Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты Российский патент 2023 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.

Известно устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ устройств с преобразованием частоты, содержащие измеритель параметров четырехполюсников СВЧ и двухканальный супергетеродинный приемник [пат. РФ № 2524049, МПК G01R 27/28, опубл. 27.07.2014, Бюл. № 21]. В состав измерителя параметров четырехполюсников СВЧ входят: генератор испытательных СВЧ сигналов, СВЧ гетеродин, переключатель со связанной с ним нагрузкой, четыре направленных ответвителя, соединённых по схеме рефлектометра, векторный вольтметр и его выходной контакт, первый и второй порт.

В состав двухканального гетеродинного приемника входят: испытуемый СВЧ смеситель, опорный СВЧ смеситель, смеситель фазовой автоподстройки частоты, генераторы СВЧ, фазовый детектор, первый смеситель промежуточной частоты, второй, третий, четвертый переключатели, второй смеситель промежуточной частоты, генератор опорных частот, компьютер и компаратор. Связи этих элементов между собой образует устройство, позволяющие измерять комплексные коэффициенты передачи и отражения СВЧ и устройств с преобразованием частоты.

Между измерителем параметров четырехполюсников СВЧ и двухканальным супергетеродинным приемником расположен испытуемый СВЧ четырехполюсник (без преобразования частоты).

Известно устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты, содержащее блок управления, два генератора качающейся частоты, систему фазовой автоподстройки частоты, образованную двумя смесителями, двумя фазовыми детекторами и перестраиваемым генератором промежуточной частоты, шесть переключателей, реализующих схему для измерения разности фаз между исследуемым четырехполюсником и опорным смесителем, аттенюатор, усилитель, перестраиваемый гетеродин, два смесителя промежуточной частоты, индикатор, решающее устройство и два делителя сигналов [а. с. СССР № 1538149, МПК G01R 27/28, опубл. 23.01.1990, Бюл. № 3].

Известно устройство для измерения амплитуды частотных и фазовых частотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты, содержащее два генератора качающейся частоты, блок их 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. СССР № 1661682, МПК G01R 27/28, опубл. 07.07.1991, Бюл. № 25].

Недостатком вышеперечисленных устройств являются наличие паразитных связей в схеме двухканального супергетеродинного приемника, которые появляются из-за неоптимального построения схемы и наличия погрешностей, возникающих из-за нестабильности механических контактных соединений переключателей.

Кроме этого, недостатком всех вышеперечисленных устройств является отсутствие в них возможности измерения модуля и особенно фазы комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ смесителя в диапазоне его промежуточной частоты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является «Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты» [патент РФ № 2649861, МПК G01R 27/28, опубл. 10.04.2018, Бюл. № 10], содержащее измеритель параметров четырехполюсников СВЧ и двухканальный супергетеродинный приемник. В состав измерителя параметров четырехполюсников СВЧ входят: генератор испытательных СВЧ-сигналов, первый переключатель, согласованная нагрузка, связанная с первым переключателем, первый, второй, третий, четвертый направленный ответвитель, векторный вольтметр с выходным контактом, гетеродин СВЧ, первый и второй порты. В состав двухканального супергетеродинного приемника входят испытуемый и опорный СВЧ-смеситель, смеситель фазовой автоподстройки частоты, СВЧ-генератор, фазовый детектор, первый смеситель промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты, регулируемй аттенюатор, измеритель отношений сигналов, пятый и шестой направленный ответвитель, второй, третий, четвертый, пятый и шестой переключатель, второй смеситель промежуточной частоты, генератор опорных частот, компьютер и компаратор, а также испытуемый четырехполюсник без преобразования частоты, присоединяемый к первому и второму портам измерителя параметров четырехполюсников.

Недостатками прототипа являются:

- отсутствие возможности наблюдать в панораме амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ смесителя в диапазоне его промежуточной частоты;

- наличие паразитных сигналов, источниками которых являются система пятого и шестого направленных ответвителей, примененных для работы фазовой автоподстройки частоты прототипа;

- наличие погрешностей измерений, вызванных отсутствием изоляции по первой промежуточной частоте в канале, связывающем вторые (гетеродинные) входы испытуемого и опорного СВЧ смесителей с СВЧ-генератором (гетеродином).

Задачей заявляемого изобретения является расширение арсенала устройств для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты.

Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения истинных значений комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ устройств с преобразованием частоты является:

- расширение его технических возможностей, путем реализации возможности наблюдения в панораме и отдельной частотной точке истинных величин модуля и фазы комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ-смесителя в диапазоне его промежуточной частоты;

- наличие возможности измерения модуля и фазы в диапазоне промежуточной частоты;

- увеличение точности измерений параметров комплексных коэффициентов передачи путем применения раздельных генераторов промежуточных частот и исключения тем самым взаимных паразитных связей между ними, что имеет место в прототипе за счёт применения направленных ответвителей;

- снижение общей погрешности измерений путем устранения паразитных каналов связей устройства, возникающих в системе фазовой автоподстройки частоты из-за применения направленных ответвителей и повышения изоляции между гетеродинными входами испытуемого и портного смесителей, путем применения делителя сигналов.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты содержит измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, состоящий из генератора испытательных СВЧ-сигналов, первого переключателя, согласованной нагрузки, связанной с первым переключателем, гетеродина СВЧ, первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей, векторного вольтметра, выходного внешнего контакта векторного вольтметра, первого и второго портов измерителя параметров четырехполюсников СВЧ, двухканального супергетеродинного приемника, состоящего из второго переключателя, генератора СВЧ, смесителя фазовой автоподстройки частоты, первого фазового детектора, первого генератора промежуточных частот, первого измерителя отношений сигналов, испытуемого СВЧ смесителя, опорного СВЧ смесителя, третьего переключателя, четвертого переключателя, первого смесителя промежуточной частоты, усилителя промежуточной частоты, регулируемого аттенюатора, пятого переключателя, шестого переключателя, второго смесителя промежуточной частоты, компьютера управления, а также испытуемого четырехполюсника, при этом выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входным контактом первого направленного ответвителя, второй выходной контакт которого соединен с первым входным контактом третьего направленного ответвителя, второй выходной контакт которого через первый порт соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, первым входом испытуемого СВЧ-смесителя и входом испытуемого четырехполюсника СВЧ, выход которого через второй порт соединен с первым входом опорного СВЧ смесителя и вторым выходом четвертого направленного ответвителя, первый вход которого соединен со вторым выходом второго направленного ответвителя, первый вход которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя и согласованной нагрузкой, третьи выходы первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей, соединен с первым, третьим, четвертым и пятым входами векторного вольтметра, второй вход которого соединен с выходом гетеродина СВЧ, выход векторного вольтметра через выходной внешний контакт векторного вольтметра соединен с третьим входом компьютера управления двухканального супергетеродинного приемника, второй вход которого соединен с выходом первого измерителя отношений сигналов, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя, а также первым входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом регулируемого аттенюатора, выход которого соединен со вторым входом первого измерителя отношений сигналов и первым неподвижным контактом шестого переключателя, выход испытуемого СВЧ смесителя соединен с подвижным контактом третьего переключателя, второй неподвижный контакт которого, соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя и первым неподвижным контактом четвертого переключателя, подвижный контакт которого соединен с выходом опорного СВЧ смесителя, второй неподвижный контакт четвертого переключателя соединен со вторым неподвижным контактом шестого переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым входом второго смесителя промежуточной частоты. При этом в него дополнительно введены: выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов, блок стабилизации частоты, делитель сигналов СВЧ, выключатель, второй фазовый детектор, первый и второй блоки управления, второй и третий генератор промежуточных частот, второй измеритель отношений сигналов, первый вход которого соединен с выходом второго смесителя промежуточной частоты, второй вход которого соединен со вторым входом первого смесителя промежуточной частоты и выходом второго генератора промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, второй вход которого одновременно соединен с выходом третьего генератора промежуточной частоты и вторым входом второго измерителя отношений сигналов, выход которого соединен с первым входом компьютера управления, первый выход которого, соединен со входом первого блока управления, первый и второй выходы которого соединены со вторым входом усилителя промежуточной частоты и вторым входом регулируемого аттенюатора, выход которого соединен с подвижным контактом выключателя, неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя, второй выход компьютера управления соединен со входом второго блока управления, второй выход которого соединен с первым входом второго генератора промежуточной частоты, первый выход второго блока управления соединен со входом первого генератора промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом первого смесителя промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом второго фазового детектора, выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с первым входом блока стабилизации частоты и через выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов с первым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты, второй вход которого соединен с входом делителя сигналов СВЧ, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами испытуемого СВЧ смесителя и опорного СВЧ смесителя соответственно, выход смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен со вторым входом первого фазового детектора, выход которого соединен со входом генератора СВЧ, выход которого соединен со входом делителя сигналов СВЧ, а выход блока стабилизации частоты соединен со входом гетеродина СВЧ, второй вход блока стабилизации частоты соединен со вторым входом векторного вольтметра.

На фигуре 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты, которая состоит: из измерителя параметров четырехполюсника в СВЧ 1, двухканального супергетеродинного приемника 2.

Измеритель параметров четырехполюсников СВЧ 1 содержит: генератор испытательных СВЧ-сигналов 3, выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов 4, первый переключатель 5, согласованную нагрузку 6, блок стабилизации частоты 7, гетеродин СВЧ 8, первый направленный ответвитель 9, второй направленный ответвитель 10, векторный вольтметр 11, третий направленный ответвитель 12, четвертый направленный ответвитель 13, выходной внешний контакт векторного вольтметра 14, первый порт 15, испытуемый четырехполюсник 16, второй порт 17.

Двухканальный супергетеродинный приемник 2 содержит: смеситель фазовой автоподстройки частоты 18, первый фазовый детектор 19, первый генератор промежуточных частот 20, второй переключатель 21, генератор СВЧ 22, первый измеритель отношений сигналов 23, испытуемый СВЧ-смеситель 24, делитель сигналов СВЧ 25, опорный СВЧ-смеситель 26, третий переключатель 27, выключатель 28, четвертый переключатель 29, первый смеситель промежуточной частоты 30, пятый переключатель 31, усилитель промежуточной частоты 32, регулируемый аттенюатор 33, шестой переключатель 34, первый блок управления 35, второй смеситель промежуточной частоты 36, второй генератор промежуточной частоты 37, второй фазовый детектор 38, второй измеритель отношений сигналов 39, компьютер управления 40, второй блок управления 41, третий генератор промежуточной частоты 42.

В измерителе параметров четырехполюсника СВЧ 1 выход генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 соединен с подвижным контактом первого переключателя 5, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входным контактом первого направленного ответвителя 9, второй выходной контакт которого соединен с первым входным контактом третьего направленного ответвителя 12, второй выходной контакт которого через первый порт 15 соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя 21, первым входом испытуемого СВЧ-смесителя 24 и входом испытуемого четырехполюсника СВЧ 16, выход которого через второй порт 17 соединен с первым входом опорного СВЧ смесителя 26 и вторым выходом четвертого направленного ответвителя 13, первый вход которого соединен со вторым выходом второго направленного ответвителя 10, первый вход которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя 5 и согласованной нагрузкой 6, третьи выходы первого 9, второго 10, третьего 12 и четвертого 13 направленных ответвителей, соединен с первым, третьим, четвертым и пятым входами векторного вольтметра 11, второй вход которого соединен с выходом гетеродина СВЧ 8, выход векторного вольтметра 11 через выходной внешний контакт векторного вольтметра 14 соединен с третьим входом компьютера управления 40 двухканального супергетеродинного приемника 2, второй вход которого соединен с выходом первого измерителя отношений сигналов 23, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя 21, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя 31, а также первым входом усилителя промежуточной частоты 32, выход которого соединен с первым входом регулируемого аттенюатора 33, выход которого соединен со вторым входом первого измерителя отношений сигналов 23 и первым неподвижным контактом шестого переключателя 34, выход испытуемого СВЧ смесителя соединен с подвижным контактом третьего переключателя 27, второй неподвижный контакт которого, соединен с подвижным контактом пятого переключателя 31, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя 27 и первым неподвижным контактом четвертого переключателя 29, подвижный контакт которого соединен с выходом опорного СВЧ смесителя 26, второй неподвижный контакт четвертого переключателя 29 соединен со вторым неподвижным контактом шестого переключателя 34, подвижный контакт которого соединен с первым входом второго смесителя промежуточной частоты 36. Первый вход второго измерителя отношений сигналов 39 соединен с выходом второго смесителя промежуточной частоты 36, второй вход которого соединен со вторым входом первого смесителя промежуточной частоты 30 и выходом второго генератора промежуточной частоты 37, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора 38, второй вход которого одновременно соединен с выходом третьего генератора промежуточной частоты 42 и вторым входом второго измерителя отношений сигналов 39, выход которого соединен с первым входом компьютера управления 40, первый выход которого, соединен со входом первого блока управления 35, первый и второй выходы которого соединены со вторым входом усилителя промежуточной частоты 32 и вторым входом регулируемого аттенюатора 33, выход которого соединен с подвижным контактом выключателя 28, неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя 31, второй выход компьютера управления 40 соединен со входом второго блока управления 41, второй выход которого соединен с первым входом второго генератора промежуточной частоты 37, первый выход второго блока управления 41 соединен со входом первого генератора промежуточной частоты 20, выход которого соединен с первым входом первого смесителя промежуточной частоты 30, выход которого соединен с первым входом второго фазового детектора 38, выход генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 соединен с первым входом блока стабилизации частоты 7 и через выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов 4 с первым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты 18, второй вход которого соединен с входом делителя сигналов СВЧ 25, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами испытуемого СВЧ смесителя 24 и опорного СВЧ смесителя 26 соответственно, выход смесителя фазовой автоподстройки частоты 18 соединен со вторым входом первого фазового детектора 19, выход которого соединен со входом генератора СВЧ 22, выход которого соединен со входом делителя сигналов СВЧ 25, а выход блока стабилизации частоты 7 соединен со входом гетеродина СВЧ 8, второй вход блока стабилизации частоты 7 соединен со вторым входом векторного вольтметра 11.

Для реализации измерений коэффициентов отражения первого и второго входов испытуемого СВЧ смесителя 24 его присоединяют к первому 15 и второму 17 портам измерителя параметров четырехполюсников СВЧ 1 как испытуемый четырехполюсник без преобразования частоты. Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты состоит из: измерителя параметров четырехполюсников СВЧ 1 и двухканального супергетеродинного приемника 2.

Измеритель параметров четырехполюсников СВЧ 1 представляет самостоятельный прибор, предназначенный для измерения модуля и фазы комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ (например, 16 на чертеже) присоединяемых к первому 15 и второму 17 его портов. Измеритель параметров четырехполюсников СВЧ 1 имеет в своём составе генератор испытательных СВЧ сигналов 3 и два измерительных канала СВЧ каждый из которых содержит по 2 направленных ответвителя: 9 и 12, 10 и 13, соединённых по схеме рефлектометра. Подача испытательного СВЧ сигнала в каждый из двух СВЧ каналов происходит с помощью их коммутации первым переключателем 5, в первом положении подвижного контакта которого испытательный СВЧ сигнал, от генератора испытательных СВЧ сигналов 3 через первый неподвижный контакт первого переключателя 5 по тракту СВЧ через первичные каналы первого 9 и третьего 12 направленных ответвителей и первый выходной порт 15 поступает на первый вход испытуемого четырехполюсника СВЧ 16, проходит через него и с его выхода через второй порт 17 этот испытательный СВЧ сигнал через первичные каналы четвертого 13 и второго 10 направленных ответвителей поступает на второй неподвижный контакт первого переключателя 5, к которому присоединена согласованная нагрузка 6. По пути распространения в СВЧ тракте испытательный СВЧ сигнал, ответвленный вторичными каналами первого 9, и четвертого 13 направленных ответвителей и поступает на первый и пятый входы векторного вольтметра 11, в котором измеренные отношения уровней сигналов его первого и пятого входов по амплитуде и фазе определяют модуль и фазу комплексного коэффициента передачи испытуемого четырехполюсника 16 в прямом направлении от первого входа до второго выхода. Изменение направления подачи испытательного СВЧ сигнала путём перевода подвижного контакта первого переключателя 5 изменяет направление подачи испытательного СВЧ сигнала на обратное от второго контакта к первому контакту испытуемого четырехполюсника 16, аналогично измерения отношения сигналов по амплитуде и фазе со вторичных каналов второго 10 и третьего 12 направленных ответвителей, поданных на третий и четвертый входы векторного вольтметра 11, позволяет измерять модуль и фазу комплексного коэффициента передачи испытуемого четырехполюсника 16 в обратном направлении от его второго контакта к первому контакту .

Отношение уровней амплитуд сигналов со вторичных выходов первого 9 и третьего 12 направленных ответвителей определяет величину модуля и сдвига фаз коэффициента отражения входы испытуемого четырехполюсника 16, его матрицы рассеяния, отношение уровней амплитуд со вторичных каналов второго 10 и четвертого 13 направленных ответвителей на третьем и пятом входах векторного вольтметра 11 определяет величину модуля и сдвига фаз коэффициента отражения выхода испытуемого четырехполюсника 16.

Применение гетеродинного преобразования частоты в векторном вольтметре 11 позволяет повысить его чувствительность и существенно расширить динамический диапазон уровней измеряемых им сигналов. Гетеродинное преобразование частоты входных испытательных СВЧ сигналов в векторном вольтметре 11 осуществляется с помощью его гетеродина СВЧ 8, связанного по частоте с помощью блока стабилизации частоты 7 с частотой входных испытательных СВЧ сигналов таким образом, что образованная с его помощью разностная низкая промежуточная частота сигналов на которой работает векторный вольтметр 11, остаётся постоянной при перестройке частоты испытательных СВЧ сигналов в их рабочем диапазоне.

Испытуемые СВЧ смесители 24 имеют разные величины своих промежуточных частот, поэтому первая промежуточная частота , на которой работает испытуемый СВЧ смеситель в устройстве, сделана переменной. Её можно выбирать в широком диапазоне частот с помощью перестраиваемого по частоте первого генератора промежуточных частот 20.

Управление частотой генератора испытательных СВЧ сигналов 3, измерителя параметров четырехполюсников СВЧ в его рабочим диапазоне частот осуществляется с помощью компьютера управления двухканального супергетеродинного приемника 2, имеющего внешнюю панель управления и выносной дисплей для отображения цифровой и графической информации.

С целью исключения влияния на результаты измерений и собственных S-параметров измерителя, проводят калибровку измерителя параметров четырехполюсников СВЧ 1, согласно одной из существующих методик, например [Agilent Application Note 1287-3 «Applying Error to Network Analyzer Measurements» Journal of Physics: Conference Series. DOI: 10.1088/1742-6596/1921/1/012122 – URL: https://www.researchgate.net/publication/352045738_Methods_and_models_of_calibration_of_vector_network_analyzers (дата обращения: 03.11.2022).]

После калибровки измеряют произведение (сумму если в дБ) коэффициентов передачи и суммы фазовых сдвигов, последовательно соединённых испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей следующим образом. Испытательный СВЧ сигнал частотой от генератора испытательных СВЧ сигналов 3 через первый переключатель 5 в первом положении его подвижного контакта через первичные каналы направленный ответвитель 9 и 12 и первый порт 15 падают на первый (сигнальный) вход испытуемого смесителя 24, на второй (гетеродинный) вход которого поступает СВЧ сигнал с частотой от генератора СВЧ 22 выполняющего функцию гетеродина.

Образованный в результате гетеродинного преобразования частоты в испытуемом смесителе 24 сигнал разностной первой промежуточной частоты с его выхода три через третий переключатель 27 в первом положении его подвижного контакта и четвертый переключатель 29 во втором положении его подвижного контакта подают на выход три, используемый как вход опорного СВЧ смесителя 26. В опорном СВЧ смесителе 26, в результате сложения сигнала первой промежуточной частоты , с сигналом от генератора СВЧ 22 с частотой поступающим на второй вход опорного СВЧ смесителя 26, получают сигнал, равный по частоте испытуемому СВЧ сигналу где, на первом ходе, используемом как выход опорного СВЧ смесителя 26. Этот сигнал с частотой подают через второй порт 17 и первичные каналы направленных ответвителей 13 и 10 на второй неподвижный контакт первого переключателя 5, которому присоединена согласованная нагрузка 6. На основании того, что испытуемый СВЧ смеситель 24, имеющий фазовый сдвиг и опорный СВЧ смеситель 26, имеющий фазовый сдвиг соединены последовательно, их фазовые сдвиги складываются. В результате чего получают общий фазовый сдвиг между первым 15 и вторым 17 портами измерителя параметров четырехполюсников СВЧ 1.

Аналогично перемножают (в дБ складывают) коэффициенты передачи (потери преобразования) испытуемого СВЧ смесителя 24, и опорного СВЧ смесителя 26,. В результате получают общий коэффициент передачи (в дБ сумму ) общие потери преобразования в случае диодных смесителей. Величину общего сдвига фаз и общих потерь преобразования между первым 15 и вторым 17 портами регистрируют по разности сдвигов фаз и отношению амплитуд сигналов, поступающих со вторичных каналов первого 9 и четвертого 13 направленных ответвителей на первый и пятый входы векторного вольтметра 11. Результаты измерений общего коэффициента передачи и общего сдвига фаз с выхода векторного вольтметра 11 через выходной внешний контакт векторного вольтметра 14 подают на третий вход компьютера управления 40, где их фиксируют в его памяти.

Первая промежуточная частота образуется как разность частот сигналов от генератора испытательных СВЧ сигналов 3 с частотой и генератора СВЧ 22 чистотой которая задаётся первым генератором промежуточной частоты 20, с помощью системы первой фазовой автоподстройки частоты может выбираться любой в его широком диапазоне частот. Конкретно величина первой промежуточной частоты определяется промежуточной частотой испытуемого СВЧ смесителя и поддерживается постоянной с помощью первой системы фазовой автоподстройки частоты состоящей из смесителя фазовой автоподстройки частоты 18, первого фазового детектора 19 и первого генератора промежуточных частот 20, которая работает следующим образом: часть испытательного СВЧ сигнала с частотой от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3, через выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов 4 подают на первый вход смесителя фазовой автоподстройки частоты 18, на второй вход которого поступает сигнал от генератора СВЧ 22 с частотой . Сигнал разностной частоты с его выхода три подают на второй вход первого фазового детектора 19, в котором сравнивают по частоте и фазе сигналом от первого генератора промежуточных частот 20, подаваемом на его первый вход. Сигнал ошибки с выхода первого фазового детектора 19 поступает на вход генератора СВЧ 22, управляя его частотой так, что она с точностью до фазы отличается на величину первой промежуточной частоты от частоты генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 во всём его рабочем диапазоне частот. Первый генератор промежуточной частоты 20 имеет кварцевую стабилизацию частоты, которая может автоматически перестраиваться (качаться) с помощью второго блока управления 41, в диапазоне частот ширина которого задаётся компьютером управления 40 с его пульта управления.

Величина первой промежуточной частоты носит переменный характер, поэтому для дальнейших измерений её сигналы преобразуют во вторую промежуточную частоту с помощью второй системы фазовой автоподстройки частоты, которая состоит из первого смесителя промежуточной частоты 30, второго 37 и третьего 42 генераторов промежуточных частот и второго фазового детектора 38 и работает следующим образом. Сигнал первой переменной промежуточной частоты (на которой работает испытуемый смеситель) с выхода первого генератора промежуточной частоты 20 подают на первый вход первого смесителя промежуточной частоты 30, на второй вход которого поступает вспомогательный сигнал со второго генератора промежуточной частоты 37 с частотой . Разность частот этих двух сигналов () равная второй постоянной промежуточной частоте c третьего выхода первого смесителя промежуточной частоты 30, подают на первый вход второго фазового детектора 38, на первый вход которого поступает сигнал от третьего (кварцевого) генератора промежуточной частоты 42, равный по величине второй промежуточной частоте . В результате сравнения этих двух сигналов по частоте и фазе в втором фазовом детекторе 38 сигнал ошибки с его выхода, подаваемый на второй вход второго генератора промежуточной частоты 37 управляет ей так, что она отличается от первой промежуточной частоты во всём её рабочем диапазоне на величину второй постоянной промежуточной частоты .

В двухканальном супергетеродинном приемнике 2 с целью устранения амплитудно-фазовых погрешностей, возникающих при больших потерях преобразования испытуемого СВЧ смесителя, предусмотрена компенсация этих потерь с помощью включения в цепь его первой промежуточной частоты "устройства компенсации", состоящего из последовательно соединённых усилителя первой промежуточной частоты 32, регулируемого аттенюатора 33, которое работает следующим образом: испытательный СВЧ сигнал от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 через первый переключатель 5 в первом положении его подвижного контакта, и первичные каналы первого 9 и третьего 12 направленных ответвителей и первый порт 15 подают на первый вход испытуемого СВЧ смесителя 24, где его преобразуют в сигнал первой промежуточной частоты испытуемого СВЧ смесителя 24 с выхода три, который через третий 27 и пятый 31 переключатели во втором положении их подвижных контактов поступает на первый вход последовательно соединенных усилителя первой промежуточной частоты 32 и регулируемого аттенюатора 33 с выхода которого испытательный сигнал уже первой промежуточной частоты подают на второй вход первого измерителя отношений сигналов 23, на первый вход которого через второй переключатель 21 во втором положении его подвижного контакта поступает испытательный СВЧ сигнал первого входа испытуемого смесителя 24. В первом измерителе отношений сигналов 23 сигнал из первого и второго его входов сравниваются по амплитуде, а результат сравнения с его выхода подают на второй вход компьютера управления 40, который через первый блок управления 35 регулирует через их вторые входы коэффициенты усиления усилителя промежуточной частоты 32 и коэффициент ослабления регулируемого аттенюатора 33 так, чтобы уровни амплитуд сигналов на первом и втором входах первого измерителя отношений сигналов 23 были равными, что означает равенство общего коэффициента передачи «устройства компенсации» потерям преобразования испытуемого СВЧ смесителя 24.

Затем переводят подвижный контакт второго переключателя 21 в первое положение, а подвижные контакты третьего 27 и пятого 31 переключателей во второе положение их подвижных контактов и с помощью первого измерителя отношений сигналов 23 измеряют общий коэффициент передачи последовательно соединённых усилителя промежуточной частоты 32 и регулируемого аттенюатора 33 настроенных для устранения потери преобразования испытуемого СВЧ смесителя 24, которые затем записывают в память компьютера управления 40 через его второй вход для последующего исключения из результатов измерений при необходимости. Решение о применение устройства компенсации принимают по результатам определения потерь преобразования испытуемого СВЧ смесителя 24 после их измерения.

Затем определяют отношения модулей коэффициентов передачи и разности сдвигов фаз испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей в компьютере 40 раздельно и поочередно.

Для этого испытательный сигнал первой промежуточной частоты подают:

один с третьего выхода испытуемого СВЧ смесителя 24, через третий переключатель 27 и пятый переключатель 31 во втором положение их подвижных контактов и включенный выключатель 28 через шестой переключатель 34 в первом положении его подвижного контакта, подают на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 36.

Другой с третьего выхода опорного СВЧ смесителя 26 через четвертый переключатель 29 в первом положении его подвижного контакта и шестой переключатель 34 во втором положении его подвижного контакта также подают на первый выход второго смесителя промежуточной частоты 36. Очередность раздельного измерения, измерительного и опорного испытательных каналов первой промежуточной частоты определяется положением подвижного контакта шестого переключателя 34.

В случае применения устройства компенсации сигналы первой промежуточной частоты с третьего выхода испытуемого СВЧ смесителя 24 поступают на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 36 через третий 27 и пятый 31 переключатели во втором положении их подвижных контактов, последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты 32, регулируемый аттенюатор 33 и шестой переключатель 34 в первом положении его подвижного контакта на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 36.

Выключатель 28 во включенном состоянии блокирует последовательно соединённые усилитель промежуточной частоты 32 и регулируемый аттенюатор 33.

Последующие измерения испытательного сигнала первой промежуточной частоты с третьих выходов испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей проводят раздельно следующим образом:

Для этого испытательные сигналы первой промежуточной частоты через подвижный контакт шестого переключателя 34 в первом либо во втором положение его подвижного контакта по очереди подают на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 36 на второй вход которого поступает сигнал от второго генератора промежуточной частоты 37. В результате преобразования частоты в котором по формуле () получают сигналы второй промежуточной частоты . Дальнейшие измерения проводят путем сравнения амплитуды и фазы преобразованного по частоте испытательного сигнала второй промежуточной частоты от испытуемого 24 или опорного 26 СВЧ смесителей подаваемых на первый вход второго измерителя отношений сигналов 39, где их сравнивают по амплитуде и фазе с опорным сигналом второй промежуточной частоты , подаваемой на второй вход второго измерителя отношений сигналов 39 от третьего генератора промежуточной частоты 42.

Учитывая, что после калибровки измерителя комплексных параметров СВЧ четырехполюсников 1 уровни амплитуд и разности фаз между его портами 15 и 17 равны между собой, приписывают первому порту 15 амплитуду сигнала , а второму порту 17 амплитуду сигнала и

Обозначают модуль коэффициента передачи испытуемого СВЧ смесителя его сдвиг фаз модуль коэффициента передачи опорного СВЧ смесителя 26 его сдвиг фаз , модуль коэффициента передачи третьего смесителя промежуточной частоты 36, его сдвиг фаз , коэффициент передачи усилителя промежуточной частоты 32 его сдвиг фаз , коэффициент передачи регулируемого аттенюаторa , его сдвиг фаз . Тогда амплитуда сигнала, при включенной системе компенсации, от первого порта 15 пришедшая к первому входу второго измерителя отношений сигналов 39 в первом положении подвижного контакта первого переключателя 5 будет составлять , а сдвиг фаз . Аналогично амплитуда сигнала от второго порта 17 во втором положении подвижного контакта первого переключателя 5 будет составлять , а фаз .

В результате сравнения во втором измерители отношений сигналов 39, по амплитуде и фазе сигналов поступающих от первого порта 15 и второго порта 17 на его первый вход с опорным сигналом второй промежуточной частоты на выходе второго измерителя отношения сигналов 39 получают отношения сигналов с первого порта, 15 к амплитуде и фазе сигнала от третьего генератора промежуточных частот 42, , в виде: и разность сдвига фаз в виде (), аналогично получают отношение сигналов второго порта 17 к амплитуде и фазе сигналов от третьего генератора промежуточной частоты 42 в виде , в виде: и разность сдвига фаз в виде () полученные значения отношения амплитуд и разности фаз выхода второго измерителя отношений сигналов 39 от первого 15 и второго 17 портов подают в компьютер управления 40 через его первый вход, где их фиксируют в памяти. Затем в компьютере управления 40 вычисляют отношение коэффициентов передачи испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей (учитывая, что ) в виде:

и разности сдвига фаз между испытуемым 24 и опорным 26 СВЧ смесителями в виде:

Значение ∆K и ∆φ фиксируется в памяти компьютера управления 40.

При включенной (заблокированной ранее выключателем 28) системе компенсации, модули , и сдвиги фаз , в формулах отсутствуют.

После измерения суммы и разности коэффициентов передачи и сдвигов фаз испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей вычисляют абсолютный коэффициент передачи и абсолютный сдвиг фаз испытуемого 24 СВЧ смесителя. Расчёты которых проводят следующим образом.

В памяти компьютера управления 40 имеются ранее измеренные произведения (сумма в дБ) коэффициентов передачи , полученные в результате последовательного соединения испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей. А также отношение коэффициентов передачи , полученные в результате параллельных измерений испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей. В компьютере управления 40 решается система уравнений:

в результате решения которой находят абсолютные (истинные) значения модулей коэффициентов передачи испытуемого и опорного смесителя и соответственно

В памяти компьютера управления 40 имеется полученные результаты последовательного соединения испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей значение суммы их сдвигов фаз и значение разности их сдвигов фаз полученные в результате параллельных измерений испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей. в компьютере управления 40 решается система уравнений

в результате чего находят абсолютные значения фазовых сдвигов испытуемого 24 и опорного 26 СВЧ смесителей.

Полученные абсолютные (истинные) значения модуля и фазы комплексного коэффициента передачи испытуемого СВЧ смесителя 24 и в виде цифровых величин выводят на экран компьютера управления 40, для выбранной частотной точки диапазона генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 общее количество таких частотных точек, определяемой скоростью их измерения в компьютере управления 40 при качании частоты генератора испытательных СВЧ-сигналов 3. Время измерения в каждой частотной точке определяется скоростью процессов в компьютере управления 40. Общее количество таких точек при качании генератора испытательных СВЧ сигналов 9 в диапазоне частот наблюдают в панораме на экране компьютера 40 в виде амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик испытуемого СВЧ смесителя 24.

Возможно непосредственное наблюдение в панораме амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик испытуемого СВЧ смесителя 24 при качании генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 в его рабочем диапазоне частот, с помощью сравнения испытательных СВЧ сигналов прошедших испытуемый СВЧ смеситель 24 и преобразованных во втором смесителе промежуточной частоты 36 в сигналы второй промежуточной частоты , подаваемых с его третьего выхода на первый вход второго измерителя отношений сигналов 39 путем их сравнения в нём по амплитуде и фазе с сигналами такой же второй промежуточной частоты подаваемых на его второй вход от третьего генератора промежуточной частоты 42.

При этом с целью исключения мешающего действия последовательно включённых в измерительную цепь усилителя промежуточной частоты 32 и регулируемого аттенюатора 33 их вход и выход соединяются вместе с выключателем 28 с выключенным источником питания усилителя 32.

Режим наблюдения в панораме амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик комплексных коэффициентов передачи и измерения их модуля и сдвига фаз испытуемого СВЧ смесителя 24 в диапазоне его промежуточной частоты выполняется путём автоматического качания первого генератора промежуточной частоты 20 и синхронного с ним качания второго генератора промежуточной частоты 37, связанных общей системой автоподстройки частоты и общей системы автоматического качания их частот в диапазоне первой промежуточной частоты с помощью второго блока управления 41. Для осуществления этого режима испытательный сигнал первой промежуточной частоты с выхода три испытуемого СВЧ смесителя 24 подают через третий 27 и пятый 31 переключатели, во втором положении их подвижных контактов, через замкнутый выключатель 28 и шестой переключатель 34 в первом положении его подвижного контакта на первый вход второго смесителя промежуточной частоты 36, на второй вход которого поступает сигнал третьей вспомогательной частоты от второго генератора промежуточной частоты 37. Образованный в нём путём преобразования частоты по формуле ) испытательный сигнал второй промежуточной частоты c его третьего выхода подают на первый вход второго измерителя отношений сигналов 39, на второй вход которого поступает опорный сигнал от третьего генератора промежуточной частоты 42. В результате сравнения по амплитуде и фазе во втором измерителе отношений сигналов 39, этих двух сигналов испытательного сигнала второй промежуточной частоты и опорного сигнала также второй промежуточной частоты информация в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристики комплексных коэффициентов передачи, а также их модулей и сдвигов фаз в цифровом виде в диапазоне промежуточной частоты испытуемого СВЧ смесителя с выхода второго измерителя отношений сигналов 39 поступает на первый вход компьютера управления 40, где обрабатывается и воспроизводится на его экране.

Дополнительно измеритель параметров четырехполюсников СВЧ 1 позволяет определять и комплексные коэффициенты передачи и отражения от испытуемых четырехполюсников СВЧ. Для этого от его портов 15 и 17 отсоединяется двухканальный супергетеродинный приемник 2 и к ним присоединяется испытуемый четырехполюсник СВЧ 16. Для определения параметров четырехполюсника СВЧ 15 применяют два рефлектометра, один из которых образован системой встречно соединённых направленных ответвителей 9 и 12, а другой аналогичный, системой встречно включенных направленных ответвителей 10 и 13, сигналы со вторичных каналов которых преобразуют в постоянную промежуточную частоту, получаемую как разность между частотами сигналов от генератора испытательных СВЧ-сигналов 3 и гетеродина СВЧ 8 в векторном вольтметре 11.

В первом положении подвижного контакта первого переключателя 5 при направлении подачи испытательного СВЧ сигнала от первого порта 15 к второму порту 17 измеряют комплексные коэффициенты передачи матрицы рассеяния первого входа испытуемого четырехполюсника 16, как отношение сигналов на первом и пятом входах векторного вольтметра 11, , а отношение сигналов на первом и четвёртом входах векторного вольтметра 11 как коэффициент отражения входа испытуемого четырехполюсника 16.

Во втором положении подвижного контакта первого переключателя 5 испытательный СВЧ сигнал подают на второй выход испытуемого четырехполюсника 16 и измеряют комплексный коэффициент передачи матрицы рассеяния как отношение сигналов на пятом и четвёртом входах векторного вольтметра 11, отношение сигналов на третьем и пятом входах векторного вольтметра 11 определяет его коэффициент отражения s22 выхода испытуемого четырехполюсника 16.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить поставленную техническую задачу, является новым, имеет изобретательский уровень, а также промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к изобретениям.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и служит для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ устройств с преобразованием частоты. Технический результат - измерение модуля и фазы в диапазоне промежуточной частоты и увеличение точности измерений параметров комплексных коэффициентов передачи. Результат достигается тем, что предложено устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты, содержащее измеритель параметров четырехполюсников СВЧ и двухканальный супергетеродинный приемник, отличающееся от прототипа тем, что дополнительно введены выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов, блок стабилизации частоты, делитель сигналов СВЧ, выключатель, второй фазовый детектор, первый и второй блоки управления, второй и третий генератор промежуточных частот, второй измеритель отношений сигналов. 1 ил.

Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ с преобразованием частоты, содержащее измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, состоящий из генератора испытательных СВЧ-сигналов, первого переключателя, согласованной нагрузки, связанной с первым переключателем, гетеродина СВЧ, первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей, векторного вольтметра, выходного внешнего контакта векторного вольтметра, первого и второго портов измерителя параметров четырехполюсников СВЧ, двухканального супергетеродинного приемника, состоящего из второго переключателя, генератора СВЧ, смесителя фазовой автоподстройки частоты, первого фазового детектора, первого генератора промежуточных частот, первого измерителя отношений сигналов, испытуемого СВЧ-смесителя, опорного СВЧ-смесителя, третьего переключателя, четвертого переключателя, первого смесителя промежуточной частоты, усилителя промежуточной частоты, регулируемого аттенюатора, пятого переключателя, шестого переключателя, второго смесителя промежуточной частоты, компьютера управления, а также испытуемого четырехполюсника, при этом выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым входным контактом первого направленного ответвителя, второй выходной контакт которого соединен с первым входным контактом третьего направленного ответвителя, второй выходной контакт которого через первый порт соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, первым входом испытуемого СВЧ-смесителя и входом испытуемого четырехполюсника СВЧ, выход которого через второй порт соединен с первым входом опорного СВЧ-смесителя и вторым выходом четвертого направленного ответвителя, первый вход которого соединен со вторым выходом второго направленного ответвителя, первый вход которого соединен со вторым неподвижным контактом первого переключателя и согласованной нагрузкой, третьи выходы первого, второго, третьего и четвертого направленных ответвителей, соединен с первым, третьим, четвертым и пятым входами векторного вольтметра, второй вход которого соединен с выходом гетеродина СВЧ, выход векторного вольтметра через выходной внешний контакт векторного вольтметра соединен с третьим входом компьютера управления двухканального супергетеродинного приемника, второй вход которого соединен с выходом первого измерителя отношений сигналов, первый вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя, а также первым входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом регулируемого аттенюатора, выход которого соединен со вторым входом первого измерителя отношений сигналов и первым неподвижным контактом шестого переключателя, выход испытуемого СВЧ-смесителя соединен с подвижным контактом третьего переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с подвижным контактом пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключателя и первым неподвижным контактом четвертого переключателя, подвижный контакт которого соединен с выходом опорного СВЧ-смесителя, второй неподвижный контакт четвертого переключателя соединен со вторым неподвижным контактом шестого переключателя, подвижный контакт которого соединен с первым входом второго смесителя промежуточной частоты, отличающееся тем, что дополнительно введены: выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов, блок стабилизации частоты, делитель сигналов СВЧ, выключатель, второй фазовый детектор, первый и второй блоки управления, второй и третий генератор промежуточных частот, второй измеритель отношений сигналов, первый вход которого соединен с выходом второго смесителя промежуточной частоты, второй вход которого соединен со вторым входом первого смесителя промежуточной частоты и выходом второго генератора промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, второй вход которого одновременно соединен с выходом третьего генератора промежуточной частоты и вторым входом второго измерителя отношений сигналов, выход которого соединен с первым входом компьютера управления, первый выход которого соединен со входом первого блока управления, первый и второй выходы которого соединены со вторым входом усилителя промежуточной частоты и вторым входом регулируемого аттенюатора, выход которого соединен с подвижным контактом выключателя, неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом пятого переключателя, второй выход компьютера управления соединен со входом второго блока управления, второй выход которого соединен с первым входом второго генератора промежуточной частоты, первый выход второго блока управления соединен со входом первого генератора промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом первого смесителя промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом второго фазового детектора, выход генератора испытательных СВЧ-сигналов соединен с первым входом блока стабилизации частоты и через выходной внешний разъем генератора испытательных СВЧ-сигналов с первым входом смесителя фазовой автоподстройки частоты, второй вход которого соединен с входом делителя сигналов СВЧ, первые и вторые выходы которого соединены с вторыми входами испытуемого СВЧ-смесителя и опорного СВЧ-смесителя соответственно, выход смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен со вторым входом первого фазового детектора, выход которого соединен со входом генератора СВЧ, выход которого соединен со входом делителя сигналов СВЧ, а выход блока стабилизации частоты соединен со входом гетеродина СВЧ, второй вход блока стабилизации частоты соединен со вторым входом векторного вольтметра.