 дБ каждый автоматически переключаются с помощью блока управления сигналами 26, которые вырабатываются вольтметром 37, которые в случае превышения величины динамического поддиапазона амплитуд определяемой разрядностью примененных амплитудно-цифровых преобразователей 36 и 38 с выхода дискретно регулируемых усилителей 27 и 31 подают сигналы превышения на индикатор отношений 39, в котором оценивается превышение уровня сигнала и который затем подает соответствующий сигнал на управляющий компьютер 35, который посылает сигналы для переключения поддиапазонов амплитуд с помощью блока управления 26.

Общая сумма величины включенных поддиапазонов по 6 дБ и номинал в децибелах последнего включенного поддиапазона и определит величину модуля измеряемого коэффициента передачи испытуемого четырехполюсника СВЧ 5.

Как показывает опыт эксплуатации устройств для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, амплитудно-фазовая погрешность возникает в основном в первом и втором дискретно регулируемых операционных усилителях за счет измерения, по разным причинам, из-за их коэффициентов передачи определенных, как известно, отношениями номиналов в постоянных 28, 32 и переменных первого 29 и второго 33 резисторов их обратной связи.

Поэтому коэффициенты передачи динамических поддиапазонов, реализуемых с помощью дискретно регулируемых операционных усилителей, подлежат периодической проверке и аттестации. Для этих целей в устройстве применена система собственной аттестации с помощью дополнительного генератора промежуточной частоты 18.

При аттестации подвижные контакты пятого 20 и шестого 21 переключателей переводятся во второе положение неподвижных контактов и на выходы обоих дискретно регулируемых операционных усилителей 27, 31 подаются сигналы промежуточной частоты f₃, с выходов которых они через первый 36 и второй 38 аналого-цифровые преобразователи поступают на второй и четвертый контакты индикатора отношений 39, где измеряется их отношение соответствующие модулю и фазе аттестуемого поддиапазона. Отклонение измеренного модуля коэффициента усиления в каждом аттестуемом динамическом поддиапазоне амплитуд от его идеального значения есть модуль (величина) амплитудно-фазовой погрешности. Отклонение сдвига фаз при измерениях в каждом динамическом поддиапазоне амплитуд от нуля при аттестации есть паразитный сдвиг фаз, возникающий из-за амплитудно-фазовой погрешности. При аттестации создают одинаковые условия измерений в каждом аттестуемом динамическом поддиапазоне амплитуд для уровней зондирующих сигналов путем установления одинаковой их величины в каждом из этих динамических поддиапазонов амплитуд. Это осуществляют установкой единого для всех аттестуемых динамических поддиапазонов амплитуд «нулевого уровня» зондирующих сигналов на выходах дискретно регулируемых операционных усилителей 27 и 31 с помощью вольтметра 37.

Регулировку уровней зондирующих сигналов в других динамических поддиапазонах амплитуд аттестуемого четырехполюсника СВЧ 5 с целью доведения его до «нулевого уровня» осуществляют по вольтметру 37 с помощью переменного аттенюатора 25, включаемого для этих целей в аттестуемые каналы седьмым 22, восьмым 23, девятым 24 переключателями во втором положении их подвижных контактов. Величины модуля и фазы амплитудно-фазовой погрешности, полученные в результате аттестуемых измерений для каждого из аттестуемых динамических поддиапазонов амплитуд, сравнивают с установленными для них нормированными величинами. По величине отклонения амплитудно-фазовой погрешности от ее номинальных значений принимают решение либо о ее соответствие норме, либо о превышении.

На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ и расширяет технические возможности выполнения таких измерений по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области радиоизмерений. Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ содержит преобразователь СВЧ и двухканальный приемник промежуточной частоты. В состав преобразователя СВЧ входят первый направленный ответвитель, второй направленный ответвитель, испытуемый четырехполюсник СВЧ, третий направленный ответвитель, четвертый направленный ответвитель, первый переключатель, второй переключатель, первый смеситель СВЧ, второй смеситель СВЧ, третий смеситель СВЧ, третий переключатель, четвертый смеситель СВЧ, четырехплечий делитель вторых испытательных СВЧ-сигналов, двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ-сигналов. При этом в состав двухканального приемника промежуточной частоты входят четвертый переключатель, дополнительный генератор, равноплечий делитель, пятый переключатель, шестой переключатель, седьмой переключатель, восьмой переключатель, девятый переключатель, переменный аттенюатор, блок управления, первый дискретно регулируемый операционный усилитель. Достигается повышение точности измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ. 1 ил.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, состоящее из преобразователя СВЧ и двухканального приемника промежуточной частоты, при этом преобразователь СВЧ содержит испытуемый четырехполюсник СВЧ, двухчастотный синтезатор когерентных испытательных СВЧ-сигналов и элементы схемы измеряемых характеристик; двухканальный приемник промежуточных частот содержит пять переключателей, дополнительный генератор, равноплечий делитель, аттенюатор, блок управления, первый дискретно регулируемый операционный усилитель в составе первого усилителя и первых постоянного и переменного резисторов, второй дискретно регулируемый операционный усилитель в составе второго усилителя, вторых постоянного и переменного резисторов, управляющего компьютера, первого аналого-цифрового преобразователя, вольтметра, второго аналого-цифрового преобразователя и индикатора отношений, второй неподвижный контакт четвертого переключателя соединен с первым входом равноплечего делителя, вход которого соединен с дополнительным генератором, второй выход равноплечего делителя соединен со вторым выходом неподвижного контакта пятого переключателя, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом седьмого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом девятого переключателя, первый неподвижный контакт которого одновременно соединен со вторым неподвижным контактом восьмого переключателя и выходом аттенюатора, вход которого одновременно соединен со вторым неподвижным контактом седьмого переключателя и первым неподвижным контактом шестого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом восьмого переключателя, подвижный контакт которого через первый постоянный резистор первого дискретно регулируемого операционного усилителя одновременно соединен со входом его первого усилителя и первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с первым выходом управляющего компьютера, четвертый выход которого соединен со вторым входом блока управления, второй выход которого одновременно соединен через первый переменный резистор с выходом первого усилителя, который одновременно соединен со входом первого аналого-цифрового преобразователя и первым входом вольтметра, третий выход которого одновременно соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя и вторым входом индикатора отношений, первый вход которого соединен с третьим выходом управляющего компьютера, вход которого соединен с выходом индикатора отношений, третий вход которого соединен с выходом вольтметра, четвертый вход которого одновременно соединен с четвертым входом индикатора отношений и выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого одновременно соединен со вторым входом вольтметра и выходом второго усилителя второго дискретно регулируемого операционного усилителя, который одновременно соединен с четвертым выходом блока управления, третий выход которого одновременно через переменный резистор соединен с выходом второго усилителя дискретно регулируемого операционного усилителя и его входом, который через постоянный резистор соединен с подвижным контактом девятого переключателя, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит блок преобразователя СВЧ, содержащий первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители, первый, второй, третий и четвертый смесители СВЧ, четырехплечий делитель вторичных испытательных СВЧ-сигналов и два переключателя, первый неподвижный контакт первого переключателя соединен со входом первичного канала второго направленного ответвителя, а вход его первичного канала соединен со входом испытуемого четырехполюсника СВЧ, выход которого соединен со входом первичного канала третьего направленного ответвителя, выход первичного канала которого соединен с выходом первичного канала четвертого направленного ответвителя, вход его первичного канала соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым выходом двухканального синтезатора когерентных испытательных сигналов, второй вход которого соединен со входом четырехплечего делителя вторых испытательных СВЧ-сигналов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соответственно соединены со вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого смесителей СВЧ, первые входы которых соединены с третьими выходами вторичных каналов первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей соответственно, третьи выходы первого и второго смесителей СВЧ соединены соответственно с первым и вторым неподвижными контактами второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, подвижный контакт которого соединен с подвижным контактом шестого переключателя, а третьи выходы третьего и четвертого смесителей СВЧ соединены с первым и вторым неподвижными контактами соответственно третьего переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом пятого переключателя, вход двухчастотного синтезатора когерентных испытательных сигналов соединен со вторым выходом управляющего компьютера.